Проект пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗМІСТ

Перелік умовних скорочень та позначень

Вступ

1. Аналітичний огляд

1.1 Методи вимірювання артеріального тиску

1.1.1 Загальні відомості про вимірювання артеріального тиску

1.1.2 Аускультативний метод

1.1.3 Пальпаторний метод

1.1.4 Осцилометричний метод

1.1.5 Прямий метод

1.1.6 Вимірювання артеріального тиску за допомогою датчиків тиску

1.2 Мікропроцесори та мікроконтролери

2. Обґрунтування способу побудови функціональної схеми пристрою

3. Розрахунки, що підтверджують працездатність пристрою

3.1 Вибір номіналу обмежуючого резистора

3.2 Розрахунок резистора підствітки РК дисплею

3.3 Розрахунок дільника напруги

Література



ВСТУП

Визначення тиску крові пацієнта є стандартним клінічним вимірюванням, що здійснюється як в амбулаторних умовах, так і в умовах стаціонару. Знання артеріального тиску пацієнта допомагає лікарю оцінити стан серцево-судинної системи хворого. Для визначення тиску у людини використовуються різні прямі (інвазивні) та непрямі (неінвазивні) методи вимірювання. Для кожного з методів повинні бути оцінені ступінь його придатності в даній клінічній ситуації і точність вимірювання.

Метою виконання даної роботи є проектування пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску, вивчення методів вимірювання цих параметрів та засвоєння принципів функціонування цифрових пристроїв.

Дана робота є актуальною, оскільки через надзвичайну важливість таких параметрів організму, як температура та артеріальний тиск, пристрій, що проектується, є необхідним в медицині та побуті.

артеріальний тиск цифровий пристрій вимірювання



1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

1.1 Методи вимірювання артеріального тиску

1.1.1 Загальні відомості про вимірювання артеріального тиску

Артеріальний тиск - один з найважливіших параметрів, що характеризує роботу кровоносної системи. Тиск крові визначається об'ємом крові, що перекачується серцем в одиницю часу та опором сосудистого русла. Розрізняють систолічний та діастолічний артеріальні тиски. Систолічний артеріальний тиск показує тиск в артеріях в момент, коли серце стискається і виштовхує кров в артерії. Діастолічний тиск (мінімаьний тиск в артеріях) показує тиск в артеріях в момент розслаблення серцевого м'яза. Типове значення артеріального тиску здорової людини - 120/80 мм рт. ст. (систолічний/діастолічний). Різниця між систолічним та діастолічним артеріальним тиском в нормі складає 30 - 60 мм рт.ст.

Для вимірювання артеріального тиску (АТ) найчастіше використовуються наступні методи:

- аускультативний метод М.С.Короткова;

- метод прямого вимірювання АТ;

- осцилометричний метод;

- пальпаторний метод;

- прямий метод.

1.1.2 Аускультативний метод

Аускультативний метод вимірювання АТ був запропонований в 1905 р. Н.С. Коротковим. Типовий прилад для визначення тиску методом Короткова (сфігмоманометр або тонометр) складається з пневмоманжети, груші для нагнітання повітря з клапаном, що регулюється, і пристрою, що вимірює тиск в манжеті. В якості подібного пристрою використовуються ртутні манометри, стрілочні манометри або електронні манометри. Вислуховування проводиться стетоскопом, або мембранним фонендоскопом, з розташуванням чутливої головки у нижнього краю манжети над плечовою артерією без значного тиску на шкіру. Систолічний АТ (САТ) визначають при декомпресії манжети у момент появи першої фази тонів Короткова, а діастолічний АТ (ДАТ) - по моменту їх зникнення.

Метод не зазнав серйозних змін за 95 років практичного використання. Змінилася класифікація тонів, що отримали назву тонів Короткова. Перша фаза тонів - їх поява, друга - ослаблення (аж до зникнення, що спостерігається при так званому аускультативному провалі) із заміщенням їх компресійними шумами, третя - посилення тонів, четверта - різке ослаблення, п'ята -повне припинення (іноді відсутній при явищі "нескінченного тону").

Аускультативна методика визнана як референтний метод неінвазивного визначення АТ, не зважаючи на дещо занижені значення для САТ і завищені - для ДАТ в порівнянні з цифрами, отриманими при інвазивному вимірюванні.

Важливими перевагами методу є вища стійкість до порушень ритму серця і рухів руки під час вимірювання. Проте метод має ряд істотних недоліків, пов'язаних з високою чутливістю до шумів в приміщенні, перешкод, що виникають при терті манжети об одяг, а також необхідності точного розташування мікрофону над артерією. Точність реєстрації АТ істотно знижується при низькій інтенсивності тонів, наявності "аускультативного провалу" або "нескінченного тону". Похибка вимірювання АТ цим методом складається з похибки самого методу, манометра і точності визначення моменту прочитування показників, і складає 7-14 мм рт. .

1.1.3 Пальпаторний метод

Пальпаторний метод передбачає поступову компресію або декомпресію кінцівки в області артерії і пальпацію її нижче місця здавлення. Компресійна манжета і зручний варіант вертикального ртутного манометра для пальпаторного методу були запропоновані італійцем Ріва Роччі (1896).Тиск в манжеті піднімався до повного припинення пульсу, а потім поступово знижувався. Систолічний АТ визначається тиском в манжеті, при якому з'являється пульс, діастолічний - моментами, коли наповнення пульсу помітно знижується, або виникає "хибне" прискорення пульсу (pulsus celer) .

1.1.4 Осцилометричний метод

Оригінальна осцилометрична методика Е. Марея (1876) припускала розміщення кінцівки людини у водний плетизмограф, що дозволяє створювати навколо неї регульований тиск здавлення і одночасно реєструвати невеликі пульсації об'єму кінцівки, пов'язані з пульсовим кровонаповненням артерій. Проаналізувавши характер залежності амплітуди цих пульсацій від тиску здавлення, автор запропонував наступні критерії для оцінки АТ. Згідно з осцилометричним методом зниження тиску в оклюзійній манжеті здійснюється ступінчасто і на кожному ступені аналізується амплітуда мікропульсацій тиску в манжеті, що виникає при передачі на неї пульсації артерій. Здавлюючий тиск (при декомпресії), при якому пульсації починають різко рости, відповідає САТ, максимальні пульсації - середньому АТ, починають різко знижуватися - ДАТ.

Осцилометричний метод використовується приблизно в 80% всіх автоматичних і напівавтоматичних приладів, що вимірюють АТ. В порівнянні з аускультативним, осцилометричний метод стійкіший до шумової дії і переміщення манжети по руці, дозволяє проводити вимірювання через тонкий одяг, а також за наявності вираженого "аускультативного провалу" і слабких тонах Короткова.

Використання осцилометричного методу дозволяє оцінити рівень тиску не тільки на рівні плечової і підколінної артерій, але і на інших артеріях кінцівок. Це послужило причиною створення цілої серії професійних і побутових вимірювальних приладів з їх фіксацією на плечі, зап'ясті і спростило вимірювання рівня АТ в амбулаторних умовах, в дорозі, і т.п. Застосування осцилометричного методу дає можливість зменшити вплив людського чинника на процес реєстрації тиску, що дозволяє понизити похибка вимірювання.

1.1.5 Прямий метод

Інвазивний (прямий) метод вимірювання АТ застосовується тільки в стаціонарних умовах при хірургічних втручаннях, коли введення в артерію пацієнта зонда з датчиком тиску необхідне для безперервного контролю рівня тиску. Перевагою цього методу є точність (в тому числі при аритміях), можливість реєстрації АТ при кожному серцевому скороченні. Проте пацієнти з інвазивним моніторингом АТ вимагають спостереження через небезпеки розвитку важкої кровотечі у разі від'єднання зонда, утворення гематоми або тромбозу в місці пункції, інфекційних ускладнень.

1.1.6 Вимірювання артеріального тиску за допомогою датчиків тиску

Датчики тиску мають досить широке застосування. Принцип реєстрації тиску служить основою для багатьох інших типів датчиків, наприклад датчиків маси, положення, рівня, витрат рідини та ін. В переважній більшості випадків індикація тиску здійснюється завдяки деформації пружних тіл, наприклад діафрагми, трубки Прудона, гофрованої мембрани. Такі датчики мають достатню міцність, малу вартість, але в них ускладнено отримання електричних сигналів. Потенціалометрочні (реостатні), ємнісні, індукційні, магнітострикційні, ультразвукові датчики тиску мають на виході електричний сигнал, але порівняно складні у виготовленні.

На даний момент в якості датчиків тиску все ширше використовуються тензометри. Особливо перспективними представляються напівпровідникові тензометри дифузійного типу. Дифузійні тензометри на кремнієвій підкладці мають високу чутливість, малі розміри і легко інтегруються з необхідними периферійними схемами.

Резистивний тензодатчик представляє собою основу із закріпленим на ньому резистивним елементом. Під дією сили основа із закріпленим елементом змінює свої розміри (стискається або розтягується), отже, резистивний елемент також змінює свій опір. Тензодатчик є найбільш відомим перетворювачем сили в електричну величину.

На рис. 1.4 зображено ненаклеюваний тензодатчик, що складається з дрота, натягнутого між двома стійками. Сила, впливаючи на дріт (площею перетину = А, завдовжки = L, з питомим опором = р) спричиняє подовження або стиснення останнього, що призводить до пропорційного збільшення або зменшення її опору:

де, GF характеризує тензочувствітельность (значення 2,0…4,5 - для металів і більше 150 для напівпровідників).

Безрозмірна величина AL/L є мірою сили, прикладеної до дрота, і виражається в мікрострейнах (1 ме = 10^-6 см/см), що є тим же самим, що і мільйонна частина (ppm) (у вітчизняній літературі застосовується термін овд - одиниці відносної деформації, чисельно рівний кількості мікрострейн). З рівності виходить, що чим більша тензочувствітельность, тим більша величина зміни опору і, отже, вища чутливість датчика.

Рисунок 1.4 - Ненаклеюваний дротяний тензодатчик

Наклеюваний тензодатчик (рис. 1.5) складається з тонкого дроту або провідної фольги, закріпленої на плоскій пластині. Ця конструкція приклеюється на основу. Датчик зазвичай встановлюється так, щоб його найбільш довга сторона була орієнтована у напрямі вимірюваної сили. Зазвичай наклеювані датчики використовуються набагато частіше ненаклеюваних.

Рисунок 1.5 - Наклеюваний дротяний тензодатчик

Фольгові датчики (рис. 1.6) є найбільш популярною версією наклеюваних тензодатчиків. Вони виготовляються методом фототравління і використовують ті ж метали, що і дротяні датчики (константан, нихром, сплав нікелю із залізом і т.д.). Дротяні датчики мають малу поверхню зв'язку з зразком основою, щозменшує струми витоку при високих температурах і дає більшу напругу ізоляції між чутливим елементом і основою. З іншого боку, фольгові чутливі елементи мають велике значення відношення площі поверхні до площі поперечного перерізу (чутливість) і стабільніші при критичних температурах і тривалих навантаженнях. Велика площа поверхні і малий поперечний переріз також забезпечують хороший температурний контакт чутливого елементу із основою, що зменшує саморозігрів датчика.



Рисунок 1.6 - Металофольговий тензодатчик

Напівпровідникові тензодатчики використовують п'єзорезистивний ефект, що виникає в деяких напівпровідникових матеріалах, таких як кремній і германій, і використовуються для отримання більшої чутливості пристрою і його вихідного сигналу. Можна зробити так, щоб напівпровідникові датчики мали при їх деформації або позитивний, або негативний сигнал. Їх можна зробити достатньо малими за розмірами при збереженні високого номіналу опорів. Напівпровідникові тензомости мають в 30 разів більшу чутливість, ніж металофольгові, але вони залежать від температури і важко піддаються компенсації. Зміна їх опору від деформації також нелінійна. Для прецизійних вимірювань їх не використовують так само широко, як стабільніші металофольгові, проте, в додатках, де варіації температури малі, а величина чутливості важлива, вони можуть мати певні переваги.

Напівпровідникові датчики тиску дифузійного типу широко використовується для вимірювання артеріального тиску крові, в автомобільній електроніці, в компресорах. Основні проблеми, які характерні для цих датчиків і які ймовірно будуть вирішені в найближчому майбутньому, - це усунення температурної залежності, підвищення стійкості до зовнішнього середовища і збільшення терміну служби .



1.2 Мікропроцесори та мікроконтролери

В приладі, призначеному для вимірювання температури та артеріального тиску, для обробки сигналу і організації інтерфейсу застосовуються мікропроцесори або мікроконтролери. Основними характеристиками контролерів є: число розрядів, тактова частота ядра, тактова частота шини, об'єм кеш-пам'яті і оперативної пам'яті, функції. Універсальні процесори застосовуються для вирішення різних обчислювальних завдань і зазвичай мають повний набір команд CISC. Спеціалізовані мікроконтролери мають вужчий діапазон застосування і зазвичай призначені для керування певним. Вони мають обмежений набір команд RISC, простішу структуру і відповідно низьку ціну. До окремого класу слід віднести цифрові сигнальні процесори, спроектовані спеціально для обробки сигналів в реальному часі (звук, зображення, вимірювальні сигнали).

Архітектура сигнальних процесорів має помітні особливості:

- швидке виконання операцій, характерних для цифрової обробки сигналів (наприклад, операція "множення з накопиченням" зазвичай виконується за один такт);

- цикли із заздалегідь відомою довжиною;

- більшість сигнальних процесорів мають вбудовану оперативну пам'ять, з якої може здійснюватися вибірка декількох машинних слів одночасно;

- детермінована робота з відомими тривалостями виконання команд, що дозволяє виконувати планування роботи в реальному часі;

- досить велика довжина конвеєра;

- в порівнянні з мікроконтролерами, обмежений набір периферійних пристроїв;

- значно менше споживання потужності, ніж у еквівалентних за продуктивністю процесорів загального призначення.

2. ОБҐРУНТУВАННЯ СПОСОБУ ПОБУДОВИ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ

Пристрій призначений для вимірювання температури тіла та артеріального тиску людини зі збереженням інформації на картку пам'яті ММС. Функціональна схема пристрою зображена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Функціональна схема пристрою для вимірювання температури та артеріального тиску.

Пристрій складається з мікроконтролера МК, блоку вимірювання тиску, датчика температури, клавіатури, картки пам'яті, РК дисплею та блоку живлення.

При вимірювання температури тіла датчик температури знаходиться в безпосередньому контакті зі шкірою людини. Виміряний сигнал з датчика поступає на порт Р0 МК. МК обробляє сигнал і за допомогою драйвера керування передає його на РК дисплей.

Блок вимірювання тиску складається з датчика тиску, манжети, насоса, клапана, ФВЧ. При вимірюванні тиску на руку людини вдягається еластична манжета. Повітря накачується в манжету за допомогою насоса. Після встановлення в манжеті високого тиску насос вимикається і повітря випускається з манжети через клапан, що призводить до плавного зниження тиску в манжеті. Формування сигналів керування двигунами насоса та клапана здійснює МК.

При стисканні руки пацієнта манжетою можна спостерігати невеликі пульсації тиску (шум) в манжеті (рис. 2.2, пунктир). Це відбувається внаслідок зміни тиску при циркуляції крові в організмі пацієнта. Сигнал з виходу датчика тиску фільтрується за допомогою ФВЧ, який спроектовано на частоту 1 Гц, і посилюється. Так отримується сигнал серцебиття. Він показує зміну в сигналі тиску і є графічним зображенням серцевого ритму пацієнта (рис. 2.2, суцільна лінія).З виходу ФВЧ сигнал поступає на вхід "+" компаратора. На вхід "-" компаратора подається еталонна напруга. Імпульси, що перевищують рівень еталонної напруги, призводять до появи сигналу на виході компаратора. Таким чином, компаратор починає працювати при появі тонів Короткова . Тиск, що фіксується за допомогою АЦП МК в момент появи тонів Короткова, відповідає значенню САТ, а тиск, що фіксується в момент їх зникнення - ДАТ. САТ і ДАТ визначаються за допомогою простого осцилометричного способу. При пониженні тиску в манжеті, амплітуда сигналу серцевих скорочень зростає, як тільки тиск в манжеті опуститься до значення тиску систоли пацієнта. При подальшому пониженні тиску в манжеті амплітуда пульсацій збільшується, поки не досягає максимального значення в точці так званого середнього артеріального тиску, а потім швидко знижується, поки не досягне точки тиску діастоли. Виміри тиску, які відповідають САТ і ДАТ зберігаються в пам'яті МК і виводяться на РК дисплей після закінчення циклу вимірювання.

Одночасно результати вимірювань зберігаються на КП типу ММС. Занесення данних до КП здійснюється за допомогою інтерфейсу SPI, який входить до складу МК. Виводи SPI інтерфейсу програмно скомутовані на порт Р2 МК. За допомогою клавіатури можна зберегти результати вимірювання, очистити пам'ять, вивести на РК дисплей попередні результати вимірювань, збережені на картці.

Клавіатура містить 4 кнопки: "Старт ", "Меню", "Далі", "ОК". Кнопка "Старт " ініціює початок процесу вимірювання. Натискання кнопки "Меню" призводить до висвітлення на дисплеї функцій пристрою ("Вимірювання температури", "Вимірювання температури і тиску", "Перегляд результатів попереднього вимірювання", "Збереження результатів вимірювання", "Очистка картки пам'яті"). Натискання кнопки "Далі" дозволяє циклічно перебирати всі можливі функції пристрою, зупиняючись на потрібній. Натискання кнопки "ОК" дозволяє активувати потрібну функцію.

DC-DC перетворювач дозволяє забезпечувати стабільне живлення МК. Напруга на вході DC-DC перетворювача може змінюватися в межах 4,5 - 9 В. При цьому на виході перетворювача напруга стабільна - 5 В.

Супервізор забезпечує утримання МК в режимі RST (скидання). Це відбувається у двох випадках. В першому випадку, при включенні живлення сигнал RST видається на МК, коли робоча напруга не перевищила порогової напруги супервізора. В другому випадку, якщо в процесі роботи пристрою робоча напруга зменшилася нижче порогової напруги, супервізор видає імпульс скидання на МК. МК знаходитиметься в режимі RST до тих пір, поки напруга живлення не перевищить порогову напругу супервізора. Загорання діода VD1 свідчить про те, що супервізор видає сигнал внаслідок проблем з живленням.



Рисунок 2.2 - Тиск в манжеті (пунктир) та серцевий ритм (суцільна лінія)



3. РОЗРАХУНКИ, ЩО ПІДТВЕРДЖУЮТЬ ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ ПРИСТРОЮ

3.1 Вибір номіналу обмежуючого резистора

Світлодіоди загального призначення (для індикації) задовільно працюють при струмах від 3 мА до 20 мА. Вихідна напруга супервізора МАХ811 становить 0,4 В при вихідному струмі 3,2 мА.

Для розрахунку обмежуючого резистора розглянемо фрагмент принципової схеми пристрою, на якому зображено супервізор DD6, світлодіод VD1 і резистор R10, що розраховується (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Підключення світлодіода до супервізора

Типове значення напруги на світлодіоді, що горить, дорівнює 1,5 В. Тоді падіння напруги на обмежуючому резисторі U_R10 складе

,

при мінімальному струмі I = 5 мА. Номінал резистора визначається за законом Ома:

;

Найближчий номінал зі стандартного ряду Е24 складає 620 Ом.

3.2 Розрахунок резистора підствітки РК дисплею

Розрахуємо резистор підсвітки РК дисплею R14 (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Включення підсвітки РК дисплею

Згідно з довідниковими даними підсвітка РК дисплею ВС2004В1 для задовільної роботи потребує струм 100 мА. При цьому падіння напруги на світлодіодах підсвітки дорівнює 4,2 В.

В проектованому пристрої живлення підсвітки здійснюється безпосередньо від блоку з 4 батарейок, загальна напруга яких становить 6 В. Тоді падіння напруги на обмежуючому резисторі складе

; ;

Отже, за законом Ома:

,



Номінал зі стандартного ряду Е24 складає 18 Ом.

3.3 Розрахунок дільника напруги

Розрахуємо дільник напруги, за допомогою якого формується еталонна напруга на вхід "-" компаратора (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Дільник напруги

На дільник R8R9 подається напруга U_живл = 3,3 В. Максимальний вхідний струм І_вх компаратора становить 1 нА.

Щоб запобігти впливу вхідного струму компаратора на джерело еталонної напруги, в якості якої виступає дільник, необхідно, щоб струм дільника значно перевищував вхідний струм компаратора.

Приймемо струм дільника І_д = 1 мА. Тоді сумарний опір резисторів R8 та R9 становить:

,

.

Згідно з рис. 2.2 визначення САТ і ДАТ здійснються тоді, коли значення напруги U_е з виходу ФВЧ перевищує 1,5 В. Отже, за законом Ома опір резистора R9

,

Тоді опір резистора R8 становить: (кОм).

Номінал зі стандартного ряду Е24 складає 1,8 кОм для резистора R8 і 1,5 кОм для резистора R9.



ЛІТЕРАТУРА

1. Медицинские приборы. Разработка и применение. / Ред. Л.Г. Меркурьева, С.В. Ревенко. - М.: Медицинская книга, 2004. - 720с.

2. http://www.monitorad.ru/index.aspx?pg=3. Методы измерения артериального давления.

3. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 120 с. (6)

4. http://autexspb.da.ru. Методы практического конструирования при нормировании сигналов c датчиков.

5. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/310104/FREESCALE/MPXV5050.

Размещено на Allbest.ru

...