Дипломная работа: Портативная система сбора данных о здоровье человека

Функциональная схема устройства представлена на рис. 12.В микросхемувстроен 18-ти разрядный АЦП для оцифровывания ЭКГ сигнала и 19-ти разрядный АЦП для записи сигналов ФПГ. Входной сигнал усиливается при помощи встроенных аналоговых усилителей с программируемым коэффициентом. Частотыдискретизации АЦП датчика MAX86150, программируются пользователем и составляет: 10-3200 для ФПГ отсчетов в секунду и 200-3200 для ЭКГ.

Обмен данными между MAX86150 и внешним управляющим контроллером осуществляется с помощью интерфейса I2C. Вместе с этим с целью снижения потребления MAX86150 снабжен 32-размерным FIFO-буфером, благодаря чему микроконтроллер может считывать данные блоками, при этом находясь большую часть времени в режиме сна.

MAX86150 использует напряжение питания U_DD= 1,7-2,0 В (VDD_ANA и VDD_DIG) и U_LED= 3,3 В для питания светодиодов. Типовое потребление MAX86150 составляет около I_DD= 400 мкА. Питание светодиодов также находится на уровне около I_LED= 400 мкА.

Для снижения уровня потребления можно уменьшать частоту измерений, снижать длительность и амплитуду токовых импульсов питания светодиодов. Амплитуда импульсов питания программируется в диапазоне 0-100 мА, а длительность в диапазоне 50-400 мкс. Кроме того, для минимизации потребления микросхема MAX86150 снабжена встроенным датчиком близости. Если сигнал пользователя не обнаружен, то схема автоматически отключается и перестает подавать питание на красный светодиод видимого спектра. Иначе еслиисследуемый предмет обнаружен, MAX86150 автоматически включается и переходит в активный режим измерения.

Для получения наиболее низкого уровня потребления энергии следует использовать режим «Shutdown», при котором типовое значение тока потребления уменьшается до I_SHDN= 0,5-12 мкА).

Рисунок12 - Структурная схема MAX86150

Схема подключения устройства является достаточно простой и представлена рис. 13.

6

1

Рисунок13 - Принципиальная электрическая схема подключенияMAX86150

Основными компонентами в данной схеме являются подтягивающие резисторы (pull-upрезисторы), являющиеся частью схемы для организации интерфейса «I2C», развязывающие конденсаторы, осуществляющие фильтрацию входов питания микросхемы и фильтр высоких частот на базе RC-цепочки для фильтрации входных сигналов с электродов.

2.3.2 Выбор контроллера системы управления

В качестве системы управления был выбран микроконтроллер СС2541 от компании TexasInstruments[21]. Данная микросхема специально разработана для применения в портативных устройствах с низким энергопотреблением.Преимуществами данной микросхемы являются:

· низкое энергопотребление (около 14 мА в режиме приёма и передачи);

· низкое энергопотребление в спящем режиме (около 1 мкА);

· малые габариты (6х6 мм) и небольшое количество вспомогательных электронных компонентов.

· встроенная система беспроводной передачи данных BluetoothLowEnergy.

Принципиальную электрическую схему подключения, выбор антенны для bluetoothlowenergy (BLE) можно найти в соответствующей технической документации [22-23].

2.3.3 Выбор системы питания портативного устройства

Впортативных системахна базе аккумуляторных источников постоянного напряженияприменяют интегральныечипы управления питанием - PMIC-контроллеры. Такие микросхемы представляют из себя DC/DC преобразователиc многоканальными выходами питающего напряжения. Для работы разрабатываемого устройства необходимо иметь два типа питающего напряжения: 1,8 В для питания микросхемы MAX86150 и 3,3 В для питания светодиодов и микроконтроллера СС2541, рис. 14.

Рис. 14. Структурная схема системы питания

В качестве управляющего питанием драйвера было решено выбрать микросхему MAX14690, рис. 15 [24].

Основными модулями микросхемы MAX14690 являются два импульсных понижающих стабилизатора напряжения (ИПП) с выходным током до 200 мА. Выходное напряжение программируется в пределах от 0,8 до 1,8 В и от 1,5 до 3,3 В, собственный потребляемый ток оставляет - 0,9 мкА. Также имеются три линейных стабилизатора (ЛСН) с выходным током в пиковые режимы до 100 мА. Выходное напряжение программируется в пределах 0,8-3,6 В, собственный потребляемый ток составляется 0,6 мкА, входное напряжение составляет 2,7-5,5 B (возможна подача питания с отдельного вывода). Каждый стабилизатор возможно подключать отдельно.

Рис. 15. Структурная схема MAX14690

Преимуществом данной микросхемы является простая в реализации зарядка литиевой батареи, высокая степень интеграции, способствующая экономии занимаемой площади, оптимизированная система управления (через I²C), встроенный мультиплексор контроля напряжения.

Недостатками являются возможные сильные пульсации выходных токов, однако с помощью регулирования пиковых значений тока катушки для каждого выхода можно оптимизировать баланс между КПД, выходными пульсациями, электромагнитными помехами (EMI), конструкцией печатной платы и нагрузочной способностью[25].Использование линейного стабилизатора напряжения позволяет существенно снизить выходные шумы, что дает возможность применения его для питания чувствительных к помехам устройств.

В качестве батареи можно использовать литий-ионные элементы питания в виде «таблеток»(также именуются «Coin»), которые обладают малыми габаритами и возможностью перезарядки, рис. 16.В качестве используемой батареи можно выбрать «RJD2450ST1» с напряжением питания от 4,2 В до 3,0 В и током разряда до 280 мА в пиковые моменты потребления[26]. Диаметр батареи составляет 24,5 мм.

Рисунок 16 - Внешний вид батареи

2.4 Алгоритм работы устройства

Алгоритм работы устройства представлен на рис. 17.

Работа устройства начинается с инициализации параметров устройства - настройки работы микроконтроллера и периферии,проверки уровня заряда батареи, выдается сообщение о готовности устройства к работе. Далее пользователем выбирается режим исследования. Возможными режимами исследования являются:

1. Запись ЭКГ и ФПГ.

2. Суточный мониторинг ЧССи на основе ФПГ.

3. Измерение ЧСС,ВСР, SpO2 (короткий промежуток времени).

4. Измерение АД.

Во время проведения исследования устройство сохраняет данные и передает информацию на смартфон пользователя. В случае обнаружения ошибки измерения останавливает работу и выдает сообщение об ошибке. В качестве ошибок выступают: потеря контакта датчика с телом, потеря связи с принимающим устройством. После успешно проведенного теста результаты можно наблюдать в приложении на смартфоне.

Рисунок 17- Блок-схема работы устройства

2.5 Выводы к главе

Выбранные компоненты для реализации устройства позволят создать компактное устройство для мониторинга состояния ССС. Минимальное количество использованных электронных компонентов снизит стоимость устройства и трудозатраты на его разработку. Основные компоненты, из которых будет выполнено устройство представлены в таблице 2.

Таблица 2

3Математическое моделирование расчетов параметров здоровья

3.1 Запись ЭКГ и ФПГ с использованием отладочной платы

Исследования работы микросхемы MAX86150 было выполнено с помощью отладочной платы «MAX86150evkit», которая представлена на рис.18. Данная отладочная плата состоит из платы управления «MAX32630FTHR» на базе микроконтроллера MAX32630 ARM Cortex-M4F, Литий-ионной (Li-ion) батареи (U_пит=3,7 В, I_пит=0,5 А) и платы с микросхемой MAX86150[27].

Рисунок18 - Отладочная плата «MAX86150evkit»

При помощи данной отладочной платы были записаны сигналы ЭКГ и ФПГ для красного и инфракрасного светодиода.

Для считывания сигналов использовалось программное обеспечение «DeviceStudio5», графический интерфейс которого представлен на рис. 19.

Рисунок 19 - Графический интерфейс программного обеспечения для установки соединения с отладочной платой

После установки соединения с устройством можно перейти в окно демонстрации результатов измерения сигналов с датчика, рис. 20.

Рисунок 20 -Окно демонстрации работы отладочной платы MAX86150evkit

Данное ПО предназначено для тестирования работы MAX86150 и позволяет:

· демонстрировать работу устройства в реальном времени в виде графиков ЭКГ и ФПГ;

· управлять настройками регистров микросхемы MAX86150 для изменения режимов её работы;

· применять встроенные фильтры для избавления от шумов;

· записывать считанные сигналы и настройки регистров в файл с расширением «.csv».

3.2Расчет и анализ данных в пакете MATLAB

Для анализа данных, измеряемых датчиком MAX86150, запишем в файл сигналы ЭКГ и ФПГ. Сигнал ЭКГ, измеренный датчиком MAX86150 представлен на рис. 21.

Рисунок 21 - Сигнал ЭКГ после фильтрации

Из рисунка видно, что сигнал сильно зашумлен.Наизмерение биопотенциалов сильно влияет фликкер-шум(шум электронных компонентов), белый шум, а также шум сети электропитания. То есть для реализации точной системы измерения ЭКГ необходима качественная фильтрация сигнала, полученного с датчиков. Для фильтрации шумов используют различные виды цифровых фильтров, например такие как: фильтры Баттерворта, Чебышева, эллиптические и Бесселя[28].

В общем случае передаточная функция цифрового фильтра описывается как:

(11)

где b_nи a_m- коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции.

Фильтрации в микропроцессорных устройствах осуществляется посредством вычисления разностного уравнения.При равенстве всех коэффициентовa, кроме а₀, то мы имеем фильтр с конечной импульсной характеристикой(КИХ-фильтр), иначе разностное уравнение будет описывать фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр), выражение (12).

12

где x(k) и y(k) - k-й входной и выходной отсчет.

Для получений наилучших характеристик фильтрации необходимо использовать фильтры больших порядков. Однако использование такихфильтров для достижения качественных результатов не всегда целесообразно, так как вычисление большого количества операций сложения и умножения не всегда возможно. Поэтому в режиме мониторинга используется низкая скорость работы АЦПи применяются фильтры 2-7 порядков для определения основных составляющих сигналов.

Рассчитаем передаточную функцию полосового фильтра дляфильтрации сигнала ЭКГ. Диапазон рабочих частот в режиме мониторинга составляет 0.5-40 Гц. Частота дискретизации f_д=200 Гц.

Так как частоты основных шумов составляют f₁=0-0,5 Гц и f₂=50Гц и имеют узкую полосу пропускания, то можно разработать простой полосовой фильтр высокого порядка с целыми коэффициентами передаточной функции [29].

Передаточная функция фильтра имеет следующий вид:

(13)

Данный оптимальный фильтр позволяет убрать низкочастотную составляющую ЭКГ сигнала («baseline», базовая линия, несущая ЭКГ) и шум сети 50 Гц, а также его субгармоники (100 Гц и 150 ГЦ). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показана на рис. 22.

Рисунок 22 -АЧХ оптимального фильтра

Из АЧХ видно, что фильтр обладает высокой степенью избирательности, благодаря чему не происходит потери информации о самом сигнале ЭКГ.

Главным преимуществом данного фильтра является небольшое количество коэффициентов, что позволит уменьшить вычислительную нагрузку.

Для улучшенной нейтрализации шума воспользуемся фильтрами, которые имеют улучшенные характеристики, полученным при помощи среды MATLAB (скрипт программы представлен в приложении). Фильтр низких частот имеют меньшую частоту среза f_ср=40 Гц. Режекторный фильтр на 50 Гц имеет больший диапазон частот подавления.

Рисунок 23 - Фильтрованный и нефильтрованный сигналы ЭКГ

Определим частотный спектр сигнала до и после фильтрации выполнив преобразование Фурье, рис. 24.

Рисунок24 - Спектр сигналов ЭКГ

Частотный анализ сигнала показывает, что примененные фильтры снизили уровень шумовых составляющих при этом оставив нетронутым нужный диапазон частот ЭКГ сигнала.

Проведем анализ характеристик сигнал ФПГ. Записанный сигнал ФПГ представлен на рисунке 25.Сигнал ФПГ имеет большую постоянную составляющую.

Рисунок 25- Сигналы ФПГ:красная линия - инфракрасное излучение, синяя линия - излучение в диапазоне видимого красногосвета