CC BY
8
1X1:10.60aVrr9.figshara11865663
LCC - № R857.D47:NR5102.9
РОЗРОБКА ПРИЛАДУ ДИАГНОСТИКИ ПОВТОРНОГО КРОВОПОСТАЧАННЯ
Кiсельов Сгор Миколайович1, Туришев Констянтин Олегович1, Строiтeлeва Нiна 1вашвна2
1 Запорiзький нацiональний унiверситет
2 Запорiзький державний медичний унiверситет
Corresponding author: Кюельов Сгор Миколайович, к.т.н., доцент, Запор1зький нацюнальний ушверситет, вул. Жуковського, 66, м. Запор1жжя, Украша, 69600, E-mail: enk.nmv@gmail.com
Abstract. To diagnose repeated blood circulation in the acral skin areas, a device is proposed that differs from the existing analogues by using two combined pyroelectric sensors to measure the surface temperature of the skin and determine the blood vessels filling the skin area. Thus, the analog and digital signal processing of these sensors is performed in the same way, which simplifies the construction of the system. The conversion of the signals of these sensors into measuring information and the implementation of automated control of the process of realizing diagnostic require the use of digital filtering methods. In this work, we synthesized the structure and studied the characteristics of the signal filters of combined sensors. It is shown that the use of anti-aliasing filters of sixth order Cauer filters with hardware implementation is optimal. Further processing of the measurement information, taking this into account, can be carried out by digital filtering
Анотащя. Для д1агностики повторного кровооб1гу у акральних дшянках шюри запропоновано пристрш, що вщр1зняеться вщ юнуючих аналопв використанням двох комбшованих троелектричних датчиюв для вим1рювання поверхнево'1 температури шюри i визначення наповнення кров'ю судин дiлянки шюри. Таким чином, аналогова i цифрова обробка сигналiв цих датчикiв виконусться однаковим шляхом, що спрощуе побудову системи. Перетворення сигналiв цих датчиюв у вимiрювальну iнформацiю i здшснення автоматизованого керування процесом проведення
дiагностичних обстежень потребуе застосування методiв цифрово'1 фшьтрацп. У робот проведено синтез структури i дослщження характеристик фiльтрiв сигналiв комбiнованих датчиюв. Показано, що рацiональним е застосування антишасшгових
Dateof Ffeview 15.02.202016;06
ISSN 2311-1100
using filters of a lower order with a finite impulse response. This allows us to simplify the construction of the digital part of the device and increase its speed rate. According to the results of research and synthesis of digital filters, a program code for processing sensor signals was developed for the microcontroller of the diagnostic device. Also, based on the Atmega 328 microcontroller, a circuit and a printed circuit board for a device for diagnosing circulatory disorders of acral skin sites were developed. The processing and control circuit of the device, in addition to the microcontroller, contains active filters on operational amplifiers, an additional supply voltage converter, an interface converter, and power switches for controlling the heater and radiation source. To implement periodic heating and cooling in the developed structure, a Peltier element is used, which is also programmatically controlled.
фшь^в Кауера шостого ступеню з апаратною реалiзащею. Подальша обробка
вимiрювальноi шформацп, з урахуванням цього, може бути проведена шляхом здшснення цифрово'1' фшьтрацп за допомогою фшь^в меншого ступеню з кшцевою iмпульсною характеристикою. Це дозволяе спростити побудову цифровое! частини пристрою i пiдвищити його швидкодiю. Вiдповiдно до результатiв дослiджень i синтезу цифрових фiльтрiв було розроблено програмний код обробки сигналiв датчикiв для мшроконтролера пристрою дiагностики. Також на основi мiкроконтролера Atmega 328 було розроблено схему i печатну плату пристрою дiагностики порушень
кровопостачання акральних дшянок шкiри. Схема обробки i керування приладом, окрiм мiкроконтролера мютить активнi фiльтри на операцiйних тдсилювачах, додатковий перетворювач напруги живлення, штерфейс ний перетворювач i силовi ключi керування нагрiвачем i джерелом випромшювання. Для реалiзацii перiодичного нагрiву та охолодження у розробленш структурi застосовуеться елемент Пельт'е, що також керуеться програмним чином.
