информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Сообщество LabData

Вход в систему

аватар: Салах Халед Хасан
Анализ преимуществ и недостатков различных схем фотоплетизмографов и измерителей пульса
Салах Х.Х.

Введение. 
1. Цифровой измеритель пульса. 
2. Измеритель пульса. 
3. Фотоплетизмограф. 
4. Оптический датчик.
5. Аппаратно-программной комплекс для регистрации фотоплетизмогмма и частоты пульса. 
6. Оптический датчик пульса.
7. Датчик пульса. 
Источники. 
 

Введение

Существуют нескольких схем для регистрации фотоплетизмограмма и измерения чистоты пульса. В данной работе был проведен анализ преимуществ, и недостатков различных схем фотоплетизмографов и измерителей пульса.
 

1. Цифровой измеритель пульса

Приведена схема измерителя частоты пульса (ЧП), который используется, когда необходим оперативный контроль ЧП, например, при занятиях спортом. Для упрощения схемы применяют цифровой способ, при котором на ИМС ПЗУ можно "записать" всю таблицу соответствия "число импульсов - частота пульса". Схема такого измерителя ЧП приведена на рис.8. Входной каскад выполнен на компараторе DA1, поэтому он имеет довольно высокую чувствительность. Схема рассчитана на работу совместно с электродинамическим или пьезоэлектрическим датчиком (в последнем случае параллельно датчику следует подключить резистор сопротивлением на 10 100 Ом). Микросхема DD4 подключена к питанию несколько необычно только через вход программирования (выв 22) В таком режиме работоспособность большинства микросхем полностью сохраняется, при этом несколько уменьшается потребляемый ток (62 мА против 93 мА) При питании от батарей (4,5 В) экономится 30 мА.
Из за ограниченного числа разрядов индикатора пришлось пойти на небольшую хитрость Так, если на индикаторе число "56", то это значит, что ЧП равна 56,75 57,25, а если "57" 57,25 57,75. Микросхему DD3 желательно заменить на КР1533ИР37 (цоколевка та же), при этом можно во обще убрать R7, R8, С2 С4, а между выходом одновибратора и объединенными входами счетчика и регистра подключить конденсатор емкостью 100 200 пФ При применении ПЗУ с большей емкостью памяти (для повышения точности при ЧП > 90 ударов/мин) счетчик К561ИЕ16 следует заме нить на ИЕ20, а вместо КР1533ИРЗЗ(37) поставить две КР1533ТМ9(рис.1).
 
Рисунок 1 -  Принципиальная схема цифрового  измерителя  пульса
Преимущества:
1.     Входной каскад выполнен на компараторе DA1(K176NE5), поэтому он имеет довольно высокую чувствительность.
2.     Микросхема DD4 (КР556РТ5) подключена к питанию несколько необычно только через вход программирования (выв 22) В таком режиме работоспособность большинства микросхем полностью сохраняется.
3.     Низкое потребление ток (62 мА против 93 мА) При питании от батарей (4,5 В) экономится 30 мА.
Недостатки:
1.     Микросхема КР556РТ5 требуется программатор.
2.     Микросхема КР556РТ5 прошивается вручную, хотя существуют программаторы для нее, изготовление его в наше время будет нецелесообразным.
3.     Схема рассчитана на работу совместно с пьезоэлектрическим датчиком при этом у нее не очень точное измерение. (Для повышения точности при ЧП > 90 ударов/мин) счетчик К561ИЕ16 следует заме нить на ИЕ20, а вместо КР1533ИРЗЗ(37) поставить две КР1533ТМ9.
4.     Для упрощения схемы применена динамическая индикация (на выводе 1 DD1.1 частота 64 Гц), но из-за этого в два раза снижается точность измерения.

2. Измеритель пульса

Принципиальная схема измерителя пульса изображена на рис. 2.
ИК-датчик содержит излучающий светодиод VD1 и приемный фотодиод VD2. Усилительная часть собрана на операционных усилителях (ОУ) К140УД6, имеющих низкое значение разности входных токов (дельта Iвх<=25 нА) и небольшой ток потребления (Iп = 1 мА), что позволило создать экономичный прибор, работающий в широком диапазоне температур. Фотодиод VD2 включен между инвертирующим и неинвертирующимвходами первого ОУ, поэтому постоянное напряжение на нем не превышает нескольких мВ, что является особенностью первого каскада. Второй каскад усилителя имеет коэффициент усиления около 1000, а амплитуда полезного сигнала на его выходе достигает 3 В. Между первым и вторым каскадами включены разделительный конденсатор С1 и RС-фильтр (R8C2), снижающий фон с частотой 50 Гц. С этой же целью на выходе элемента DA2 включен фильтр R14C3. Усилительная часть прибора заканчивается собранным на транзисторе VT1 эмиттерным повторителем, который служит для согласования выхода ОУ и входа ТТЛ микросхемы DD1 К136ЛАЗ. Четыре логических элемента этой микросхемы выполняют функции триггера Шмитта (DD1.1 и DD1.2) и одновибратора (DD1.3 и DD1.4). Триггер Шмитта по входу 2 блокируется импульсами одновибратора, что позволяет четко фиксировать количество ударов пульса. На выходе 11 одновибратора сигнал имеет вид прямоугольных импульсов отрицательной полярности длительностью 200 мс и амплитудой 5 В, частота повторения которых изменяется от 0,5 до 3,3 Гц. 
Индикация ударов пульса осуществляется светодиодом VD4. Таким образом посредством микросхем DA1, DA2 и DD1 удается выделить импульсы ударов пульса.
Измерение частоты пульса в приборе принято самое простое — подсчет импульсов за определенный период времени, хотя, строго говоря, удачней была бы система отсчета пульса в режимах “средний” (за 10 ударов пульса) или “мгновенный” (от удара к удару). Однако последние способы подсчета пульса требуют более сложной реализации, что приведет к нежелательному увеличению габаритов прибора. 
Цифровая часть измерителя частоты пульса содержит следующие функциональные узлы: двенадцатисекундный одновибратор (DD2.1 и DD2.2), одновибратор с длительностью импульса 2,5 мс (DD3.2—DD3.4), генератор прямоугольных импульсов с частотой 2 кГц (DD4.1 и DD4.2), триггеры управления (DD5.1 и DD5.2) и двоично-десятичные счетчики-дешифраторы (DD6—DD8). Подсчет числа импульсов цифровой частью начинается после нажатия на кнопку SB2 “Счет”. При нажатии вырабатывается импульс, который обнуляет счетчики DD6—DD8 и переводит RS-триггер DD5.2 в состояние, при котором его выходной сигнал дает разрешение на прохождение импульсов подсчета пульса через логический элемент DD3.1. Первый же пришедший сигнал пульса запускает оба одновибратора. Каждый импульс одновибратора DD3.2—DD3.4, поступая на схему DD4.3, стробирует прохождение пяти импульсов генератора на счетчики. Такой режим работы продолжается в течение 12 с после прихода первого импульса пульса и длится до тех пор, пока одновибратор DD2.1, DD2.2 спадом импульса не сбросит RS-триггер DD5.2 и, следовательно, прохождение импульсов через элемент DD3.1 прекратится. Одновременно с этим одновибратор DD2.1, DD2.2 через цепь C10R31 воздействует на триггер DD5.1, который открывает транзистор VT4, и на трех семисегментных светодиодных индикаторах будет высвечено число ударов пульса в минуту. Кнопка SB1 “Сброс” служит для установки начальных состояний триггеров управления и одновибратора DD2.1, DD2.2, ею же происходит гашение светодиодов индикации. 
Соединение счетчиков-дешифраторов DD6—DD8 семисегментных индикаторов HG1—HG3—стандартное. Микросхема DD8, с которой задается значение сотен, соединена с индикатором только через два резистора R51, R52, поэтому, если число ударов пульса меньше ста, светодиодная матрица HG3 не загорается.
Преимущества:
1.     Точное измерение, максимальная погрешность измерения, ±5 удар/мин.
2.     Не требуется программатора.
3.     Если чувствительность прибора оказалась недостаточной, следует уменьшить толщину пластинки ИК-датчика до предела или изготовить ее из другого, более прозрачного для ИК-лучей материала. Повысит чувствительность и увеличение емкости конденсатора С1 на 1...2 мкФ.
4.     Усилительная часть собрана на операционных усилителях (ОУ) К140УД6, имеющих низкое значение разности входных токов (дельта Iвх<=25 нА) и небольшой ток потребления (Iп = 1 мА), что позволило создать экономичный прибор, работающий в широком диапазоне температур.
5.     При желании радиолюбители могут заменить цифровую часть прибора более простой, аналоговой, в качестве которой подойдет простой стрелочный частотомер с диапазоном измерения 0,5...3 Гц и шкалой, проградуированной в уд/мин.
6.     Для предотвращения пробоя транзисторов при неправильном подключении батарей питания в схему введен диод VD1. Ток, потребляемый стабилизатором двуполярного напряжения в режиме холостого хода, не превышает 7 мА. 
7.     ИК-фотодиод VD2 ФД-27К можно заменить более распространенным ФД-3, транзисторы КТ503Г, примененные в усилительной части, заменяются КТ312Б, транзистор КТ814Г — КТ503Г. Вместо ОУ К140УД6 можно применить другие ОУ, но они должны удовлетворять следующим основным требованиям: Uпит.мин<5,5 В, Kу>20000, Iвх<=200 нА. Это могут быть ОУ К140УД7, К140УД12 и К153УД5. Микросхемы серии К176 можно заменить на аналогичные из серии К561.
Недостатки:
1.     Выходное напряжение стабилизатора, равное 11 В, с помощью микросхемы DA1 и транзисторов VT4, VT5 преобразуется в двуполярное напряжение ±5,5 В с искусственной средней точкой. К сожалению, установка такого расщепителя после стабилизатора лишает последний возможности реагировать на короткие замыкания в цепях нагрузки.
2.     Измерение частоты пульса в приборе принято самое простое — подсчет импульсов за определенный период времени, хотя, строго говоря, удачней была бы система отсчета пульса в режимах “средний” (за 10 ударов пульса) или “мгновенный” (от удара к удару). Однако последние способы подсчета пульса требуют более сложной реализации, что приведет к нежелательному увеличению габаритов прибора.
3.     Выходной ток стабилизатора при коротком замыкании в одной из нагрузок достигает 200 мА, однако применение транзисторов средней мощности обеспечивает достаточную (при недлительном КЗ) надежность. Разумеется, такой большой выходной ток при настройке можно получить, питая стабилизатор от мощного источника. В реальном приборе короткое замыкание приведет к быстрому разряду батарей.
4.     Высокое потребление источника напряжение не мене 15 В.

3. Фотоплетизмограф

На (рис.3) представлен фрагмент принципиальной электрической схемы фотоплетизмографа, представляющий цепи усиления и фильтрации сигнала. Для получения сигналов пульсового кровенаполнения используется диоднаяоптопара с открытым оптическим каналом АОД111А в 14-выводном металло-керамическом корпусе с планарным расположением выводов, состоящая из излучающего диода GaAlAs, работающего в инфракрасном диапазоне, изготовленного по эпитаксиальной технологии, и двух кремниевых
Рисунок 3 – Фрагментпринципиальной электрической схемы фотоплетизмографа
эпитаксиальных p-i-n фотоприемников. Для регистрации сигнала задействован один фотоприемник, причем проведенный анализ способов включения фотоприемника указывает на целесообразность использования фотодиодного режима (т.е. при обратном смещении фотодиода ). Выбор именно этой серийно выпускаемой оптопары обусловлен относительной простотой изготовления датчиков на ее основе, технологичностью и приемлимыми массогабаритными характеристиками конструкции в целом и удобством использования при исследованиях периферической гемодинамики.
Преимущества:
1.     Высокая линейность преобразования,
2.     Возможность получения достаточно больших по амплитуде полезных сигналов,
3.      Низкий суммарный шум (тракта приемник - усилитель).
4.     Не требуется программатор.
5.     Низкое потребление энергии +5 V.
Недостатки:
Основным недостатком данной схемы является сравнительно большие величины сопротивления входных цепей на которых развивается значительная ЭДС электромагнитной помехи.

4. Оптический датчик

На рисунке 4 –Показана принципиальной электрической схемы оптического датчика.
Рисунок 4 - Принципиальная электрическая схема оптического датчика
Преимущества:
1.     Схема работает надежно несмотря на большие вариации в контрасте кожи и уровне освещения.
2.     Микросхема А1 и окружающие ее дискретные компоненты образуют адаптивный фильтр с высоким коэффициентом усиления, который подавляет присутствующий оптический и электрический шум (особенно частоты 50 Гц), и подает очищенный сигнал на компаратор А2, который и выделяет цифровой сигнал пульса. 
3.     Не требуется программатор.
4.     Есть два выхода один аналоговый второй цифровой.
5.     Низкое потребление энергии.

5. Аппаратно-программной комплекс для регистрации фотоплетизмогмма и частоты пульса

На рисунке 5 – Представлена принципиальной электрической схемы аппаратно-программного комплекса для регистрации фотоплетизмогмма и чистоты пульса.
Рисунок 5 – Принципиальная-электрическая схема аппаратно-программного комплекса для регистрации фотоплетизмогмма и чистоты пульса
Преимущества:
1.     Мало потребление напряжение +5 V.
2.     Маленькая погрешность измерения ± 2.
3.     Короткоевремени измерений.
4.     Наличие канала для передачи сигнала на ЭВМ.
Недостатки:
1.     Требуется программирования цифрового часта. 

6. Оптический датчик пульса

Ключевым элементом схемы регистрации пульса  является отражательный датчик фирмы HoneyWellHLC-1395-002. Данный датчик представляет собой инфракрасный светодиод и инфракрасный фототранзистор в одном корпусе, в котором катод светодиода и эмиттер фототранзистора объединены в общий провод. Для того, что бы избежать нежелательного света от светодиода, фототранзистор разделён от него светонепроницаемой перегородкой. Схема данного датчика представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 — схема датчика HLC 1395-002
В качестве усилителя в данной схеме выступает операционный усилитель LM358D. В одном корпусе такой микросхемы находятся два усилителя, разработанные таким образом, чтобы работать от одного источника питания в широких диапазонах напряжений.
Принципиальная схема регистрации пульса приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Принципиальная  схема регистрации пульса
Преимущества:
1.     Точное измерение, максимальная погрешность измерения, ±0,5 удар/мин.
2.     В качестве стабилизатора напряжения выбрана микросхема LT-1086-3.6, которая обеспечивает стабилизацию напряжения равную 3.6 вольтам при входном напряжении от 4.5 вольт до 18 вольт. Погрешность на выходе составляет ± 0.037В.
3.     Мало потребление напряжение 3.3 V.
4.     TRC102 - многоканальный, малопотребляющий радиочастотный приёмопередатчик, интегрированный в одну микросхему. Он подходит для приложений беспроводной связи с двусторонним обменом в не лицензируемой полосе частот 400...1000 МГц. Все необходимые радиочастотные функции интегрированы в микросхему, благодаря чему минимизировано число внешних компонентов (кварц на 10 МГц и микроконтроллер). Кроме того, TRC102 поддерживает различные режимы "сна", позволяющие уменьшить общее потребление и тем самым продлить время жизни батареи.
Характеристики устройства:
—  Диапазон частот: 400 - 1000 МГц;
—  Чувствительность: -112 дБ/м;
—  Скорость передачи данных: до 256 Кбит/с;
—  Потребление тока в режиме приёма: ~11 мА;
—  Диапазон рабочего напряжения: 2.2 - 3.8 В;
—  Ток в режиме ожидания: 0.3 мкА;
—  Возможность программно задавать значение синхробайта;
—  Встроенные схемы ФАПЧ(PLL), ПЧ(IF), немодулированной передачи(Baseband);
—  Автоподстройка частоты (подстройка частот приёма/передачи);
—Возможность выбора аналогового/цифрового фильтра немодулированной передачи;
—  Программируемая выходная мощность;
— Программируемое усиление входного малошумящего усилителя (LNA);
—  Встроенное распознавание достоверности данных;
—  FIFO-буфер для приёма/передачи;
—  Стандартный интерфейс SPI;
—  Линии ввода/вывода, совместимые с ТТЛ/КМОП;
— Программируемый выход тактовой частоты, для тактирования ведущего процессора.
—  Автоматическая подстройка антенного контура;
—  Возможность применять обычный кварцевый резонатор на 10 МГц;
— Встроенный программируемый детектор обнаружения разрядки батареи;
— Программируемый таймер пробуждения с возможностью настройки;
—Возможность выбора аналоговой/цифровой индикации уровня принимаемого сигнала(RSSI);
— Встроенный кварцевый генератор;
— Вывод прерывания внешнего процессора;
— Программируемая скорость передачи данных;
— Встроенное восстановление тактовой синхронизации и данных;
— Режим "сна" для энергосбережения, пробуждение по внешним событиям;
Недостатки:
Требуется программировании микроконтроллера.

7. Датчик пульса

На рисунке 8 показана принципиальной электрической схемы датчика пульса.
Рисунок 8 – Принципиальная – электрическая схема датчика пульса
Преимущества:
1.     Не требуется программирования.
2.     Максимальная погрешность измерения.
3.     Мало потребление напряжения +5 В.
4.     Из второго ОУ можно было сделать ждущий мультивибратор, чтобы выровнять длину импульсов.
5.     R4 можно поставить 10к. Это ведь подтягивающий резистор. Хотя, можно и не ставить если дальше линия подтянута.
Недостатки:
1.     После последнего фильтра сигнал пульса поступает на контактную площадку и на вход второго ОУ, который включен как компаратор. Использовать его здесь не очень уместно, потому что амплитуда пульса не постоянна.
 
Источники:
1.     http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=37765
2.     http://malmon.ru/radioehlektronika/ehlektronika-v-bytu/cifrovojj-izmeritel-pulsa.html.
3.     http://konstb.newmail.ru/liter/vestnik.html.
4.     http://konstb.newmail.ru/liter/images/Fig7.GIF.
5.     http://www.svitel.com.ua/index.php?menu=cir&mag=r20602&text=16.htm.
6.     http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=37764.
7.     http://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=76594.
8.     http://chipenable.ru/index.php/projects-avr/item/35-datchik-pulsa.html.

Комментарии