Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Измерение пульса по электрокардиосигналу

После обнаружения в конце 19 века электрической активности сердца появилась техническая возможность ее зарегистрировать. Первым, по настоящему, это сделал Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven) в 1902 году, с помощью своего мегадевайса - струнного гальванометра (string galvanometer). Он осуществил передачу ЭКГ по телефонному кабелю из больницы в лабораторию и, по сути, реализовал идею удаленного доступа к медицинским данным. На рисунке 2 изображен струнный гальванометр Виллема Эйнтховена.

Рисунок 2. Струнный гальванометр Виллема Эйнтховена

За свои труды в 1924 году он стал лауреатом Нобелевской премии. Именно Эйнтховен в первые получил реальную электрокардиограмму (название он придумал сам), разработал систему отведений - треугольник Эйнтховена и ввел названия сегментов ЭКС. Самым известным является комплекс QRS - момент электрического возбуждения желудочков и, как наиболее выраженный по своим временным и частотным свойствам элемент этого комплекса, зубец R.

На рисунке 3 изображена электрокардиограмма струнного гальванометра.

Рисунок 3. Электрокардиограмма струнного гальванометра

В современной клинической практике для регистрации ЭКС используют различные системы отведений: отведения с конечностей, грудные отведения в различных конфигурациях, ортогональные отведения (по Франку) и т.п. С точки зрения измерения пульса можно использовать любые отведения, т.к. в нормальном ЭКС R зубец в том или ином виде присутствует на всех отведениях.

Импедансная плетизмография

Импедансная плетизмография - это метод регистрации и исследования пульсовых колебаний кровенаполнения сосудов различных органов и тканей, основанный на регистрации изменений полного (омического и емкостного) электрического сопротивления переменному току высокой частоты. В России часто используется термин реография. Этот способ регистрации ведет свое начала с исследований ученого Манна (Mann, 30-е годы) и отечественного исследователя Кедрова А.А. (40-е годы).

В настоящее время методология способа основана на двух или четырехточечной схеме измерения объемного удельного сопротивления и состоит в следующем: через исследуемый орган с помощью двух электродов пропускается сигнал с частотой от 20 до 150 кГц (в зависимости от исследуемых тканей). Электродная система импедансной плетизмографии приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Электродная система импедансной плетизмографии

Главное условие, предъявляемое к генератору сигнала - это постоянство тока, его значение выбирают обычно не более 10-15 мкА. При прохождении сигнала через ткань его амплитуда модулируется изменением кровенаполнения. Вторая система электродов снимает модулированный сигнал, фактически имеем схему преобразователя импеданс-напряжения. При двухточечной схеме электроды генератора и приемника объединены. Далее сигнал усиливается, из него изымается несущая частота, устраняется постоянная составляющая и остается нужная нам дельта.

Если прибор откалибровать (для клиники это обязательное условие), то по оси Y можно откладывать значения в Омах. В итоге получается вот такой сигнал. Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Примеры временных кривых ЭКГ, импедансной плетизмограммы (реограмме) и ее производной при синхронной регистрации

Из пульсовой кривой можно получить довольно много информации по состоянию кровообращения исследуемого органа, особенно синхронно с ЭКГ, но нам нужен только пульс. Определить его не сложно - нужно найди два локальных максимума, соответствующих максимальной амплитуде систолической волны, вычислить дельту в секундах ?Tи далее BMP = 60/?T.

Оптическая плетизмография или фотоплетизмография

Оптический - это самый распространённый способ измерения пульса с точки зрения массового применения. Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала, получаемого с выхода фотоприемника. Самые первые устройства были применены в клинике и измеряли пульс с пальца в режиме просвета или отражения. Форма пульсовой кривой повторяет реограмму. Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Иллюстрация принципа работы фотоплетизмографии

3. Экспериментальный раздел

3.1 Разработка схемы электрической структурной цифровой части измерителя пульса

Появление микросхем высокого уровня интеграции позволяет с использованием ограниченного их количества решать относительно сложные задачи. В разрабатываемом приборе основным узлом является PIC-контроллера PIC16F84. Это достаточно сложное в функциональном отношении устройство, которое содержит в своем составе все узлы, необходимые для работы:

- производительный восьмиразрядный риск процессор;

- 1К электрически перепрограммируемой памяти на кристалле

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- один многорежимный таймер / счетчик;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- четыре источника прерывания:

- 13 линий ввода / вывода

Как отмечалось ранее, все это позволит значительно повысить эффективность использования проектируемой системы и появляется возможность использования данного устройства не только для измерения пульса, но и времени дополнив основную программу работы контроллера.

Следует отметить, однако, что разрядность линий ввода / вывода не достаточно высока для управления ЖК-индикатором.

