17

93

1. Анализ современных способов и устройств обеспечения дистанционного измерения параметров биологических объектов

В настоящее время непрерывно расширяется область применения методов регистрации параметров биосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровень научных достижений и технологий открывает новые перспективы для создания портативных систем с дистанционным анализом. Измерения различных характеристик организма человека как: артериального пульса, давления, функций дыхания, реакции коры головного мозга на внешние стимулы, температурных аномалий внутри биологического объекта и так далее. Различие приборов заключается в способах передачи, регистрации и обработке сигнала, в среде по которой он передается. Применяющаяся аппаратуру для измерения параметров биологических объектов на расстоянии можно разделить на два прогрессивно развивающихся класса:

Приборы использующиеся в медицине

Приборы использующиеся спортивной медицине.

1.1 Методы дистанционной регистрации биосигналов

Способ регистрация артериального пульса и частоты дыхания. Изобретение направлено на создание надежной методики дистанционного наблюдения за процессом дыхания и пульса с использованием доплеровского локатора, основанной на регистрации микроперемещений кожи с раздельным определением параметров процесса дыхания и пульса и пригодной, например, для последующего исследования психофизиологического состояния контролируемого объекта.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе наблюдения за артериальным пульсом и интервалами дыхания путем регистрации перемещения тканей участка тела, обусловленных комбинированным воздействием пульсаций кровотока и дыхания, с последующим выделением посредством фильтрации полезного сигнала, дистанционно облучают кожный покров с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 Ггц и путем разложения отраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяют изменения его фазы. При этом из отраженного сигнала предварительно удаляют низкочастотные составляющие сигнала, обусловленные возможными перемещениями облучаемого участка, а суждение о психофизиологическом состоянии исследуемого объекта выносят на основании анализа статистического распределения кардиоинтервалов.

Дистанционная регистрация перемещений кожного покрова дает достоверную и полную информацию о процессе дыхания и состоянии сердечнососудистой системы, которое определяется на основе анализа кардиоинтервалов, регистрируемых доплеровским локатором, работающим в диапазоне частот от 10 до 100 ГГц.

При этом точность и достоверность определения микроперемещений обеспечивается в изобретении как фазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т.к. фаза отраженного сигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора до облучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики) в режиме облучения объекта непрерывным монохроматическим немодулированным сигналом, так и выбором рабочей частоты, которая в заявленном СВЧ диапазоне обуславливает значительную фазовую модуляцию отраженного сигнала при изменении пульса на расстоянии до 5 м при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья, легких ширм и т.п.

Кроме того, электромагнитное облучение на отдельных участках выбранного диапазона (от 10 до 100 ГГц), как показали медицинские исследования, могут улучшать общее самочувствие пациентов и излечивать некоторые болезни.

Наличие блока коррекции тренда повышает достоверность регистрации "дыхательного" и "сердечного" сигнала, т.к. предварительно отфильтровывает (вычитанием) из квадратурного сигнала составляющую, обусловленную случайными макроперемещениями тела или его отдельных участков, и систематическое смещение нуля.

Способ для дистанционного исследования функций дыхания. Известно, что основным методом исследования вентиляционной функции легких является спирометрический, позволяющий объективно оценить жизненную емкость легких (ЖЕЛ), минутный объем дыхания (МОД), форсированные объемы (ФЖЕЛ, ОФВ1, МВЛ, РД).

Измерить скорость воздушного потока при форсированном вдохе, величины ПОС, МОС25, МОС50, МОС75, построить кривую поток - объем позволяет пневмотахометрический метод.

Снижение функциональной активности дыхательных мышц, дискоординацию торакоабдоминальных движений может регистрировать метод магнитометрии (плоские электроды приклеиваются к коже) [1].

Техническим результатом изобретения является возможность регистрации и измерения пульсации объема во время дыхания-пульса. Результат обеспечивается вследствие того, что предварительно для каждого пациента проводится процедура калибровки, которая обеспечивает измерение, анализ параметров измеряемого пространства в параллельных слоях (в трех измерениях X, Y, Z) и служит для построения таблицы преобразования данных режима измерения в цифровые единицы объема [2].

Предлагаемый способ исследования функции дыхания-пульса заключается в следующем. Обследуемый располагается в пространстве электромагнитного поля метрового диапазона в медицинском кресле в положении сидя, с помощью экрана с матрицей датчиков (МД) производятся измерения параметров поля. Количество датчиков, размещенных в экране МД, - n, где n - 64, 128, 256. При неподвижном положении верхних и нижних конечностей, соответственно расположенных на подлокотниках и подставке для ног кресла, изменения объемов грудной клетки и живота вызывают модуляцию параметров электромагнитного поля. Экран устанавливается в пространстве (X, Y, Z) так, чтобы i-й датчик экрана регистрировал максимальный вклад биомеханики дыхания-пульса соответствующей i-й зоны поверхности исследуемого биотела (Xi, Yi, Zi), где i - 1....n, в измеряемом пространстве. Измерения выполняются экраном датчиков МД с дистанции не менее L (см) до наиболее выступающей зоны передней стенки туловища. Сигнал F(i, t) (сигнал i-гo датчика после демодуляции, фильтрации и обработки) является функцией времени, отображает биомеханику i-й зоны и зависит от настройки аппаратных средств на режим измерения дыхания, пульса или перистальтики.

Обследуемый при дистанционной спирометрии дышит в естественной атмосфере, носовой зажим и загубник не используются. Данные, отображаемые на экране монитора, дают возможность оператору во время исследования функции дыхания более детально управлять процедурой записи пробы дыхания, что обеспечивает возможность выбора для обработки наиболее информативного цикла.

Анализ данных рентгенографии, спирометрии, радиоизотопных методов, клиники заболевания и данных дистанционного способа исследования функции дыхания позволил получить алгоритм преобразования данных патологического отставания "больной" половины грудной клетки при дыхании в соответствующее уменьшение показателей правого или левого легкого больного, что позволяет дополнить спирометрические данные объемами правого и левого легкого в отдельности, оценить вклад верхнего, среднего и нижнего отделов обоих легких с помощью гистограмм и динамических карт дыхания, регистрировать степень отклонения от нормы и место локализации патологического процесса.

Медицинская радиотермометрия. Радиотермометрия является методом неинвазивного определения температурных аномалий внутри биологического объекта (тела пациента). Она основана на законах излучения нагретых тел, справедливых и для биологических объектов. Каждое нагретое тело излучает согласно закону Планка в широком диапазоне частот, в том числе и в радиодиапазоне. В этом случае мощность излучения пропорциональна абсолютной температуре тела.

Биологические ткани являются сравнительно прозрачными для волн дециметрового диапазона, поэтому, оценив мощность излучения с помощью антенны, приложенной к поверхности кожи (антенны - аппликатура), можно судить о температуре глубинных слоев. В случае усиленного метаболизма клеток (при онкологических заболеваниях) при воспалительных процессах температура внутренних тканей повышается, на чем основаны диагностические особенности метода.

Впервые схема прибора для измерения температуры удаленных источников в радиодиапазоне была предложена Р. Дайком и носит его имя. Дайку принадлежит формула для радиометрического выигрыша:

, (1.1)

где - среднеквадратическое значение флуктуации температуры на выходе прибора; - температура шумов на входе приемника; - температура шумов объекта; - ширина полосы пропускания высокочастотной части прибора; - время накопления.

При используемых полосах частот в десятки и сотни мегагерц и времени накопления в единицы секунд радиометрический выигрыш составляет 10⁴... 10⁵ раз, и шумы на выходе радиометра эквивалентны 0,05... 0,1°С.

Формула Дайка находит следующее качественное объяснение. Высокочастотный сигнал представляет собой шум, состоящий из хаотических импульсов различной амплитуды и полярности. Длительность этих импульсов обратно пропорциональна ширине полосы пропускания приемника . Постоянная времени является периодом усреднения амплитуды импульсов и при увеличении в процесс усреднения попадает большее число импульсов, поэтому сигнал на выходе прибора стабилизируется, и точность показаний увеличивается. Модуляция сигнала низкой частотой уменьшает влияние изменения усиления приемного тракта.

Динамическое многоканальное радиотепловидение (ДМРТ). Исследование пространственного распределения реакций коры головного мозга на внешние стимулы позволит получить новую информации: о механизмах его функционирования. Для исследования динамики этих процессов в коре головного мозга человека пригодно ограниченное число методов, поскольку необходимо избегать применения инвазивных методов исследования, а также методов, использующих радиоактивные излучения или сильные магнитные поля. При исследованиях на животных весьма успешным оказалось применение термоэнцефалоскопни [3] -- измерение температуры коры по ее собственному тепловому излучению с помощью динамического инфракрасного тепловидения. Было обнаружено, что в ответ на внешний сенсорный стимул в коре головного мозга возникают разнообразные очаги повышенной температуры, как точечные, так и распределенные, в том числе волновые режимы. Характерное, время соответствующих реакций -- единицы и десятки секунд. Данный метод неинвазивен и, более того, бесконтактен, что является его несомненным достоинством. К сожалению, этот метод даже при исследованиях па животных требует снятия скальпа, что исключает его использование для изучения температурных реакций человека.

К настоящему времени развит другой метод неинвазивного измерения температуры тканей -- динамическое многоканальное радиотепловидение (ДМРТ), основанный на регистрации собственного теплового излучения тканей не в инфракрасном, а в микроволновом диапазоне частот [4]. Это позволяет измерять излучение, выходящее с глубины до нескольких сантиметров, интенсивность которого, определяется абсолютной температурой в указанном слое ткани. Съем информации осуществляется посредством контактных антенн, установленных на поверхности тела. В силу конструктивных особенностей метод ориентирован на измерение не абсолютной температуры, а динамики ее изменения по всей исследуемой области. Данный метод применялся для исследований в онкологии [5]. С его помощью было показано, что при глюкозном тесте происходит значительный разогрев в области, где расположена опухоль или ее метастазы. Первые исследования подтвердили, что этот метод окажется эффективным для изучения реакций коры головного мозга человека.

Реокардиомониторные системы. На сегодняшний день наибольшее распространение среди систем удаленного мониторинга в кардиологии получили носимые ЭКГ-мониторы. В то же время отмечается абсолютное отсутствие аппаратуры для дистанционного анализа импедансных реограмм, что объясняется, с одной стороны, технической сложностью импедансных измерительных преобразователей и сравнительно недавним внедрением доступных средств автоматизации диагностических процедур, а с другой - проблемами методического и алгоритмического характера, особенно проявляющимися в условиях естественной подвижности и изменяющегося положения тела пациента.

Учитывая сложившиеся обстоятельства на рынке телемониторных систем диагностики, а также близость областей применения систем дистанционного анализа ЭКГ и реографии, рассмотрим основные типы существующих ЭКГ-мониторов.

Широкое использование электрокардиографии в медицинской практике и разнообразие условий, в которых может потребоваться кардиологическая помощь, создали базу для развития различных технологий дистанционного анализа ЭКГ. Классификация последних представлена в таблице 1.1.

Таблица.1.1 - Классификация методов дистанционного анализа ЭКГ

Классификационный признак	Известные варианты реализации
1	2
Среда передачи	Радиоканал с малым радиусом действия Радиоканал с большим радиусом действия Телефонные линии общего пользования Выделенные проводные линии
Методы передачи	Аналоговые Цифровые
Число одновременно передаваемых сигналов	Одноканальные Многоканальные
Характер приемного оборудования	Специальное оборудование приемного Стандартные устройства общего оборудования назначения (факс, твейджер)

В настоящее время наибольшее распространение получили системы передачи ЭКГ по телефону, что обусловлено повсеместной доступностью и относительной дешевизной проводной телефонной связи.

Радиоканальные системы используются реже, однако их достоинство неоспоримо, когда необходимо обеспечить естественную мобильность передающей стороны при длительном мониторировании в реальном времени активно перемещающихся пациентов (системы с малым радиусом действия) или при поддержке мобильных бригад скорой помощи (системы с большим радиусом действия).

Система дистанционного мониторинга параметров центральной гемодинамики согласно рисунку 1.1 включает в себя носимый пациентом 1 портативный реокардиомонитор с приемопередатчиком 2, осуществляющий измерение и передачу реограмм и электрокардиограмм с единой электродной системы, а также центральный монитор 3 и базовую станцию 4, обеспечивающие прием, обработку и визуализацию полученных данных в реальном масштабе времени. Разработанный радиотелсметрический протокол с временным разделением каналов позволяет мониторировать одновременно до четырех пациентов.

Рисунок 1.1 - Биорадиотелеметрическая реокардиомониторная система

В канале импедансного измерительного преобразователя применена новая технология формирования трехуровневых зондирующих токов и стробируемого синхронного детектирования. Синтез трехуровнего зондирующего тока, управление синхронным детектированием и аналого-цифровым преобразованием, формирование радиотелеметрического протокола осуществляет микроконтроллер AT90S1200. Основные достоинства, определившие выбор данного микроконтроллера, - возможность работы от напряжения 3В с целью снижения потребляемого модулем тока, высокая производительность (при тактовой частоте 7,4 МГц время выполнения одной команды от 135 нс), развитая система команд, а также доступные и удобные средства проектирования и отладки [4].

Технически новым решением для разработанного реокардиомонитора является нормирующий фильтр-усилитель на выходе синхронного детектора представленный на рисунке 1.2, который позволяет использовать один канал для полного реографического сигнала, не разделяя его на базовый импеданс и пульсовую составляющую реограммы, тем самым сокращены аппаратные затраты и количество передаваемых каналов. Кроме того, повышение частоты среза аналоговых фильтров верхних частот до 1,8 Гц с последующей программной коррекцией линейных частотных искажений сигналов дает возможность применения удовлетворяющих требованиям компактности конденсаторов с меньшими размерами.

Рисунок 1.2 - Нормирующий фильтр-усилитель

Система аналого-цифрового сбора данных реализована на четырехканальном 16-разрядном АЦП последовательных приближений AD974, имеющем встроенный источник опорного напряжения, входной мультиплексор, устройство выборки-хранения и последовательный цифровой интерфейс. Данная микросхема может функционировать от одного источника питания 5В и имеет режим пониженного потребления.

Использование 16-разрядного АЦП позволяет увеличить допустимый размах входных, сигналов в 16 раз по сравнению с ранее применяемым 12-разрядным АЦП, что значительно снижает вероятность искажения реограммы свободно перемещающегося пациента в силу ограниченного динамического диапазона АЦП.

Достоинства: исключение «привязки» обследуемого к диагностической аппаратуре обеспечивает естественную подвижность пациента при выполнении им функциональных проб, тестовых профессиональных операций и других диагностических, профилактических и лечебных мероприятий, улучшает качество жизни пациентов, и в то же время позволяет врачу оперативно получать объективную картину состояния сердечно-сосудистой системы, применение для обработки полученной информации компьютера, высокая скорость передачи данных, возможность одновременного мониторинга нескольких пациентов.

Недостатки: ограниченный ресурс автономного источника питания, аналоговые фильтры инфранизких частот содержат крупногабаритные компоненты, что не удовлетворяет требованиям портативности, в условиях, естественной подвижности пациента существует вероятность искажения диагностических реограм.

1.2 Приборы для дистанционной регистрации биосигналов

Устройство регистрация артериального пульса и частоты дыхания. Логический блок анализа сигналов, выполненный на базе ЭВМ с высокой степенью точности и надежности, автоматически обрабатывает квадратурные составляющие, выделяя фазу отраженного сигнала и раздельно регистрируя параметры процесса дыхания и пульса. На рисунке 1.3 представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.

Наблюдение за артериальным пульсом и процессом дыхания для исследования психофизического состояния осуществляется следующим образом. Деятельность сердечнососудистой системы и дыхание оказывают комбинированное воздействие на кожный покров, проявляющееся в виде колебательных микроперемещений кожи. Для получения информации о параметрах процесса дыхания и пульса определяют микроперемещения кожного покрова путем его облучения с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц. При этом выделяют изменение фазы отраженного сигнала (которое линейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта), путем его разложения на квадратурные составляющие sin и cos, корректировки (фильтрации путем вычитания низкочастотного тренда) и преобразования синусной ( и косинусной ) квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы вычисляемый в блоке выделения фазы как арктангенс отношения квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы., вычисляемый в блоке выделения фазы как артктангенс отношения квадратурных составляющих . Затем из полученного непрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы за счет перемещения отражающего объекта (т.е. облучаемого участка кожи), выделяют составляющие процессов дыхания и пульса, регистрируют параметры процесса дыхания (в виде кривой дыхательной экскурсии) и пульса (в виде кардиоинтервалов) и по ним оценивают психо-физиологическое состояние исследуемого объекта, используя известные в медицине методики.

Рисунок 1.3 - Устройство регистрация артериального пульса и частоты дыхания

1 - СВЧ-генератор; 2 - вентиль; 3 - направленный ответвитель; 4 - передающую антенну; 5 - блок выделения квадратурных составляющих, доплеровского сигнала, 6 - приемную антенну; 7 - блок фильтрации; 8 - блок обработки; 9,10 - делители; 11,12 - балансные смесители; 13 - фазовращатель; 14,15 - предварительные усилители доплероских частот; 16 - блок выделения фазы; 17 - блок анализа фазы сигналов, который включает блок выделения сигнала о частоте дыхания 18 и блок выделения пульсового сигнала.

Устройство работает следующим образом. Облучение пульсирующего органа (участка поверхности кожи) осуществляется передающей антенной 4. выполненной, например, в виде конического рупора с узкой диаграммой направленности основного лепестка, сигнала сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц на которую поступает: от передающего СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и направленный ответвитель 3. Отраженный сигнал, содержащий доплеровскую частоту, модулированный периодическими процессами биения пульса (кровотока) и дыхания, воспринимается приемной антенной 6 и поступает на вход блока 5 к делителю 10, который разделяет его на две равные части и направляет на входы балансных смесителей 11 и 12 квадратурных каналов. Опорный сигнал, ответвленный направленным ответвителем 3 от излучаемого сигнала с передающего генератора 1 после вентиля 2, поступает на делитель 9, где разделяется, аналогично делителю 10, на две части, одна из которых направляется на второй вход балансного смесителя 11. а другая через фазовращатель 13 - на второй вход балансного смесителя 12. Квадратурные составляющие доплеровского сигнала с выходов балансных смесителей 11 и 12 поступают на идентичные предварительные усилители доплеровской частоты 14 и 15, где они усиливаются до необходимой величины и затем поступают на блок фильтрации 7, который удаляет низкочастотные смещения относительно нулевого уровня, обусловленные случайными перемещениями облучаемого объекта. С выхода блока коррекции тренда 7 сигналы поступают на блок 16, где преобразуются в текущую фазу отраженного сигнала.

Логический блок анализа 17 состоит из блоков 18 и 19 и обеспечивает выделение составляющих процесса дыхания и пульса и их регистрацию путем обработки сигнала в следующей последовательности. В блоке 18 происходит выделение "дыхательной" компоненты из сигнала текущей фазы ( характеризующего колебательный процесс микроперемещений кожного покрова, путем нелинейной фильтрации и регистрации кривой дыхательной экскурсии, а в блоке 19 из сигнала текущей фазы удаляют "дыхательную" компоненту.

Устройство для дистанционного исследования функций дыхания. Устройство работает следующим образом. Обследуемый располагается в пространстве электромагнитного поля, источником которого является высокочастотный генератор с излучающей пластиной, в медицинском кресле в положении сидя. Пациент расслабляется, снимает напряжение, привыкает к позе. Установка экрана МД производится с помощью подъемника, во время процедуры установки и осуществляется в ручном или автоматическом режиме под управлением сигналов, поступающих с выхода ЦАП преобразователя на вход блока управления системы наведения. Измерения выполняются экраном датчиков МД с дистанции не менее 3 - 10 см до наиболее выступающей зоны передней стенки. На поверхности матрицы датчиков образуется рельеф, обладающий избирательными и фильтрующими свойствами, параметры которого зависят от роста, пола, веса и конституции обследуемого. Сигнал с i-ro датчика после демодуляции и фильтрации с помощью блока детекторов поступает на мультиплексор, с выхода мультиплексора на вход усилителя канала. Частота дискретизации, поступающая на управляющий вход мультиплексора, задается генератором известной схемы фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, опорной частотой ФАПЧ является частота сети - 50 Гц. С помощью ФАПЧ достигается компенсация сетевых помех и наводок на канал связи. Аналоговые сигналы с выхода канала поступают на вход АЦП преобразователя с частотой преобразования не менее 100 кГц, с выхода которого подаются на вход IBM-PC

Программное обеспечение состоит из программных модулей, реализующих соответствующие этапы сбора, обработки, отображения и документирования данных обследования пациентов [7].

Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС. Рассмотрим построение диагностического медицинского радиотермометра РТМ-01-РЭС предназначенного для измерения внутренней (глубинной) температуры тканей по их естественному тепловому излучению в микроволновом диапазоне и измерения температуры кожных покровов по их тепловому излучению в инфракрасном диапазоне.

Радиотермометр является модуляционным нуль-радиометром со скользящей схемой компенсации отражений между биообъектом и антенной прибора. Упрощенная схема аппаратуры показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Упращенная схема комплекса РТМ-01-РЭС

1 - антенна; 2 - выключатель; 3 - циркулятор; 4 - радиометр; 5 - нагреваемый резистор; 6 - генератор опорного напряжения; 7 - усилитель; 8 - переключатель режимов; 10 - инструментальный усилитель; 11 - аналого-цифровой преобразователь; 12 - процессор; 13 - монитор; 14 - принтер.

В состав аппаратуры входят: антенна (аппликатор), радиодатчик, датчик температуры кожи, блок обработки информации, персональная ЭВМ (ПЭВМ). Измерение внутренней температуры производится контактным способом. При этом антенна прикладывается к коже пациента на проекции исследуемого органа или его части.

Мощность шумового сигнала в радиодиапазоне, поступающая на вход антенны, можно определить по формуле:

, (1.2)

где K - постоянная Больцмана (1,38-10^-23 Дж/град); Т - усредненная температура внутренних тканей (градусы Кельвина); В - полоса частот радиоприема (Гц); - излучательная способность.

При полосе частот В = 100 МГц (10⁸Гц) и температуре тканей 310 К эта мощность составляет примерно 4 -10¹³ Вт.

На этом фоне необходимо измерять изменение температуры в 0,1 К, т.е. изменение мощности примерно на 10 ¹⁶Вт.

Указанная величина чрезвычайно мала и может быть измерена только при использовании специальных методов приема и обработки сигналов. Мощность излучения строго пропорциональна температуре тела, поэтому она может определяться при прочих неизменных условиях в градусах температуры.

Непосредственно за антенной установлен выключатель 2, который переключается из замкнутого в разомкнутое состояние 1000 раз в секунду. При замкнутом состоянии переключателя сигнал проходит через плечи а - в циркулятора и усиливается в радиометрической части прибора 4. При разомкнутом состоянии выключателя 2 в плечо с циркулятора 3 поступают шумы от нагреваемого резистора 5, которые отражаются от выключателя 2 и через плечи а - в циркулятора 3 также попадают на вход радиометра 4. В радиометре происходит усиление сигналов и сравнение их мощности (температуры) при двух положениях переключателя 2. Напряжение, пропорциональное разности температур ткани и нагреваемого резистора 5, нагревает или охлаждает резистор до тех пор, пока указанные температуры не сравняются.

Нагреваемый резистор представляет собой тонкую керамическую пластину малой площади. На внешней стороне пластины нагреваемый резистор выполнен в виде миниатюрного пленочного элемента. Этот резистор имеет сопротивление 50 Ом и согласован с плечом с циркулятора.

Таким образом, измерение внутренней температуры тканей заменяется измерением температуры нагреваемого резистора, что упрощает построение аппаратуры. На нагреваемом резисторе установлен преобразователь температура-напряжение. Напряжение с выхода преобразователя поступает на усилитель 7 и далее на переключатели режимов 8, а затем на аналого-цифровой преобразователь 11, служащий для связи с ПЭВМ.

В ПЭВМ, состоящей из процессора 12, монитора 13 и принтера 14, осуществляются следующие операции:

фиксация данных пациента;

фиксация анамнеза;

фиксация данных измерений температуры, привязанных к позиции датчиков.

Данные по температуре обрабатываются и могут быть отображены на мониторе или принтере в виде термограммы или в виде поля температур.

Таким образом, рассмотрено устройство и принцип действия компьютеризированного радиотермометра РТМ-01-РЭС. Аппарат обладает долговременной стабильностью показаний. Благодаря специальным схемам он может работать при значительном изменении температуры окружающей среды. Введение устройства выборки - хранения убыстряет процесс измерения, особенно при скрининговых исследованиях.

Радиотермограф “РАСКАТ”. В экспериментальных исследованиях использовали многоканальный радиотермограф РАСКАТ, разработанный совместно ИРЭ РАН и НПО ВЕГА-М.

Этот прибор представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из высокочувствительного приемника дециметрового диапазона волн (радиометра), комплекта антенн-аппликаторов (по числу каналов) с устройствами крепления на голове и теле человека, персонального компьютера типа IВМ и пакета программного обеспечения.

Передача информации с радиометра на компьютер осуществляется в цифровом виде через стандартный порт RS-232. В приборе предусмотрен светодиодный контроль качества установки антенн-аппликаторов на теле (голове) человека. Имеются датчики температуры кожи под антеннами и датчик комнатной температуры.

С учетом постоянной времени интегрирования минимальный период исследуемых процессов составлял 40 с.

Исследования проводили в экранированной камере фирмы "Belling & Lee", обеспечивающей ослабление радиопомех более 100 дБ. Антенны-аппликаторы устанавливались на голове испытуемого в соответствии с международной системой отведений при электроэнцефалографии 10 -- 20. В первые 10 мин записывалось "фоновое" распределение температур, после чего давалась команда на начало физиологического теста. После окончания теста запись продолжалась еще 10 мин.

Для радиотермографии "изображение" синтезируется следующим образом: перед началом сеанса на экран дисплея выводится сменная маска исследуемого объекта -- голова человека представленная рисунке 1.5, в соответствии с которой производятся расстановка антенн-аппликаторов и дальнейшая привязка получаемой информации к изображению объекта.

Рисунок 1.5 - Маска головы

Полученные от всех антенн сигналы интерполируются по поверхности исследуемого участка, и результат интерполяции налагается на маску. Затем можно выбрать "кадр", относительно которого будут наблюдаться изменения температурных полей при различных физиологических пробах, и выровнять по нему температурное поле. Таким образом, получаемые карты температурных полей показывают относительные изменения глубинной температуры, вызванные внешним воздействием на организм человека.

1.3 Приборы использующееся в спортивной медицине

Портативный прибор биоуправления физической тренировкой “Вектор”. Выпускается в республике Беларусь научно-производственным предприятием “Биомедицинская инженерия Медиор”. Прибор предназначен для программируемого управления физической тренировкой и последующего анализа реальной функциональной нагрузки.

Прибор закрепляется на поясе спортсмена, мягкие электроды устанавливаются на грудную клетку для контроля динамики частоты сердечных сокращения (ЧСС). Управление осуществляется звуковым сигналом на основе сравнения текущего значения ЧСС с заданными и изменяющимися во времени границами.

Область применения: спорт высших достижений, оздоровительная физическая культура, реабилитация.

Функции и возможности прибора:

- программирование различных форм функциональных нагрузок в виде временной зависимости допустимых границ частоты пульса спортсмена.

- цифровая индикация и накопление мгновенных или усредненных значений ЧСС в процессе тренировки.

- работа в режиме секундомера и индикация объема заполнения ОЗУ.

- программная обработка накопленных данных, распечатка протоколов планирования и выполнения тренировки.

Многоканальный радиотелеметрический комплекс для оперативного контроля функционального состояния группы спортсменов “Прогрес”. Выпускается в республике Беларусь научно-производственным предприятием “Биомедицинская инженерия Медиор”. Комплекс предназначен для наблюдения в реальном времени динамики параметров кардиореспираторной системы группы спортсменов (4, 8, 16, и более человек) в ходе проводимых тренировок.

Функции комплекса: ввод служебной информации (анкетирование спортсменов, установка режимов контроля), тестирование системы, непрерывная регистрация частоты сердечных сокращений (ЧСС), частоты дыхания (ЧД), расчет и графическое представление динамики статических показателей (моды, амплитуды моды, индексов напряжения) и других параметров состояния спортсменов, распечатка групповых и персональных протоколов функциональной нагрузки, возможность внесения тренером отметок событий и графики регистрируемых данных по ходу тренировки.

В наше время появляется масса случаев в необходимости применения беспроводной передачи биосигналов. В этом направлении разрабатываются различные приборы для дистанционной диагностики таких параметров как: артериального пульса и давления, функций дыхания и работу сердца, температурных аномалий внутри биологического объекта. В связи с этим целесообразно углубленное изучение этой проблемы.

В данном дипломном проекте на базе электрического кардиографа РПС-1 будет разработано методическое и аппаратное обеспечение для снятия различных биосигналов на расстоянии, что позволит изучить принципы дистанционной диагностики.

Электрический кардиографа РПС-1 предназначен для радиоприема, усиления и преобразования сигналов от радиопередатчика РПД-1.

Недостатки: отсутствие интерфейса не позволяет подключить прибор к компьютеру, т. е. не возможно хранение, запоминание и быстрая обработка поступающей информации, малый радиус действия.

2 Анализ технического задания, описание структурной схемы устройства

2.1 Анализ технического задания

1. Для выполнения дипломного проекта, в качестве задания был дан прибор электрический кардиограф РПС-1 с характеристиками:

полоса пропускания приемника от 5 до 7 кГц;

полоса пропускания фильтра дешифратора 600 Гц;

скорость развертки осциллоскопа 12,5; 25; 50 мм/с;

нелинейность развертки осциллоскопа не более 10%;

питание 200 В, 50 Гц.

2. Информация, поступающая с электрического кардиографа, должна передаваться в цифровом виде через устройство сопряжения на ЭВМ.

многофункциональность;

иметь до 25 каналов для входных данных;

подключение к компьютеру через параллельный порт;

малогабаритность;

легкая съемка и установка;

полная изоляция по питанию

3. Обработка и вывод информации на ЭВМ.

4. Для измерения параметров прибора, а так передаваемого сигнала необходимо разработать схему проведения лабораторной работы. Выбрать приборы для измерения:

низкочастотный генератор для симуляции низкочастотного сигнала;

источник питания для передатчика;

осциллограф для наблюдением за сигналом проходящим через электрический кардиограф.

2.2 Описание структурной схемы устройства

Дистанционный комплекс контроля состояния состоит из передатчика и радиоприемника.

Передатчик имеет два электрода: сигнальный и пассивный. Сигнальный электрод крепится в активной зоне, а пассивный электрод является общим. Электроды снимают сигнал, который передается по радиоканалу при помощи антенны на электрический кардиограф с частотой 27,12 МГц.

Электрический кардиограф состоит из приемника, дешифратора, детектора, усилителя, усилителя вертикального отклонения, электронно-лучевой трубки, задающего генератора горизонтальной развертки, источника питания, высоковольтного блока питания, блока сопряжения с компьютером, компьютер, индикатор. Блок - схема радиоприемника представлена на рисунке.2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема дистанционного комплекса контроля функционального состояния

1 - приемник; 2 - дешифратора; 3 - детектора; 4 - усилителя; 5 - усилителя вертикального отклонения; 6 - электронно-лучевой трубки; 7 - задающего генератора горизонтальной развертки; 8 - источника питания; 9 - высоковольтного блока питания; 10 - индикатор; 11 - устройство сопряжения; 12 - компьютер.

Рисунок 2.2 - Структурная схема приемника

Структурная схема приемника представлена на рисунке 2.2. Усилитель высокой частоты, который предназначен для усиления радиосигнала, принимаемого штыревой антенной. Преобразователи частоты ПЧ-1 и ПЧ-2 предназначены для преобразования высокочастотного сигнала в первую и во вторую промежуточную частоту. Усилитель первой и второй промежуточной частоты УПЧ-1 и УПЧ- 2 предназначены для усиления сигнала первой и второй промежуточной частоты, и получения необходимой частоты пропускания приемника. На печатной плате УПЧ-2 выполнена схема автоматической регулировки усиления, которая обеспечивает автоматическое изменение усиления усилителя высокой частоты УВЧ в зависимости от величины входного сигнала. ЧД - детектор предназначен для преобразования высокочастотного сигнала, модулированного по частоте, в импульсную последовательность.

Приемник выполнен по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты для повышения чувствительности и избирательности, а так же для помехозащищенности системы.

Дешифратор 2 предназначен для выделения из последовательности импульсов, модулированных по частоте, первой гармонической составляющей и ее последующего преобразования. Структурная схема дешифратора показана на рисунке 2.3.

Усилитель предназначен для усиления сигнала поступившего с приемника. Усилитель-ограничитель предназначен для усиления импульсом, ограниченных по амплитуде на уровне 30 мВ. Это позволяет значительно улучшить помехозащищенность системы. Полосовой фильтр выделяет из импульсной последовательности, модулированную по частоте, первую гармоническую составляющую. Эмиттерный повторитель служит для согласования выходного сопротивления фильтра и входного сопротивления формирователя импульсов, предназначенного для формирования импульсов прямоугольной формы из синусоидального сигнала.

Рисунок 2.3 - Структурная схема дешифратора

1 - усилитель; 2 - усилитель-ограничитель; 3 - эмиттерный повторитель;

4 - полосовой фильтр; 5 - эмиттерный повторитель; 6 - формирователь.

Детектор 3 предназначен для выделения низкочастотного сигнала и подавления побочных продуктов преобразования. Структурная схема детектора представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема детектора

1 - ждущий мультивибратор; 2 - частотно-импульсный детектор; 3 - фильтр низких частот.

Ждущий мультивибратор 1 обеспечивает на выходе импульсную последовательность постоянной амплитудой, строго постоянной длительностью и скважностью q=10. Все эти факторы обеспечивают четкую работу частотно-импульсный детектора 2, который преобразует импульсную последовательность в низкочастотный сигнал. Фильтр низких частот 3 подавляет частоты побочных продуктов преобразования после детектирования и тактовую частоту 3500 Гц.

Усилитель 4 служит для усиления низкочастотного сигнала и подавления помехи с промышленной частотой 50 Гц.

Усилитель вертикального отклонения 5 и генератор горизонтальной развертки 7 обеспечивают соответственно вертикальную и горизонтальную развертку луча на экране ЭЛТ 6.

Источник питания 8 обеспечивает стабилизированным питанием все узлы и блоки радиоприемника, высоковольтный блок питания 9 обеспечивает питание электронно-лучевой трубки 6.

Индикатор 10 обеспечивает подстройку поднесущей частоты.

Блок сопряжения 11 служит для сопряжения радиоприемника с компьютером 12, который обеспечивает быстрое отображение и обработку информации поступающей от электрического кардиограф.

3. Разработка устройства сопряжения

Устройство сопряжения предназначено для подключения различных электрических устройств к компьютеру. В нашем случае необходимо подключить к компьютеру электрический кардиограф. В соответствии с заданием на ДП устройство сопряжения должно соответствовать следующим требованиям:

многофункциональность;

иметь до 25 каналов для входных данных;

подключение к компьютеру через параллельный порт;

малогабаритность;

легкая съемка и установка;

полная изоляция по питанию.

Двадцать пять входных каналов необходимо для передачи данных в компьютер от различных устройств, датчиков и так далее, которые в перспективе могут быть подключены к ЭВМ при выполнении других работ по разным дисциплинам. Главным условием при проектировании устройства сопряжения - это его совместимость с другой аппаратурой и многофункциональность.

3.1 Разработка электрической принципиальной схемы устройства сопряжения

На плату сопряжения через разъем (Х1) может подаваться до 25 сигналов. Выборка адреса подаваемого сигнала осуществляется аналоговыми коммутаторами, собранными на микросхемах К561КП1. Функциональная схема микросхемы состоит из общей схемы управления (дешифратор 2х4) и двух синхронно работающих групп ключей, по четыре ключа на каждый.

Управление микросхемой осуществляется по двум адресным входам 9,10 и входу выбора микросхемы 6. При подаче на вход 6 высокого уровня каналы закрываются. При наличии низкого уровня на входе 6 любой из 4 возможных комбинаций значений на входах 9,10 соответствует один открытый канал в каждом мультиплексоре одновременно. Вход 6 имеет наибольший приоритет из всех видов управления.

В мультиплексоре использована модифицированная схема ключа, благодаря которому сопротивление открытого канала имеет малую зависимость от изменения входного сигнала в диапазоне коммутируемых напряжений, лежащих в диапазоне между значениями напряжения питания на входах 7 и 16. Поскольку сопротивление открытого канала мультиплексора зависит от его напряжения питания (минимально ), то выберем для питания мультиплексора напряжение 12В, которое можно взять от приемника дистанционного комплекса контроля функционального состояния и при котором обеспечивается достаточно малое сопротивление открытого канала.

Выбранный по адресу сигнал поступает на систему операционных усилителей, собранных на микросхемах КР140УД708.

Каскад на транзисторе VT1 (КТ315) собранный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает необходимую подстройку по питанию для стабильной работы операционных усилителей. Система операционных усилителей усиливает сигнал до уровня, который необходим для нормальной работы АЦП. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на микросхеме К1107ПВ2. Представляет собой восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь с частотой 20МГц. Назначение выводов представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Назначение выводов АЦП К1107ПВ2

Номер вывода	Назначение вывода
1	2
11	Опорное напряжения 1
1	2
13,15,16,18,20	Вход (аналоговый сигнал)
14,19 17 22 28,43 29,42 32…35,37…40 36,40 47…50 1…10,12,21,23…27,31,51…64	Общий (аналоговая “земля”) Вывод корректировки нелинейности Опорное напряжение2 Питание1 Общий (цифровая “земля”) Выводы 8…5, 4…1 Управление выходным кодам Питание2 Незадействованные

Работой АЦП управляет один тактовый сигнал. Выборка производится через 10…22 нс после прохождения переднего фронта тактового сигнала. Кодирование происходит после прохождения заднего фронта тактового импульса, а результат, полученный в процессе кадрирования, передается в выходной регистр одновременно с передним фронтам очередного такового импульса. Задержка цифрового выхода не превышает 50 нс. Это дает возможность передним фронтом очередного тактового импульса произвести следующую выборку, т.е. в момент, когда на выходе микросхемы получается результат n -ой выборки на входе производится n + 2 выборка, а результат n + 1 выборки хоронится в промежуточной степени.

Минимальная длительность импульса и паузы между импульсами , определяемые длительностью переходных процессов в отдельных ступенях АЦП в заданном диапазоне рабочих температур, определяют тактовую частоту (f_cmax>20 МГц). [8]

Каскад на транзисторах VT2 и VT3 (КТ301) собранный по дифференциальной схеме обеспечивают стабильное питание для нормальной работы АЦП.

Управлением АЦП и выборкой адреса на аналоговых коммутаторах осуществляется компьютером через однокристальное программируемое устройство ввода/вывода параллельного типа выполненного на микросхеме КР580ВВ55А. Содержит три канала ввода/вывода: А, В и С и может работать в одном из трех режимах:

1. Режим 0 - простой ввод/вывод;

2. Режим 1 - стробируемый ввод/вывод;

3. Режим 2 - двунаправленный канал.

Необходимый режим задается предварительной записью в БИС управляющего слова. Режим работы каналов можно изменять как в начале, так и в процессе выполнения программы, что позволяет обслуживать различные периферийные устройства в определенном порядке с помощью одной БИС К580ВВ55А. Режимы работы каналов А и В могут быть установлены различными одновременно.

Рассмотрим каждый из ее узлов. Входные/выходные формирователи канала данных представляют собой двунаправленные буферы, выходы которых имеют третье состояние “выключено”. Буферы предназначены для приема управляющих слов и данных на внутреннею магистраль КР580ВВ55А и для выдачи на магистраль системы информации состояния и данных от внешних устройств.

Содержание 7-разрядного регистра управляющего слова определяет режим работы и направления передачи каждого из каналов ввода/вывода. В этом регистре можно только записывать информацию. Схема выбора канала предназначена для формирования сигналов управления внутренними и внешними передачами данных, управляющих слов и информации состояния. Регистры каналов А, В, С и выходные формирователи предназначены для подключения внешних устройств ввода/вывода к магистрали данных МП. Схемы управления каналом С поваляет программным способом изменять состояние любого разряда регистра С.[9]

В нашем случае устройство ввода/вывода работает в режиме 0. Простой ввод/вывод данных по трем 8-разрядным каналам, причем канал С разбит на два 4-разрядных канала. При работе схемы в этом режиме никаких дополнительных сигналов управления не требуется.

Управление микросхемой ввода/вывода осуществляется ЭВМ через микросхемы КР1533ЛН1 и КР1355ЛА2. С выхода КР1355ЛА2 на вход CS микросхем ввода/вывода подается логический 0 или 1, что включает или выключат ее.

Транзисторные оптопары (АОТ123А) предназначены для управления выборкой адреса (U2…U8) с разъема (Х1) и передачи информации поступающей по измерительному каналу (U1). Они осуществляют так же полную развязку схемы от ЭВМ по питанию.

Полная развязка по питанию предназначена для предотвращения перегорания дорогостоящих элементов схемы и компьютера. При превышении напряжения предельно допустимого значения напряжения или пробивания напряжения на корпус, автоматически прекращается выборка адреса на мультиплексорах (К561КП1) или транзисторная оптопара перегорает, что приводит к автоматическому отключению платы сопряжения от сети питания.

Устройство сопряжения подключается к компьютеру через штыревой разъем (Х2).

3.2 Электрический расчет устройства сопряжения

В устройстве сопряжения используется АЦП параллельного действия К1107ПВ2, имеющий в время преобразования 100 нс и максимальную частоту преобразования 20 МГц. Назначения выводов приведены выше в таблице 5.1.

Транзисторы VT2, VT3 служат для преобразования напряжения - 12В до уровней необходимых для подачи на входы 47 - 50, 22 АЦП. Нужный уровень напряжения определяется положениям движков резисторов R17, R18. Ток, потребляемый микросхемой на входах 47 - 50 равный 35мА. Для этого в базах этих транзисторах должен протекать ток:

, (3.1)

(мА),

, (3.2)

.

для обеспечения такого тока ток через резисторы r16, r17 должен быть равен , т. е. r16 = r17 = 12в/. при таких условиях на эмиттеров этих транзисторов будет повторяться напряжение, присутствующее на среднем выводе резисторов R16, R17.

на вход ацп должно подаваться напряжение -2…0 в. это напряжение должно обеспечиваться операционным усилителем (оу) da3. коэффициент усиления da3 задается резисторами r20, r18. резистор r19 выбирается равным 10 ком исходя из технических условий по применению оу данного типа и служит для установки нулевого уровня. так как резистор r20 переменный, то мы можем плавно регулировать коэффициент усиления данного усилителя. оу включен по неинвертирующей схеме. отсюда следует, что коэффициент усиления:

, (3.3)

.

 Для работы оптопары необходимо обеспечить определенный ток. этот ток обеспечивается оу da2, в котором диод оптопары включен в цепь обратной связи. для компенсации влияния остаточного сопротивления аналоговых коммутаторов используется каскад на транзисторе vt1. аналоговый сигнал поступающий с выхода коммутатора усиливается на оу da1. для нормальной работы ацп необходимо аналоговый сигнал усилить в к раз:

, (3.4)

Данная микросхема имеет

и

исходя из этих данных выберем :

, (3.5)

.

, (3.6)

.

Определим сопротивление R2:

, (3.7)

(кОм)

Исходя из формулы (3.4) определим сопротивление R1:

, (3.8)

(Ом)

4. выбор и обоснование конструкции устройства СОПРЯЖЕНИЯ

Конструирование может быть реализовано различными методами: геометрическим, машиностроительным, топологическим, проектирования моноконструкций, базовым, эвристическим и автоматизированного проектирования. Дадим краткую характеристику некоторым из них.

Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств тела.

Этот метод является основным средством решения задачи во всех случаях, когда от конструкции требуется высокая точность взаимного перемещения деталей или длительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих от расположения деталей.

Машиностроительный метод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается из минимизации массы и допустимой прочности конструкции.

Метод нашел применение при проектировании несущих конструкций ЭВА всех уровней, кинематических звеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижных соединений.

Топологический метод. В основу его положена структура физических связей между ЭРЭ, т. е. Представление конструктивного вида электрической схемы и ее геометрической (топологической) связности, независимо от ее функционального содержания.

Базовый метод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно-законченные части. Базовый метод конструирования и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный методы) основываются на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструктивной унификации. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков).