Курсовая работа (т): Методи вимірювання частоти серцевих скорочень

Наступним я використаю пульсометр на базі п`єзоелектричного датчика тиску.

Застосування п`єзолектричного датчика тиску забезпечує значне зменшення габаритів пристрою та енергоспоживання, підвищує надійність виробу.[4]

Розглянемо компонувальну схему пристрою, який призначений для реєстрації тиску пульсової хвилі.

Пульсометр містить корпус, п'єзоелемент, індикатор, інтерфейс.

П'єзоелемент виконаний у вигляді радіально поляризованого циліндра і жорстко з'єднаний з корпусом клейовим прошарком, товщиною не більше 20 мкм. Клейовий шов забезпечує безперервність зсувів між корпусом і п'єзоелементом. Зовнішній тиск діє на торець і бічні поверхні корпусу, деформація якого передається на п'єзоелемент, що генерує заряд, пропорційний тиску. Інформаційний сигнал через кабель надходить у систему обробки. Принцип дії пульсометра полягає в передачі електронних сигналів роботи серця, які виникають завдяки його скорочень або ударам, від датчика до приймаючого пристрою, який і обробляє їх. У результаті на дисплеї з'являється значення частоти серцевих скорочень.[4]

Схема нормалізації сигналу складається з ідентичних активних фільтрів нижніх частот з частотою зрізу близько 2,5 Гц. Це означає, що максимальне вимірюється значення пульсу становить 150 ударів на хвилину. Операційний підсилювач, використовуваний в схемі - здвоєний операційний підсилювач, що працює від однополярного джерела напруги. Вихідний сигнал має розмах рівний напрузі живлення. Фільтрація сигналу необхідна для блокування високочастотного шуму. Мікроконтролер працює на тактовій частоті 4 МГц, в якості джерела тактової частоти застосований кварцовий резонатор. Мікроконтролер активізує передачу імпульсів. Величина пульсу по закінченню вимірювання відображається на індикаторі [5].

.2 Фотоплетизмографія

Методфотоплетізмографії заснований на реєстрації оптичноїщільності досліджуваної тканини (органа). Плетизмографіядозволяєвідстежувати важливігемодинамічні показникиорганізму (частоту серцевих скорочень, об'ємнушвидкість кровотоку, ударний викидта ін...)не порушуючи йогоцілісності,а в разіфотоплетізмографії, - навіть безнеобхідності організаціїбезпосереднього контакту зтілом пацієнта.

Фотоплетизмограф - це прилад, який визначає зміну розміру органів людини за допомогою фоточутливих елементів, він також може використовуватися для вимірювання пульсу. У цьому випадку реєструєтьсязміна інтенсивності світла від штучного джерелачерез проходження пульсової хвилі. Як правило, для реєстрації використовуються остання фаланга пальця, мочка вуха, зап'ястя або скроня голови.Дуже часто принцип фотоплетізмографії застосовується в різних спортивнихаксесуарах.[7]

Для реєстрації фотоплетизмограми потрібні джерело світла і фотоприймач. Джерелом зазвичай служить світлодіод, а приймачем - фототранзистор або фотодіод. Світло, що випромінюється джерелом, поглинається тілом людини. У першому наближенні можна сказати, що ступінь поглинання залежить від кількості крові в тій точці тіла, де знаходиться датчик. При зміні кількості крові, змінюється поглинання світла і сигнал на виході фотоприймача. По відношенню один до одного джерело і приймач можуть розташовуватисядвома способами. Ці способи називаються «на віддзеркалення» і «напросвіт». У разі «на віддзеркалення» приймач і джерело розташовуються в однійплощині. Світло від джерела потрапляє на шкіру, частковопоглинається і, відбиваючись, потрапляє на приймач. Чутливий елемент складаєтьсяз друкованої плати, знапаяними на неї фототранзистором і світлодіодом. Дріт йдедо вимірювальної коробочки. [7]

Сигнал з фотоприймача надходить на схему посилення і фільтрації. Резистори задають струм світлодіода і робочу точку фототранзистора відповідно.Розділовий конденсатор забирає постійнускладову, яка виникає через освітленість приміщення, де відбувається вимірювання.Підтягуючий резистор зрушуєнапругу в позитивну область (так як підсилювач однополярний). Напруга зсуву подається також в зворотньому зв'язку підсилювача,щоб уникнути насичення. Після посилення сигнал надходить на ще один розділовий каскад, щоб остаточно забрати напругузсуву. Потім відбувається оцифровка даних за допомогою аналогово цифрового перетворювача.[7]

Датчиком реєстрації зміни кровотоку в судинах є спеціальна прищепка, яка містить інфрачервоний випромінювач - світлодіод і приймач - фотодіод. Між випромінювачем і приймачем розташовується палець пацієнта.[8]

Фотодsод підключений безпосередньо до входу диференціального підсилювача з високоомним входом, що забезпечує надійне подавлення синфазної перешкоди, створеною промисловою електромережею.[8]

Всі каскади підсилювача сигналу фотодіода побудовані на операційних підсилювачах з високим вхідним опором і низьким значенням дрейфу нуля, наприклад - TL064. Схемотехніка каскадів підсилювача не відрізняється від класичних, побудованих за допомогою диференціальних, інвертуючих і неінвертуючий ступенів.[8]

Даний прилад оснащений автоматичним регулюванням посилення і зсуву нуля, так як рівень сигналу залежить від індивідуальних особливостей пацієнта. Корекція автоматичного регулювання посилення і рівень сигналу здійснюється програмно і дозволяє адаптувати рівень вимірюваного сигналу під динамічний діапазон вхідних напруг. Адаптація має на увазі використання не менше 70% шкали. [8]

Макет пристрою має два типи підсилювачів: низькочастотний і високочастотний (40 кГц), що дозволяє провести порівняння якості підсиленого сигналу методом прямого посилення (без використання модулюючого коливання) і за допомогою амплітудної модуляції (модулятор - система судин і капілярів із змінним кровонаповненням). Після порівняльного аналізу двох видів підсилювачів встановлено, що при дотриманні загальних радіотехнічних правил монтажу електронних компонентів (з'єднання аналогової і цифрової «землі» в одній точці, використання фільтрів в ланцюгах живлення підсилюючих приладів) різниці в якості підсиленого сигналу немає.[8]

Візуалізація графіка пульсової хвилі, варіабельності і всіх вимірюваних і обчислюваних параметрів проводиться за допомогою графічного рідкокристалічного індикатора WG12864.[8]

Пристрій оснащенийслотом дляSD-карти пам'яті, щодозволяє зберігатиданіна електронному носіїдляподальшого проведенняконтурногоаналізупульсової хвилівжена персональному комп'ютері.[8]

Програмні можливості приладу

Програма мікроконтролера розроблена в середовищі AVR Studio на мові С++ і складається з наступних модулів:

Роботи з аналогово цифровим перетворювачем, що дозволяє міняти частоту дискретизації і керувати швидкістю розгортки на графічному рідкокристалічному індикаторі;

Роботи з інтерфейсом SPI, який служить для обміну даними між пристроєм і стандартною картою пам'яті;

Роботи з вбудованим універсальним асинхронним приймально-передавачем, який забезпечує безпосередній зв'язок з комп`ютером через перетворювач інтерфейсів USB-UART;

Простий цифровий фільтр, який реалізує алгоритм змінного середнього по трьох точках: який згладжує випадкові імпульсні перешкоди і істотно (позитивно) впливає на якість знаходження максимумів і точок перегину пульсової хвилі;

Обчислення амплітудних і тимчасових інтервалів.

Роботи з рідкокристалічним індикатором, що забезпечує виведення графічної (графік функції і гістограму) і символьної інформації (знакогенератор для функцій друку рядка), налагоджені бібліотеки для роботи з рідкокристалічним індикатором фірми «WINSTAR»;

.3 Електрокардіографія

Електрокардіогра́фія (скорочено ЕКГ) - це метод графічної реєстрації електричних явищ, які виникають у серцевому м`язі під час його діяльності, з поверхні тіла. Криву, яка відображає електричну активність серця, називають електрокардіограмою (ЕКГ). Таким чином, ЕКГ - це запис коливань різниці потенціалів, які виникають у серці під час його збудження.[9]

Електрокардіографія є одним з основних методів дослідження серця і діагностики захворювань серцево-судинної системи. ЕКГ є незамінним у діагностиці порушень ритму і провідності, гіпертрофій, ішемічної хвороби серця. Цей метод дає можливість з великою точністю говорити про локалізацію вогнищевих змін міокарда, їх розповсюдженість, глибину і час появи. ЕКГ дозволяє виявити дистрофічні й склеротичні процеси в міокарді, порушення електролітного обміну, що виникають під впливом різних токсичних речовин. ЕКГ широко використовують для функціонального дослідження серцево-судинної системи. Поєднання електрокардіографічного дослідження з функціональними пробами допомагає виявити приховану коронарну недостатність, перехідні порушення ритму, проводити диференційний діагноз між функціональними та органічними порушеннями роботи серця.[9]

Структу расерцевого циклу

На ЕКГ серцевий цикл розділений на зубці та інтервали, кожен з яких відповідає певній фазі розповсюдження хвилі збудження у міокарді <https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%96%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%B4>.

Зубець P відповідає деполяризації передсердь (макс 0,12 сек)

Інтервал P-Q - поширення деполяризації до атріовентрикулярного вузла (проміжок часу від початку збудження передсердь до початку збудження шлуночків)

Шлуночковий комплекс QRS (макс 0,10 сек, але у 21 % населення діагностується розширення комплексу до 0,12 сек, яке не вважається патологією)складається з трьох окремих зубців Q, R, S і відображає розповсюдження збудження тканиною шлуночків.- перший негативне відхилення від ізоелектричної лінії- перший позитивне відхилення- негативне відхилення після R зубця

сегмент S-T повна деполяризація волокон міокарда шлуночків(тому різниця потенціалів не виявляється)

Зубець Т - хвиля реполяризації шлуночківхвиля є непостійним компонентом і може з'являтися при електролітних порушеннях (наприклад, гіпокаліємії)

Вимоги до ЕКГ.

Вхідні кола апарата ЕКГ повинні підсилювати достатньо слабкий сигнал - в діапазоні напруг 0,5-5мВ в поєднанні з постійною складовою до плюс мінус 300мВ, яка виникає при контакті електрода з шкірою, плюс синфазна складова величиною до 1,5 В між електродами та спільним проводом. Смуга частот, що підлягає обробці та аналізу, складає в залежності від виду дослідження від 0,5 Гц до 50 Гц та до 1 кГц при дослідженні водіїв серцевого ритму. Стандартний класичний апарат ЕКГ працює зі смугою частот 0,05-100Гц.[10]

На сигнали ЕКГ можуть накладатися різного роду шуми та перешкоди. Основні з них:

Вплив мережевих завад з частотою 50 Гц (чи 60 Гц) та гармонік мережевої напруги;

Вплив зміни параметрів контакта електрода зі шкірою, що призводить до дрейфу постійної складової;

Скорочення м`язів: при цьому на сигнал ЕКГ накладуються сигнали типу міографи (ЕМГ);

Дихальні рухи викликають зміщення постійної складової;

Електромагнітні наводки від інших електронних приладів, коли провода ЕКГ грають роль антени;

Високочастотні шуми від інших електронних приладів.

Для точної та достовірної реєстрації ЕКГ необхідно прийняти міри для відфільтровування чи усунення перекислених шумів.[10]

2. ОСНОВИ ПОБУДОВИ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ПРИЛАДУ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСТОТИ СЕРЦЕВИХ СКОРОЧЕНЬ

.1 Структурна схема пульсометра

На рисунку 2.1 представлена структурна схема приладу для вимірювання частоти серцевих скорочень - пульсометра.

Рисунок 2.1 - Структурна схема пульсометра

У запропонованому однокристальному мікропроцесорному вимірювачі пульсу (пульсометрі)використаний метод поглинання модульованого світла. Датчик пульсометраскладається з інфра-червоного світлодіода та фотодіода і може розміщуватися на різних частинахлюдського тіла: на пальці,кисті або на вусі. У такому випадку, залежно від розміщення датчика, світлопроходить різний шлях.Коли датчики розміщуються на протилежних сторонах пальця або вуха, то дофотодіода доходитьдостатньо сильний сигнал і може бути легко підсилений та оброблений. Аколи датчики розміщені наодній стороні пальця або вуха, то фотодіод отримує розсіяний сигнал, який єслабким та містить шуми.На нього ще накладаються такі різні зовнішні джерела світла, як сонячне світло та світло від різнихтипів ламп. Тому необхідна ретельна обробка отриманого сигналу для одержання правильного вимірупульсометром. Розроблений пульсометр підтримує всі вище описанірозміщення датчиків,використовуючи апаратні та програмні методи обробки сигналів. [11]

Для зменшення рівня завад пристрій використовує технологію модуляції. Наінфрачервонийсвітлодіод ІСД подається сигнал генератора модульованого сигналу ГМС.Модульований світловийпромінь просікає людську тканину та потрапляє на фотодіод ФД. Сигнал ФД підсилюється іфільтрується смуговим фільтром СФ. Генератор напруги зміщення ГНЗвилучає низькочастотнішуми з сигналу ФД та піднімає рівень сигналу. Вихідний сигнал СФвипрямляється синхроннимамплітудним демодулятором САД. Випрямлений сигнал дискретизуєтьсяінтегруючим АЦП(ІАЦП). АЦП такого типу виконує низькочастотну фільтрацію апаратно, щодозволяє подати навхід АЦП безпосередньо випрямлений сигнал. Для уникнення впливумодуляції на результат, часінтегрування АЦП необхідно встановити таким, який дорівнює цілому числумодульованихімпульсів. [11]

Наступна обробка потоку даних АЦП реалізується програмно. Фільтрнизьких частот ФНЧдодатково вилучає шуми з вихідного сигналу. Для збільшення динамічногодіапазону вхіднихсигналів реалізована система автоматичного контролю підсилення САКП,яка за даними ФНЧзмінює коефіцієнт підсилення СФ. Фільтр високих частот ФВЧ вилучаєпостійну складову зсигналу ФНЧ та розділяє сигнали імпульсів. Ці імпульси виявляютьсядетектором імпульсів ДІ завтоматичним вирівнюванням порогового рівня для зменшення завад.Програмне забезпеченняобраховує частоту пульсу в ударах за хвилину, оцінює мінімальне тамаксимальне значення під частривалого вимірювання та надає різну візуальну інформацію: рівень сигналуФД, стан помилки,режим роботи, рівень підсилення тощо. З метою відлагодження зовнішньогонакопичення таобробки, дані АЦП можуть бути завантажені до ПК через послідовнийінтерфейс. [11]

Система побудована із використанням реконфігурованого процесора PSoCCY8C27443 (абоCY8C24443), який характеризується наявністю реконфігурованих аналоговихта цифрових модулів,функції яких можуть бути змінені під час роботи. Ця властивістьвикористана у цій системі та даєзмогу спростити апаратну частину системи, зменшити енергоспоживання та вартість системи вцілому. Тому зупинимося власне на програмній реалізації, оскільки апаратначастина - простеконфігурування процесора на вказані вище модулі та зв’язки між ними.[11]

Для вимірювання пульсу необхідно вставити палець між світлодіодом та фотодіодом або розігнути діоди та вставити між ними руку. Для завантаження зібраних даних система може виконати обмін даними з PC через послідовний інтерфейс. В таблиці наведено основні технічні характеристики пристрою.[11]

.2 Функціональна схема пульсометра

На рисунку 2.2 представлена функціональна схема пульсометра.

Рисунок 2.2 - Функціональна схема пульсометра

Г - генератор, В1,В2 - вентилі, УА1, УА2, УА3 - лічильники одиниць, десятків та сотень, ПК1, ПК2, ПК3 - перетворювачі коду, КЛ1, КЛ2, КЛ3 - ключі, ІНе - індикатор одиниць, ІНд - індикатор десятків, ІНс - індикатор сотнів, Ф.Вимір - формувач сигналу «вимірювання», Ф.Старт - формувач сигналу «Старт», Ф.Скидання - формувач сигналу «Скидання». [12]

При натисканні та відпусканні кнопки «Скидання» чи після увімкнення живлення блок «Ф.скидання» формує імпульс скидання «Скидання», який встановлює в початковий стан лічильники підрахунку імпульсів «УА1», «УА2», «УА3» (на індикаторах нулі), скидає дільник частоти «Дільник», переводить формувач «Ф.Старт» в стан «Не-Старт», а формувач «Ф.Вимір.» в стан «Вимірювання». Таким чином на вхід лічильника «УА1» не поступають імпульси від датчика, тому що вентиль «В1» замкнутий через відсутність сигналу «Старт». По тій же причині не поступають імпульси від генератора, через вентиль «В2» на вхід дільника «Дільник».[12]

Генератор «Г», разом з дільником частоти «Дільник» та формувачем «Ф.вимір.» створюють таймер, який формує сигнал «Вимірювання», який триває 60 сек. Після натискання та відпускання кнопки «Старт», так як імпульс «Скидання» вже закінчився, блок «Фстарт» формує сигнал «Старт» і тим самим запускає 60-ти секундний таймер (імпульси від генератора «Г» проходять через вентиль «В2» на вхід дільника «Дільник»). Цим же сигналом «Старт» відкривається вентиль «В1» (наявний сигнал «Вимірювання») та розширюється проходження імпульсів «Твх» від датчика на вхід ланцюга лічильників ударів серця «УА1», «УА2», «УА». Вентилі «В1» та «В2» організовані по схемі «І», тому вони пропускають імпульси тільки якщо є сигнал «Старт» та сигнал «Вимірювання», протягом 60 секунд.[12]