ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСХЕМ АНАЛОГОВОГО ВХОДНОГО ИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЫХАНИЯ

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОСХЕМ АНАЛОГОВОГО ВХОДНОГО
ИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДЫХАНИЯ
Ю. О. Боброва, А. А. Анисимов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)
Целью работы стало изучение взаимной корреляции
сердечно-сосудистой системы и системы дыхания человека с
использованием специализированных микросхем аналогового
входного интерфейса (Analog Front End – AFE) медицинского
назначения. При этом для достижения поставленной цели были
определены следующие задачи:
1. Обзор современных методик регистрации изучаемых
медико-биологических показателей (ЭКС, реогафического сигнала)
и их анализа;
2. Выбор методики регистрации изучаемых медикобиологических показателей;
3. Обзор различных схемотехнических решений на основе
микросхем аналогового входного интерфейса Analog Front-End,
сравнительный анализ;
4. Создание
принципиальной
схемы
макета
с
использованием микросхемы аналогового входного интерфейса в
комплексной системе автоматизированного проектирования
радиоэлектронных средств Altium Designer;
5. Разработка программного обеспечения для обработки
сигналов в программной среде LabView;
6. Экспериментальная
апробация
разработанного
устройства с последующей обработкой результатов в программной
среде MAtLAb для оценки достоверности результатов.
Методы исследования:
 Теоретические
1. анализ
2. моделирование
 Эмпирические
1. проектирование
2. измерение
3. сравнение
Микросхемы аналогового входного интерфейса представляют
собой набор аналоговых, цифровых и гибридных схем,
интегрированных на одном кристалле, что позволяет создавать
многофункциональные и весьма гибкие в настройке устройства.
Данные микросхемы могут включать операционные усилители,
фильтры, специализированные интегральные схемы для
датчиков различного назначения, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и конфигурируемые цифровые
блоки, необходимые для обмена данными в цифровом виде с
внешним микропроцессорным устройством.
Основными преимуществами AFE по сравнению со
стандартными решениями на основе дискретных компонентов
являются:
• многофункциональность (возможность замены множества
типовых микро-схем одной интегральной схемой);
• удобство настройки (разработчик получает возможность
адаптироваться к разнообразным требованиям интерфейса,
упрощается процесс настройки схемы); • снижение времени
разработки и отладки;
• значительное снижение габаритов готового устройства и
уменьшение энер-гопотребления.
Американская фирма Texas Instruments, один из мировых
лидеров по производству электронных компонентов, предлагает
свою собственную линейку микросхем AFE ADS1x9x для
измерения различных биопотенциалов (в частности, для записи
электрокардиографического
сигнала
(ЭКС)
и
электроэнцефалограммы). TI является первой компанией,
предложившей схемы высокого разрешения (16- или 24-битное
разрешение встроенного сигма-дельта АЦП) при одновременной
записи данных с нескольких каналов (от одного до восьми в
старшей модели семейства) [1, 2]. При этом отдельные
представители семейства позволяют проводить измерение
параметров
дыхания
за
счет
специализированного
интегрированного канала обработки данных. Исследование частоты
дыхания основывается на принципе импедансной пневмографии.
Для этого сигнал переменного тока малой амплитуды (не более 100
мкА) и высокой частоты (не менее 32 кГц) подается на
исследуемый объект (для этого используется один из каналов
записи ЭКС, при этом запись самого кардиографического сигнала с
этого
канала
становится
недоступной).
Амплитудномодулированный сигнал генерируется в результате дыхательных
движений пациента. Полученный модулированный сигнал должен
быть демодулирован для извлечения низкочастотной дыхательной
составляющей сигнала. После демодуляции сигнал подается на
фильтр нижних частот с частотой среза 2-4 Гц для удаления
посторонних шумов [3].
Поскольку функция измерения частоты дыхания с синхронной
записью ЭКС представляет особый интерес для дальнейшей работы
по оценке кардиореспираторного взаимодействия, в данной работе
была выбрана микросхема ADS1291R. В ее структуру входит два
сигма-дельта АЦП высокого разрешения (24 бита), блок
инструментальных
усилителей
с
программируемым
коэффициентом усиления (PGA-матрица), блок предварительной
фильтрации ЭКС от высокочастотной составляющей и
интегрированный канал измерения параметров дыхания. Сигнал с
электродов поступает прямо на вход микросхемы, без
предварительной аналоговой фильтрации и предобработки, что
позволяет значительно упростить схемотехнику готового
устройства. Реографический канал обеспечивает измерение
дыхательного импеданса с разрешением до 20 мОм, что позволяет
вести точный мониторинг и корреляцию дыхания пациента с
отклонениями в электрокардиограмме.
Рис. 1. Отладочная плата на базе AFE ADS1292R
Отладочная плата с установленной микросхемой ADS1292R и
дополнительными микросхемами питания приведена на рисунке 1.
Плата подключается к микропроцессорному блоку обработки и
передачи данных посредством последовательного SPI интерфейса,
далее данные по беспроводному Bluetooth каналу передаются на
ПК. Запись и хранение данных обеспечивается при помощи
аппаратно-программной платформы NI ELVIS и программной
среды разработки LabVIEW(см. рис. 2).
Рис.2. Регистрация ЭКС и реопневмограммы с помощью
отладочной платы на базе AFE ADS1292R
Заключение:
Результатом проделанной работы стала регистрация ЭКС и
сигнала дыхания с использованием проектированной отладочной
платы на основе микросхемы аналогового входного интерфейса
Analog Front-End. В дальнейшим планируется разработка
оптимального алгоритма и программного обеспечения для
корреляционного анализа полученных данных и анализа состояния
сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма человека.
Данная разработка может найти свое применение в системах
регистрации состояния спортсменов, системах суточного
мониторинга параметров человека, а так же в аппаратах
искусственной вентиляции легких для контроля эффективности
режимов.
Литература
1. Texas Instruments. ADS1x9xECG-FE Demonstration Kit,
User's
Guide.
Источник:
http://www.ti.com/lit/ug/slau384a/slau384a.pdf
2. Ankit Jain, Insoo Kim, Bruce J. Gluckman. Low Cost
Electroencephalo-graphic Acquisi-tion Amplifier to serve as Teaching
and Research Tool. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2011, P.
1888-1891.
3. D. Campillo, R. Guardarrama, R. González et al. A Real Time
ECG Preprocessing System Based on ADS1298. Computing in
Cardiology. 2013 P. 947-950