3.2 Обоснование выбора структуры управляющего устройства
Задача данного изделия состоит в разработке метода определения артериального давления, основанного на оценке сдвигов соответствующих точек пульсовых волн при помощи предлагаемого устройства, которое бы упростило процедуру измерения, улучшить качество регистрации пульсовой волны, расширить функциональные возможности.
Принцип работы заключается в том, что на лучевой артерии регистрируют пульсовую волну двумя оптоэлектронными датчиками, измеряют координаты максимальных амплитуд пульсовых волн, измеряют модуль разности значений данных координат, по величине которого определяют среднее артериальное давление, диастолическое артериальное давление вычисляют из величины половины разности утроенного значения среднего и систолического давления, регистрируют первые производные этих пульсовых волн, измеряют смещение между максимальными амплитудами первых производных пульсовых волн в точках их перегибов, величину которого используют при определении систолического артериального давления посредством поправочного коэффициента.
Подробно схема проектируемого устройства описана ниже.
3.3 Описание принципа работы тонометра по функциональной схеме
Рисунок 3.3.1 Функциональная схема
Устройство для неинвазивного измерения артериального давления содержит два датчика, выполненных на оптоэлектронных элементах, два канала НЧ-фильтров и два канала усилителей, входы которых соединены соответственно с выходами первых и вторых оптоэлектронных датчиков, два дифференциатора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дисплей и коммуникационный порт.
Описание функциональной схемы работы устройства, показанной выше: у пациента на лучевой артерии закрепляется силиконовое изделие, снабженное двумя инфракрасными излучателями и двумя фотоэлементами.
Свет от излучателей полностью внутренне преломляется, таким образом, напряжения на выходе фотоэлементов равно нулю.
При прохождении пульсовой волны по артерии, силиконовое изделие деформируется, таким образом, на фотоэлемент начинает поступать световой поток, что влечет появление ненулевого напряжения на выходе фотоэлемента.
Две идентичных пары излучатель-приемник размещены вдоль артерии, т.е. пульсовая волна, наблюдаемая под каждым из датчиков – одна и та же волна, сдвинутая по фазе.
Из-за полупроводникового характера фотоэлемента, а также по другим причинам, на выходе фотоэлемента будет присутствовать высокочастотный шум. Для фильтрации шума в каждом из каналов предусмотрен НЧ-фильтр, расчет которого приводится ниже.
После фильтрации сигнал необходимо усилить до уровня порядка 5В. Для этих целей используется усилитель на микросхеме операционного усилителя.
Полученный усиленный и очищенный от шумов сигнал поступает на дифференциатор, после чего 4 сигнала (2 усиленных и они же, но дифференцированные) поступают на 10-разрядный АЦП, после чего проходят обработку в микроконтроллере. По установленным алгоритмам и формулам МК производит расчет среднего, диастолического и систолического артериального давления и частоты пульса.
После получения результата он отображается на LCD-дисплее и передается для анализа и хранения на ПК через коммуникационный порт (RS-232)
3.4 Разработка модели
Устройство для неинвазивного измерения артериального давления содержит два датчика, выполненных на оптоэлектронных элементах, два канала НЧ-фильтров и два канала усилителей, входы которых соединены соответственно с выходами первых и вторых оптоэлектронных датчиков, два дифференциатора, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дисплей и коммуникационный порт.
Описание функциональной схемы работы устройства, показанной выше: у пациента на лучевой артерии закрепляется силиконовое изделие, снабженное двумя инфракрасными излучателями и двумя фотоэлементами.
Свет от излучателей полностью внутренне преломляется, таким образом, напряжения на выходе фотоэлементов равно нулю.
При прохождении пульсовой волны по артерии, силиконовое изделие деформируется, таким образом, на фотоэлемент начинает поступать световой поток, что влечет появление ненулевого напряжения на выходе фотоэлемента.
Две идентичных пары излучатель-приемник размещены вдоль артерии, т.е. пульсовая волна, наблюдаемая под каждым из датчиков – одна и та же волна, сдвинутая по фазе.
Из-за полупроводникового характера фотоэлемента, а также по другим причинам, на выходе фотоэлемента будет присутствовать высокочастотный шум. Для фильтрации шума в каждом из каналов предусмотрен НЧ-фильтр, расчет которого приводится ниже.
После фильтрации сигнал необходимо усилить до уровня порядка 5В. Для этих целей используется усилитель на микросхеме операционного усилителя.
Полученный усиленный и очищенный от шумов сигнал поступает на дифференциатор, после чего 4 сигнала (2 усиленных и они же, но дифференцированные) поступают на 10-разрядный АЦП, после чего проходят обработку в микроконтроллере. По установленным алгоритмам и формулам МК производит расчет среднего, диастолического и систолического артериального давления и частоты пульса.
После получения результата он отображается на LCD-дисплее и передается для анализа и хранения на ПК через коммуникационный порт (RS-232)
Рисунок 3.4.1 Два оптоэлектронных датчика
Спаренные оптоэлектронные датчики 1 и 2 располагаются на лучевой артерии. Излучение, генерируемое источником излучения, отражаясь от исследуемого участка сосуда, модулируется по амплитуде пульсациями кровотока. Модулируемый поток преобразуется в фотоприемнике в электрический сигнал. В блоках фильтрации и усилителях происходит фильтрация и усиление сигнала. Отфильтрованные и усиленные сигналы пульсовых волн поступают на входы дифференциаторов, где происходит выделение первой производной систолического участка пульсовой волны. Сигналы, получаемые на выходах блоков усиления и дифференциаторов, подаются на аналого-цифровой преобразователь. В АЦП происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид, необходимый для работы микроконтроллера.
Рисунок 3.4.2 Пульсовые волны и их дифференциальная форма
Микропроцессором определяются координаты максимальных амплитуд пульсовых волн и вычисляется значение ∆T:
∆T = T1-T2, (1)
где
T1 - координата максимальной амплитуды пульсовой волны, полученной первым датчиком 1;
T2 - координата максимальной амплитуды пульсовой волны, полученной вторым датчиком 2.
Также определяются координаты точек перегиба (max дифференциальной формы пульсовой волны) систолического участка пульсовой волны и вычисляется значение ∆Tп:
∆Тп = ∆Т1 -∆Т2 (2)
где
∆Т1 - координата точки перегиба систолического участка пульсовой волны, полученной первым датчиком 1;
∆Т2 - координата точки перегиба систолического участка пульсовой волны, полученной вторым датчиком 2.
Величина среднего артериального давления (Pсред) обратно пропорциональна величине ∆Т:
Pсред= F(∆Tп). (3)
Величина систолического артериального давления (Pсист) обратно пропорциональна величине ∆Tп и зависит от ударного объема сердца:
Pсист= F(∆Tп). (4)
Диастолическое давление определяется из формулы (Pдиаст):
Проведенное статистическое моделирование обработки пульсовой волны в соответствии с формулой позволило определить точные зависимости для Pсред с коэффициентом корреляции 0,95:
Pсред= 86,3-0,82∆T для ∆T > 29. (8)
Аналогично получены зависимости для Pсист с коэффициентом корреляции 0,89:
По таблице, которая записана во внутренней памяти микропроцессора, выбираются в соответствии с полученными величинами ∆T и ∆Tп значения среднего и систолического артериального давления.
Далее по формуле (5) определяется диастолическое давление.
Полученные данные поступают на внутренний дисплей и на внешнее устройство.
Предлагаемый способ определения артериального давления прост, необременителен для пациента, т.к. время измерения занимает не более 30 сек.
Устройство для определения артериального давления изготавливается в виде автономного блока, связанного гибким кабелем с блоком датчиков. Оно имеет внешние разъемы для подключения устройств отображения или ПК. При этом на внешнее устройство может быть выведена диаграмма пульсовой волны обследуемого пациента и значения артериального давления, пульса.
При использовании предлагаемого устройства совместно с ПК имеется возможность значительного расширения круга решаемых задач.
Рисунок 3.4.3 Пример вывода данных о скорости пульсовой волны
Например, прибор позволяет в совокупности с компьютером и средствами хранения данных достаточно часто снимать показания и вести подробную статистику изменения этих показаний и таким образом даже прогнозировать возможное дальнейшее ухудшения самочувствия (рисунок 3.4.3).
|