3.2 Разработка структурной схемы аналоговой части прибора для измерения частоты сердечных сокращений

Рассмотрим несколько вариантов измерения пульса у человека. Одним из способов зарегистрировать пульс у человека это непосредственное измерение биопотенциала деятельности сердца, которое имеет следующие особенности.

Каждое сокращение сердца сопровождается серией электрических импульсов, наибольший из которых по амплитуде в кардиологии называется R-импульс. Амплитуда R-импульсов, измеренная между кистями рук, колеблется у разных людей в пределах от 0,2 до 1,5 мВ, а частота следования лежит в интервале от 0,8 до 4 Гц. На теле человека кардиосигнал маскируется частотой 50Гц, амплитуда которой может достигать 1 В. На вход биопульсомера поступают также помехи, вызванные изменением биопотенциала в местах контакта электродов с пальцами из-за непроизвольного колебания рук. Обычно эти помехи, имеют низкую частоту от 0,1 до 0,5 Гц. Входные помехи достаточно резко отличаются по частоте от кардиосигнала, потому усилительная часть датчика пульса представляет собой усилитель с полосой пропускания от 0,5 до 12 Гц. На рисунке 7 предоставлена структурная схема реализации данного принципа.

Как видно из схемы активные электроды подключаются ко входу дифференциального усилителя А1. Основное усиление кардиосигнала происходит во втором каскаде А2. В полосе частот от 0 до 12 Гц его коэффициент усиления составляет 80. Связь между первым и вторым каскадами усиления осуществляется через пассивный фильтр С1, R1 с частотой среза около 0,5 Гц. Далее следует активный фильтр второго порядка. Окончательное очищение кардиосигнала от всякого рода помех происходит после активного полосового фильтра, реализованного на А3. Коэффициент передачи в полосе частот от 6,5 до 12Гц около девяти. Последний каскад датчика является устройством обнаружения максимума в кардиосигнале, т.е., выделяет R-импульсы.

Рассмотрим другой принцип регистрации пульса у человека. Этот датчик состоит из генератора и приемника. Выход зондирующего генератора с помощью активного электрода подключается к любой точке тела. Сигнальный электрод прикладывается к поверхности тела.

Приемник состоит из амплитудного детектора и усилителя. Средой, через которую сигнал передается от зондирующего генератора ко входу приемника, является кровь и другие жидкие среды организма.

Поскольку сопротивление перехода кожа - жидкие среды организма при частоте зондирования от 100 до 200 кГц невелико, на поверхности тела индуцируется напряжение, практически равное выходному напряжению зондирующего генератора. Если к телу приложить токопроводящий электрод, изолированный от кожи тонким слоем диэлектрика, то на нем наведается напряжение.

Кровь, обладающая хорошей электропроводимостью, и токопроводящий электрод, изолированный от тела диэлектриком, образуют конденсатор. Его электрическая емкость изменяется в такт с сердечной деятельностью, так как при пульсации эффективная поверхность одной из обкладок этого конденсатора меняется. Таким образом, напряжение, индуцируемое на сигнальном электроде, окажется промодулированным по закону, отражающему изменения пульса.

Данный принцип реализован на структурной схеме, изображенной на рисунке 8. «Электрод 1», который идет от генератора подключается к ладони. «Электрод 2» представляет из себя кольцо из изолированной проволоки и надевается на фалангу пальца. Этот электрод подключается ко входу амплитудного детектора.

На амплитудном детекторе выделяется изменение пульса. Далее включен фильтр, который убирает помехи вызванные колебаниями рук и сетевыми наводками. Усилитель собран на А1 усиливает очищенный кардиосигнал до необходимого уровня. Далее включен формирователь импульсов, который приводит аналоговый сигнал к КМОП уровням и эти импульсы используются для подсчета в цифровой части прибора.

Пульс можно зарегистрировать еще одним способом. Принцип его основан на изменении интенсивности отраженного ИК-луча от прикладываемого пальца.

Датчик пульса состоит из светодиода и фотодиода, работающих в инфракрасном диапазоне. Светодиод излучает непрерывный поток ИК-лучей которые, попадая на палец, отражаются от него и улавливаются фотодиодом. Интенсивность отраженных ИК-лучей зависит от состояния кожного покрова пальца, так и от состояния наполнения капилляров кровью. Поэтому в отраженном луче присутствует информация о пульсации крови. Поскольку амплитуда сигнала с фотодиода составляет всего от 0,5 до 1 мВ то его усиливают в несколько тысяч раз.

Однако, в месте с отраженным ИК-лучом на фотодиод попадает и проходящий сквозь палец видимый свет. От действия ламп накаливания и люминесцентных светильников на выходе фотодиода возникает переменное напряжение с частотой 50 Гц, от которого избавляются, вводя в усилительный тракт НЧ-фильтры.

На рисунке 9 предоставлена структурная схема датчика работающего на этом принципе. Сигнал с фотодиода поступает на предварительный усилитель А1, коэффициент усиления около 10. Далее сигнал поступает на фильтр, который подавляет в сигнале помехи.

