АНОТАЦІЯ
В даній курсовій роботі проаналізовані методи вимірювання частоти серцевих скорочень від найпростішої методики намацуванням біля основи кистей рук до аналогових та цифрових методик.
Також розроблені структурна та функціональна схеми пульсоміру - приладу для вимірювання частоти серцевих скорочень.
Проведено розрахунок теплового режиму пристрою з
урахуванням розрахунку габаритних розмірів пристрою та проведено моделювання
теплового режиму пристрою.
ВСТУП
Метою даної курсової роботи є визначення методик вимірювання частоти серцевих скорочень, тобто вимірювання пульсу від найпростішої методики намацування пульсу у людини біля основи кистей рук до аналогових та цифрових методик. Розглянуті основні методики та прилади, що виконані за допомогою цих методик, а саме різні варіації пульсометрів (нагрудний ремінь, пульсометр-годинник, пальцевий фото плетизмограф, ЕКГ апарат).Цифрові методи вимірювання частоти є безпосередніми, тобто частота вимірюється як число імпульсів за фіксований проміжок часу.
В даний час дуже актуально мати при собі пульсометр особливо людям з хворобами серця, яким потрібен постійний контроль за частотою серцевих скорочень, щоб передбачити погіршення стану здоров`я. Пульсометри також необхідні для спортсменів, щоб покращити ефективність тренувань та щоб не перевантажувати свій організм. Чергувати навантаження та відпочинок, що дуже важливо для людського організму.
Також створені структурна та функціональна схеми приладу та їх опис. Зазначення технічних характеристик приладу.Велике значення для поліпшення характеристик медичних приладів має можливість їх дослідження шляхом комп'ютерного моделювання. Більшість сучасних пульсометрів мають функцію передачі даних від приладу до комп`ютера. Використовують дротову передачу чи бездротову.
Проведена розводка плати за допомогою програмного середовища Diptrace. Здійснений розрахунок та моделювання теплового режиму пристроюза допомогою програмного комплексу ТРиАНА. Додані рисунки з зображенням теплового режиму для деталей плати пристрою.
пульсомір серцевий скорочення прилад
1. МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ПУЛЬСУ
Серце - кровоносна система кровоносної системи людини, який наганяє кров в артеріальну систему і забезпечує її повернення по венах. У деяких плазунів (крокодил), птахів, ссавців і людини серце - порожнистий орган, що складається з 4 камер: праве і ліве передсердя, правий і лівий шлуночки. Биття серця контролюється автономною нервовою системою, внутрішнім контролюючим органом є синоатріальний вузол. Імпульси якого провідною системою серця передаються від передсердь до шлуночків.[2]
Нервова регуляція роботи серця
У порожнині серця і в стінках великих судин розташовані рецептори, що сприймають коливання тиску крові. Нервові імпульси, що приходять від цих рецепторів, викликають рефлекси, що налаштовують роботу серця до потреб організму. Імпульси-команди про перебудову роботи серця поступають від нервових центрів довгастого мозку і спинного мозку. Парасимпатичні нерви передають імпульси, що знижують частоту сердечних скорочень, симпатичні нерви доставляють імпульси, що підвищують частоту скорочень. Будь-яке фізичне навантаження, що супроводжується підключенням до роботи великої групи м'язів, навіть проста зміна положення тіла, вимагає корекції роботи серця і може збудити центр, який прискорює діяльність серця. Больові подразники і емоції також можуть змінити ритм роботи серця. Позитивні емоції прискорюють роботу серця, негативні, - знижують його працездатність. [2]
Частота серцевих скорочень
Поняття "Частота сердечних скорочень" і "частота пульсу"
В сучасній літературі під поняттям частоти сердечних скорочень може також фігурувати і частота пульсу. Хоча у великій кількості літератури коли говорять про число ударів в хвилину, то розрізняють поняття "Частота сердечних скорочень" і "частота пульсу". Частота сердечних скорочень - це кількість ударів серця в хвилину, яке вимірюється, наприклад, ЕКГ. Частота пульсу - це кількість імпульсів крові, що виникають в артерії за одну хвилину. Частота пульсу найчастіше вимірюється на зап'ясток, шиї або в паховій області. Частота сердечних скорочень і частота пульсу можуть бути різними. Якщо частота сердечних скорочень і частота пульсу різні, то можна говорити про порушення ритму і робити висновки про певні хвороби. [2]
Взагалі, пульс (Частота сердечних скорочень, ЧСС) - синхронне із скороченням серця періодичне розширення кровоносних судин, видиме оком і визначуване на дотик. При кожному сердечному скороченні артерії пульсують, коли кров проштовхується через них. (Пульс - хвиля коливань, що поширюються по стінках аорти, і що виникають при скороченні лівого шлуночку серця.) [2]
Нормальна частота сердечних скорочень
Частота сердечних скорочень залежить від віку, навантажень і індивідуального обміну речовин. Пульс здорового нетренованого чоловіка в стані спокою - 60-75 ударів в хвилину, жінки - 75-80. При частоті сердечних скорочень за межами 100 ударів за хвилину вимагається медичне обстеження. У людей, що займаються видами спорту, що вимагають витривалості, частота сердечних скорочень складає усього біля 45 - 60 ударів в хвилину. [2]
При фізичному навантаженні, зміні емоційного стану, а також при пов'язаних з дефіцитом гемоглобіну в крові і інших захворюваннях частота пульсу збільшується, оскільки організм людини стандартно реагує на вимогу органам і тканинам підвищеного кровопостачання збільшенням сердечних скорочень. [2]
На частоту пульсу впливає також зростання (зворотна залежність - чим вище зростання, тим менше як правило кількість сердечних скорочень в хвилину), вік (пульс новонародженої дитини в стані спокою дорівнює 120-140 ударам в хвилину, і тільки до 15 років досягає норми), стать (у чоловіків в середньому пульс дещо нижчий, ніж у жінок), натренованість організму (при схильності організму постійним активним фізичним навантаженням пульс в стані спокою зменшується). У професійних спортсменів пульс до навантаження - 40-50 ударів в хвилину. Потім - 90-100. У нетренованих пульс після підняття 7 кг гантелей 100-120 ударів в хвилину. Після нетривалого бігу 120-150 ударів в хвилину. А після серйозної фізичної напруги, такої, як тривалий біг, сильне навантаження на м'язи і тому подібне пульс може досягати 150-205 ударів в хвилину. [2]
Орієнтовне значення максимальної частоти пульсу розраховується по формулі: 220-вік = максимальна частота сердечних скорочень. Значно точніші результати дає тест з навантаженням: після розминки пробігти з максимальною швидкістю 3- 2 хвилини, з паузою в одну хвилину. При цьому вимірюйте пульс.
Дляконтролю якісних характеристик пульсу і сатурації киснем артеріальної крові використовують метод пульсометрії. [2]
Вимірювання частоти серцевих скорочень (методики вимірювання)
Найпростіше пульс визначають намацуванням трьома пальцями біля основи кистей рук зовні над променевою кісткою або на підставі скроневих кісток. Зазвичай пульс рахують протягом 6, 10 і 15 секунд і множать відповідно на 10, 6 і 4 (рахунок протягом 6 секунд застосовують на висоті навантаження), але слід враховувати, що частота пульсу міняється, через це результат може відрізнятися, тому краще відлічити повну хвилину. [2]
Оскільки ЧСС має фізичний зміст частоти - кількості коливань (ударів) за певний проміжок часу, для визначення оптимального методу вимірювання потрібно спочатку розглянути існуючі методи вимірювання ЧСС. Умовно їх можливо поділити на дві групи - аналогові та цифрові. Аналогові методи дають деяку залежність якоїсь фізичної величини (наприклад, напруги) від частоти. Суть полягає в тому, що вимірюється саме ця інша фізична величина, а про значення частоти робиться висновок в залежності від виміряного значення цієї фізичної величини. Таким чином, аналогові методи є непрямими методами вимірювання. Єдиним винятком є метод порівняння за допомогою фігур Ліссажу, який найбільш зручний для кратних частот. [2]
Цифрові методи вимірювання частоти є безпосередніми, тобто частота вимірюється як число імпульсів за фіксований проміжок часу. [2]
Велике значення для поліпшення характеристик
медичних приладів має можливість їх дослідження шляхом комп'ютерного
моделювання. Існує безліч методів та приладів для вимірювання частоти серцевих
скорочень.
.1 Пульсометрія
Дану методику використовують сучасні пульсометри. Найбільш відомі фірми, що випускають пульсометри це Sigma, Beuer,PyleIPolar.
Пульсометр дозволяє визначити такі властивості артеріального пульсу як частота, ритмічність, наповнення пульсу, напруга і висота пульсу, відобразити інформацію в реальному масштабі часу на екрані дисплея, а також передати інформацію для подальшої обробки даних. [1]
Сучасні пульсометри розрізняються по способу передачі даних: на проводні та безпровідні. В проводних пульсометрах передача здійснюється через дріт, але він не є зручним і практичним, однак при цьому, апарат стійко працює при високому ступені радіоперешкод. Останнім часом велику популярність серед користувачів отримує бездротовий пульсометр. Дані від датчика передаються по радіоканалу як в аналоговому так і цифровому вигляді. Недоліком є необхідність зміни елементів живлення, а також порушення передачі даних в умовах сильних радіоперешкод. [3]
Сенсорні пульсометри
Пульс вимірюється за допомогою пальцевого сенсора, вбудованого в годинник. Щоб виміряти пульс, треба доторкнутися пальцем до металевої пластини на годиннику. Це займе приблизно 5-8 секунд. Як бачите, в сенсорних пульсометра немає нагрудного ременя і це, мабуть, їх головна перевага. Однак є й недоліки:
По-перше, через відсутність безперервного вимірювання пульсу можна запросто пропустити момент небажаного виходу з цільової зони пульсу. [13]
По-друге, для вимірювання пульсу вам треба використовувати обидві руки.
Сенсорні пульсометри ідеально підходять для спортивної ходьби, прогулянок, а також для тих, кому необхідно контролювати частоту серцевих скорочень час від часу протягом усього дня. [13]
Приклади сенсорних пульсометрів: Beurer PM15, PM18.[13]
Пульсометри з нагрудним ременем
У пульсометра цього типу на нагрудному поясі є електроди і кардіопередатчик, які вловлюють серцебиття і передають радіосигнал до годинника. Пульсометри з ременем мають ряд переваг: Пульс вимірюється безперервно протягом всього тренування - це значить, ви відразу дізнаєтеся, коли пульс став занадто високим або низьким, і тут же приймете заходи - збільшите або знизите темп; Ваші руки не задіяні у вимірюванні пульсу - можете займатися на тренажерах, брусах, з гантелями або штангою, кататися на лижах, роликах або велосипеді; Пульсометри з нагрудним ременем дуже багатофункціональні - ви зможете налаштувати цільову пульсову зону (наприклад, зону спалювання жиру для схуднення), включити сигналізацію при виході з цієї зони, стежити за витратою калорій під час тренування, а в бігових пульсометра будете контролювати швидкість, відстань і навіть кількість кіл, які пробігли на стадіоні; На біговій доріжці або орбітрек ваш пульс дублюється на дисплеї тренажера за умови, що пульсометр з аналоговою передачею даних; Величезні можливості аналізу результатів: від отримання простого звіту про останньому тренуванні - і до детального аналізу і планування на комп'ютері (залежно від моделі пульсометра). [13]
У пульсометрів з нагрудним ременем всього один недолік - нагрудний ремінь. Незважаючи на те, що зараз виробники роблять ремені максимально комфортними - невеликими, легкими, еластичними, одним словом такими, щоб забути про їх існування, все ж було б краще займатися зовсім без ременя.
При виборі пульсометра зверніть увагу на його функціональність - наприклад, для бігу краще підібрати пульсометр з опцією підрахунку кіл, вимірювання швидкості та відстані, а для їзди на велосипеді - з кріпленням на кермо. В цілому пульсометри з нагрудним ременем підходять для всіх видів спорту.
Пульсометри з нагрудним ременем - це класика і їх абсолютна більшість: пульсометри Suunto, Sigma, практично всі пульсометри Beurer. [13]
Пульсометри на зап'ясті
Такі пульсометри вимірюють пульс безпосередньо на зап'ясті за допомогою електронно-оптичного сенсора, розташованого на внутрішній поверхні годин. Ця інноваційна технологія дає очевидну перевагу - безперервне вимірювання пульсу за відсутності нагрудного ременя. Власне, звідси і головні достоїнства пульсометрів на зап'ясті: Постійний контроль пульсу; Повна свобода рухів без ременя, плюс - немає потрібні його знімати-одягати до і після тренування; Пульсометр можна використовувати як звичайний годинник, а для початку зчитування пульсу досить натиснути кнопку; При сполученні зі смартфоном або іншим сумісним пристроєм можна стежити за швидкістю, темпом, витратою калорій, маршрутом, а також аналізувати і планувати тренування; Використовуються у всіх видах спорту. [13]
Враховуючи вищесказане, і факт стрімкого зростання популярності пульсометрів на зап'ясті, можна припустити, що саме за ними майбутнє.
Серед недоліків треба відзначити поки ще невеликий асортимент цього виду пульсометрів. На сьогоднішній день в Україні представлений тільки один виробник - Mio Alpha. Цим обумовлена і досить висока ціна. Крім того, функціональність нижче, ніж у класичних пульсометрів з ременем. Втім, враховуючи високий попит і регулярний вихід нових програм для MIO Alpha, можна сподіватися, що в недалекому майбутньому ці мінуси будуть усунені.
Пульсометри з нагрудним ременем - це класика і їх абсолютна більшість: пульсометри Suunto, Sigma, практично всі пульсометри Beurer. [13]
Пульсометр складається з датчика інфрачервоного випромінювання, підсилювача та вимірювального пристрою. Джерело і приймач ІЧ-випромінювання встановлені зверху приладу під пластмасовою кришкою. Якщо на неї натиснути пальцем, то мікрокнопка , що знаходиться під нею включає живлення і світлодіод направляє на палець ІЧ-випромінювання. Підшкірні капіляри відображають це випромінювання на приймач - фотодіод. Коли кров наповнює капіляри, вони розширюються, поглинаючи ІЧ-випромінювання. При звуженні судини відбувається відображення випромінювання. [6]
Сигнал з фотодіода надходить на двухкаскадний підсилювач, виконаний на інтегральних мікросхемах. У першому каскаді включений між інвертуючим і неінвертуючим входами операційного підсилювача. Тому постійна напруга на фотодіоді не перевищує 3 мВ.[6]
Амплітуда імпульсної напруги на виході залежить від багатьох факторів, але зазвичай вона не перевищує 10 мВ. Тому основне посилення забезпечує операційний підсилювач, у якого в ланцюзі зворотного зв'язку включено Т-подібне з'єднання резисторів, еквівалентний одному резистору зворотного зв'язку опором 52 МОм.
Для подавлення паразитної частоти 50 Гц, що виникає на виході підсилювача через проникнення світла штучних джерел крізь палець на фотодіод, застосовані два фільтра. [6]
Імпульси позитивної полярності з виходу через узгоджувальний повторювач, що виконаний на транзисторі, надходять на вхід тригера Шмітта, зібраного на двох логічних ТТЛ-елементах. Для запобігання помилкових спрацьовувань тригер Шмітта - стробований. Строб з виходу очікуючого одновібратора подається на вивід 2 двухвходового логічного елемента. Вихідні імпульси формуючого тригера, пройшовши через диференціювальний ланцюжок, запускають очікуючий режим одновібратор, зібраний на логічних елементах, який виробляє калібровані імпульси тривалістю 200 мс. До цього одновібратора підключені: інвертор на транзисторі з світлодіодом в колекторному ланцюзі, що відображає биття серця та двокаскадна схема вимірювача частоти пульсу. Щоб зменшити габарити пульсоміра, у ньому застосований стрілочний прилад на 1 мА і двухтранзисторна схема вимірювання частоти методом заряду і розряду конденсатора. Частота пульсу, а отже, і частота проходження імпульсів очікуючого одновібратора визначає величину струму, що протікає через вимірювальний прилад. Зі збільшенням частоти імпульсів конденсатор буде заряджатися до більшої напруги, і стрілочний прилад покаже більше значення. Заряджений ланцюг конденсатора проходить через відкритий транзистор і резистор. Зважаючи на низьку частоту пульсу (1-2 Гц) і великої величини ємності, стрілка вимірювального приладу досягає свого сталого значення тільки після 10 імпульсів, здійснюючи невеликі коливання біля нього.[6]