Keywords: фшьтр, мiкроконтролер, датчик, схема, плата. Section: Biosignal Processing
Introduction. При виникненш патологш шкiри вiдбуваeться порушення Kp0B006iry [1]. Для фшсацп цього використовусться методика, що заснована на повторному на^ванш акральних
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
дшянок частин тша, з подальшим вимiрюванням поверхневоЛ температури у таких областях. На
основi цих принцитв було розроблено систему дiагностики повторного кровообiгy [2], що у якосп джерела шформацп 3i змiни температури шкiри використовуе болометр шфрачервоного (1Ч) випромiнювання. Також у процес дiагностики вiдстежyeться наповнення судин кров'ю методом фотоплетизмографп при використанш оптопари свiтлодiод - фотодiод з вщкритим каналом. Отриманi таким чином даш обробляються вбудованим мiкроконтролером i можуть бути переданi до комп'ютеру за стандартним iнтерфейсом. До недолшв зазначеноЛ системи слiд вiднести невелику роздшьну здатнiсть щодо визначення поверхневоЛ температури, селективнiсть фотоплетизмографiчного датчика вщносно поглинання випромiнювання лише на робочш довжинi хвилi, що знижуе дiагностичнi можливостi системи. Крiм того, застосування рiзнотипних датчикiв збiльшye складнiсть обробки шформацшних сигналiв. Також, у процес вимiрювань використовуеться почергове охолодження акральних дшянок водою, що мае температури нижче юмнатно'1'. Це ускладняе процес проведення дiагностичних обстежень i не дозволяе виконувати автоматичне керування ним.
Objective. Робота присвячена розробщ пристрою дiагностики порушень кровопостачання акральних дшянок шюри, який характеризуеться тдвищеною точнiстю вимiрювань i бшьш високим ступенем автоматизацп проведення обстежень.
Materials and methods. Для спрощення обробки сигналiв датчикiв i тдвищення ступеню автоматизацп обстежень було розроблено пристрш дiагностики порушень кровопостачання акральних дшянок шюри, структуру якого наведено на рис. 1.
Будова пристрою базуеться на двох комбшованих троелектричних датчиках у якосп приймачiв 1Ч - випромiнювання вiд шкiри (для вимiрювання iï температури) i вщ свiтлодiодy (для визначення наповнення кров'ю судин дшянки шкiри). При цьому титзащя датчикiв дозволить пiдвищити точшсть вимiрювань та спростити побудову блоюв аналогово'1 i цифрово'1 обробки сигналiв за рахунок синтезу однакових фшк^в в рiзних вимiрювальних каналах. Застосоваш у системi комбiнованi датчики е теплового типу. Тому за ïx допомогою виконуеться типiзацiя як приймача випромшювання (ПВ), так i датчика температури об'екту (ДТО). Таким чином, аналогова i цифрова обробка сигналiв цих датчиюв виконуеться однаковим шляхом, що спрощуе побудову системи. Також, з метою зменшення часу цифрово! обробки, використовуються передобробка аналогового сигналу у антиалiасiнговиx фiльтраx. Виxiдний сигнал з фшк^в надаеться до АЦП що формують вщповщш цифровi вщлши. Надалi отриманi значення обробляються цифровими методами у мiкроконтролерi (МК) i можуть бути переданы за стандартним штерфейсом до персонального комп'ютеру (ПК) для ïx подальшого аналiзy, зберiгання i обробки статистичними
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
методами. МК у розробленш crpyKTypi також керуе джерелом випромшювання для датчика
кровопостачання ПВ. За допомогою цього можливо виконувати адаптащю системи дiагностики до стану ДО. Для реалiзащi перiодичного на^ву та охолодження у розробленiй стрyктyрi застосовуеться елемент Пельт'е, що також керуеться програмним чином з МК.
Для практично'1' реалiзацii обробки сигналiв датчикiв пристрою виконанi дослiдження фiльтрiв сигналiв ПВ i ДТО [3]. При цьому порiвнювались данi, що було отримано в резyльтатi синтезу у програмному середовищi Matlab - Filter Design [4] за специфшащею, яку визначено при використанш результат дослiджень iнтегрованих датчикiв випромiнювань на основi комбiнованих твердотiльних структур [5].
Рис.1. Структура приладу дiагностики порушень повторного кровопостачання: ОД - обект дослiдження, ДВ - джерело випромшювання, ПВ - приймач випромшювання, ДТО - датчик температури обекту, СН/О - система на^ву/охолодження обекту, АФ - аналоговий фшьтр, АЦП - аналогово-цифровий перетворювач, МК - мшроконтроллер, ПК - персональний компьютер
Порiвняльний аналiз napaMeTpiB синтезованих фiльтрiв наведено у табл. 1.
Таблиця 1
Результати дослщження фшк^в приладу дiагностики порушень повторного кровопостачання
Тип фшьтру Тип iмпульсноi характеристики Ступiнь фiльтру ь т 'Ш Й « g 'S ^ Пульсацп у смузi пропускання фiльтру и к Я Ср F т а т т 9 5 й Л со ч 5у 'со »&1 Пу узм с
Елштичний К1Х 1909 + + +
Елштичний узагальнений К1Х 1930 + + +
1нтерполяцшний К1Х 2215 + + +
Баттерворта Н1Х 47 - - -
Чебишева 1-го роду Н1Х 12 - + -
Чебишева 2-го роду Н1Х 12 - - +
Кауера Н1Х 6 + + +
З наведених результатiв слщ, що фiльтри з нескiнченою iмпульсною характеристикою (Н1Х) у порiвняннi з фшьтрами з кiнцевою iмпульсною характеристикою (К1Х), при заданих умовах, мають меншу складнiсть. Тому для АФ сигналiв датчикiв оптимальною е реалiзацiя у за схемою Кауера шостого ступеню з граничною частотою 145 Гц. При цьому коефiцiент пригшчення перешкод становить 30 дБ (рис. 2).
На АЧХ такого фшьтру присутш пульсаци у смузi пропускання на рiвнi 0,5 дБ i у смузi затримки - 55 дБ. але це взагалi не зменшуе заданий коефiцiент пригнiчення перешкод. Але у порiвняннi з К1Х - фiльтрами, Н1Х - фшьтри можуть переходити у стан з невизначеним значенням вихщного сигналу. Результати дослщжень АФ щодо стiйкостi до випадкових перешкод показали, що полюси i нулi його передавально'1' функцп знаходяться у межах одиничного кола дiаграми
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Найквюта. Вщповщно до того, що Н1Х - фшьтри можуть бути реалiзовано як апаратно, так i
програмно, було запропоновано ix схемну реалiзацiю на основi операцiйних пiдсилювачiв (ОП). Таким чином, знижуються вимоги до швидкодп та роздшьно'1' здатностi АЦП i навантаження МК щодо виконання цифрово'1' фшьтраци, так як мають бiльш спрощеш вимоги до специфшацп АЧХ.
Magnitude Response (dB) and Phase Response
-------—-\ \ =
1
_ -
h V -
К \/ к Ш NJ \ X -
I \ \ _1_ / / _
- 1 \l \ 1 f =
II I
02 0.25 0.3
Frequency (kHz)
Рис.2. Ампл^удно - частотна i фазочастотна характеристики антiалiасiнгового фiльтру Кауера сигналiв датчикiв приладу дiагностики порушень повторного кровопостачання
Синтез схем АФ виконано у середовищi Micro-Cap [6], а параметричний аналiз - у OTCTeMi Multisim [7]. В результат було отримано електричну схему фшьтру з параметрами елементв, що вщповщають значенням стандартних номiналiв (рис. 3).
Рис.3. Схема електрична принципова аналогового фшьтру
Фшьтр побудовано на базi поеднання двох каскадiв: перший каскад на базi ОП DA1.1; другий - на основi ОП DA1.2. У якост мiкросхеми ОП було обрано LM324 що мае прямий диференщальний вхiд, внутрiшньо частотну компенсащю при одиничному пiдсиленi та захист вщ короткого замкнення. У одному корпус мiкросхеми поеднано чотири незалежних одне вщ одного операцiйних пщсилювача, до переваг LM324 належить працездатшсть у широкому дiапазонi напруг живлення вщ 3 до 32В. Для побудови вхщного каскаду використано RC - фазозсувш ланки у виглядi подвiйного Т - моста на елементах R1, R2, R3, С1, С2. Другий каскад забезпечуе пщтримку коефiцiенту передачi фiльтру на заданому рiвнi.
Для побудови цифрово'1 частини приладу було обрано МК Atmega328 [8], що мае вбудований АЦП, низьку собiвартiсть та рiзноманiтнi засоби розробки та налагодження. При реалiзащi аналогово-цифрового перетворення було застосовано внутршнш АЦП з опорною напругою, що дорiвнюе напрузi джерела живлення контролера. Розробку програмного забезпечення приладу здшснено на базi плати налагодження Arduino UNO i середовища Arduino IDE [9]. Для програмування АЦП у кодi застосовано функцiю analogRead з виводiв 23, 24 МК. Встановлено що розроблена програма використовуе 4200 байт пам'ят МК (12% вщ програмно'1' пам'ятi). Глобальнi змiннi займають 424 байта динамiчноi пам'ятi МК що становить 20% вщ ii загального обсягу.
На основi структурно'1' схеми (рис. 1), було розроблено електричну схему приладу дiагностики порушень повторного кровопостачання, що наведено на рис 4. Сигнали з датчиюв температури та випромiнювання надходять до роз'ему Х1 та Х2, дат вони проходять через АФ на основi ОП LM324. Вiдфiльтрований сигнал з датчика температури дослщжуваного об'екта подаеться на 23 вивщ МК через резистивний дшьник напруги R21, R22, а сигнал з датчика випромiнювання на 24 вивiд через R23, R24. У МК Atmega328 виводи 23 та 24 задiянi для внутрiшнього десятирозрядного АЦП за допомогою якого аналоговi сигнали переводяться до цифрового коду для подальшо'1' обробки. Для живлення схеми використовуеться зовшшне джерело напруги, що з'еднуеться з роз'емом Х3, де на контакт 1 дiе напруга +15В, на контакт 2 - напруга -15В, як вiдповiдно пiдключенi до 4 та 11 виводiв DA2. Напруга +12В з контакту 3 роз'ему Х3 подаеться на систему на^ву/охолодження об'екту та до лшшного стабiлiзатору напруги DA1. Так як для живлення DD1 та DD2 потрiбна напруга +5В, що отримуеться з виходу DA1, для налаштування якого використовуються резистори R7, R8, а для фшьтраци напруги на входi та виходi - конденсатори С1, С8, С11. Також для забезпечення роботи DD2 до його виводiв 7,8 пщключено частото задаючий ланцюг з кварцевого резонатору ZQ2 та конденсаторiв С18, С19. Для уникнення випадкового перезавантаження МК резистор R25 доводить напругу на виводi reset до значення напруги живлення.
PHC.4. E^eKTpHHHa cxeMa npu^agy giaraocTHKH nopymeHb noBTopHoro KpoBonocranaHHA
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
На основi ключiв на транзисторах VT1, VT2 реалiзyеться мшроконтролерне yправлiння
системою нагрiвy/оxолодження та частотою вимiрювальниx оптичних iмпyльсiв випромшювання свiтло дiодy ДВ. В цих колах для захисту виxодiв МК резистори R26, R27 обмежують струм заряду емност затворiв транзисторiв, а R28, R29 притягують затвори транзисторiв до загально'1 точки щоб забезпечити надшне вимкнення ключiв при вщсутност вxiдного сигналу. На мiкросxемi DD1 реалiзовано перетворювач iнтерфейсy USB в UART, що використовуеться для виводу обмiнy iнформацiею з ПК. Живлення такого перетворювача здшснюеться напругою +5В вщ DA1, а також для ii роботи створено генератор на основi кварцевого резонатору ZQ1 та конденсаторiв С14, С15.
Для реалiзацii схеми пристрою дiагностики порушень кровопостачання акральних дшянок шкiри у завершеному конструктивно - теxнологiчномy виглядi було розроблено друковану плату з габаритними розмiрами 45х57х22 мм (рис. 5).
а) б)
Рис.5. Тополопя основних (а) i додаткових (б) мiжелементних з'еднань друковано! плати приладу
дiагностики порушень повторного кровопостачання
Зовнiшнiй вигляд друковано! плати з зiбраними елементами схеми наведено на рис. 6. Працездатшсть розробленого приладу тдтверджено шляхом моделювання у системi Multisim i макетування за допомогою системи вщладки Arduino UNO.
Рис.6. Зовшшнш вигляд друковано'1' плати з зiбраними елементами схеми приладу дiагностики
порушень повторного кровопостачання
Conclusions. Розроблений пристрш у порiвняннi з прототипом [2] використовуе однотипш датчики для отримання шформацп з поверхнево'1' температури шюри i наповнення кров'ю акральних дшянок. Це дозволило спростити побудову аналогових i цифрових фiльтрiв сигналiв датчиюв i пiдвищити точнiсть i швидкють вимiрювань. Схема обробки результатiв вимiрювань i керування джерелом випромiнювання i нагрiвачем акрально'1' дiлянки побудовано на основi мiкроконтролера Atmega 328.
Моделювання i макетування розроблено'1' принципово'1' схеми приладу показало ii працездатнiсть.
Disclaimers: The author declares that they have no financial or personal relationships that may have inappropriately influenced them in writing this article.
Conflict of interest statement: The authors state that there are no conflicts of interest regarding the publication of this article.
ORCID
Кюельов Сгор Миколайович http://orcid.org/0000-0001-5844-7268
Туришев Констянтин Олегович http://orcid.org/0000-0003-2938-9710
Стротлева Нша ¡ватвна http://orcid.org/0000-0002-1160-995X
ISSN 2311-1100
REFERENCES:
1. Мекшина Л. А., Усынин В. А., Столяров В. В., Усынин А. Ф. Применение тепловидения в диагностике облитерирующих заболеваний артерий нижних конечностей. Сибирский медицинский журнал. 2012;2:15-22.
2. Meffert B., Hochmuth O. Werkzeuge der Signalverarbeitung. Grundlagen, Anwendungsbeispiele, bungsaufgaben. Berlin: Humboldt-Universitat zu Berlin; 2018.
3. Юсельов С. М., Строiтeлeва Н. I., Гальчанський М. О. Побудова системи дiагностики повторного кровопостачання у акральних дшянках шкiри. In: Висоцька О. В., Порван А. П., Печерська А. I. (eds.): II Мiжнародна науково-практична конференщя «1нформащйш системи та технологи в медициш», (ISM-2019), 28-29 листопада 2019, Збiрник наукових праць, Харкiв, Украша. Харкiв: Нащональний аерокосмiчний унiверситет; 2019. с. 190-191.
4. Дьяконов В. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Обработка сигналов и проектирование фильтров. М.: СОЛОН-Пресс; 2005.
5. Швец E. Я., Киселев E. H. Разработка и исследование интегрированных комбинированных датчиков мощности злучений. Радюелектрошка, шформатика, управлшня. 2005;2(14):37-42.
6. Амелина М., Амелин С. Программа схемотехнического можелирования Micro-Cap 8. М.: Горячая линия - Телеком; 2007.
7. Макаренко В. В. Программа моделирования Multisim Blue и ее основные возможности. Электронные компоненты и системы. 2014;10:25-32.
8. Белов А. Микроконтроллеры AVR: от азов программирования до создания практических устройств . Санкт-Петербург: Наука и техника; 2016.
9. Петин В. Практическая энциклопедия Arduino. М.: ДКМ Пресс; 2017.
ISSN 2311-1100
PLAGIARISM REPORT:
Застосоваш у систем! комбшоваш датчики е теплового типу.
Тому за 1х допомогою викоиугться титзащя як принмача випромшювання (ПВ), так 1 датчика температуры об'екту (ДТО)
Таким чином, аналогова 1 цифрова оброока сигналов цих датчюов внконуегься однаковим шляхом, що спрощус побудову сисгеми.
Також, з метою зыеншення часу цифровоГ обробки, використовуються передобробка аналогового сигналу у энтнал1ас1нговнх фшьтрах.
Вихиний сигнал з фшьтрйв иадаеться до АЦП шо формуюгь вщповщш цнфров1
ВЩЛЖН.
Надал1 отрнмаш значения обробляються цифровимн методами у мкроконтролер1 (МК) 1 ыожуть бути переданш за стандартним штерфенсом до персонального комп'ютеру (ПК) для & подальшого анатзу, зоернання 1 обробки статистнчннми методами.
МК у розробленш структур! також керуе джерелом випромшювання для датчика кровопостачання ПВ.
За допомогою пього можливо виконуваш адаптацию системи доагностнки до стану ДО.