Окончательное усиление происходит в усилителе А2. Далее сигнал попадает на формирователь импульсов, который приводит аналоговый сигнал к КМОП уровням и эти импульсы уже используются для подсчета в цифровой части прибора.

3.3 Разработка схемы электрической принципиальной измерителя пульса

Анализируя схему электрическую структурную системы и принцип её функционирования, а также задачи, которые должна реализовать система, необходимо выбрать элементную базу.

В настоящее время имеется широкий выбор радиоэлементов и компонентов, с помощью которых можно реализовать различные схемотехнические решения. К основным требованиям при выборе радиоэлементов относят надежность и практичность в сочетании с низкой стоимостью.

Разработка схемы процессорного узла

В настоящее время существует множество микроконтроллеров, отличающихся разрядностью, потреблением энергии, производительностью и рядом других параметров. Разница между ними может быть столь большой, что выбор той или иной микросхемы может в корне изменить технические характеристики всего прибора в целом. Наиболее перспективным направлением будет использование PIC контроллеров. Основным требованиям, предъявляемым к прибору, является низкая потребляемая мощность и малогабаритность.

- только 35 простых команд;

- рабочая частота 4 МГц;

- 1024 х 14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);

- 36 х 8 регистров общего использования;

- 15 специальных аппаратных регистров SFR;

- 64 x 8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

- восьмиуровневый аппаратный стек;

- прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

- три источника прерывания:

· внешний вход INT;

· переполнение таймера RTCC;

· прерывание при изменении сигналов на линиях порта PORTB;

Архитектура PIC-контроллеров основана на концепции разделения шин областей памяти данных и памяти команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14-битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл.

Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16C84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Порты PORTА и PORTВ, являются двунаправленными портами ввода-вывода с побитовой индивидуальной настройкой на ввод или на вывод и предназначены для обеспечения обмена информации между контроллером и внешними устройствами, образуя 13 линии ввода-вывода.

Порт РORTА - это порт шириной 5 бит. Адрес регистра порта РORTА - 05h. Относящийся к порту РORTА управляющий регистр TRISA находится по адресу 85h. Если бит управляющего TRISA регистра имеет значение единица, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки.

Порт РORTВ - это двунаправленный порт, шириной в восемь бит (адрес регистра 06h). Относящийся к порту РORTВ управляющий регистр TRISB расположен по адресу 86h. Если бит управляющего TRISB регистра имеет значение единица, то соответствующая линия будет устанавливаться на ввод. Ноль переключает линию на вывод и одновременно выводит на нее содержимое соответствующего регистра защелки.

У каждой ножки порта РORTВ имеется небольшая активная нагрузка (около 100 мкА) на линию питания. Она автоматически отключается, если эта ножка запрограммирована как вывод. Более того, управляющий бит RBPU OPTION может отключить все нагрузки. Сброс при включении питания также отключает все нагрузки.

Четыре линии порта РORTВ (RB <7:4>) имеют способность вызвать прерывание при изменении значения сигнала на любой из них. Если эти линии настроены на ввод, то они опрашиваются и защелкиваются в цикле чтения. Новая величина входного сигнала сравнивается со старой в каждом командном цикле. При несовпадении значения сигнала на ножке и в защелке, генерируется высокий уровень. Выходы детекторов «несовпадений» RB4, RB5, RB6, RB7 объединяются по ИЛИ и генерируют прерывание RBIF (запоминаемое в INTCON <0>). Любая линия, настроенная как вывод, не участвует в этом сравнении. Прерывание может вывести кристалл из режима SLEEP. В подпрограмме обработки прерывания следует сбросить запрос на прерывания.

Ножка RB0 совмещена с входом внешнего прерывания INT.

Контроллер PIC16F84 могут работать с четырьмя типами встроенных генераторов. Пользователь может запрограммировать два конфигурационных бита (FOSC1 и FOSC0) для выбора одного из четырех режимов: RC, LP, XT, HS. Кристаллы PIC16XXX могут также тактироваться и от внешних источников.

Генератор, построенный на кварцевых или керамических резонаторах, требует периода стабилизации после включения питания. Для этого, встроенный таймер запуска генератора держит устройство в состоянии сброса примерно 18 мс после того, как сигнал на /MCLR ножке кристалла достигнет уровня логической единицы.

В разрабатываемом приборе контроллер будет тактироваться от внешнего источника построенном на микросхеме К176ИЕ12. Выбор пал на использование именно эту микросхему потому, что в приборе нужен ряд служебных частот.

Микросхема К176ИЕ12 имеет в своем составе кварцевый генератор G с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц и два делителя частоты: СТ2 на 32768 и СТ60 на 60. При подключении к микросхеме кварцевого резонатора она обеспечивает получение частот 32768, 1024, 128, 2, 1.

Импульсы с частотой 128 Гц формируются на выходах микросхемы Т1 - Т4, их скважность равна четырем, сдвинуты они между собой на четверть периода. Эти импульсы предназначены для подключения к жидкокристаллическому индикатору. Частота 1024 Гц предназначена для звукового сигнала будильника.

Принципиальная схема процессорного ядра предоставлена на рисунке 10. К выводу OSC1 подключен выход генератора с частотой колебания 32768 Гц для тактирования. К выводам RB4-RB6 подключена клавиатура. Чтобы она функционировала надо подтянуть эти выводы к высокому уровню. Что означает подключение небольших нагрузок к этим выводам внутри контроллера.

Для реализации хода часов к выводу RB7 подключен выход генератора с частотой колебания 1 Гц.

К выводу RB0 подключается датчик пульса, сигналы с него используются при расчете пульса человека. Для управления дисплеем, который состоит из четырех семи сегментных индикаторов и четырех точек используются семь выводов контроллера это RA0-RA4 и RB1-RB3.

4. Технико-экономический раздел

4.1 Экономическое обоснование разработки

Сравнительные характеристики мобильных пульсоксиметров

Выбор PIC16 при разработке прибора для измерения частоты сердечных сокращений является оптимальным как по техническим показателям:

· Имеющиеся в PIC16 количество портов достаточно для разработки и реализации всех заявленных функций прибора;

· Тактовая частота работы PIC16 и его скорость обработки данных достаточны для снятия показаний с датчиков, их обработки и отображения на индикаторную панель;

· Использование простых компонентов положительно сказывается на надежности и безотказности прибора;

Оценка затрат на закупку аппаратной части прибора измерения частоты сердечных сокращений

4.2 Характеристика качества прибора для измерения частоты сердечных сокращений

· индикация частоты сердечных сокращений;

· тренировочный режим (введение персональных данных);

· в тренировочном режиме на дисплее показываются:

- процентное соотношение текущего пульса к максимальному;

- общее время тренировки;

- средний пульс;

· можно задавать максимальное и минимальное значение пульса;

· при выходе из установленных пределов дисплей мерцает и издается звуковой сигнал;

· часы (индикация времени / индикация даты);

· Простота в использовании / управление при помощи 3 кнопок;

· Удобный для чтения значений измерений ЖК-дисплей;

· Размеры ЖК-дисплея 250*300 мм;

· Интерфейс USB.

4.3 Общие требования потребителей к качеству продукции

Прибор для измерения частоты сердечных сокращений предназначен для измерения частоты пульса пациента. По условиям эксплуатации и категории размещения прибор относится к наземной профессиональной РЭА, группе 7 (портативная аппаратура, предназначенная для длительной переноски людьми на открытом воздухе при облегченных внешних воздействиях или в отапливаемых наземных и подземных сооружениях, работающая и неработающая на ходу) по ГОСТ 15150-69.

Климатическое исполнение прибора У (для районов с умеренно холодным климатом со среднегодовыми экстремумами температуры -40єС…+45єС).

Прибор выполнен на микроэлектронной базе и не содержит специализированных узлов, в его состав входят только стандартные изделия (электрорадиоэлементы).

Общие технические условия на прибор соответствуют ГОСТ 20790-82 «Приборы, аппараты и оборудование медицинские».

Заключение

В ходе выполнения ВКР мною был разработан прибор для быстрой и достоверной индикации пульса. Данный прибор является портативным, прост в обращении и может быть использован в домашних условиях. Основным преимуществом этого прибора является хорошо подобранный датчик, за счет этого прибор приобрел универсальность. Т.е. возможность снимать показания о частоте сердцебиения не только с подушечки пальцев, но и на других частях тела.

Библиографический список

1. Новицкий П.В., Гитис Э.И., Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств, М. - Л., 1977;

2. Нуберт Г.П., Измерительные преобразователи неэлектрических величин, пер. с англ., Л., 1990;

3. Патент РФ автор Царев О.А., Способ определения вязкости крови; опубликовано 20.01.1999 г. G01N33/49;

4. Како Н., Яманэ Я., Датчики и микро - ЭВМ/ пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986. - 120 с.

5. Новиков Ю.Н., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. - М: БИНОМ, 2006 г. - 358 с.

6. Хилл С. Искусство схемотехники /перев. С англ. - Лондон, 1987 г. - 2 тома;

7. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.: Издательство стандартов, 2001. - 325 с.

8. Левшина Е.С., Новицкая П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. Отделение, 1983. - 320 с.

9. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. - Мн.:Белорусь, 1994. - 591 с.

10. ГОСТ 12.2.025-76. Изделия медицинской техники. Электробезопасность. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. - Мир, 1994. - 196 с.

Размещено на Allbest.ru