close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

BakinDalechikiy

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Санкт-Петербург
2014
Составители: Е. А. Бакин, А. А. Далецкий, Ю. П Покровский
Рецензент
доцент ГУАП О. И. Красильникова
Методические указания предназначены для выполнения лабораторной
работы по курсу «Биотехнические системы медицинского назначения» с использованием вычислительной техники. Методические указания соответствуют материалу, читаемому студентам по направлению «Биотехнические
системы и технологии (201000.62Ф)». Студенты знакомятся с системой
с биологической обратной связью. Проводится построение интервалограммы для RR-интервалов реальной пульсограммы и оценка ее статистических
характеристик. Указания предназначены для студентов дневной формы
­обучения.
Подготовлены кафедрой моделирования электронных и вычислительных систем и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
В авторской редакции
Верстальщик И. Н. Мороз
Сдано в набор 19.03.14. Подписано к печати 12.04.14.
Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,98.
Уч.-изд. л. 1,06. Тираж 100 экз. Заказ № 225.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2014
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
БОС – биологическая обратная связь
БТС –биотехническая система
ОД – оптический датчик
УС – устройство сопряжения
ИП – интерфейсная плата
ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина
ПРОП – программа обработки прерываний
МК – микроконтроллер
ПО – программное обеспечение
3
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня, одним из перспективных направлений развития медицины является метод биологической обратной связи. Биологическая обратная связь – методика, позволяющая людям наблюдать и контролировать параметры своего тела с помощью
систем их объективной регистрации. Пациенту посредством
внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной или компьютерной техники,
предъявляется информация о состоянии и изменении тех или
иных собственных физиологических процессов. Метод биологической обратной связи – это передача человеку дополнительной, не предусмотренной природой информации о состоянии
его органов и систем в доступной и наглядной форме. На основе
этой информации человек способен включать механизмы саморегуляции и целенаправленно использовать огромные функциональные возможности организма с целью совершенствования его
функций.
1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О МЕТОДЕ БОС
1.1. История метода БОС
Метод биологической обратной связи как самостоятельное направление в медицине, возник в 60–70-е годы ХХ века. Это стало
возможным на основании работ в области физиологии, которые
проводились как в России (СССР), так и в других странах.
Принцип биологической обратной связи возник на основании
исследований механизмов регуляции физиологических процессов,
механизмов развитии патологических процессов, а так же на основании изучения адаптивных систем человеческого мозга [1].
С точки зрения теории систем включение организма в аппаратно-программный комплекс позволяет отнести последний к классу
биотехнических систем медицинского назначения [2], применяемых для терапии.
Главной целью использования метода биологической обратной
связи является восстановление нормальной деятельности регуляторных систем организма, что приводит к устранению патологических симптомов и улучшению качества жизни.
4
1.2. Стабилизация ЧСС при помощи БОС
Понятие частота сердечных сокращений тесно связано с понятием пульсовой волны. Пульсовая волна распространяется в артериях со скоростью 500–1000 см/сек и возникает в аорте в момент
выталкивания крови из левого желудочка. В норме пульсовые
волны следуют друг за другом через равные промежутки времени. У здорового человека пульс ритмичный. Ритм определяется
деятельностью сердца. У лиц с заболеваниями сердца правильный
ритм нарушается, и такая патология называется аритмией.
Изучение работы сердца в норме и патологии представляется
важной задачей для современной медицины. Одной из характеристик, отражающих параметры работы сердечной мышцы, является интервалограмма, т.е. зависимость времени между соседними
ударами сердца от формального номера этого удара. Типичный вид
интервалограммы изображён в [3].
Реализация решения задачи стабилизации может быть описана
следующим образом:
1. В аппаратной части производится регистрация ударов сердца
и замер временного интервала между этими ударами.
2. Измеренные интервалы передаются на ПЭВМ для дальнейшей компьютерной обработки.
3. Компьютерная обработка состоит в построении интервалограммы и вычислении статистических характеристик полученных
данных.
4. Исследуемый процесс должен отображаться в режиме реального времени на мониторе ПЭВМ для возможности использования БОС.
2. АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА СТАБИЛИЗАЦИИ ЧСС
ПРИ ПОМОЩИ БОС
Система стабилизации частоты сердечных сокращений с биологической обратной связью состоит из нескольких основных блоков: оптический датчик, устройство сопряжения, цифровая интерфейсная плата и ПЭВМ. Структурная схема системы представлена
на рисунке 2.1.
2.1. Оптический датчик
Оптический датчик состоит из одного фотодиода и трёх светодиодов и крепится на палец пациенту. Во время удара сердца про5
Пц-т
ПЭВМ
ОД
УС
ИП
MATLAB
Интервалограмма
Рис. 2.1. Структурная схема системы
Рис. 2.2. Принцип работы оптического
датчика
исходит расширение стенок сосудов, что приводит к модуляции
оптического сигнала, проходящего через них, по амплитуде, что
регистрируется фотодиодом. Рисунок 2.2 поясняет работу датчика.
На рисунке: 1 – светодиоды, 2 – фотодиод, Ф1 световой поток от
светодиода, Ф2 отражённый от пальца световой поток. Электрически палец изолирован от ОД прозрачной пластиной.
6
2.2. Устройство сопряжения
После оптического датчика сигнал попадает на устройство сопряжения. Устройство сопряжения выполняет функцию согласования сигнала с выхода оптического датчика с входом интерфейсной платы и является необходимым связующим звеном системы.
Его принципиальная электрическая схема изображена на рисунке 2.3.
Cигнал с оптического датчика подаётся на устройство сопряжения, где усиливается каскадами операционных усилителей. Далее, через триггер Шмидта сигнал поступает на одновибратор для
формирования импульса. В результате, на каждый удар сердца
устройство сопряжение откликается нормализованным импульсом заданной амплитуды и длительности. На рисунке:
VD1, VD2 – Свето- и фотодиоды.
DA1, DA2, DA3 – Операционный усилитель – КР140УД1208
DD1 –Триггер Шмидта – К155ТЛ2
DD2 – Одновибратор – К155АГ3
Рассмотрим подробнее элементы устройства сопряжения.
2.2.1. Операционный усилитель – КР140УД1208 [4]
В качестве операционных усилителей в системе используются микросхемы КР140УД1208. Полупроводниковая интегральная микросхема КР(КФ)140УД1208 представляет собой микромощный операционный усилитель с регулируемым потреблением
мощности и предназначена для построения активных фильтров,
интеграторов и других типов решающих усилителей. Микросхема
доступна в двух корпусах DIP8 и SO8. В данной системе используются микросхемы в корпусе DIP8.
2.2.2. Триггер Шмидта К155ТЛ2 [5]
Триггер Шмидта выполнен на базе микросхемы К155ТЛ2.
Микросхема К155ТЛ2 (7414) представляет собой шесть триггеров Шмитта с инверсией выходного сигнала. Корпус микросхемы
К155ТЛ2 типа 201.14-1.
7
8
R2
VD2
R1
VD1
C1
R4
R3
R5
R6
R7
4
DA1
C2
R9
C3
C4
R11
R10
2 8
3 7
4
DA2
R12
R13
C6
C5
R15
R14
2 8
3 7
4
DA3
R16
1
C7
Рис. 2.3. Электрическая схема устройства сопряжения
2 8
3 7
R8
7
DD1
14
2
1
2
3
R17
8
DD2
16
4
13
14
C8
15
0
Q
Q
R18
2.2.3. Одновибратор К155АГ3 [6]
Одновибратор в схеме выполнен на базе микросхемы К155АГ3.
Микросхемы К155АГ3, КМ155АГ3 (74123) – два ждущих мультивибратора с возможностью перезапуска. Каждый мультивибратор имеет выходы Q и Q., вход сброса R. (активный уровень – низкий) и два входа запуска В – прямой с активным высоким уровнем
и А. – инверсный с активным низким уровнем.
2.3. Цифровая интерфейсная плата
Интерфейсная плата выполняет функцию измерения временного интервала между ударами сердца, то есть между импульсами, вырабатываемыми устройством сопряжения и осуществляет
передачу полученных данных на ПЭВМ. Структурная схема интерфейсной платы показана на рисунке 2.4.
Интерфейсная плата состоит из двух основных блоков, а также периферийных элементов, обеспечивающих работоспособность
интерфейсной платы в целом. Основными блоками интерфейсной
платы являются микропроцессор CC1010 фирмы Chipcon и микросхема FT232RL производства компании FTDI. Рассмотрим подробнее эти элементы.
2.3.1. Микроконтроллер Chipcon CC1010 [7]
CC1010 – ультрамаломощный однокристальный FSK-трансивер
с низким напряжением питания, производительным 8051-ядром
микроконтроллера и широким набором периферии.
СС1010
ОД
УС
RS 232
FT232RL
USB
ПОРТ
INT
Рис. 2.4. Структурная схема цифровой интерфейсной платы
9
Общие характеристики:
• диапазон напряжения питания: 2, 7В…3, 6В;
• температурный диапазон: –40 °C…+85 °C;
• корпус TQFP-64.
2.3.2. Микросхема FT232RL FTDI [8]
Микросхема FTDI FT232R (FT232RL и FT232RQ) является высокоинтегрированным переходником USB – RS232 позволяющим,
используя минимум внешних компонентов (разъем и пассивные
компоненты) организовать последовательный обмен данными
между внешним устройством на микроконтроллере и компьютером через шину USB.
2.3.3. Общее описание работы интерфейсной платы
Нормализованные импульсы с устройства сопряжения подаются на вход внешних прерываний микроконтроллера CC1010, тем
самым запуская встроенный в микроконтроллер счётчик. Вход
прерываний срабатывает по переднему фронту импульсов. Таким образом, осуществляется измерение временных интервалов
между последовательными входными импульсами. Далее полученная информация (измеренный временной интервал) передаётся через порт RS232 на интерфейсную микросхему FT232RL,
которая играет роль преобразователя интерфейсов между последовательным портом (UART) CC1010 и USB-портом ПЭВМ. Дальнейшая обработка сигнала производится программным образом
в ПЭВМ.
3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА
3.1. Выбор среды программирования
На современном этапе развития цифровой техники разработка
программного обеспечения для микроконтроллеров производится
на языках высокого уровня. В данной сфере широкое распространение получил язык программирования С.
Вследствие того, что ядром микроконтроллера является чип
построенный по архитектуре 8051, то для разработки программ10
ного обеспечения целесообразно выбрать среду проектирования
Keil uVision [9].
3.2. Функции микроконтроллера
В процессе работы микроконтроллер выполняет ряд типовых
задач, таких как:
1. Измерение интервалов времени между внешними прерываниями:
Основная задача, которую выполняет микроконтроллер в данной системе, это измерение интервалов между импульсами, приходящими от УС, то есть между ударами сердца.
2. Обработка прерываний таймера:
Для измерения интервалов времени используется встроенный
в микроконтроллер таймер. Таймер работает в 16-битном режиме, (модуль счета до 65 536). Так как кварцевый генератор микроконтроллера работает на частоте 14.7456 МГЦ, а таймер считает
с частотой в 12 раз меньше, то переполнение таймера будет происходить каждые 0.05 сек. Однако для корректной работы системы
необходима возможность измерения более длительных интервалов
времени. Для этого при каждом переполнении таймера выполняется инкремент переменной, обнуляемой в момент фиксации нового
удара сердца.
3. Передача данных по последовательному порту:
Результаты измерений (цифровые отсчеты RR-интервалов) через ЦИП поступают в ПЭВМ, как это изложено в п 2.3.3.
3.3. Описание функциональных модулей
3.3.1. Измерение интервалов времени между прерываниями
Измерение интервалов времени производится при помощи таймера. Таймер запускается из подпрограммы обработки прерываний. На рисунке 3.1 представлена диаграмма, поясняющая работу
микроконтроллера.
Алгоритм обработки прерываний внешнего порта представлен
на рисунке 3.2.
При поднятии флага внешних прерываний микропроцессора,
начинается обработка подпрограммы прерываний. Изначально
МП останавливает счётчик, потом записывает показания счётчика
и количество его переполнений в массив данных, тем самым под11
e2
Приём байта из
порта
e1
Приём байта из
порта
e3
e4
Приём 3 байт из
порта и запись
e5
Рис. 3.1
готавливая его к отправке по последовательному порту. Дальше
задаётся индекс массива отправки, поднимается флаг прерываний
последовательного порта и счётчик запускается снова. После чего
МП возвращается в основную программу.
3.3.2. Передача сообщений последовательному порту
Передача данных по последовательному порту осуществляется
пакетом данных, состоящим из 5 байт – 2 контрольных байта равных A516 и далее 3 информативных байта по которым на ПЭВМ будет строится интервалограмма. Вследствие того, что флаг прерываний последовательного порта поднимается «искусственно» в программе обработки прерываний внешнего порта, то задача отправки
данных по последовательному порту сводится к задаче обработки
прерываний последовательного порта. Алгоритм работы подпрограммы обработки представлен далее (см. рис. 3.3).
3.4. Описание программной части ПЭВМ
Интерфейсная среда система реализована на ПЭВМ при помощи
программы MATLAB.
Графический интерфейс системы изображён на рисунке 3.4.
По нажатию кнопки Start программа начинает обращаться
к USB-порту и принимать данные, посылаемые с ИП.
Перед запуском программы необходимо задать окно сглаживания, то есть задать число отсчётов которые будут отображаться на
12
НАЧАЛО
НАЧАЛО
да
Остановить
Флаг приёма
поднят
нет
счётчик
Записать
показания
счётчика и
количество
переполнений в
массив
Обнуление
показаний
счётчика и
переполнений
Флаг отправки
поднят
да
Не менее 4
переполнений
таймера
нет
да
Задача индекса
массива пакета
данных и запуск
Отправить
элемент массива
счётчика
КОНЕЦ
Рис. 3.2. Алгоритм
обработки прерываний
последовательного порта
Инкремент
индекса массива
КОНЕЦ
Рисунок 3.3. Алгоритм работы подпрограммы обработки прерываний
последовательного порта
13
Рис. 3.4. Графический интерфейс системы
экране при построении интервалограммы. Рекомендуемое значение 50–200.
Во время работы программы интервалограмма строится в режиме реального времени, по мере поступления новых отсчётов. Синхронно с этим происходит подсчёт статистических характеристик:
математического ожидания и СКО. Статистические характеристики подсчитываются только для тех отсчётов, которые находятся
в скользящем окне.
По нажатии кнопки Stop, программа перестаёт работать с USBпортом, закрывает его. И после этого, выводит на экран общую интервалограмму за всё время исследования.
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1. Изучить принцип работы лабораторного комплекса и получить инструктаж по ТБ (с записью в соответствующем журнале).
2. Запустить пакет Matlab.
3. Запустить интерфейсную программу комплекса (файл gui1. m).
4. Выбрать согласно своему варианту окно сглаживания статистических данных и задать его в рабочем окне.
5. Протереть рабочую поверхность ОД ваткой со стерилизующей жидкостью.
14
6. В состоянии покоя снять интервалограмму ЧСС, зафиксировать среднее значение и СКО периода сердечных сокращений.
7. Провести физические упражнения. Снять интервалограмму
ЧСС, зафиксировать среднее значение и СКО периода сердечных
сокращений (при выключенной БОС). Эксперимент продолжать
пока характеристики ЧСС не вернутся к значениям, зафиксированным в п. 5 (с погрешностью 10%).
8. Зафиксировать время приведения ЧСС в нормализованное состояние при выключенной БОС.
9. Провести физические упражнения. Снять интервалограмму
ЧСС, зафиксировать среднее значение и СКО периода сердечных
сокращений (при включенной БОС).
10. Зафиксировать время приведения ЧСС в нормализованное
состояние при включенной БОС.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы
2. Структура лабораторного комплекса.
3. Интервалограммы ЧСС без включения БОС (до нагрузки, после нагрузки).
4. Интервалограммы ЧСС при включении БОС (до нагрузки, после нагрузки).
5. Результаты статистической обработки интервалограмм: время приведения ЧСС в нормализованное состояние без включения
БОС и с включением БОС.
6. Выводы.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое БОС?
2. Как влияет размер окна сглаживания на интервалограмму?
3. Как влияет размер окна сглаживания на результаты статобработки?
4. Как изменяется интервалограмма при включении БОС?
15
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Араби, Л. С. История метода биологической обратной связи / М.: Институт социальных технологий, 2011. 8 с.
2. Ахутин В. М. Биотехнические системы. Теория и проектирование.
Изд. ЛГУ, 1981г.
3. Поваляева, Р. А. Влияние физических нагрузок на вазорегулирующую функцию эндотелия и вариабельность пульсового ритма у больных
перенесших инфаркт миокарда. Автореферат диссертации на соискание
учёной степени кандидата медицинских наук. / Поваляева Р. А. Самара: ГБОУВП «Самарский государственный медицинский университет»,
2011. 27 c.
4. http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/140/ud12.html
5. http://www.microshemca.ru/TL2/
6. http://www.asvcorp.ru/darch/electronics/155ag3/index.html
7. http://oscope.narod.ru/usb_ft232r.html
8. http://www.radioradar.net/news/electronics_news/cc1010_chipcon.
html
9. www.keil.com
16
СОДЕРЖАНИЕ
Список используемых сокращений........................................... 3
Введение............................................................................... 4
1. Общая информация о методе БОС.......................................... 4
1.1. История метода БОС..................................................... 4
1.2. Стабилизация ЧСС при помощи БОС............................... 5
2. Аппаратная часть комплекса стабилизации ЧСС
при помощи БОС ................................................................................. 5
2.1. Оптический датчик...................................................... 5
2.2. Устройство сопряжения................................................ 7
2.2.1. Операционный усилитель – КР140УД1208 [4] ........ 7
2.2.2. Триггер Шмидта К155ТЛ2 [5] ............................... 7
2.2.3. Одновибратор К155АГ3 [6] ................................... 9
2.3. Цифровая интерфейсная плата....................................... 9
2.3.1. Микроконтроллер Chipcon CC1010 [7].................... 9
2.3.2. Микросхема FT232RL FTDI [8] ........................... 10
2.3.3. Общее описание работы интерфейсной платы........ 10
3. Программное обеспечение устройства.................................. 10
3.1. Выбор среды программирования.................................. 10
3.2. Функции микроконтроллера........................................ 11
3.3. Описание функциональных модулей............................. 11
3.3.1. Измерение интервалов времени
между прерываниями................................................. 11
3.3.2. Передача сообщений последовательному порту...... 12
3.4. Описание программной части ПЭВМ............................. 12
4. Порядок проведения работы............................................... 14
5. Содержание отчета............................................................ 15
6. Контрольные вопросы....................................................... 15
Список используемой литературы.......................................... 16
17
ДЛЯ ЗАМЕТОК
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
973 Кб
Теги
bakindalechikiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа