Естественные  колебания кровенаполнения отражаются на плетизмограмме тремя порядками волн (рис. 6), которые регистрируются на фотоплетизмограмме.

Рисунок 17. Пример непрерывной регистрации фотоплетизмограммы.

Римские цифры обозначают соответствующий  порядок волн (пояснения в тексте).

       Основными являются волны первого порядка (I), или объемный пульс, они соответствуют  динамике кровенаполнения за каждый сердечный цикл (см. рисунок 16). Амплитуда объемного пульса, т.е. высота от основания волны до ее вершины, выраженная в единицах объема, характеризует максимальный прирост кровенаполнения артерий за период прироста давления крови в них на величину пульсового давления. Волны второго порядка (II) имеют период дыхательных волн, в норме их амплитуда меньше амплитуды объемного пульса. Волнами третьего порядка (III) называют все регистрируемые колебания с периодом, большим, чем период дыхательных волн; они иногда относительно ритмичны и расцениваются как отражение периодичной активности сосудодвигательного центра (волны Траубе — Геринга). При правильной психологической подготовке обследуемого и соблюдении ряда технических условий удается получить, так называемые, нулевые плетизмограммы, представленные только объемным пульсом и минимально выраженными волнами второго порядка.

       1.3.2.4 Использование метода фотоплетизмографии в медицинской практике

       Фотоплетизмография  используется, прежде всего, при диагностике  сосудистых заболеваниях для оценки состояния и степени нарушений  регионарного кровотока, тонуса артерий  и вен, а также для контроля эффективности лечения. Особенно ценную информацию дают симметричные исследования пораженных и непораженных сосудов у одного и того же больного. Кроме того, метод является удобным для определения сосудистых реакций на различные раздражители (прием лекарственного препарата, холод, тепло и т. д.). Для этого применяют пробы с физической нагрузкой или поднятием рук вверх, тепловую пробу, пробу с пассивной гиперемией, фармакологические пробы. Регистрируют динамику плетизмографических показателей в процессе этих проб и оценивают степень восстановления кровотока и растяжимости артерий.

       Исследование  сосудистых рефлексов с помощью  фотоплетизмографии позволяет выявить  подвижность механизмов, регулирующих распределение крови, что имеет  существенное значение при выявлении  локальных капиллярных нарушений и сосудистых заболеваний на уровне всего организма. [ссылка 5]

 

2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

       Структурная схема устройства приведена в  приложении.

       Основным  элементом данного прибора является блок управления, построенный на базе микроконтроллера. Микроконтроллеры позволяют решать самые разнообразные задачи по организации работы устройств, за что и получили широкое распространение в системах автоматического управления (САУ).

       Разрабатываемый прибор предназначен для регистрации кардиосигнала и отображения его в форме доступной человеку.

       Так как кардиосигнал не является зависимостью электрической величины от времени, то прибор будет содержать измерительный  преобразователь (ИП), который будет  преобразовывать его в электрический сигнал (электрокардиосигнал).

       Связь пользователя с блоком управления организована с помощью клавиатуры. Клавиатура имеет 2 кнопки «On/Off» и «Start/Stop». Кнопка «On/Off» предназначена для включения или выключения прибора. Кнопка «Start/Stop» предназначена для запуска режима регистрации сигнала или его остановки.

       Вывод информации  в виде визуального  сигнала осуществляется с помощью  ЖК-индикатора. На него выводятся подсказки  для пользователя в режиме простоя  и значение частоты сердечных  сокращений (ЧСС) в рабочем режиме.

 

3. РАЗРАБОТКА  СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

       Схема электрическая принципиальная устройства приведена в приложении.

       Ключевым  элементом прибора является блок управления построенный на микроконтроллере C8051F330.

       Микроконтроллер имеет 17 портов ввода/вывода информации, встроенные высокочастотный и низкочастотный генераторы тактового сигнала, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

       Клавиатура (кнопки SB1 – «On/Off», SB2 – «Start/Stop») подсоединяется к портам Р1.4 и Р1.5 соответственно. Параллельно кнопкам SB1,SB2 включены конденсаторы C1,C2, служащие для уменьшения пульсаций при срабатывании кнопки, а также при наводке электромагнитных помех. Резисторы R2, R3 подтягивают сигнальную линию на напряжение 3,6В.

       Измерительный преобразователь состоит из транзисторного оптрона U1 (АОТ-137), светоизлучающий диод которого работает в ИК диапазоне, усилителя построенного на ОУ AD623. Элементы R5, R6 задают коэффициент усиления по напряжению усилителя равный 100, что соответствует повышению уровня на 40 дБ. Сигнал с выхода усилителя подается на порт Р1.6. Резисторы R8, R7 служат для задания интенсивности излучения светодиода и тока покоя фототранзистора оптрона соответственно.

       Резистор  R1 подтягивает линию сброса RST на напряжение питания, таким образом линия находится в состоянии высокого логического уровня. Воздействие пользователя на нее не предусмотрено.

       Для отображения информации используется ЖК-индикатор HD-44780. Для его подключения  к микроконтроллеру необходимо 11 портов ввода/вывода. Порт Р0 используется полностью для соединения линий данных ЖК-индикатора DB0-DB7. Управляющие линии RS, R/W, E соединены с выводами Р1.0-Р1.2 микроконтроллера. Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания GND и Vcc, и линия для подачи напряжения питания драйвера ЖКИ - V0. На начальном этапе необходимо подать питание на ЖКИ- модуль и добиться от него признаков работоспособности. Подстроечный резистор R4 позволяет плавно менять напряжение питания драйвера ЖКИ, что приводит к изменению угла поворота жидких кристаллов. Этим резистором можно отрегулировать фактическую контрастность при некотором преимущественном угле наблюдения. Конденсатор С3 служит для снижения влияния электромагнитных наводок по цепям питания.

Рисунок 18. Схема подключения ЖКИ модуля

       Порт  P1.3 используется для подключения питания к ЖКИ модулю и ИП. Вывод Vcc ЖКИ поключается к напряжению +5В с помощью транзисторного ключа, построенного на МОП транзисторе VT1. Питание ИП подключается с помощью ключа на транзисторе VT2.

 

4. РАЗРАБОТКА  ФУНКЦИОНАЛЬНОГО  АЛГОРИТМА

       Функциональный  алгоритм работы прибора приведен в  приложении.

       Перед проектируемым прибором стоят четыре функциональные задачи:

• обеспечение общения с пользователем;
• регистрация кардиосигнала;
• обработка кардиосигнала;
• вывод кардиосигнала в форме доступной для восприятия пользователем.

       Алгоритмом  предусмотрены 3 режима: режим регистрации  сигнала (А), режим ожидания инструкций (Б) и режим пониженного энергопотребления (В). В режиме регистрации сигнала прибор активно работает: регистрирует сигнал, обрабатывает его, выводит на дисплей информацию. В режиме ожидания инструкций прибор ожидает либо перехода в режим А, либо перехода в режим В. В режиме В прибор находится в состоянии пониженного энергопотребления: вся периферия отключена, ИП отключен, ЖК модуль отключен, установлена максимально низкая тактовая частота.

       Общение с пользователем микроконтроллера реализовано путем опроса кнопок «On/Off», «Start/Stop» с частотой 25 Гц.

       При нечетном нажатии кнопки «On/Off» прибор включается и переходит в режим ожидания инструкций. При четном нажатии кнопки «On/Off» прибор выключается.

       Нечетным  нажатием на кнопку «Start/Stop» прибор переводится в режим регистрации сигнала. Четным нажатием на кнопку «Start/Stop» прибор переводится в режим ожидания инструкций. Кнопка «Start/Stop» активна только в режимах А и Б

 

5. РАЗРАБОТКА  АЛГОРИТМА РАБОТЫ  ПРОГРАММЫ

       Алгоритм  работы программы приведен в приложении.

       5.1 Инициализация

       Инициализация начинается с отключении сторожевого  таймера.

       В качестве источника тактирования используется встроенный низкочастотный генератор. Частота тактирования 80 кГц.

       Таймеры Т0, Т1, Т2 настроены как 16-битные таймер-счетчики.

       Прерывания  разрешены от таймеров Т0 и Т1.

       Порт  Р0 и порты Р1.0-Р1.3 настроены как цифровые выходы. Порты Р1.4 и Р1.5 настроены как цифровые входы. Порт Р1.6 – аналоговый вход, пропущен матрицей. Матрица включена.

       АЦП настроен в однофазный режим. Положительный  вход – Р1.6, отрицательный – GND. Запуск преобразования осуществляется установкой бита AD0BUSY.

       5.2 Основная программа

       В режиме Б включается ЖКИ.

       В режиме А запускается подпрограмма «Калибровка», предназначенная для определения уровня пиковых значений сигнала. После завершения подпрограммы «Калибровка» происходит захват значения с АЦП (включением АЦП) и сравнение с откалиброванным уровнем. В случае превышения уровня запускается счетчик MSCnt для замера интервала межу пиками в мс. С целью энергосбережения АЦП отключается. Подпрограмма задержка осуществляет задержку равную половине интервала между пиками.

       Подпрограмма  «Расчет ЧСС» высчитывает ЧСС  путем целочисленного деления константы 60000 (60000 мс = 1 минута) на интервал между пиками, который берется из счетчика MSCnt и выражен в мс.

       Подпрограмма  «Вывод на ЖКИ» преобразовывает двоичную форму числа ЧСС в коды понятные контроллеру ЖКИ и последовательно передает их ему.

       Если  нажать кнопку «Start/Stop» это повлечет перевод прибора в режим Б, кнопкой «On/Off» он переведется в режим В. Если ни одна кнопка не была нажата, то снова повторится алгоритм прибора в режиме А, но уже без вызова подпрограммы «Калибровка».

       5.3 Процедуры обработки  прерываний

       Прерывания  от Т0. Отключается таймер, перезагружается  таймер/счетчик, далее следует опрос  кнопок с последующей отработкой дребезга контактов. МК реагирует на отжатие кнопки. Генерация запроса на преобразование в АЦП. Включение таймера и выход из процедуры прерываний от таймера 0.

       Прерывания  от Т1. Отключается и перезагружается  Т/С, инкрементируется значение счетчика MSCnt, включается Т1, далее следует выход из процедуры обработки прерываний от Т1.

 

6. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ

       Листинг программы приведен в приложении.

       В этом разделе будет разработана  программа для микроконтроллера на основе составленного ранее алгоритма. Программа записана на языке Assembler. Среда разработки Silicon Laboratories IDE.

       Код инициализации ядра сгенерирован при  помощи Silicon Laboratories Configuration Wizard 2.

       d_HBFREQ_const – константа для расчета ЧСС.

       BtnSTAstt - регистр состояния кнопки START/STOP

       BtnONstt - регистр состяния кнопки On/off

       MSCntL – регистр младшего байта счетчика MSCnt

       MSCntH - регистр старшего байта счетчика MSCnt

       HBFREQ - регистр значения ЧСС

       MSCntLfix - регистр младшего байта зафиксированного значения счетчика MSCnt

       MSCntHfix - регистр старшего байта зафиксированного значения счетчика MSCnt

       LVL_constL - регистр младшего байта зафиксированного уровня сигнала

       LVL_constH - регистр старшего байта зафиксированного уровня сигнала

       bButtonOn – бит состояния кнопки ON/Off

       bButtonStart – ,бит состояния кнопки Start/Stop

       pDB0 – пин Р0.0

       pDB1 – пин Р0.1

       pDB2 – пин Р0.2

       pDB3 – пин Р0.3

       pDB4 – пин Р0.4

       pDB5 – пин Р0.5

       pDB6 – пин Р0.6