Устройства непрерывного контроля сердечной активности позволяют определять изменения частоты сердечных сокращений (HRV) – основной параметр здоровья сердца и других заболеваний.
В данной новой разработке рассматривается пульсовая оксиметрия, которая превосходит по простоте и функциональности другие методы измерения. Благодаря своим возможностям, данное решение может использоваться как автономное устройство, которое выполняет контроль за частотой сердечных сокращений и насыщенностью кислородом.
Главными компонентами системы являются ультра-яркий красный светодиод (KA-3528SURC), инфракрасный светодиод (VSMB3940X01-GS08), и фотодиод (VBP104SR), который воспринимает обе длины волны света на одинаковом уровне.
Рисунок 1 Пульсовая оксиметрия
Основным стандартным блоком системы является операционный усилитель LT6003, который используется на нескольких каскадах схемы. IC1 используется как усилитель напряжения, управляемый током, который преобразует ток, генерируемый фотодиодом, в напряжение. Данный каскад выполняет усиление сигнала и позволяет использовать датчик на любой части тела. Подключенный операционный усилитель IC2 является инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления 30.
На отрицательный вход компаратора IC4 подключается измененный сигнал, используя цепь пикового детектора. Компоненты IC3, D1, и C6 используются для определения и удержания максимального напряжения входного сигнала. Резисторы R7 и R10 разряжают конденсатор C6. Данная цепь используется для создания эталонного напряжения, позволяя определить даже слабые импульсы, вызванные случайным изменением положения датчика на теле пациента.
Один высокочастотный фильтр (HP) и два низкочастотных фильтра (LP) предназначены для фильтрации нежелательных посторонних сигналов, вызванных изменениями внешнего освещения или скачками сети напряжения переменного тока. Высокочастотный HP фильтр и первый низкочастотный LP фильтр настроены на частоты равные 0.86 Гц и 159 Гц соответственно. Вторые выводы обоих высокочастотных и низкочастотных фильтров не подключаются к выводу GND, а подключаются к источнику опорного напряжения величиной 1В, для увеличения сдвига измеренного сигнала для последующей обработки. Опорное напряжение создается с использованием LM4040 и делителя напряжения (R15, R16). После усилителя IC2 сигнал обрабатывается на втором низкочастотном LP фильтре, настроенном на частоту 5.9 Гц, который фильтрует другие нежелательные помехи.
Рисунок 2 Выходное напряжение, изменяющееся во времени, в точках схемы COMP (CH1) и Pulse (CH2)
Рисунок 3 Сигнал в точке схемы OUT
В данной статье не объясняется процесс считывания импульса, который можно выполнить с помощью любого микроконтроллера с внутренним АЦП. Микроконтроллер нужен для управления светодиодами, измерения сигнала и для обработки сигнала в процессе насыщения кислородом. Вычисление требуемого насыщения кислородом возможно с использованием даже узкополосного фильтра. После включения ультра-яркого красного светодиода, АЦП измеряет сигнал. После двух или трех импульсов загорается инфракрасный светодиод на тот же период времени, что и красный светодиод. Микроконтроллер используется следующую формулу расчета S = VR/VIR, где значения напряжения представляются собой показания полного размаха колебаний, а S представляет собой значение StO2 в калибровочной таблице.
Данная разработка проводилась при поддержке Словацкого агентства по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, согласно контракта № APVV-0865-11 и контракта № APVV-0819-12 и VEGA 1/1177/12.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1-IC4 | Микросхема | LT6003 | 4 | |||
| IC5 | ИС источника опорного напряжения | LM4040B20 | 1 | |||
| Q1, Q2 | MOSFET-транзистор | BSS138 | 2 | |||
| D1 | Диод | 1 | ||||
| D2, D3 | Светодиод | KA-3528SURC | 2 | Или другой ультраяркий красный | ||
| D4 | Светодиод | VSMB3940X01-GS08 | 1 | Или другой инфракрасный | ||
| PD1 | Фотодиод | VBP104SR | 1 | |||
| С1, С7 | Конденсатор | 100 пФ | 2 | |||
| С2 | Конденсатор | 5600 пФ | 1 | |||
| С3 | Конденсатор | 3.3 мкФ | 1 | |||
| С4, С9 | Конденсатор | 1 мкФ | 2 | |||
| С5 | Конденсатор | 0.01 мкФ | 1 | |||
| С6 | Конденсатор | 33 мкФ | 1 | |||
| С8 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | |||
| R1, R3, R11 | Резистор | 1 МОм | 3 | |||
| R2 | Резистор | 0 Ом | 1 | |||
| R4 | Резистор | 1 кОм | 1 | |||
| R5 | Резистор | 33 кОм | 1 | |||
| R6 | Резистор | 2.7 кОм | 1 | |||
| R7 | Резистор | 5.6 кОм | 1 | |||
| R9 | Резистор | 56 кОм | 1 | |||
| R10, R15, R16 | Резистор | 22 кОм | 3 | |||
| R12, R13, R13 | Резистор | 68 Ом | 3 | |||
| R14 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | |||
| P1, P2 | Датчик | Hearder 3 | 2 | |||