Содержание к диссертации
Введение
1. Аналого-цифровые устройства сбора биомедицинской информации 14
1.1.Выбор видов диагностируемой информации 14
1.2. Анализ существующих приборов регистрации медико-биологических показателей 19
1.2.1. Приборы регистрации ЭКГ 19
1.2.1.1. Существующие разработки 19
1.2.1.2. Возможности повышения помехоподавления усилителями медико-биологических показателей 25
1.2.2. Приборы регистрации температуры 36
1.2.3. Приборы регистрации артериального давления 39
1.2.4. Приборы регистрации насыщения крови кислородом 42
1.2.5. Выводы по результатам анализа существующих разработок 44
1.3.Цель и задачи диссертации 48
2. Разработка автоматизированной базы данных для создания малогабаритных автономных ПРМБП 50
2.1.Классификация видов мониторирования (уровень 1) 52
2.2.Классификация ПРМБП (уровень 2) 53
2.3.Формирование библиотек функциональных блоков ПРМБП, пригодных для многократного использования 54
2.3.1. Общая структура ПРМБП 55
2.3.2. Классификация блоков ПРМБП 55
2.3.3. Блок формирования сигнала 57
2.3.3.1. Блок усиления (уровень 4) 57
2.3.3.2. Блок фильтрации (уровень 5) 61
2.3.3.3. Блок аналого-цифрового преобразования (уровень 6) 64
2.3.4. Блок регистрации и анализа (уровень 7) 67
2.3.4.1. Блок памяти (уровень 8) 68
2.3.4.2. Блок представления информации (уровень 9) 69
2.3.5. Блок ввода-вывода информации (уровни 10, 11, 12) 70
2.4. Исходные данные алгоритма автоматизированной базы данных 71
2.5, Автоматизированная база данных для создания ПРИБП 72
2.6.Выводы второй главы 86
3. Разработка методики увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов 88
3.1.Варианты исследуемьтх усилителей 89
3.2, Анализ параметров усилителей медико-биологических показателей 91
3.2.1. Определение входного динамического диапазона 92
3.2.2. Определение относительной погрешности изменения напряжения 95
3.2.3. Определение нелинейности 97
3.2.4. Погрешность установки чувствительности 98
3.2.5. Определение напряжения внутренних шумов 99
3.2.6. Определение неравномерности АЧХ 99
3.2.7. Определение коэффициента подавления синфазных сигналов 101
3.2.8. Анализ параметров усилителей 102
3.3. Мето дика увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов 106
3.3.1. Двухполюсная следящая связь по питанию 106
3.3.2. Однополюсная следящая связь по питанию (методика увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов) 107
3.4.Экспериментальное подтверждение результатов исследования 118
3.5.Выводы третьей главы 120
4. Разработка универсального блока усиления многократного использования и его применения в приборах дистанционного контроля функциональных параметров человека 122
4.1.Методика корректировки переходной характеристики усилителя медико-биологических показателей 122
4.2. Методика автоматического изменения параметров усилителя медико-биологических показателей 134
4.2.1. Параметры усилителя, подлежащие изменению 134
4.2.2. Узлы усилителя, выполняющие изменение параметров 135
4.3.Техническое применение результатов исследования в системе дистанционного контроля функциональных параметров человека 142
4.3.1. Применение алгоритма автоматизированного синтеза приборов регистрации медико-биологических показателей 142
4.3.2. ПРМБП на основе универсального усилителя медико-биологических показателей с улучшенными характеристиками 144
4.3.3. Программное обеспечение системы дистанционного контроля функциональных параметров человека 148
4.4. Анализ и практическое внедрение результатов работы 151
Заключение 156
Литература 158
Приложение А
- Анализ существующих приборов регистрации медико-биологических показателей
- Исходные данные алгоритма автоматизированной базы данных
- Анализ параметров усилителей медико-биологических показателей
- Методика автоматического изменения параметров усилителя медико-биологических показателей
Введение к работе
Актуальность темы.
При разработке радиотехнических устройств для использования в медицине основными являются вопросы исследования и создания новых устройств, отличающихся высокой надёжностью, малыми габаритами, низким энергопотреблением. Особенно актуальны эти вопросы при создании высокоэффективных радиотехнических средств для систем дистанционного контроля функционального состояния человека.
Дистанционный контроль можно провести только при наличии приборов регистрации функционального состояния пациента и канала связи с ним. Приборы регистрации функционального состояния человека, используемые в системах дистанционного контроля, являются носимыми и малогабаритными. Технические характеристики этих приборов должны быть приближены к характеристикам стационарных приборов такого же класса. Это говорит о необходимости значительного повышения технического уровня медицинских устройств, работающих в системах дистанционного контроля функционального состояния человека. Повышению технического уровня медицинских устройств способствуют следующие тенденции медицинского приборостроения:
создание новых методологий проектирования приборов регистрации медико-биологических показателей, основанных на многократном использовании в различных приборах однотипных функциональных блоков (такие блоки принято называть блоками многократного использования); это позволяет повысить универсальность, гибкость функциональной структуры устройств, сохраняя ранее достигнутые эксплуатационно-технические характеристики, с одновременным увеличением стандартизации отдельных функциональных блоков;
повышение качества регистрации, обработки полезных сигналов путем уменьшения искажений полезного сигнала;
- создание универсальных функциональных блоков, имеющих возможность работы в различных режимах регистрации полезного сигнала.
В связи с этим объективный процесс совершенствования устройств регистрации медико-биологических показателей требует учёта вышеизложенных тенденций.
Для простоты исследуемые радиотехнические устройства медицинского назначения будем называть приборами регистрации медико-биологических показателей (ГТРМБП).
Усовершенствование технических реализаций отдельных аналоговых составных частей радиотехнических устройств медицинского назначения посредством введения дополнительных элементов подавления помех с элементами автоматической перестройки эксплуатационных характеристик всего устройства открывает возможность создания новых радиотехнических устройств регистрации медико-биологических показателей для применения в системах дистанционного контроля. Решение перечисленных проблем определило содержание диссертации.
Диссертация подготовлена по материалам исследований, выполненных на кафедре радиоэлектронных устройств и систем (РЭУС) ВГТУ в 2001-2006 г.г., в соответствии с результатами следующих научно-исследовательских работ кафедры:
НТП 4/01. Система дистанционного контроля параметров сердечнососудистой системы больных кардиологического профиля, 2001-2002 г.г.;
НТП 10/03-С. Повышение достоверности автоматического анализа ЭКГ сигналов, разработка систем дистанционного мониторинга (в части разработки систем дистанционного мониторинга электрокардиограммы), 2003-2004 г.г.
Цель и задачи работы.
Разработка универсальных аналого-цифровых приборов дистанционного контроля медико-биологических показателей с повышенным качеством
7 регистрации. Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
1. Разработка автоматизированной базы данных для создания
малогабаритнвгх автономных приборов регистрации медико-биологических
показателей.
2. Разработка методики увеличения коэффициента подавления синфазнвгх
сигналов.
Разработка методики корректировки переходной характеристики усилителя медико-биологических показателей.
Разработка методики автоматического изменения коэффициента усиления и амплитудно-частотной характеристики усилителя медико-биологических показателей.
Методы исследования.
Для решения перечисленных задач применялись известные методы
математического моделирования, экспериментальной отработки
схемотехнических решений, отработки программного обеспечения.
Научная новизна.
Исследованы и разработаны высокоэффективные радиотехнические средства для медицинских систем дистанционного контроля функционального состояния человека, отличающиеся высокой надёжностью, малыми габаритами, низким энергопотреблением. Научная новизна основных выносимых на защиту результатов заключается в следующем:
Разработана автоматизированная база данных для создания малогабаритных автономных приборов регистрации медико-биологических показателей, отличающаяся тем, что в качестве ряда модификаций функциональных блоков используются заранее сформированные, апробированные функциональные блоки многократного использования.
Разработана методика увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов в схемах с операционными усилителями, отличающаяся
тем, что дополнительное увеличение коэффициента подавления синфазных сигналов достигается за счёт подачи усиленного полезного разностного сигнала на положительный полюс двухполярного источника питания.
Разработана методика корректировки переходной характеристики усилителя медико-биологических показателей, обеспечивающая эффективное подавление дрейфа изолинии, основанная на подаче фильтрованного выходного напряжения усилителя на его входы, отличающаяся тем, что в результате прохождения выходного сигнала усилителя через фильтр на парафазном выходе фильтра получается разность токов, пропорциональная интегралу свёртки, которая подаётся на инвертирующие входы повторителей напряжения усилителя.
Разработана методика автоматического изменения коэффициента усиления и амплитудно-частотной характеристики усилителя медико-биологических показателей, отличающаяся тем, что вместе с регулировкой коэффициента усиления осуществляется перестройка амплитудно-частотной характеристики путём коммутации электронными аналоговыми ключами пассивных частотозадающих элементов фильтра высокой частоты и фильтра низкой частоты, при этом обеспечивается возможность регистрации различных видов медико-биологических показателей.
Практическая значимость.
Практическая значимость результатов диссертации состоит в том, что применение автоматизированной базы данных, разработанных методик, а также численных и экспериментальных результатов и апробированных инженерных рекомендаций позволяет создавать многофункциональные малогабаритные автономные устройства регистрации медико-биологических показателей, отвечающие тенденциям современного развития радиотехнических устройств медицинского назначения.
9 Внедрение результатов работы.
Интеллектуальная собственность в составе шести алгоритмов и программ
зарегистрирована в Федеральном государственном унитарном предприятии
"Всероссийский научно-технический информационный центр"
(Информационный бюллетень № 4 от 2004 г.). Результаты исследования были внедрены в лечебные процессы ГУЗ Воронежской областной клинической больницы № 1, МУЗ городского округа г. Воронежа ГКБ № 9 (СМП), а также в учебный процесс кафедры фармакологии ВГМА. Основные результаты опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. По результатам исследования получен патент на полезную модель № 42944 РФ от 21.06.2004.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VIII международной научно-технической конференции, "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2002); "Шаг в будущее" (Воронеж, 2002); "Современная техника и технологии в медицине и биологии" (Новочеркасск, 2002); "Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения" (Новочеркасск, 2003); "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий" (Москва, 2003); "Медико-технические технологии на страже здоровья "МЕДТЕХ-2003" (Египет, Шарм Эль Шейх, 2003); "Радиоэлектроника в медицине" (Москва, 2003); X международной научно-технической конференции, "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2004); "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2004).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 17 научных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] - разработка заявленного
10 алгоритма синтеза; [2], [3] - теоретический анализ, описание разработанных блоков устройств; [4] - составление структурной схемы устройства, описание её работы; [5], [6] - теоретический анализ, описание разработанных устройств и их составных блоков; [7], [8], [9], [10], [И], [12] - теоретический анализ; [13] -разработка заявленного алгоритма синтеза, его описание; [14], [15], [16] -теоретический анализ, описание разработанных устройств и их составнвгх блоков; [17] - разработка алгоритма.
На устройство, разработанное по результатам исследования, получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она включает в себя 187 страниц, 100 рисунков, 14 таблиц, список литературы в 212 наименований
Автор выражает благодарность за консультации д.м.н., профессору ВГМА Резникову К.М.
Основные положения, выносимые на защиту:
Автоматизированная база данных для создания малогабаритных автономных приборов дистанционного контроля медико-биологических показателей, основанная на переборе ряда модификаций функциональных блоков, постепенно приближающем характеристики прибора к заданным, отличающаяся тем, что в качестве ряда модификаций функциональных блоков используются заранее сформированные, апробированные функциональные блоки многократного использования;
Методика увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов в схемах с операционными усилителями, осуществляемая путём введения дополнительных усилительных каскадов, обеспечивающих подачу синфазного и полезного разностного сигналов на соответствующие помехоподавляющие узлы схемы, отличающаяся тем, что дополнительное увеличение коэффициента подавления синфазных сигналов достигается за
счёт подачи усиленного полезного разностного сигнала на положительный полюс двухполярного источника питания;
Методика корректировки переходной характеристики усилителя медико-биологических показателей, обеспечивающая эффективное подавление дрейфа изолинии, основанная на подаче фильтрованного выходного напряжения усилителя на его входы, отличающаяся тем, что в результате прохождения выходного сигнала усилителя через фильтр на парафазном выходе фильтра получается разность токов, пропорциональная интегралу свёртки, которая подаётся на инвертирующие входы повторителей напряжения усилителя;
Методика автоматического изменения коэффициента усиления и амплитудно-частотной характеристики усилителя медико-биологических показателей при помощи коммутации электронными аналоговыми ключами резистивных цепей в устройстве регулировки коэффициента усиления, отличающаяся тем, что вместе с регулировкой коэффициента усиления
, осуществляется перестройка амплитудно-частотной характеристики путём коммутации электронными аналоговыми ключами пассивных частотозадающих элементов фильтра высокой частоты и фильтра низкой частоты, при этом обеспечивается возможность регистрации различных видов медико-биологических показателей. Основное содержание работы.
В первой главе диссертации выделены наиболее информативные виды диагностируемой информации. Проведен теоретический обзор существующих в настоящее время приборов регистрации основных видов диагностируемой информации и систем дистанционного контроля. Выявлены достоинства и недостатки устройств. Определены направления проектирования, требующие повышения уровня радиотехнических устройств регистрации медико-биологических показателей для возможности применения их в системах дистанционного контроля. Проведен краткий теоретический анализ путей
решения поставленных задач. Обоснована целесообразность решения и достигаемая эффективность от поставленных задач.
Во второй главе рассмотрены основные этапы исследования структуры аналого-цифровых ПРМБП. В зависимости от видов медицинского мониторирования, проведена классификация приборов по функциональному назначению. Проведена классификация функциональных блоков многократного использования по иерархическим признакам. Рассмотрены варианты построения функциональных блоков многократного использования. Выделены схемы, обладающие необходимыми характеристиками для создания таких блоков. Сформирована база данных ряда модификаций функциональных блоков многократного использования. Главным результатом второй главы диссертации стала разработанная автоматизированная база данных для создания автономных приборов регистрации медико-биологических показателей, основанная на переборе ряда модификаций функциональных блоков многократного использования, постепенно приближающем характеристики устройства к заданным,
В третьей главе выполнено решение второй радиотехнической задачи по увеличению подавления синфазных помех, путем введения дополнительных цепей преобразования и подачи сигнала на положительный полюс двухполярного источника питания. В ходе решения данной задачи, проведено сравнение основных технических характеристик трех усилительных схем, построенных с применением различных типов электрорадиоэлементов. Проведено численное моделирование и экспериментальный анализ характеристик различных усилительных схем. Даны рекомендации и численные данные по построению усилительных схем с оптимальными помехоподавляющими характеристиками. Разработана методика увеличения коэффициента подавления синфазных сигналов путём введения дополнительных усилительных каскадов, обеспечивающих подачу синфазного и полезного разностного сигналов на соответствующие помехоподавляющие
узлы схемы. Расчетные данные проверены экспериментально при помощи созданных лабораторных макетов. Экспериментальные результаты подтверждают правильность теоретических исследований и численного моделирования,
В четвертой главе проведена разработка двух методик. Первая - методика корректировки переходной характеристики усилителя медико-биологических показателей, основанная на подаче фильтрованного выходного напряжения усилителя на его входы. Вторая - методика автоматического изменения коэффициента усиления и амплитудно-частотной характеристики усилителя медико-биологических показателей. Приборы, построенные с применением второй методики, имеют возможность регистрации различных медико-биологических показателей без доработки усилительной схемы. Разработаны способы оптимального построения адаптивных фильтров, имеющих возможность изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) для лучшей фильтрации сигналов различных медико-биологических показателей.
Анализ существующих приборов регистрации медико-биологических показателей
Среди иностранных производителей регистраторов ЭКГ следует выделить следующие компании: "Aerotel Medical Systems"; "Brentwood Midmark"; "Burdick"; "MedMonitoring Systems, Inc"; "Cardimax"; "Cardiette" (Италия); "Schiller" (Швейцария); "Esaote" (Швейцария); "Fukuda" (Япония); "Innomed" (Венгрия).
Компания "Aerotel Medical Systems" [http://www.aerotcl.com] производит регистраторы "HeartView P12/8" на 8 или 12 отведений. Выпускаемый регистратор ЭКГ "Heart 2002Р/Р4 - Looper" показан на рис. 1.2а. Регистратор имеет малые габариты 52x36x15мм, Однако передача регистрируемых данных возможна только с отдельным 12-канальным приемопередатчиком, имеющим возможность передачи кардиоинформации двумя способами: по кабелю (с использованием интерфейса RS-232); с использованием развёрнутой сети сотовой связи. Малые габариты прибора обусловлены значительным упрощением схемной реализации входных цепей аналого-цифрового тракта [130]. Входные цепи построены по классической схеме с использованием простейших усилителей измерительного типа, без дополнительных способов борьбы с синфазными помехами. В результате этого коэффициент ослабления синфазного сигнала - кс составляет всего 90 дБ. Количество усилителей равно
количеству каналов регистрации данных. Из-за необходимости одновременной обработки большого количества каналов, частота дискретизации АЦП регистраторов снижена до 48 Гц, что негативно сказывается на качестве регистрируемого сигнала. В результате вышесказанного, регистраторы ЭКС "Heart 2002Р/Р4 - Looper" могут использоваться только в узком круге медицинских задач.
Компания "Формед" [http://www.formed.ru] (Москва) поставляет 12-ти канальный электрокардиограф типа "E-Lite" и суточный монитор ЭКГ по Холтеру "EC-GO", представленный на рис. 1.26.
Основные характеристики "E-Lite": Частота преобразования - 1000 или 1200 Гц; А/Ц разрядность - 12 бит; Диапазон частот - 0,05 - 150 Гц (-3 дБ); Подавление невнятных шумов - 100 дб; Передача данных - линия RS232 или оптическая передача - 115.200 бод. Габариты- 100x84x25 мм.
Из мировой практики известно, что оптимальная частота дискретизации составляет 500Гц [10, 12, 44, 82] и дальнейшее её увеличение незначительно сказывается на качестве регистрируемого сигнала. Следовательно, слабые меры подавления помех в "E-Lite" и необоснованное увеличение частоты дискретизации не позволяют повысить качество регистрируемого сигнала, и делают прибор довольно дорогостоящим (120 т. руб.).
Суточный монитор ЭКС EC-GO (рис. 1.2в) имеет частоту преобразования 200 Гц, динамическую чувствительность 5 мВ, входной диапазон ±300 мВ. Его стоимость находится в пределах 170 т. руб.
Компании "Brentwood Midmark" [http://www.discountcardiology.com] (рис. 1.2г) и "Burdick" производят миниатюрные приборы длительной записи ЭКГ с подключением к ЭВМ. Модель 92513 "Compact Digital Holler Recorder" компании "Burdick" [http://www.discountcarcliology.com] представлена на рис. 3.2д. Так же оборудование для холтеровского мониторирования выпускает компания "MedMonitoring Systems, Inc" (рис. 1.2е) [htti3://wvt W.medmonitoririgsvstemsxom]. Цена перечисленных приборов регистрации ЭКГ колеблется в пределах 150-170 т. руб. Учитывая, что затраты на комплектацию и процесс изготовления одного прибора составляют примерно 15 т. руб., среди российских потребителей они не пользуются спросом. Холтеровские мониторы, благодаря узконаправленной специализации, исключающей применение узлов обеспечения дополнительных возможностей, имеют, при тех же габаритах, более эффективные аналога цифровые узлы обработки сигнала [116]. Блок-схема перечисленных регистраторов ЭКГ длительной записи представлена на рис. 1,3.
Компания "Cardimax" [http://www.Iinpas.rul выпускает одноканальный электрокардиограф "FX-2111", осуществляющий дополнительную цифровую фильтрацию сигналов. Усиленные меры борьбы с помехами (введение нейтрального электрода, введение аналоговых [123, 124, 125, 126] и цифровых [121, 122] фильтров) позволили улучшить качество регистрируемого сигнала по сравнению с рассмотренными ранее приборами. Электрокардиограф "FX-2111" используют для регистрации не только ЭКС, но и других электрофизиологических показателей. Это делает прибор более универсальным. Однако малый входной динамический диапазон, недостаточный уровень подавления синфазных сигналов, невозможность автоматической перестройки параметров усилителя сигнала, так же ограничивают функциональность и выдвигают ряд требований дальнейшего его усовершенствования [120].
Согласно ГОСТ 19687-94 (Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца) медицинские приборы должны соответствовать следующим техническим требованиям:1. Входной динамический диапазон и- (0.03-5) мВ;2. Относительная погрешность изменения напряжения Зи, в диапазонах: 0.1 до1мВ-±15%; от І до 5 мВ - ±7 %;3. Нелинейность - ±2 %;4. Погрешность установки чувствительности Ss - ±5 %;5. Напряжение внутренних шумов, приведённых ко входу иш - 0.02 мВ;6. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 8f, в
Исходные данные алгоритма автоматизированной базы данных
Создание автоматизированной базы данных ПРМБП направлено на упрощение процесса разработки и более жесткую стандартизацию ПРМБП. Алгоритм работы базы данных позволяет значительно снизить количество задаваемых исходных данных без ущерба получения требуемого ряда функциональных возможностей приборов, благодаря проведённой классификации.
Поиск и повторное использование функциональных блоков дают возможность приобретения, в предварительно сертифицированной и «упакованной» форме, опыта проектирования в различных областях, лежащих за пределами компетенции одной команды проектировщиков, и эта возможность является ключевым требованием успешного развития проектирования ПРМБП. ПРМБП будущего будут включать в себя компоненты из различных областей за пределами компетенции команды интеграторов. Эта стадия еще не достигнута - требуется значительная эволюция блочного проектирования и методологий создания, сертификации, оценки, интеграции и верификации функциональных блоков перед тем, как можно будет легко определять и интегрировать действительно разнородные наборы различных блоков в конечный ПРМБП.
Задача автоматизированной базы данных для создания малогабаритных автономных ПРМБП заключается в анализе ряда модификаций функциональных блоков многократного использования с целью постепенного формирования конфигурации ПРМБП заданного класса. База данных позволяет создавать ПРМБП выделенных классов автоматизированным способом в значительно меньшие сроки, чем стандартные, ранее известные алгоритмы и методы [16, 146]. Это достигается за счет однозначной (проведенной заранее) классификации ПРМБП и построения функциональных блоков по сформированным, отработанным схемным решениям с известными характеристиками. Алгоритм базы данных был изложен на языке высокого уровня (Borland Delphi 7.0) для применения в ЭВМ.
На начальном этапе работы алгоритма базы данных осуществляется загрузка базы данных, отработанными на конкретном предприятии схемными решениями функциональных блоков многократного использования. В нашем случае база данных заполнена функциональными блоками многократного использования, разработанными на кафедре РЭУС при ВГТУ. В базе данных хранятся входные, выходные параметры, схемные и конструкторско-технологические решения в виде разработанных печатных плат: фильтров, усилителей, АЦП, МПУ, узлов памяти, узлов индикации, интерфейсов обмена, узлов дистанционной передачи данных и др. Эта база данных всегда хранится в ЭВМ и пополняется по мере развития производства. Для получения варианта ПРМБП инженер-разработчик вводит лишь основные исходные данные: число каналов ПРМБП - К, класс ПРМБП - KLPRB, наименование регистрируемого параметра каждого канала - PARAMfi], вид индикации - IND, тип интерфейса - INT, тип радиоканала - RKAN. Блок-схема процедуры "Ввод исходных данных" представлена на рис. 2.15.
После ввода исходных данных начинается выполнение основного цикла алгоритма базы данных. Основной цикл алгоритма включает в себя несколько второстепенных циклов, осуществляющих перебор ряда модификаций разработанных функциональных блоков и выделяющих тот блок, характеристики которого совпадают с заданными. Постепенно, после перебора ряда вариантов функциональных блоков, происходит формирование конфигурации ПРМБП, удовлетворяющей поставленным условиям.
При последовательном выборе блоков в структуре создаваемого прибора заданной группы возникают задачи выбора оптимального варианта из конечного множества возможных. В общем случае подобные задачи решаются двумя путями:- Минимизируется (максимизируется) одна из основных функций системы содержащая параметры качества. Данная функция называется целевой. Минимуму (максимуму) целевой функции соответствует определенная совокупность качественных показателей, по которым и определяется структура системы;
В расчете участвует совокупность исходных данных {D}, состоящая из совокупностей условий на проектирование {У}, ограничений на структуру {OJ, показателей качества {к} и совокупности ограничений {Ок}. В процессе создания, вариантов построения системы удовлетворяющей всей совокупности {D} может быть конечное множество {Si 3 S2 , ... Sn}. При наложении ограничений из групп внешних показателей и показателей качества выше расположенных модулей общей структуры системы, возможно сокращение числа вариантов построения системы из множества {S] , S2, ... Sn},
База данных рассчитана непосредственно на создание малогабаритных автономных ЇЇРМБП. работающих в составе систем дистанционного контроля функциональных параметров человека. Преимущества заключаются в следующем: в качестве исходных данных используются всего 6 параметров; выполнение алгоритма занимает несколько минут; в результате выполнения алгоритма получаются электрическая схема и конструкторско-техиологические решения ПРМБП готовые к применению после минимальных доработок. Детальный алгоритм работы автоматизированной базы данных представлен в приложении В.
Анализ параметров усилителей медико-биологических показателей
Для многокритериального сравнения выбранных схем усилителей медико-биологических показателей, проведём расчет и анализ основных параметров усилителей в соответствии с ГОСТ 19687-89 (Приборы для измерения биоэлектрических потенциалов сердца) при использовании имитационного моделирования с помощью встроенных средств пакета программ OrCAD 9.2, 9.3 и среды MatCAD 2000.
В соответствии с ГОСТ 19687-89 нами были выделены следующие параметры усилителей, подлежащие сравнению: 1. Входной динамический диапазон и, мВ; 2. Относительная погрешность изменения напряжения S,,, в диапазонах: Нелинейность, %; 3. Погрешность установки чувствительности SSi %; 4. Напряжение внутренних шумов, приведённых ко входу иш, мкВ 5. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) Sf, в диапазонах частот: от 7. Коэффициент подавления синфазных сигналов Кс\ Расчет каждого усилителя проводился при равных условиях: 1. включение усилителя с использованием нейтрального электрода, соединяющего кожу пациента с общей землёй;2. отсутствие экранированных электродов;3. коэффициент усиления k = 600;4. напряжение питания Uш. =±5Я.В качестве эквивалентной схемы подключения электродов к пациенту использована схема, представленная на рис. 3.4. 1. V1 - генератор гармонического сигнала частотой 10 Гц ± 2% требуемой амплитуды согласно табл. 3.1;2. R5, R6 - эквивалентные сопротивления кожи человека;
Для определения нижней границы динамического диапазона были определены уровни собственных шумов усилителей по формуле (3,1) [150]: где ffj полоса пропускания усилителя, Гц; ищ- шум усилителя на частоте ЮГц указанный в паспорте, нВ\ Ги .
Нижнюю границу входного динамического диапазона приняли в 10 раз больше уровня шума, что соответствует отношению сигнал/шум 20дБ. Для точного определения верхней границы входного динамического диапазона с помощью имитационного моделирования, нами проведено 10 измерений коэффициента нелинейных искажений (по первым трём гармоникам сигнала) при плавном дискретном увеличении значений входного сигнала. Коэффициент нелинейных искажений определяют по формуле в процентах:
Значение входного сигнала, при котором наблюдается резкое увеличение кии, является верхней границей входного динамического диапазона усилителя.
Для наглядного представления на рис. 3.5 представлен спектр выходного сигнала верхней границы входного динамического диапазона усилителя на микросхемах ОР191 (логарифмическая шкала).
В табл. 3.1 представлены результаты расчета значений входного динамического диапазона для каждого усилителя.
В результате определения входного динамического диапазона усилителей, построенных с применением различной элементной базы, методом имитационного моделирования при идеально-одинаковых внешних параметрах
Определение относительной погрешности изменения напряжения проводили в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.6.
На схеме обозначены следующие элементы:- VI - генератор сигнала, типа меандр, частотой 10 Гц ±2%, размахом 0.1, 0.3, 0.6 мВ - первый диапазон и 1, 3, 5 мВ - второй диапазон, с погрешностью ± 3%;- V2, V3 - источники постоянного напряжения ±(300 мВ ±10%); Относительную погрешность измерения напряжения ((.) в процентахвычисляют по формуле (3.3) [212];где ишх- значение напряжения на выходе усилителя, В;Uir - значение напряжения на входе усилителя, В;ку - коэффициент усиления усилителя (в нашем случае у=600);
Результаты определения относительной погрешности измерения напряжения во втором диапазоне приведены в табл. 3.2. Средние показатели относительной погрешности составляют: 1.47%; 1.14%; 1.29% для трех исследуемых усилителей соответственно. В результате определения относительных погрешностей измерения напряжения, можно выявить преимущество усилителя, построенного на микросхеме INA115. Он обладает наибольшей точностью воспроизведения исходного сигнала при значительном его усилении. Этот факт позволяет получать информацию о состоянии пациента со значительной долей достоверности. Второе место занимает усилитель, построенный на микросхеме ША118, часто используемой для усилителей медико-биологических показателей различными производителями медицинской аппаратуры.
Определение нелинейности усилительных устройств проводили в соответствии со схемой представленной на рис. 3.7,
На схеме обозначены следующие элементы:- VI - генератор гармонического сигнала частотой 40 Гц ±2%, амплитудой 1.66 В;- V2 - генератор сигнала прямоугольной формы частотой 2 Гц (длительностью 0.2с и периодом 0.5с) с амплитудой ±3.4 В;
Нелинейность (п), в процентах, вычисляют по формуле (3.4) [212]:где инш - номинальная величина размаха сигнала на входе, В; иизм - линейная величинаразмаха регистрируемого сигнала, В; В - эффективная ширина выходного динамического диапазона, В.
Эффективная ширина выходного динамического диапазона В для каждого усилителя равна удвоенному значению ивш (В) (1-я гармоника), соответствующему верхней границе входного динамического диапазона. Номинальная величина размаха сигнала на входе Uтм измеряется без подачина вход усилителя сигнала прямоугольной формы. Результаты измерений приведены в табл. 3.3.
Определение погрешности чувствительности проводили при подаче на входы усилителей гармонического сигнала частотой 10 Гц ±2%, амплитудой 1 мВ ±1,5%, Относительную погрешность установки чувствительности в процентах вычисляем по формуле (3.5) [212]:где U тм - величина выходного сигнала, В;
Методика автоматического изменения параметров усилителя медико-биологических показателей
В первой главе мы рассмотрели основные информативные показатели, необходимые для объективной оценки функционального состояния пациента. Этими показателями являются: ЭКГ, температура, артериальное давление, насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом Sa02.
Как было сказано ранее, наиболее востребованными являются исследования по универсализации устройств медицинского назначения. Поэтому третья задача диссертации направлена на создание прибора одновременной регистрации основных информативных показателей. Так как при этом прибор должен работать в системе дистанционного мониторинга, быть носимым и малогабаритным, поставленная задача носит проблематичный характер.
Сложные стационарные диагностические комплексы, такие как CARDEX МАР-01 имеют в своем составе четырёхканапьные усилители для одновременной регистрации четырёх информативных величин. Данный вариант построения малогабаритных приборов для дистанционного контроля не применим, так как увеличение числа каналов приводит к увеличению габаритных размеров, потребляемого тока и стоимости прибора. Наиболее приемлемый вариант регистрации четырёх информативных величии без существенного увеличения габаритных размеров, потребляемого тока и стоимости приборов - это автоматически перестраиваемый усилитель. При этом с помощью микропроцессора необходимо управлять перестройкой параметров усилителя для регистрации любого из основных информативных показателей.
Как видно из табл. 1.1, для усиления четырёх информативных величин необходима автоматическая перестройка полосы пропускания на диапазоны:
Одновременно необходима подстройка коэффициента усиления соответствующего каждому входному амплитудному диапазону.
Изменение коэффициента усиления можно проводить путём изменения номиналов пассивных резистивных элементов в соответствующей цепи усилителя. Для изменения полосы пропускания необходимо изменять частотозадающие пассивные элементы фильтра верхних частот (ФВЧ) и фильтра нижних частот (ФНЧ). В целях автоматизации данных процессов необходимо обеспечить переключение пассивных элементов мультиплексорами, управляемыми с помощью микропроцессора. Изменение коэффициента усиления схемы (рис. 3.16 - гл. 3) достигается подбором резисторов R8 и R11. Как видно из табл. 1.1 (гл. 1) необходимо получение только трех вариантов коэффициента усиления к/. 600, 1000 и 6.
Входные и выходные диапазоны, коэффициенты усиления и значения резисторов при этом приведены в табл. 4.1. При переключении резисторов использован аналоговый дифференциальный мультиплексор ADG609. Он необходим для одновременного подключения резисторов R8 и R11, путём подачи одного сигнала на управляющий вход мультиплексора.
Формирование необходимой АЧХ возможно осуществить с помощью последовательного соединения ФВЧ и ФНЧ, либо применения одного полосового фильтра. Изменение частот среза будем проводить путём коммутации пассивных частотозадающих элементов фильтров с помощью аналоговых мультиплексоров. Так как отдельное построение ФВЧ и ФНЧ нецелесообразно из-за увеличения количества электрорадиоэлементов (следовательно, и размеров печатного узла), количества коммутирующих элементов, остановимся на проектировании полосовых фильтров (ПФ). Проведём анализ характеристик наиболее распространённых активных ПФ, построенных на операционных усилителях ОР191. На рис. 4.10 представлен ПФ с параллельной обратной связью. На рис. 4.11 представлен ПФ построенный на основе метода переменных состояния. На рис. 4.12 представлен биквадратный активный ПФ. На рис. 4.13 представлен ПФ состоящий из фильтра НЧ на RC-цепочке и фильтра ВЧ.
Для сравнения частотных характеристик получены АЧХ рассматриваемых фильтров с помощью имитационного моделирования. Частотозадающие элементы фильтров подбирались таким образом, чтобы полоса пропускания находилась в пределах 1-100 Гц. АЧХ были измерены при подаче на входы фильтров широкополосного сигнала размахом 5 мВ.
Далее были рассчитаны добротности и коэффициенты затухания фильтров.
Добротность связывает среднюю частоту полосы пропускания и её ширину по уровню 3 дБ и определяется по формуле:где /0 = //,/, - средняя частота, /, - нижняя частота среза по уровню 3 дБ, /2 - верхняя частота среза по уровню 3 дБ.Коэффициент затухания определяет форму характеристики на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного участка. Он определяется как:
