Национална студентска научно техническа конференция 2016



Дата13.03.2017
Размер92.89 Kb.


НАЦИОНАЛНА СТУДЕНТСКА НАУЧНО-

ТЕХНИЧЕСКА КОНФЕРЕНЦИЯ 2016

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ

Copyright © 2016 НСНТК

МОДУЛ ЗА РЕГИСТРИРАНЕ И МОНИТОРИРАНЕ НА КИСЛОРОДНО НАСИЩАНЕ И СЪРДЕЧЕН РИТЪМ

Иван Кънев, ТУ-София, ikanev@icloud.com

Станислава Янева, ТУ-София, s.yaneva93@abv.bg

Абстракт: През последните години се наблюдава значително увеличаване на броя на преносимите устройства за следене на виталните показатели. Стремежът към повишаване на диагностичните възможности на медицинската апаратура ясно е обозначил пътя на нейното развитие през годините. Съчетаването на множество фактори и най-вече комбинацията от натрупания опит и достижения в различни области на познанието са рефлектирали в съвременни методи и устройства за обективна оценка на състоянието на най-сложната система в природата – човешкото тяло.

Ключови думи: биосигнали, кислород, кръв, кръвообръщение, насищане, неинвазивен, оксигенация, оксиметрия, пулс, ритъм, светлина, светодиод, сензор, сърце, фотодиод, хемоглобин.

PULSE OXIMETER AND HEART-RATE MONITORING MODULE

Ivan Kanev, TU-Sofia, ikanev@icloud.com

Stanislava Yaneva, TU-Sofia, s.yaneva93@abv.bg

Abstract: In recent years there has been a significant increase in the number of portable devices for monitoring vital signs. Striving to enhance the diagnostic capabilities of medical equipment is clearly marked path of its development over the years. The combination of a number of factors, especially the combination of experience and achievements in various fields of knowledge are reflected in modern methods and devices for objective assessment of the status of the most complex systems in nature - the human body.

Keywords: biosignals, oxygen, blood circulation, saturation, noninvasive, oxygenation, oximetry, pulse, rhythm, light, LED sensor, heart photodiode hemoglobin.

1. ТЕОРИЯ НА ПУЛСОКСИМЕТРИЧНИТЕ ИЗМЕРВАНИЯ, ПРИНЦИП НА ИЗМЕРВАНЕ И ЦИКЪЛ НА ОКСИГЕНАЦИЯ

1.1 Въведение в пулсовата оксиметрия.

Пулсоксиметрията е неинвазивен метод, наложен в протокола за първи грижи още в родилна зала, с цел ранна диагноза на субклинични изяви на неонатален респираторен дистрес синдром (дихателна недостатъчност при новородени). Поради огромната си информационна стойност, този метод е включен в клиничните пътеки по неонатология, белодробни болести, алергология и педиатрия. Своевременната диагноза и ранното лечение на отклоненията в кислородното насищане и кислородния транспорт към тъканите е от решаващо значение за намаляване на рисковите пациенти с нарушена белодробна функция. Изследването е показано във всички случаи, когато може да се очаква нестабилност в кислородотранспорта и оксигенацията. Понижената оксигенация е индикатор за нужда от постъпване в болнично заведение и за интензивно лечение.

Методът е открит още през 1935 г. от Матис и се основава на оптичната плетизмография, като се анализират честоти в диапазона 0.05 – 150 Херца. Ползват се два вида източници на светлинно лъчение - един в инфрачервената и един във видимата червена част на светлинния спектър. Измерва се смяната на абсорбцията на всяка от двете дължини на вълната, което позволява определяне на абсорбцията, дължаща се на пулсираща артериална кръв самостоятелно, изключвайки венозна кръв, кожа, кости, мускули, мазнини и др. Измервайки колебанието на сигналите, може да се регистрира и изчисли относителното съдържание на хемоглобин и оксихемоглобин в кръвта, а също така и кривата на кръвното налягане в капилярната му фаза. Изследването е неинвазивно (не е свързано с нарушаване на целостта на кожата), напълно безболезнено и с висока информативна стойност при нарушения на кислородния транспорт. Сензорът се прикрепя на тънка част от тялото на пациента, обикновено върха на пръст или меката част на ухото, при новородените тези части от тялото са стъпалото на крака, дланта на ръката или кракът.

1.2 Цикъл на оксигенация.

Насищането с кислород и последвалото му разреждане в кръвта, е процес случващ се на всяко вдишване. Когато си поемем дъх, около 21% от това, което вдишваме е кислород. Богатият на кислород въздух достига до белите дробове, където преминава през мембраната на клетките и навлиза в изчерпания на кислород хемоглобин. Наситеният с кислород хемоглобин преминава през артериалната система и достига сърцето, където бива разпределен из тялото, до тъканите. В тъканите кислородът се изразходва и отпадъчният продукт от процеса - въглероден двуокис, се откарва обратно от венозната система, през сърцето до белите дробове, които изкарват въглеродния двуокис извън тялото чрез издишване.



Фиг.1 Цикъл на оксигенация



1.3 Принцип на измерване.

Предимството на оксиметрията, като метод пред традиционното клинично измерване на кислорода в кръвта е, че предоставя достатъчно надеждни данни в реално време без да причинява дискомфорт на пациента. Принципите на оксиметрията се базират на абсорбционните характеристики на червената и инфрачервената светлина, при наситения и разредения на кислород хемоглобин.



Фиг.2 Абсорбционен спектър на наситения и ненаситения с кислород хемоглобин в обща кординатна система

Наситеният на кислород хемоглобин абсорбира в по-голяма степен инфрачервения спектър на светлината и в по-малка степен червения спектър. Разреденият на кислород хемоглобин пък абсорбира в по-голяма степен червения спектър на светлината и в по-малка степен инфрачервения. Червеният спектър на светлината е с дължина на вълната в диапазона 600-750 nm. Инфрачервеният спектър е с дължина на вълната в диапазона 850-1000 nm.

Фиг.3 Нива на поглъщане при различни дължини на вълната

При оксиметрията за източници на червена и инфрачервена светлина се използват светодиоди, които се поставят на част от тялото с добро кръвообращение и малка дебелина, така че част от светлината да премине от другата страна. За регистриране на преминалата през пръста светлина се използва фотодетектор (фотодиод или фототранзистор).

Има два метода за регистриране на светлината преминала през мястото на измерване: предавателен и отражателен. При предавателния метод, както е показано на Фиг.2, излъчвателят и фотодетекторът са един срещу друг и се измерва количеството преминала светлина.



Фиг.4 Предавателен метод за регистриране на пулсова вълна

При отражателния метод, предавателят и фотодетекторът се намират един до друг над обекта на измерването и се измерва количеството отразена светлина.

Фиг.5 Отражателен метод за регистриране на пулсова вълна

След като излъчената червена и инфрачервена светлина преминат през обекта на измерването, те се регистрират от фотодетектора и се изчислява отношението R/IR. При изчисляването на това отношение трябва да се вземе под внимание и факта, че полученият от фотодетектора сигнал съдържа няколко различни съставки породени от различни абсорбатори на светлина. Това включва кожата, тъканите, венозната кръв и артериалната кръв.

Фиг.6 Поглъщане на светлината от различни източници

Специфично за артериалната кръв е, че при всеки удар на сърцето се наблюдава повишен приток на кръв в измервания участък. Това довежда до увеличаване на поглъщането на светлина по време на ударите на сърцето. Ако сигналите от фотодетектора се разгледат като форма на вълната, то в моментите между два удара на сърцето ще се наблюдава спад на сигнала, а при всеки удар на сърцето - максимум на сигнала. Ако количеството светлина абсорбирано при спадовете (DC компонент) се извади от количеството светлина, абсорбирано при максимум, то на теория се получават поглъщателните характеристики породени само от количеството кръв през артериите (AC компоненти, който са около 1% от стойността на DC компонента). Стойността на R/IR изразява отношението на разредения къмто наситения с кислород артериален хемоглобин. Използвайки това отношение, може да се изчисли сатурацията на кислород, основавайки се на емпиричната крива.

Фиг.7 Емпирична крива на кислородна сатурация



2. РЕГИСТРИРАНЕ НА КИСЛОРОДНО НАСИЩАНЕ

Обикновено получените сигнали са много слаби и могат да имат известни магнитни смущения. Тези сигнали, трябва да бъдат филтрирани и след това усилени. Обикновено се използва 50 или 60 Hz нискочестотен филтър. След това, сигналът се разделя на неговите „компоненти“ и се разпределя към филтриращите и усилвателните секции. В зависимост от вида, може да бъде проектирана схема за автоматичен контрол на усилването. Целта е да се максимизира сигналът получен от инфрачервения и червения светодиод, преди да влезе във фотодетектора така, че отношението сигнал-шум SNR (Signal-to-noise-ratio) да се придържа сравнително високо. Поради производствени причини, диодите не винаги могат да имат желаната дължина на вълната. Затова микропроцесорно базираната система MBS (Microprocessor Based System), генерира копенсацията, след което измерванията трябва да бъдат калибрирани.

Смесеният сигнал се състои от пулсираща (AC) и непулсираща (DC) компонента. Непулсиращата компонента доближава интензитета на светлината получена от фотодиода, когато само абсорбционната компонента присъства на мястото (пръст, ухо и т.н.). Тази компонента е относителна константа, през кратките измервания, но поради физиологични изменения тя може да варира значително в широки интервали. Като анализираме тези сигнали, изготвяйки си малък прозоречен времеви интервал, можем да елиминираме проблема, който се създава от физиологичните изменения. В сравнение с непулсиращата компонента, пулсиращата е много по-малка.

Фиг.8 Изходният сигнал получен от фотодиода

Процесът, който съществено усилва и преобразува към цифров вид непулсиращата компонента, ще използва най-много ресурс от аналогово-цифровия преобразувател. Поради тази причина, за да се използва пълния динамичен обхват на аналогово-цифровия преобразувател, трябва да се елиминира тази компонента, да се дискретизира и след това да се добави обратно към пулсиращата компонента. Премахването на постоянната компонента ни предоставя идеална възможност да използваме всичките налични нива, както и за подобряване резолюцията на аналогово-цифровия преобразувател.

Дължината на вълната на светодиодите, зависи до голяма степен и от температурата на околната среда. За по-ефективно и по-точно измерване температурата също трябва да бъде параметър, който ни е известен, от който зависи и адекватната компенсация.

За оптимизация на цената, размерите и точността се използват превключваеми капацитивни филтри. Тези филтри правят двата сигнала (от червения и инфрачервения светодиод) идентични от към усилване и фаза. За да се филтрира изходният шум генериран от превключваемите капацитивни филтри, се поставя втори филтър, който е каскадно свързан към останалите. Този етап характеризира именно точността на устройството. След това използвайки програмируемо изместване на постоянната съставка и програмируемо усилване, двата сигнала се мултиплексират заедно с другия аналогов сигнал, преди да бъде подаден към аналогово-цифровия преобразувател.

2.1 Използван сензор.

Сензорът който се използва съчетава два светодиода, фотодетектор, оптимизирана оптика, и ниско шумова аналогова обработка на сигнала. Оперира с 1.8V и 3.3V захранващи напрежения. Може да бъде така програмиран, че захранването да остане включено постоянно без това да се отразява значително в консумацията.



Фиг.9 Сензор за измерване на кислородно насищане и сърдечен ритъм

Сензорът е предназначен за взискателните изисквания на носимите устройства. Той е напълно конфигурируем чрез своите софтуерни регистри, а изходните данни се съхраняват в FIFO буфера, който позволява на сензора да бъде свързан към микроконтролер или микропроцесор, където данните не е необходимо да се прочитат непрекъснато от регистрите на устройството.

Фиг.10 Блокова схема

Подсистемата се състои от схема за анулиране на околната среда (ALC), 16-битов сигма-делта аналогов-цифров преобразувател, и собствени дискретни филтъри. Резолюцията на АЦП-то може да варира от 13 бита до 16 бита. Скоростта на данните може да се програмира от 50Hz до 1kHz. MAX30100 включва дискретен времеви филтър, за да премахне 50Hz / 60Hz и нискочестотния остатъчен шум.

Фиг.11 Принципна електрическа схема



2.2 Управление на светодиодите.

LED дравйвер: В чипа са интегрирани RED и IR LED драйвери за управление на тока през диодите, като той може да бъде програмиран в диапазона от 0 mA до 50 mA. Ширината на импулса също се задава програмно, като чрез нея се задава и разделителната способност на аналогово-цифровия сигма-делта преобразувател.



2.3 Честота на дискретизация и ефективност.

Аналогово цифровия преобразувател представлява 16-битов сигма делта конвертор. Извадката на аналогово цифровия преобразувател може да бъде конфигурирана от 50sps до 1 ksps. Максималната скорост на дискретизиране зависи от избраната ширина на импулса, която от своя страна, определя резолюцията на аналогово-цифровия сигма-делта преобразувател. Например, ако ширината на импулса е настроена на 200μs, резолюцията на аналогово-цифровия преобразувател ще е 13 бита и всички стойности от 50sps до 1 ksps ще бъдат избираеми. Въпреки това, ако ширината на импулса е настроена на 1600μs, то тогава могат да се задават само 100sps и 50sps.



2.4 Захранване.

Светодиодите в сензора са натоварени с по-нисък коефициент на запълване за спестяване на енергия, импулсните токове могат да предизвикат колебания в LED захранването. За да се гарантира, че тези импулси няма да се превърнат в оптичен шум, захранването трябва да се проектира така, че да се справя с върховия LED ток. Необходим е кондензатор 1μF, който играе ролята на байпас капацитет за нисък импеданс.



2.5 Обмен на данни.

Фиг.12 Обмен на данни между главното и подчинено устройство

Комуникацията се осъществява, чрез I2C протокол, като данните които се предават по линии SDA и SCL, са двупосочни и могат да бъдат свързани към захранващо напрежение чрез pullup резистори. Максималната скорост на обмен в нормален режим е 100 kbit/s, а в ускорен режим – до 400 kbit/s.

Данните, които се предават по шината SDA са тип байт и няма ограничения за броя на байтовете. Те се синхронизират по ниво 1 на SCL и превключването им трябва да се осъществява при тактов сигнал 0. За всеки бит от главното устройство, се генерира тактов импулс и предаването започва с най-старшия бит (MSB). Първият байт след стартовата ситуация START (S) съдържа 7-битов адрес на подчинено устройство и бит R/W. При R/W=0, главното устройство предава данни към подчиненото. При R/W=1, главното устройство приема данни от подчиненото устройство. Бит ACK (потвърждение) се изпраща от приемника за потвърждаване на приемането след всеки байт по време на 9-ти SCL такт.



Фиг.13 Предаване на данни



ЛИТЕРАТУРА

  1. J. E. Scharf (1996). Optimization of portable pulse Oximetry through Forier analysis, University of South Florida, U.S

  2. J. G. Webster (2002). Design of pulse Oximeters. Published in Great Britain by Taylor and Francis Groups, New York

  3. J. T. B. Moyle Jones (1972). Name of paper. Pulse oximetry , 2nd edition, Published by BMJ Books, London





База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница