64674

Разработка и расчет реокардиографической системы

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Наименование и область применения изделия. Наименование и обозначение изделия полное и сокращенное. Полное наименование документов и номера их позиций на основании которых планируется разработка изделия организации утвердившие эти документы и дата утверждения в том числе номер и дата рекомендации...

Русский

2014-07-09

701.32 KB

183 чел.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ                              БИОМЕДИЦИНСКАЯ ТЕХНИКА___________________        

                                    

КАФЕДРА  ___ МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ _____

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему:

____________________Разработка и расчет реокардиографической системы___________________

   Студент    ___________________________                     _________Имшенецкая А.Г.____________

(Подпись, дата)                            (И.О.Фамилия)         

Руководитель курсовой работы  _______________________     _______Тихомиров А.Н.______

(Подпись, дата)                            (И.О.Фамилия)  

Москва, 2014

Содержание

1. Обзор методов неинвазивной оценки параметров гемодинамики…………………3

2. Биофизические основы метода реографии …………………………………………..6

3. Обзор существующих приборов и систем для реографии….……………………….11

4. Разработка медико-технических требований на реограф………………………….15

5. Разработка структурно-функциональной схемы реографа………………………..23

6. Расчет основных элементов принципиальной схемы биоусилителя……………..25

6.1 Выбор инструментального усилителя………………………………………25

6.2 Детектор……………………………………………………………………….27

6.3 АЦП…..……………………………………………………………………….28

6.3 Расчет  и моделирование фильтров………………………………….………29

7. Выводы…………………………………………………………………………….….35

8. Список используемой литературы……………………………………………..……36


1. Обзор методов неинвазивной оценки параметров гемодинамики.

Распространённость сердечно-сосудистых заболеваний определяет актуальность разработки новых и эффективных компьютерных технологий для их диагностики, лечения и прогнозирования, т.е. для оценки функционального состояния системной гемодинамики и жидких сред организма. Разработка новых методов исследований, обеспечивающих диагностику функционального состояния сердечно-сосудистой системы, заключается в поиске доступных для широкого применения новых методов и показателей количественного определения интенсивности кровоснабжения. В настоящее время функциональная диагностика располагает достаточно информативными прямыми и косвенными методами оценки состояния сердечно-сосудистой системы.

Прямые (инвазивные)  методы обладают достаточно высокой точностью измерения, однако оказывают в первую очередь травматическое воздействие на пациента. Практически невозможен длительный выборочный контроль и мониторное наблюдение.

Косвенные (неинвазивные) методы исследования характеризуются менее высокой точностью, но обычно позволяют осуществлять длительный и непрерывный контроль параметров кровоснабжения в динамике.

В медицинской практике используются такие косвенные методы, как:

  1.  электрокардиография (ЭКГ);
  2.  фонокардиография (ФКГ);
  3.  фотоплетизмография (ФПГ);
  4.  измерение и мониторирование артериального давления (АД);
  5.  ультразвуковые методы (УЗИ);
  6.  магнитно-резонансная томография (МРТ);
  7.  реоплетизмографический (РПГ) или биоимпедансный метод (БИМ).

  1.  Наиболее распространенным инструментальным методом изучения сердца является электрокардиография, основанная на принципе измерения потенциалов с поверхности тела человека при помощи электродов. Помимо точности, надежности и достоверности измерений, оперативности получения данных, преимуществом электрокардиографии является то, что, не смотря на свою сложность, электрокардиограф прост в обращении, и медицинский работник соответствующей квалификации без труда умеет с ним обращаться и при необходимости может быстро освоить и другую медицинскую технику.
  2.  Фонокардиография - это широко известный метод исследования сердечно-сосудистой системы, заключающийся в графической регистрации звуковых явлений (тонов и шумов), возникающих при сердечной деятельности. С помощью фонокардиографии врач также может проводить аускультацию (выслушивание) грудной клетки. Звуковые колебания, возникающие при работе сердца, распространяются в направлении тока крови. Сравнивая различную интенсивность этих звуков в общепринятых точках аускультации сердца, можно определить, какие нарушения в работе сердца вызвали появление шумов, изменение тонов и т.д.
  3.  Фотоплетизмография – метод, основанный на измерении оптической плотности; производят  непрерывную графическую регистрацию изменений объёма, отражающих динамику кровенаполнения сосудов исследуемых органов, части тела человека или животного
  4. Для измерения артериального давления в настоящее время применяются механические (анероидные) и электронные измерители. Механические измерители, основанные на использовании метода Короткова (метод заключается в полном пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, возникающих при медленном выпускании воздуха из манжеты), в основном применяются в профессиональной медицине, так как без специального обучения допускаются погрешности в показателях. Для домашнего использования наиболее подходят полуавтоматические и автоматические электронные тонометры. При этом используется осциллометрический метод. Он основан на регистрации тонометром пульсаций давления воздуха, возникающих в манжете при прохождении крови через сдавленный участок артерии.
  5.  Ультразвуковые методы. Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сканирование, сонография) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.
  6.  Магнитно-резонансная томография — томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса — метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.
  7.  Биоимпедансный метод, наиболее известный как реографический, является одним из наиболее удобных и перспективных методов мониторного контроля гемодинамики. Биоимпедансные методики отличаются безвредностью, технической простотой, удовлетворительной биофизической обоснованностью и достоверностью, хорошей воспроизводимостью результатов, пригодностью для частого повторного применения. Они используются не только для обследований в естественных, нормальных для человека условиях, но и при мониторинге в нагрузочных и экстремальных состояниях.

Методики реографических исследований.

  1.  Реоэнцефалография – неинвазивный метод исследования сосудистой системы головного мозга. Реоэнцефалографическое исследование позволяет получать объективную информацию о тонусе, эластичности стенки и реактивности сосудов мозга, периферическом сосудистом сопротивлении, величине пульсового кровенаполнения. Достоинства метода – его относительная простота, возможность проведения исследований практически в любых условиях и в течение длительного времени, получение раздельной информации о состоянии артериальной и венозной систем мозга и о внутримозговых сосудах различного диаметра.
  2.  Реопульмонография – заключается в регистрации электрического сопротивления тканей легких, применяется при бронхолегочной патологии. Особое значение имеет в хирургии, так как реопульмонограмма может быть снята с любого участка легкого непосредственно во время операции. Это необходимо в случаях, когда
    дооперационное обследование не позволяет с достаточной точностью дать
    заключение о состоянии сегментов легкого, пограничных с пораженными, и надо уточнить предполагаемый объем резекции.
  3.  Реовазография – метод исследования интенсивности периферического кровообращения, оценки состояния сосудистого тонуса, выраженности коллатерального кровообращения, оценки состояния венозной системы.
  4.  Метод грудной (трансторакальной) реографии используется для косвенного неинвазивного определения основных показателей центральной гемодинамики – ударного и минутного объемов и общего периферического сопротивления. До сих пор для определения ударного и минутного объемов применялись инвазивные методы. Одна из наиболее актуальных областей применения грудной (трансторакальной) реографии – оперативная диагностика центральной гемодинамики в отделениях реанимации и интенсивной терапии.

2. Биофизические основы метода реографии.

Реография – метод графической регистрации изменений сопротивления живых тканей или органов, обусловленных как пульсовыми, так и медленными колебаниями их кровенаполнения.

Метод реокардиографии применяют для исследования сердечной деятельности, основанный на измерении изменений полного электрического сопротивления грудной клетки, связанных с динамикой кровенаполнения сердца и крупных сосудов в течение сердечного цикла. Применяют реокардиографию для изучения гемодинамики в малом круге кровообращения, фазового анализа сердечного цикла, а также для неизнвазивного определения величины ударного объема сердца.

Изменения импеданса участков живой ткани или органов между электродами измерительной схемы, вызываемые колебанием их кровенаполнения, преобразуются в изменения напряжения на выходе схемы, которые затем усиливаются с помощью электронного усилителя и детектируются в виде реограмм.

Биологические объекты с физической точки зрения являются проводниками особого рода, характеристики которых отличают их от любых других проводников. Биологические системы отличаются от других систем сложностью, вариабельностью элементов электрических характеристик аналогичных объектов и высокой динамичностью, обусловленной необходимостью постоянного приспособления к изменяющимся условиям внешней среды. Живые ткани представляют собой сложную гетерогенную структуру, состоящую из областей с различной проводимостью.

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость и сыворотка крови, несколько меньшую – цельная кровь и мышечная ткань, значительно меньше электропроводность жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками являются роговой слой кожи и костная ткань.

Электропроводность (g) - величина, обратная сопротивлению проводника:

где r – велична, характеризующая электрическое сопротивление.

При исследованиях тканей биологических объектов обычно определяют не электропроводность, а сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника выражается формулой:

где ρ – удельное сопротивление, l – длина проводника, s – сечение проводника.

Первые исследования характеристик биологических объектов проводились на постоянном токе и показали, что удельное сопротивление живых тканей измеряется величинами до 105 [Ом*см], что относит их к группе проводников.

Сопротивление участков тела при постоянном токе и электродах площадью 4-5 см2 обычно лежит в пределах 5-10 кОм, а при точечных электродах может достигать 100 кОм.

Измерениями установлено, что при прохождении постоянного тока через живые ткани сила тока I0 не остается постоянной во времени, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать до тех пор, пока не установится на более низком постоянном уровне (IT). Это объясняется тем, что при прохождении тока через биосистему в ней возникает встречная ЭДС и обусловливает появление в тканях биологической системы поляризационной емкости:

Где Ср – поляризационная емкость, R – сопротивление, I – сила тока, I0 – начальная сила тока, IT – конечное значение силы тока.

Изменение силы тока в цепи имеет нелинейный характер, что соответственно свидетельствует о нелинейности сопротивления биологической ткани. Тогда закон Ома для БО записывают в виде:

Где V – разность потенциалов, P(t) – ЭДС поляризации как функция времени.

Поляризационная емкость различных биологических объектов, измеренная при постоянном токе, а также при токе низкой частоты от 50 до 500 Гц достигает больших величин – от 0,1 до 10 мкФ/см2.

При пропускании переменного тока через живую ткань в ней возникают также, хотя и в меньшей степени, чем при постоянном токе, поляризационные явления, складывающиеся в основном из внутритканевой поляризации и поляризационных явлений на границе электрод – ткань.

Полное сопротивление живой ткани переменному току определяется суммой активного и емкостного сопротивлений:

Модуль полного сопротивления:

Электрическое сопротивление БО в большой степени зависит от частоты переменного тока. На низких частотах поляризационные явления характеризуются большим значением поляризационной емкости и активного сопротивления. Соответственно с ростом частоты поляризационные эффекты в тканях уменьшаются, а на частотах выше 500 кГц практически отсутствуют.

Рис. 1. Амплитудно-временные параметры РКГ сигнала

(S/, Т/ - моменты начала и окончания изгнания, Г1, Г2 – зоны соответствующие моментам формирования Q и S зубцов на ЭКГ, PEP – период изометрического сокращения сердца, ELVET – период изгнания крови левым желудочком сердца, Ad – амплитуда первой производной сигнала РКГ, R(B) – R(T) – разность сопротивлений между точками В и Т)

Для регистрации реограмм используют специальные приборы — реографы, выполненные, как правило, в виде приставок к многоканальным регистрирующим устройствам (полиграфам, электрокардиографам). Основными элементами реографа любой модификации являются генератор тока высокой частоты (обычно не менее 30 кГц), подаваемого через токовый электрод к исследуемому участку тела: датчик-преобразователь «импеданс — напряжение», соединяемый с исследуемым участком тела электродом напряжения (потенциальным); детектор; усилитель сигналов датчика-преобразователя; калибрующее устройство с дискретно включаемыми в электрическую цепь стандартными сопротивлениями (0,01; 0,05; 0,1; 0,2 Ом).

В приборах, конструкция которых позволяет регистрировать не только изменения величины импеданса, но и скорость этих изменений (так называемая дифференциальная реограмма), предусмотрена калибровка кривых в размерности Ом/с. В зависимости от конструкции прибора для записи реограмм могут использоваться одна или несколько из применяемых систем отведений: биполярная, при которой токовые и потенциальные электроды совмещены и представлены двумя электродами, накладываемыми на полярные точки исследуемого участка тела; тетраполярная, при которой между двумя отдаленно расположенными на теле токовыми электродами помещают два потенциальных электрода для измерения изменений напряжения на участке тела между ними; фокусирующая, при которой взаимное положение потенциального (центрального) и токового электродов позволяет проводить локальное (фокусированное) исследование глубоко лежащих органов и тканей.

В реографии преимущественно используется тетраполярная схема наложения электродов реже – биполярная.

Рис.2 Биполярная схема наложения электродов.

Рис.3 Тетраполярная схема наложения электродов.

Для записи реограмм используют посеребренные электроды, электроды из алюминия, свинца, нержавеющей стали, меди, латуни, алюминиевой фольги и др. Форма и размер электродов зависят от цели и области исследования. Необходим надежный контакт электродов с кожей для уменьшения переходного сопротивления на границе электрод-кожа; с этой целью рекомендуется обезжиривать кожу под электродами спиртом; целесообразно также применение электродной пасты (смазывание ею нижней поверхности электродов) или помещение под электроды однослойных фланелевых прокладок, смоченных 20% раствором хлорида натрия. При динамических исследованиях важно, чтобы электроды располагались в одних и тех же местах. Запись реограмм производят при скорости лентопротяжки 25—50 мм/с.

3. Обзор существующих систем для реокардиографии.

Реограф "Диамант-Р"(производитель – Россия).

4-х канальный, 3-х частотный реограф "Диамант-Р" для исследования центральной и периферической гемодинамики, жидкостных секторов и структуры тела

 Рассчитывается более 70-ти показателей: ударный и минутный объемы крови; ударный и сердечный индексы; частота сердечных сокращений; показатели гемодинамической обеспеченности; реографический, дикротический, диастолический индексы; длительность анакротической и дикротической фаз; время распространения систолической волны; венозный отток; количество внеклеточной, внутриклеточной жидкости, общее количество жидкости и другие.

Возможности и особенности комплекса: синхронная регистрация, автоматическая обработка реограмм; мгновенное получение синдромальных заключений по выбранным методикам исследований, оценка функциональных проб; контроль динамики изменений состояния пациента; база данных и электронная карта для каждого пациента; принтерная печать на обыкновенную бумагу формата А4; существует возможность "наращивания" комплекса, совершенствования и добавления в комплекс новых методик исследований и новых программных средств.

 

Реограф «Мицар – РЕО» (производитель -  Россия)

Комплекс предназначен для проведения клинических исследований системы кровоснабжения методом реографии как в условиях медицинских учреждений, так и при выездных обследованиях. Прибор, комплекты кабелей и электродов, пакет программного обеспечения для Windows позволяют проводить регистрацию и компьютерный анализ реограмм по методикам: реоэнцефалографии (РЭГ), реовазографии (РВГ), тетрополярной грудной реографии (ТГР) по Кубичеку, интегральной реографии (ИРГТ) по Тищенко, реографии лёгочной артерии (РЛА), реогепатографии (РГГ), реоофтальмографии (РОГ) и кардиоритмографии (КРГ) как на стационарном персональном компьютере, так и на портативном компьютере типа Notebook.

Подключение к компьютеру через последовательный (USB) порт. Схема регистрации: биполярная или тетраполярная. Длительность регистрации ограничена только объемом жесткого диска.

Реограф-полианализатор РГПА-6/12 РЕАН-ПОЛИ

Производитель: МЕДИКОМ-МТД НПКФ, ООО (Россия).

Реограф-полианализатор РГПА-6/12 РЕАН-ПОЛИ предназначен для комплексного исследования кровообращения.

Различные модификации реографа: 2 или 6 реографических и 2 или 6 полиграфических каналов (ЭКГ, ПГ, СКГ, ФПГ, КГР, ЭЭГ и т.д.).

Исследование центральной гемодинамики (реокардиография): тетраполярная грудная реография по Кубичеку или Шрамеку, интегральная реография по Тищенко, реография аорты и легочной артерии (съем может производиться с одновременной регистрацией сейсмокардиограммы, повышающей точность оценки периода изгнания), определение сердечного выброса, классификация гемодинамического синдрома и оценка фазовых характеристик сердечной деятельности.

Полиреокардиография: синхронная регистрация и анализ тетраполярной грудной реограммы, реограммы аорты и лёгочной артерии для оценки системного кровотока в большом и малом круге кровообращения при ранней диагностике сердечной недостаточности, гипертонии и гипотонии.

Компьютерный реограф РЕОПРОЦЕССОР (на базе реографа РГ4-5Ц/ КРЕДО)

Производитель  - Россия

Компьютерный реограф РЕОПРОЦЕССОР (на базе реографа РГ4-5Ц/ КРЕДО) - для исследования гемодинамики головного мозга методом реоэнцефалографии (РЭГ) и выявления заболеваний сосудов конечностей методом реовазографии (РВГ), а также обследований по методикам РПГ, РГГ, РНГ, РОГ, ТГР, ИРГТ.

Реографический программно-аппаратный комплекс позволяет осуществлять одновременную визуализацию на экране дисплея в реальном времени и в режиме «стоп-кадра» реограмм и их первых производных по 4-м каналам, а также ЭКГ по одному каналу.

АРМ позволяет производить автоматические измерения основных параметров реоволны и вычисление реографических индексов.

Программное обеспечение предусматривает выдачу на экран и на печать результатов анализа реограмм в текстовом виде с учетом возраста пациента, предварительного диагноза и результатов предшествующих обследований пациента, хранящихся в базе данных.

Базовая комплектация предусматривает методики: реоэнцефалография (РЭГ) и реовазография (РВГ)

Дополнительно комплекс РЕОПРОЦЕССОР может быть укомплектован следующими методиками: реопульманография (РПГ), реогепатография (РГГ), реонефрография (РНГ), реоофтальмография (РОГ), тетраполярная реография по Кубичеку (ТГР), интегральная реография по Тищенко (ИРГТ).

Реограф «Рео – Спектр – 2» (производитель - Россия)

Реограф РЕО-СПЕКТР-2 - 4-канальный многофункциональный компьютерный реограф.4 реографических канала с временным разделением обеспечивают высококачественную регистрацию многоканальной "идеально чистой" реограммы без взаимовлияния каналов. Задаваемый индивидуально для каждого канала тетраполярный или биполярный режим. Высококачественная печать выбранных фрагментов реограммы и ЭКГ на обычной бумаге.

Сводная таблица.

"Диамант-Р"

( Россия)

«Мицар – РЕО» (Россия)

РГПА-6/12 РЕАН-ПОЛИ

(Россия)

РЕОПРОЦЕССОР (Россия)

Реограф «Рео – Спектр – 2» (Россия)

Число каналов реограммы

4

8

от 2 до 6

4

4

Число каналов ЭКГ

1

1

от 2 до 6

1

1

Частота измерительного тока [кГц]

28, 115, 230

50, 100

56, 112

100

30 - 120

Значение измерительного тока [мА]

1

0,5

1,5

1,0 ± 0,3

1

Диапазон измерения базового сопротивления [Ом]

10-500

10 - 700

10 - 700

10 - 1024

1 - 1000

Диапазон измерения дифференциального сопротивления [Ом]

-

0,01 – 1

0, 01 - 1

0,05 - 1

0,004 - 4

Полоса пропускания [Гц]

-

0,15 – 0,27

0,05 - 25

-

0,1 - 25

Чувствительность канала [Ом/мм]

-

-

0,005 – 0,5

-

0,001 – 0,5

АЦП

-

12 бит

22 бит

-

-

Частота оцифровки [Гц]

-

350

250

-

-

Масса [кг]

Не более 1

0,5

1

3

0,9

Размеры [мм]

165 х 50 х 198

-

-

305х220х100

190 х140 х55

Цена [руб]

74 000

69 000

По запросу

По запросу

68 000

4. Разработка медико-технических требований на реограф.

1. Наименование и область применения изделия.

1.1 Наименование и обозначение изделия (полное и сокращенное).

Одноканальный стационарный реограф.

1.2  Область применения.

Для проведения функциональной диагностики системы кровоснабжения в условиях медицинских учреждений.

2. Основание для разработки

2.1 Полное наименование документов и номера их позиций, на основании которых планируется разработка изделия, организации, утвердившие эти документы, и дата утверждения, в том числе номер и дата рекомендации Минздравмедпрома России о целесообразности разработки (модернизации) изделия.

Календарный план подготовки студентов по специальности БМТ2.

4 Цель и  назначения  разработки

4.1  Основная цель разработки и ожидаемый медицинский, технический, экономический или социальный эффект при использовании изделия. 

Предоставление возможности исследования функции сердца и кровоснабжения грудного отдела тела человека в условиях медицинского учреждения.

4.2 Непосредственно функциональное назначение изделия в лечебно-диагностическом процессе, область использования (применения) в соответствии с методикой диагностических исследований, лечебных воздействий (с указанием величины воздействия), измерений (с указанием измеряемых величин), хирургических вмешательств, вспомогательных операций и т.п.

Устройство предназначено для исследования функции сердца и кровоснабжения грудного отдела тела человека.

Величина измерений – импеданс трансторакальный.

 4.3. Возможности разрабатываемого изделия, расширяющие целевое назначение  и обеспечивающие преимущества по сравнению с существующими аналогами.

Реограф представляет возможность определения времени изгнания сердца по сигналу трансторакальной реограммы.

6 Медицинские требования

6.1 Требования к выполнению изделием функциональных задач в лечебно-диагностическом процессе. Оценка медицинских последствий нарушения функционирования изделия во время его применения.

Изделие должно обеспечивать регистрацию грудной реограммы. Конструкция должна осуществлять точную, безопасную и легкую регистрацию реограммы.

6.2 Физический, медико-биологический, биохимический и т. д. эффекты или явления, на которых основан принцип действия изделия.

Принцип действия изделия основан на регистрации импеданса грудного отдела тела человека, изменяющегося в связи с изменением кровенаполнения исследуемого участка тела.

6.3 Количество каналов, объектов исследования рабочих мест, число обслуживаемых пациентов, пропускная способность или производительность изделия.

Количество каналов – 1,

Объектов исследования – 1,

Рабочих мест – 1,

Пропускная способность изделия – до 15 человек в час.

6.4 Требования к средствам установки, контроля и регулирования режимов работы.

Электроды прибора должны быть одноразовыми, а так же безболезненно и неподвижно фиксироваться на теле пациента. Устройство должно быть безопасно для пациента и медперсонала.

7 Технические требования

7.1 Состав  изделия.

7.1.1 Основные составные части изделия

  1.  Блок реографический:
  2. Плата модуля с микропроцессором;
  3. Плата питания;
  4. Плата клавиатуры;
  5. ЖКИ индикатор;
  6. Внешние разъёмы и выключатель сетевого питания;

Блок реографический конструктивно размещен в корпусе из ударопрочного пластика, состоящем из двух частей: основания и крышки.

Плата модуля.

Все основные узлы реографа расположены на печатной плате модуля.

Он обеспечивает прием, обработку и хранение реосигналов пациента, а также управляет работой клавиатуры и ЖКИ индикатора.

Плата питания.

Плата питания установлена на основании корпуса реографа и обеспечивает питанием все его узлы.

Плата клавиатуры.

ЖКИ индикатор.

ЖКИ дисплей используется для вывода информации о состоянии пациента и о выбранных режимах работы реографа. Также ЖКИ дисплей может использоваться для просмотра реосигналов в режиме реального времени.

Внешние разъёмы и выключатель питания.

Кабель электродный.

7.1.2  Запасные части и принадлежности

Запасной кабель пациента и электроды

7.1.3 Эксплуатационные документы (при необходимости).

Инструкция по применению изделия.

7.2 Показатели назначения

7.2.1 Технические параметры

Число каналов регистрации трансторакальной реограммы: 1;

Частота дискретизации: до 500 Гц;

Реограмма:

  метод измерения: тетраполярный,

  измерительный ток (эффект. значение):  3 мА, 100 кГц,

  базовый импеданс Z: 1 – 250 Ом,

  диапазон изменений ΔZ: ±2 Ом,

  приведённый ко входу шум: не более 3 мОм эфф.,

  полоса пропускания: 0.3…30 Гц;

Скорость передачи данных: 560 кБод;

Обмен данными с ПК посредством USB интерфейса;

Разрядность АЦП: 12 бит;

Ток потребления: не более 850 мА;

Класс защиты устройства II, BF - на пробой изоляции: 4.5кВ;

Электроды: одноразовые;

Питание от сети переменного тока 220 В (50 Гц).

размер/вес: 450 x 350 x 160 мм/1 кг

7.2.2 Метрологические характеристики средств измерения медицинского назначения по ГОСТ 8.009, ГOCT 8.259,  ГОСТ 22261 и стандартам на виды средств измерения.

Требования к метрологическим характеристикам средств измерения медицинского назначения предъявляются по ГОСТ 8.009-84 (группа 2) (Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений), ГОСТ 22261-94  (Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия).

7.2.3 Характеристики энергопитания

От сети 220В.

7.2.4  Временные характеристики

7.2.4.1 Требуемое время непрерывной работы

Не менее 10 часов

7.2.4.3 Время готовности (подготовки) к работе.

Не более 2 мин

7.3. Условия эксплуатации (использования, транспортирования и хранения)

7.3.1 Требования устойчивости разрабатываемого изделия к воздействующим факторам внешней среды.

При транспортировке температура от -30 до +60С (с аккумулятором), относительная влажность от 25% до 95%; давление от 500 до 1060 гПа.При эксплуатации температура от +10 до + 40С относительная влажность от 25 до 95%, давление от 700 до 1060 гПА

7.3.4 Требования к периодичности и видам контроля технического состояния, обслуживания

Технический осмотр должен производиться один раз в месяц. Техническое обслуживание должно производиться один раз в год.

7.4 Требования безопасности по стандартам на виды изделий

7.4.2 Требования к уровню вредных и опасных воздействий, возникающих при работе изделия.

При разработке изделия не должно возникать вредных и опасных воздействий.

7.4.4 Требования электробезопасности (для изделий имеющих физический или электрический контакт с пациентом во ГОСТ Р 50267.0)

По степени защиты от опасностей поражения электрическим током реографы относятся к классу II, тип BF по ГОСТ Р 50267.0-92 (МЭК 601-1-88) и ГОСТ Р 50267.25-94 (МЭК 601-2-25-93)

7.4.7 Требования к температуре наружных частей изделия.

Не ниже +10 и не выше + 38 градусов

7.5 Требования к надежности

7.5.1 Класс изделия и (или) его составных частей в зависимости от последствий отказов по ГОСТ Р 80444.

7.5.2 Показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости изделия и (или) его составных частей (каналов, блоков и т, п.) по РД 50—707.

7.6 Требования к конструктивному устройству 

7.6.1 Габаритные размеры, масса (объем) изделия.

Масса – 1 кг, объем 450 x 350 x 160 мм

7.6.2 Площадь, занимаемая изделием.

157500мм2

7.6.3 Требования к материалам, полуфабрикатам и комплектующим изделиям.

7.6.4. Требования к покрытиям и средствам защиты от коррозии.

7.6.5 Требования к параметрическому и конструктивному сопряжению с другими изделиями для работы в комплексе.

7.7 Эргономические требования

Конструкция модуля должна соответствовать требованиям технической эргономике по ГОСТ 20.39.108 - 85.

7.8 Эстетические требования

Конструкция модуля должна соответствовать требованиям технической эстетики по ГОСТ 20.39.108 - 85.

7.9. Требования патентной чистоты и патентоспособности

7.9.1 Требования по обеспечению патентной чистоты разрабатываемого изделия.

Наличие в разрабатываемом изделии технических решений, защищенных патентами:

— на изобретение;

— на полезную модель;

— на промышленный образец.

Технические решения, защищенные патентами на изобретение, полезную модель, на промышленный образец в разрабатываемом изделии не применяются.

7.10 Требования к маркировке и упаковке

7.10.1 Требования к качеству маркировки, содержанию, способу и месту нанесения мapкировки.

Маркировка прибора должна содержать: товарный знак предприятия - изготовителя, наименование или обозначение типа (вида, модели), номер изделия по системе нумерации предприятия - изготовителя, год изготовления изделия, знак Государственного реестра по ПР 50.2.009, обозначение стандартов или технических условий на изделие, номинальное напряжение питания, потребляемая мощность при номинальном режиме работы.

Место нанесения маркировки на изделии или табличке, прикрепленной к нему, - в соответствии с конструкторской документацией.

7.10.2 Требования к консервации и упаковке изделия, я том числе требования к таре, материалам, применяемым при упаковке, и т. д.

Упаковка должна обеспечить защиту от воздействия механических и климатических факторов во время транспортирования и хранения, а также наиболее полное использование грузоподъемности транспортных средств и удобство выполнения погрузочно-разгрузочных работ.

8 Метрологическое обеспечение

8.1.1 Требования к разработке, аттестации и постановке на производство специальных средств поверки, стендовой аппаратуры, стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, при необходимости в них при испытаниях и эксплуатации.

Средства испытаний и измерений должны иметь соответствующую документацию (техническое описание, формуляр или паспорт) и свидетельства об аттестации и поверке (калибровке) соответственно.

8.1.2 Требования к разработке и включению в состав изделия средств и устройств его калибровки, самоконтроля и технического диагностирования.

Технические характеристики средств испытаний и измерений должны быть достаточными для подтверждения соответствия испытываемых изделий установленным требованиям.

8.2 Программное обеспечение

8.2.1. В состав программного обеспечения (далее - ПО) разрабатываемой БТМС должен входить:

1) Алгоритм передачи сигнала,

2)Алгоритм приёма сигнала,

3) Алгоритм фильтрации сигнала,

4) Алгоритм обработки сигнала

ПО должно быть реализовано на языке Pascal в среде Dephi.

8.2.2. ПО разрабатываемого модуля должно обеспечивать:

Оцифровку полученных сигналов, передачу на ПК и обработку сигналов с выводом требуемой информации об измеряемых параметрах и результатов проведенного анализа.

9. Экономические показатели

9.1. Источник финансирования

Разработка финансируется заказчиком.

9.2. Ориентировочная стоимость изделия на момент разработки.

Будет уточняться в процессе разработки.

9.3. Ориентировочная потребность.

Ориентировочная потребность 10 штук в год.

10. Стадии и этапы разработки

Будет уточняться в процессе разработки.

11. Порядок испытаний и приемки

Будет уточняться в процессе разработки.

Разработка структурно-функциональной схемы реографа.

Выделим основные блоки в структурной схеме прибора:

  1.  ЗГ – задающий генератор;
  2.  ИТ – источник тока;
  3.  ТР – трансформатор;
  4.  ТЭ1, ТЭ2 – токовые электроды;
  5.  БО – биообъект;
  6.  ИЭ1, ИЭ2 – измерительные электроды;
  7.  ИУ – инструментальный усилитель;
  8.  Д – детектор пиковый;
  9.  ФВЧ – фильтр верхних частот;
  10.  ФНЧ1, ФНЧ2 – фильтры нижних частот;
  11.  АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;
  12.  МК – микроконтроллер;
  13.  БГР – блок гальванической развязки;
  14.  МП – микропроцессор;
  15.  М – монитор;
  16.  ИП – источник питания.

Генератор зондирующего тока частотой 100 кГц амплитудой 3 мА действующего значения пропускает данный ток через биологический объект.

Токовые электроды служат для пропускания электрического тока.

Измерительные электроды служат для регистрации электрического сопротивления тканей;

Электрические сигналы, имеющие биологическую природу очень малы, поэтому для дальнейшей обработки информации необходимо усилить сигнал, снятый с БО. Для этого используется инструментальный усилитель.

Пиковые детекторы применяются для определения пиковых значений входного колебания.

Фильтр нижних частот с частотой среза 30 Гц и фильтр верхних частот с частотой среза 0,05 Гц необходимы для выделения полосы частот, информативных в реографии.

Для записи, обработки результатов и передачи их в персональный компьютер (ПК) необходимо использовать микроконтроллер.

Гальваническая развязка обеспечивает сопряжение выходного сопротивления генератора с входным сопротивлением биологического объекта.

Разработка и моделирование принципиальной схемы

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители (ИУ) – это прецизионные усилительные блоки, которые имеют дифференциальный вход, а их выход может быть дифференциальным или несимметричным по отношению к опорному напряжению. Эти усилители обеспечивают усиление разности между напряжениями двух входных сигналов, ослабляя любые сигналы, которые являются общими для обоих входов. Инструментальные усилители широко применяются во многих задачах сбора данных, промышленных, измерительных и медицинских приложениях, где требуется поддержание высокой точности статических характеристик и малой погрешности коэффициента усиления на фоне шумов и в присутствии сильных синфазных сигналов (обычно, на частоте напряжения питания сети переменного тока).

Выберем инструментальный усилитель с типом корпуса SOIC(SO) (Small-Outline Integrated Circuit) — тип корпуса микросхемы, предназначенный для поверхностного монтажа.

Рассмотрим несколько моделей с похожими характеристиками:

Наименование

Input offset current max (nA)

Максимальный ток смещения (нА)

Input voltage offset max (µV)

Максимальное напряжение смещения (мкВ)

CMRR (dB)

Коэффициент подавления синфазной помехи (дБ)

Operating voltage range (V)

Напряжение питания (В)

BW (kHz)

Диапазон рабочих частот (кГц)

AD620

2

125

73

±2,3 to ±18

1000

AD622

5

125

66

±2,6 to ±18

1000

AD8230

1

10

110

±4 to ±8

8 to 16

2

AD8421B

0,5

25

94

±2,5 to ±18

10000

AD8221A

2

70

80

±2,3 to ±18

825

Выберем инструментальный усилитель AD8221A, поскольку у него наименьшие ток и напряжение смещения, допустимые коэффициент подавления синфазной помехи и диапазон рабочих частот. Коэффициент усиления примем равным 5.

Прибор имеет высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) во всей рабочей полосе частот. Эта характеристика позволяет прибору подавлять синфазные помехи в диапазоне частот до 100 кГц. Кроме того, прибор AD8221 выпускается в миниатюрном корпусе, позволяющем экономить место на плате.

Ввиду высокого КОСС, системные ошибки сводятся к минимуму. Шумы, такие как помехи от работающих двигателей и коммутируемых источников питания и высокочастотные помехи от медицинского оборудования, существенно подавляются этим прибором, имеющим КОСС на частоте 10 кГц не менее 100 дБ (при Ку=10, версия BRM) и еще большее значение на частоте 100 кГц.

AD8221 работает от однополярных и двухполярных источников питания. Прибор предназначен для работы с максимальным двухполярным напряжением питания ±15 В.

Основные электрические параметры инструментальных усилителей данного класса следующие:

- стандартное напряжение питания ±15 В;

- потребляемый ток 1,5…12 мА;

- входное напряжение смещения (при температуре 25°С) 25…500 мкВ и его дрейф 0,3…10 мкВ/°С;

- входные токи смещения (при температуре 25°С) 0,03…100 нА и ток сдвига 0,01…40 нА;

- напряжение шумов (в полосе частот от 0,1 до 10 Гц) 0,2…6 мкВ;

- входное сопротивление (входная емкость) от единиц мегаом до нескольких гигаом (1…100 пФ);

- диапазон значений коэффициента усиления 0,1…10000 и точность его установки 0,02…0,4 %;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала на постоянном токе 80…120 дБ;

- скорость нарастания выходного напряжения от единиц до десятков и сотен В/мкс.

Требуемое усиление обеспечивает резистор RG. Размещение резистора RG устанавливает усиление AD8221, которое может быть вычислено на основе табличных данных или при помощи уравнения усиления:

Таблица 1 - Усиление при использовании резисторов с погрешностью 1%.

Необходимо обеспечить усиление сигнала в 5 раз. Для этого выберем чип резистор 0603 1% для поверхностного монтажа SMD номиналом  12 кОм.

Пиковый детектор

Пиковые детекторы применяются для определения пиковых значений входного колебания. В простейшем случае для этой цели можно использовать диод и конденсатор. Однако, эта схема нечувствительна к малым напряжениям из-за присутствующего диода.

Учтем особенности измеряемого сигнала, а именно то, что, во-первых, реосигнал состоит из двух компонент – так называемых базового и дифференциального импеданса. Во-вторых, базовый импеданс – это некоторая положительная константа. Следовательно, измеряемый реосигнал – не близкая к нулю величина, а значит, в данном случае можно применить простейшую схему детектора.

Осуществим подбор параметров.

Промоделируем детектор в среде MicroCap.

Рис.4. Пиковый детектор в среде MicroCap.

Рис.5. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

Рис.6. Анализ переходных процессов паикового детектора в среде MicroCap/

АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь  (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Необходимый сигнал на входе в АЦП примем равным 5V.

Для согласования измеренного аналогового сигнала с АЦП необходимо определить диапазон необходимого усиления сигнала.

Для обработки реограмм чаще всего используется АЦП разрядностью 12 бит.

Тогда разрешающая способность АЦП будет иметь значение

Диапазон измерения базового сопротивления 10 – 200 [Ом], дифференциального сопротивления – 0,01 – 2 [Ом]. Величина измерительного тока 1 [мА].

Тогда максимальное значение «базового» напряжения составит 200 [мВ].

Рассчитаем коэффициент усиления из условия: , где - максимальная амплитуда входного сигнала.

Следовательно, Kubaz ≤ 25.

Максимальное значение «дифференциального» напряжения 2 [мВ]. Тогда для «дифференциального» напряжения:

Kudif ≤ 2500

Расчет  и моделирование фильтров

Диапазон частот реосигнала лежит в пределах от 0,05 Гц до 30 Гц  [Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии. – М.: Медицина, 1983].

Фильтр верхних частот. Расчет и моделирование.

Зададим частоту среза fc=0,05 Гц. Выбирем неинвертирующий фильтр верхних частот второго порядка.

Коэффициент усиления фильтра примем 20.

Рассчитаем элементы схемы. Основные соотношения:

Выберем (в соответствии с «ГОСТ 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=100 [кОм];

R2=1 [кОм];

R3=1 [кОм];

R4=18 [кОм];

C1=33 [мкФ].

C2=33 [мкФ].

Проверим подобранные параметры:

Промоделируем выбранный ФВЧ в среде MicroCap.

Рис.7. Неинвертирубщий фильтр верхних частот в среде MicroCap.

Рис.8. Частотный анализ ФВЧ в среде MicroCap.

Фильтр нижних частот. Расчет и моделирование

Частоту среза фильтра нижних частот выберем, исходя из полосы частот исследуемого сигнала. Примем частоту среза равную fc=30 Гц.

Для реализации выберем фильтр Баттерворта второго порядка.

Основные соотношения:

ФНЧ1

Коэффициент усиления: 20.

Определим номиналы элементов схемы (в соответствии с «ГОСТ 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=1 [кОм];

R2=245 [кОм];

R3=1 [кОм];

R4=18 [кОм];

C1=0,1 [мкФ];

C2=1 [мкФ].

Проверим, подходят ли выбранные элементы:

Промоделируем рассчитанный фильтр в среде MicroCap.

Рис.9. Фильтр нижних частот второго порядка в среде MicroCap.

Рис.10. Частотный анализ ФНЧ в среде MicroCap.

ФНЧ2

Коэффициент усиления данного фильтра: 5.

Определим номиналы элементов схемы (в соответствии с «ГОСТ 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов»):

R1=2 [кОм];

R2=200 [кОм];

R3=1 [кОм];

R4=3,9 [кОм];

C1=0,01 [мкФ];

C2=1 [мкФ].

Проверим, подходят ли выбранные элементы:

Промоделируем рассчитанный фильтр в среде MicroCap.

Рис.11. Фильтр нижних частот второго порядка в среде MicroCap.

Рис.12. Частотный анализ ФНЧ в среде MicroCap.

Выводы.

В данной курсовой работе были разработаны структурная и принципиальная схема одноканального реографа.

Были использованы электронные компоненты фирм AnalogDevices для реализации поставленной задачи - разработки системы регистрации, сбора и передачи данных. Аналоговыми устройствами происходит разделение сигналов и первичное подавление помех, в результате чего на АЦП поступает сигнал, который дискритизируется и передается на микроконтроллер для последующей передачи на компьютер через USB, цифровой фильтрации и обработки.

В соответствии с техническим заданием в курсовой работе были реализованы следующие задачи:

  1.  Проведен обзор методов неинвазивной оценки параметров гемодинамики.
  2.  Рассмотрены биофизические основы метода реографии.
  3.  Проведен обзор существующих приборов и систем для реографии.
  4.  По ГОСТ 15.013.-94 и по ГОСТ 50267.0-92 были разработаны медико-технические требования на одноканальный реограф.
  5.  Разработана структурная схема реографа.
  6.  Был проведен расчет основных элементов принципиальной схемы биоусилителя.
  7.  В соответствии со структурной схемой, разработана принципиальная схема биоусилителя.

Разработанный биоусилитель одноканального стационарного реографа обладает следующими характеристиками:

  1.  Диапазон измерения базового сопротивления 10 – 200 Ом, дифференциального сопротивления 0,01 – 2 Ом.
  2.  Частота воздействующего тока 100 кГц, действующее значение 1 мА.
  3.  Коэффициент подавления синфазного сигнала – 80 дБ.
  4.  Диапазон частот реосигнала от 0,1 Гц до 25 Гц.

Список используемой литературы:

  1.  Пейтон А. Дж, Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Издательство: Бином, 1994.
  2.  Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. Справочник по активным фильтрам Москва, Энергоатомиздат 1983 Рецензент В. А. Силаев D. JOHNSON, J. JOHNSON, H. MOORE A handbook of active filters Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey
  3.  Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии. – М.: Медицина, 1983.
  4. Сергеев И.К. Определение параметров центральной гемодинамики методом трансторакальной реографии. Часть 1. – Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007.
  5.  П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники. – М.: издательство «Мир», 1998.
  6.  Электронный ресурс http://www.analog.com


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81424. Доменная структура и её роль в функционировании белков. Яды и лекарства как ингибиторы белков 106.19 KB
  Яды и лекарства как ингибиторы белков. Некоторые яды попадая в организм человека прочно связываются с определёнными белками ингибируют их и тем самым вызывают нарушения биологических функций. Так лекарства назначаемые в дозах больших чем терапевтические могут действовать как яды т. вызывать серьёзные нарушения обмена веществ и функций организма а яды в микродозах часто используют как лекарственные препараты.
81425. Четвертичная структура белков. Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащего белка - гемоглобина 104.92 KB
  Особенности строения и функционирования олигомерных белков на примере гемсодержащего белка гемоглобина. В частности молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α и двух βполипептидных цепей т. Молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи каждая из которых окружает группу гема – пигмента придающего крови ее характерный красный цвет. Простетическая группа нековалентно связана с гидрофобной впадиной молекулы гемоглобина.
81426. Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Факторы, вызывающие денатурацию 100.13 KB
  Под лабильностью пространственной структуры белка понимают способность структуры белковой молекулы претерпевать конформационные изменения под действием различных физикохимических факторов. Под денатурацией следует понимать нарушение общего плана уникальной структуры нативной молекулы белка преимущественно ее третичной структуры приводящее к потере характерных для нее свойств растворимость электрофоретическая подвижность биологическая активность и т. При непродолжительном действии и быстром удалении денатурирующих агентов возможна...
81427. Шапероны - класс белков, защищающий другие белки от денатурации в условиях клетки и облегчающий формирование их нативной конформации 105.78 KB
  Шаперо́ны (англ. chaperones) — класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов. Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в работе Ласкей и других при описании ядерного белка нуклеоплазмина
81428. Многообразие белков. Глобулярные и фибриллярные белки, простые и сложные. Классификация белков по их биологическим функциям и по семействам: (сериновые протеазы, иммуноглобулины) 106.76 KB
  Глобулярные и фибриллярные белки простые и сложные. Так белки можно классифицировать: по форме молекул глобулярные или фибриллярные; по молекулярной массе низкомолекулярные высокомолекулярные и др.; по химическому строению наличие или отсутствие небелковой части; по выполняемым функциям транспортные защитные структурные белки и др.; по локализации в организме белки крови печени сердца и др.
81429. Иммуноглобулины, особенности строения, избирательность взаимодействия с антигеном. Многообразие антигенсвязывающих участков Н- и L-цепей. Классы иммуноглобулинов, особенности строения и функционирования 108.05 KB
  Домены тяжёлых цепей IgG имеют гомологичное строение с доменами лёгких цепей. Специфичность пути разрушения комплекса антигенантитело зависит от класса антител которых существует 5 типов: Ig IgD IgE IgG IgM. Созревающие Влимфоциты синтезируют мономерные бивалентные молекулы IgM по структуре похожие на рассматриваемые выше IgG которые встраиваются в плазматическую мембрану клеток и играют роль первых антигенраспознающих рецепторов. В количественном отношении IgG доминируют в крови и составляют около 75 от общего количества этих...
81430. Физико-химические свойства белков. Молекулярный вес, размеры и форма, растворимость, ионизация, гидратация 103.82 KB
  Молекулярный вес размеры и форма растворимость ионизация гидратация Индивидуальные белки различаются по своим физикохимическим свойствам: форме молекул молекулярной массе суммарному заряду молекулы соотношению полярных и неполярных групп на поверхности нативной молекулы белка растворимости белков а также степени устойчивости к воздействию денатурирующих агентов. Различия белков по молекулярной массе. Молекулярная масса белка зависит от количества аминокислотных остатков в полипептидной цепи а для олигомерных белков и от...
81431. Методы выделения индивидуальных белков: осаждение солями и органическими растворителями, гель-фильтрация, электрофорез, ионообменная и аффинная хроматография 104.42 KB
  Метод выделения белков основанный на различиях в их растворимости при разной концентрации соли в растворе. Соли щелочных и щёлочноземельных металлов вызывают обратимое осаждение белков т. Чаще всего для разделения белков методом высаливания используют разные концентрации солей сульфата аммония NH42SO4.
81432. Методы количественного измерения белков. Индивидуальные особенности белкового состава органов. Изменения белкового состава органов при онтогенезе и болезнях 110.81 KB
  Индивидуальные особенности белкового состава органов. Изменения белкового состава органов при онтогенезе и болезнях. Для определения количества белка в образце используется ряд методик: Биуретовый метод один из колориметрических методов количественного определения белков в растворе.