Расчет кардиографа

Реферат
Страниц 22, рисунков 12.
Объект проекта — электрокардиограф,
В курсовом проекте был рассмотрен расчет АЦП, ФНЧ и ФВЧ,операционного усилителя и синтез логического узла. Были определены следующиепараметры: число разрядов АЦП, общий объем памяти по всем отведениям, числокорпусов.
ЦИФРОВОЙ КАРДИОМЕТР, ВХОДНОЙ УСИЛИТЕЛЬ, ФИЛЬТР НИЖНИХЧАСТОТ, ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ, ЛОГИЧЕСКИЙ УЗЕЛ, СХЕМА ЦИФРОВЫХ КОДОВ.

Содержание
Введение
1. Назначение и структура кардиографа
1.1 Принцип работы кардиографа
1.2 Общая структурная схемакардиографа
2. Расчёт блоков кардиографа
2.1 Схема выбора цифровых кодовэлементов ЭКГ (ВЦК)
2.2 Расчёт фильтров НЧ И ВЧ
2.2.1 Рассчитаем фильтр низких частотБаттерворта третьего порядка с данными параметрами:
2.2.2 Рассчитаем фильтр верхнихчастот Баттерворта третьего порядка с данными параметрами:
2.3 Входной усилитель (наоперационном усилителе)
2.4 Расчет АЦП
2.4.1 Находим необходимое числоразрядов кода nm из условий заданной точности
2.4.2 Разработка общих параметровмногоканального цифрового кардиографа
2.4.3 Расчет количества ИМС ОЗУ
2.5 Синтез логического устройства иего реализация
Выводы
Список литературы
Введение
Современные достижения физики, микроэлектроники ивычислительной техники произвели подлинную техническую революцию в методахисследования и построения медицинской аппаратуры для диагностики и терапии. Развитиеоптических квантовых генераторов, интегральной схемотехники, средств хранения,отображения и обработки информации с использованием микропроцессорной техники,разработка новых сенсорных элементов и новых технологий определило существенныйскачек по внедрению в медицинскую практику значительного числа новых электронныхприборов и методов обработки информации.
Методами регистрации электрических сигналов исследуетсясопротивление кожных покровов, полное сопротивление тканей, показатели дыхания,артериальное давление, пульсации вен, насыщение крови кислородом, состояние мозга,механические процессы в организме и другие явления.
Разработка ультразвуковых (УЗ), инфракрасных (ИК) приборов,а также приборов сверхвысокочастотных (СВЧ) и крайне высокочастотных (КВЧ) диапазоноврасширила терапевтические и диагностические возможности медицинской аппаратуры.Тенденции развития современных медицинских аппаратов отражается в разработке ииспользовании многоканальных комбинированных приборов с автоматической цифровойобработкой и документированием информации на компьютерах.
Развитие научного и медицинского приборостроения позволяетзначительно расширить возможности врачей путем измерения физических полей иизлучений человеческого организма. Вот некоторые величины таких полей:
Оптическое излучение 10-12 Вт/см2
Акустическое излучение 10-11 Вт/см2∙МГц
Индукция магнитного поля 10-12 Тл
Инфракрасное излучение 10-3 Вт/см2
СВЧ излучение 10-11 Вт/см2∙ГГц
Напряжение электрического поля 10-5 Вт/см2
Среди большого числа разных приборов получениядиагностической информации значительную часть занимают приборы, которыеиспользуют биоэлектрические сигналы. Эти сигналы имеют величину и обычно сопровождаютсяшумами наведением. Для управления приборами обработки информации эти сигналынеобходимо усилить до значения нескольких вольт.
Усилители биоэлектрических сигналов применяются приисследовании биоэлектрической активности с последующим графическим отображениемисследуемых колебаний или регистрацией их на магнитных носителях с цельюпоследующей машинной обработки и анализа накопленной информации.
Электрические потенциалы возникают не только в нервныхтканях и скелетных мышцах, но и во многих других органах и тканях: головноммозге, сетчатке глаза, костном мозге, железах внутренней и внешней секреции (потовых,слюнных, желудочно-кишечных).
1. Назначение и структура кардиографа1.1 Принцип работы кардиографа
Электрокардиография (ЭКГ) — метод исследования электрическойактивности сердца. Электрические процессы сердца охватывают диапазон 0,15…300Гц при уровне сигналов, отводимых с поверхности кожных покровов, 0,3…3 мВ.
Среди многочисленных инструментальных методов исследованиясостояния пациентов ведущее место справедливо принадлежит электрокардиографии.
Современные приборы ЭКГ непрерывно совершенствуются,используя успехи развития цифровой техники и разработки новых ИМС, запоминающихустройств (ЗУ) и микропроцессорных систем (МПС).
В клинической практике наиболее широко используют 12отведении ЭКГ, запись которых обязательна при обследовании больного. Это 3стандартных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6грудных отведений.
Для формирования трех усилительных однополюсных отведений, вкачестве отрицательного электрода применяют объединенный электрод Гольдберга,который образуется при соединении двух конечностей через дополнительноесопротивление.
На рис.1.1 показан треугольник Эйнтховена и расположениетрех осей усиленных однополюсных отведений от конечностей.

/>/>/>
Рисунок 1.1 — треугольник Эйнтховена и расположение трехосей усиленных однополюсных отведений от конечностей
При грудных отведениях регистрируют разность потенциаловмежду положительным электродом, установленным на поверхности грудной клетки иотрицательным объединенным электродом Вильсона. Этот электрод образуется присоединении через дополнительные сопротивления трех конечностей (правой руки,левой руки и левой ноги), объединенный потенциал, которых близок к 0 (около 0,2мВ).
Потенциалы грудных отведений обозначаются заглавными буквамиV1…V6. Для расширения диагностических возможностей ЭКГ применяют 3дополнительных грудных отведения V7, V8, V9 с установкой электродов на спиннойлевой поверхности грудной клетки. Анализ формы и амплитуды зубцов кардиограммыв различных отведениях позволяет проводить диагностику с учетом результирующеговектора желудочковой деполяризации сердца. Такую процедуру, несомненно, легчеповодить по записанной на бумажную ленту многоканального ЭКГ. Любая ЭКГ состоитиз зубцов, сегментов и интервалов, отражающих сложный процесс регистрации волнывозбуждения по сердцу.
На кардиограмме выделяются зубцы P, Q, R, S и Т, которыемогут изменятся в различных отведениях. Соотношение амплитуд зубцов позволяетопределить положение вектора электрической оси сердца и величину угла α.
1.2 Общая структурная схема кардиографа
Многоканальный цифровой кардиометр (рис.1.2) предназначендля снятия ЭКГ одновременно по нескольким отведением, преобразования этихсигналов в цифровую форму и записи в ОЗУ для дальнейшего документирования и анализа.Особенностью МЦК является автоматическое измерение основных параметров ЭКГ илогическая обработка результатов измерений. МЦК может, выполнятся как отдельныйпереносной прибор, так и в виде входного блока стационарного кардиографа.
/>
Рисунок 1.2 — Структурная схема кардиометра
Обозначение блоков кардиометра:
ВУ — входной усилитель;
КНО — код номера отведения;
Ф — фильтр нижних частот;
КИ — код информации;
НО — номер отведения;
АК — аналоговый коммутатор;
МУ — масштабный усилитель;
АЦП — аналогово-цифровой преобразователь;
Г — генератор;
С1 — счетчик-делитель отведения;
С2 — счетчик временных интервалов;
СС — схема согласования;
ДН — дешифратор номера отведения;
ДИ — дешифратор номеров интервалов;
НК — накопитель ОЗУ;
МБА — многоканальный блок анализа;
УК — узел калибровки;
УС — узел сигнализации;
ЛУ — логический узел;
БП — блок питания.
Положительные электроды отведений подключаются на l входовХ1l, сигналы которых усиливаются ВУ и через фильтр подаютсяна аналоговый коммутатор АК. В качестве фильтра нижних частот можно применятьфильтр Баттерворта или другой тип такого звена. Коммутатор на АК подключаеткаждое из отведений с частотойfk= 100 Гц к АЦП, входныекоды которого записываются в ОЗУ. Синхронное управление МЦК выполняется схемойсинхронизации (СХС), состоящей из генератора Г задающей частоты fзд,счетчиков делителя С1, С2, дешифратора номеров ДН отведений и дешифратора ДНномеров временных интервалов ЭКГ. Если выбрать соотношение:
/> (1.1)
то при коэффициенте счета ксч=l навыходах дешифратора ДН будут появляться импульсы с частотой 100 Гц, которыебудут переключать сигналы l отведений. Эти же импульсы управляютсяадресами цифровых слов отведений для записи в ОЗУ.
Счетчик С2 управляет адресом ячеек ОЗУ по временныминтервалам. Он изменяет адрес строки НК после записи строки цифровых слов ивсех l отведений.
2. Расчёт блоков кардиографа2.1 Схема выбора цифровых кодов элементов ЭКГ (ВЦК)
В процессе получения ЭКГ при цифровом преобразованиисигналов от нескольких отведений возникает необходимость выделить цифровыекоды, соответствующие любому отведению и необходимому элементу кардиосигнала. Такуюзадачу решает схема, показанная на рис.2.1
/>
Рисунок 2.1 — Структурная схема кардиометра
Схема позволяет переключателем S1 задать необходимый элементЭКГ и переключателем S2 задать номер необходимого отведения. При этом навыходах логических схем совпадений DD3 — DD4 будут появляться с частотой 100 Гцпараллельные цифровые коды заданного элемента ЭКГ.
На схеме DD1 выполнен шифратор номера кода отведения,подаваемая на схему сравнения кодов DD2. На другие входы этой схемы поступаетнепрерывно изменяющийся код номера отведений КНО. При совпадении этих кодов навходе DD2 появляются импульсы, отпирающие клапаны DD3, на которые подается параллельныйвходной код DI (date input) с входа АЦП. Для выбора необходимого элемента ЭКГприменена вторая группа логических схем DD4. на нее подаются импульсынеобходимого элемента через переключатель S1.
Таким образом, на входе схемы появляется параллельныйцифровой код D0 (date output) выбранного участка ЭКГ по заданному номеруответвления.
Таблица 2.1Схема Используемая микросхема Функциональное назначение DD1 К555ИВ3 Приоритетный шифратор 10-4. DD2 564ИП2 Четырехразрядный компаратор. DD3 КР530ЛИ1 Четыре логических элемента 2И DD4 КР530ЛИ1 Четыре логических элемента 2И.
/>/>/>
Рисунок 2.2 — Микросхемы К555ИВ3,564ИП2, КР530ЛИ1
Основные электрические параметры микросхем:
К555ИВ3
U0вых ≤0,5 В,
U1вых≥ 2,7 В,
I0вх≤ — 0,4 мА,
I 1вх≤ 0,02 мА,
I0пот≤ 20 мА,
I1пот≤ 17 мА,
t1,0здр≤ 29 нс,
t0,1здр≤ 36 нс.
564ИП2
U0вых ≤0,5 В,
U1вых≥ 2,7 В,
I0вх ≤ — 2 мА,
I 1вх ≤ 0,05 мА,
I0пот ≤ 32 мА,
I1пот ≤ 57мА,
t1,0здр≤ 5 нс,
t0,1здр≤ 4,5 нс.
КР530ЛИ1
U0вых ≤0,5 В,
U1вых≥ 2,5 В,
I0вх ≤ — 2 мА,
I 1вх ≤ 0,05 мА,
I0пот≤ 32 мА,
I′пот≤ 57мА,
t1,0здр≤ 7,5 нс,
t0,1здр≤ 7 нс.2.2 Расчёт фильтров НЧ И ВЧ2.2.1 Рассчитаем фильтр низких частот Баттервортатретьего порядка с данными параметрами
R1 = R2 = R3 = R = 11 (кОм); R4 = 22 (кОм); fв = 200 (Гц)

/>
Рисунок 2.3 — Фильтр нижних частот Баттерворта третьегопорядка
/>
Рисунок 2.4 — АЧХ фильтра нижних частот
Вычислим ёмкость:
/>; />; />
/>
/>
/>2.2.2 Рассчитаем фильтр верхних частот Баттервортатретьего порядка с данными параметрами:
C1 = С2 = С3 = 11000 (пФ); С4 = /> =5500 (пФ); />

/>
Рисунок 2.5 — Фильтр верхних частот Баттерворта третьегопорядка
/>
Рисунок 2.5 — АЧХ фильтра верхних частот
Формулы для реактивных элементов:
/>; />; />
/>
/>
/>2.3 Входной усилитель (на операционном усилителе)
Предварительный входной усилитель с использованием ОУ:
UВХ = 2 мВ,
RВЫХ = 1 кОм,
RВХ = 500 кОм,
UПИТ = /> В,
UВЫХ = 1 В
Предварительный усилитель с заданными входными и выходнымипараметрами можно спроектировать, исходя из справочных данных, на микросхемеширокого применения К140УД1А с дополнительной стабилизацией напряжения питаниядо />, и используя схемуинвертирующего усилителя.
Принципиальная электрическая схема приведена на рис.2.1
/>
Рисунок 2.6 — Принципиальная электрическая схема каскадаусиления на ОУ
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ всегдавыше внутреннего сопротивления ОУ и реально равно:
/>
где /> -внутреннее сопротивление микросхемы,
/> - коэффициентпередачи обратной связи (/>),
/> -коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.
Для микросхемы К140УД1А (из справочника):
/>; />
Отсюда, /> усилительногокаскада равно:
/>
Для получения заданного входного сопротивления (500 КОм),вход усилителя нужно зашунтировать сопротивлением R3 (подключить параллельновходу). Тогда /> будет равно:
/>
Выбирая R2 = 1100 КОм (1.1 МОм)
/>
Выходное сопротивление реального усилительного каскадавсегда меньше выходного сопротивления микросхемы:
/>
где /> - сопротивлениевыхода микросхемы (/> = 700Ом), /> - коэффициент передачиобратной связи (/>), /> - коэффициент усилениямикросхемы без обратной связи.
/>
Для получения заданного выходного сопротивления усилителя (1000Ом), выходное сопротивление микросхемы должно быть равно:
/>
Для получения такого выходного сопротивления микросхемы ввыходную цепь микросхемы последовательно включаем резистор R4:
/>
/>
Резистор R4 также будет являться защитой выхода микросхемыот короткого замыкания.
Сопротивление нагрузки проектируемого усилителя по заданиюсоставляет 500 Ом. При выходном сигнале 1 В, ток в нагрузке будет равен:
/>
/>
Для микросхемы К140УД1А максимальный выходной ток посправочнику составляет 3 мА, что в полтора раза превышает расчетный.
Микросхема К140УД1А питается от двухполярногостабилизированного источника питания напряжением />.Так как по заданию напряжение источника питания />,то для питания усилителя целесообразно применить параметрическиестабилизаторы R6V1 и R7V2. Стабилитроны V1и V2 с напряжениемстабилизации 12 />13 В и током стабилизации 10/>20мА. Для этого подойдут стабилитроны КС212, КС213 или КС512, КС513.
Балластные резисторы R6 и R5 при падении напряжения на них:
/>
обеспечивают ток порядка 15 мА (0.015 А) и имеютсопротивление равное:
/>
/>2.4 Расчет АЦП
Исходные данные:
Относительная погрешность измерения γ = 2%
Верхняя частота полосы пропускания ОУ fв = 300;
Ожидаемое максимальное напряжение Um = 2 В;
Среднее напряжение помех σп = 35 μВ
Напряжение сигнала на входе ОУ U1=3 мВ
Число отведений l = 4
Рассчитаем число разрядов АЦП
2.4.1 Находим необходимое число разрядов кода nmиз условий заданной точности
/>
выбираем первое большее число разрядов nm = 6
1) Для проверки выбора по помехам и шумам уровеньсобственных шумов на входе ОУ определяем по формуле:
для расчета принимаем
/>
/>
Уровень шума резисторов на входе:
для расчета принимаем плотность шумов для металлопленочныхрезисторов группы
/>
/>
Вычислим среднее значение помех на входе канала по формуле:
/>
2) Определяем коэффициент усиления канала:
/>
Определяем число разрядов АЦП с учетом помех:
/>
принимаем nш = 3. Т. к. помехи и шумы велики, тонеобходимо принять специальные меры по снижению их влияния.
Поэтому произведем пересчет числа разрядов с учетомкоэффициента подавления помех по формуле:
/>
Принимаем количество разрядов nш = 6.
По условию точности нужно 8 разрядов. К1107 ПВ2 с8-разрядным выходным кодом, Tпрб = 100 нс, Рпот = 2,5 Вт2.4.2 Разработка общих параметров многоканальногоцифрового кардиографа
1) Определим число дискретных выборок m за одну секунду прицифровом преобразовании сигнала кардиограммы по одному отведению:
/>
/> целесообразновыбрать так, чтобы было удобно отсчитывать текущее время, т.е. кратное 50 Гц. />
2) Определяем число точек Кт цифровогопреобразователя приходящихся на один короткий зубец ЭКГ с длительностью τ =0,05 сек.:
/>
3) Определяем величину временного интервала Тп наЭКГ между выполняемыми преобразованиями на одном отведении согласно формуле:
/>
4) Находим частоту fп задающего генератора при числе отведенийl = 2:
/>
при этом период сигнала задающего генератора Тгснижается с ростом числа отведений l и составляет:
/>
5) Оценим время τпр, необходимое длявыполнения цифрового преобразования в одной точке ЭКГ:
/>
где: τацп =100 нс — время преобразования схемойАЦП;
τозу =300 нс — время обращения к ОЗУ;
τлс= /> с- время преобразования логическими схемами;
/>
где: /> - числоИМС логики;
/> - время задержкисигнала на одной схеме.
6) Максимальное число выборок Nв цифрового преобразования заодну секунду или максимальная частота /> преобразованиясоставляет:
/>
7) Максимальная частота преобразования по одному отведениюпри l = 2:
/>
Эта частота достаточно велика и превышает выбранную втребуемую частоту преобразования.2.4.3 Расчет количества ИМС ОЗУ
Число разрядов кода = 6;
Частота преобразования по одному отведению fп = 450Гц
Определяем время Тан записи:
/>
Определяем количество N1 цифровых n-разрядных слов, которыенужно записать в ОЗУ по одному отведению, или число строк:
/>

Для записи ЭКГ нескольких пациентов Кп = 4:
/>
При этом по одному отведению потребуется организация памятитипа /> с общим объемом Ф1:
/>
Выбираем ИМС памяти типа К537 РУ8А с организацией Ф1=2Кх8
Определяем общий объем памяти по всем отведениям:
/>
6) Определяем число корпусов:
/>2.5 Синтез логического устройства и его реализация
/>
где: /> /> />
Заданная функция
/>

Составляем карту Карно из трех переменных: c
/> ab āb 1 1
a/> 1
/>
Рисунок 2.7 — Карта Карно.
После упрощения функции получаем
/>
Для проведения проверки ипостроения структурной схемы логического устройства прибегнем к помощипрограммы Electronics Workbench, а точнее устройства Logic Converter,внешний вид которого показан на рис.2.8
/>
Рисунок 2.8 — Внешний вид LogicConverter
1) Проводим проверку упрощенияфункции сделанную с помощью карт Карно, для этого в Logic Converterвводим исходную функцию для составления таблицы истинности (рис.2.9):

/>
Рисунок 2.9 — Построение таблицыистинности в Logic Converter
2) Производим упрощение логическойфункции с помощью Logic Converter (рис.2.10):
/>
Рисунок 2.10 — Упрощениелогической функции в Logic Converter
После нажатия кнопки /> LogicConverter строит схему на разнотипных элементах (рис.2.11)
/>
Рисунок 2.11 — Структурная схемалогического узла
По условию задания, к курсовомупроекту заданы ИМС серии ТТЛ типа КМ 555. Выберем ИМС типа КМ555ЛИ1, содержащуючетыре элемента 2И, и КМ555ЛН2, содержащую шесть элементов НЕ, и КМ555ЛЛ1,содержащую четыре элемента 2ИЛИ, рис 2.12:
/>
Рисунок 2.12 — Схема подключениявыбранных ИМС
Теперь не сложно получитьпринципиальную электрическую схему логического узла изображённого на рис.2.11(рис.2.13):
/>
Рисунок 2.13 — Принципиальнаясхема узла
Как видим, остались неиспользованными несколько элементов логических ИМС, которые могут потребоватьсяпри дальнейшем развитии полной схемы.
Выводы
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является базовым принципомдля разработки функциональной структуры современных многоканальныхэлектрокардиографов. Качество ЦОС в значительной мере определяется качествоманалого-цифрового преобразования (АЦП), которое, в свою очередь, в значительноймере зависит от качества выделения электрокардиографического сигнала.
Источником возбуждения усилителя электрокардиосигнала (УсЭКС)является биологический объект — человек, который может быть представленэквивалентным уравнением электрическим генератором. А, как известно, свойствалюбого электрического генератора определяются характером изменения ЭДС вовремени и внутренним сопротивлением.
Электрокардиосигнал является частью ЭДС сердца, измеряемойна поверхности тела при помощи электродов, расположенных определенным образом. Законизменения ЭКС во времени может считаться квазипериодическим с периодомкардиокомплексов 0,1 — 3 с. Минимальное значение соответствует фибрилляциижелудочков, а максимальное — блокадам сердца. Форма эквивалентногокардиокомплекса близка к треугольной с амплитудой, лежащей в диапазоне 0 — 5 мВ.Полоса принимаемых кардиокомплексом частот охватывает диапазон от 0,05 до 800Гц.
В ходе расчета функциональных узлов кардиографа былоустановлено число разрядов АЦП = 6
Коэффициент усиления канала = 667
Время выполнения цифрового преобразования в одной точке = 0,9∙ 10-6 сек.
Общий объем памяти по всем отведением = 64.8 Кбит
Список литературы
1. Е.Я. Швец, Н.Г. Сидоренко. Методические указания к выполнению курсовогопроекта «Расчет функциональных узлов электрокардиографов» подисциплине Цифровая схемотехника. — З. 2002 г.
2. В.В. Мурашко, А.В. Скрутинский. Электрокардиография — М. 1987 г.
3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М. 1990 г.
4. Ю.С. Забродин. Промышленная электроника — М. 1982 г.
5. Клиническая электрокардиография. 2001 г.