К. т. н. Ядрова М. В., д. т. н. Костенко В. Л.,
к. т. н. Н иколенко А. А., Балабан М. А.
Одесский национальный политехнический университет , Украина
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
АРТЕРИАЛЬНОГО ПУЛЬСА
Большое значение для улучшения характеристик медицинских приборов имеет возможность их исследования путем компьютерного моделирования.
Пульсометр позволяет определить такие свойства артериального пульса как частота, ритмичность, наполнение пульса, напряжение и высота пульса, отобразить информацию в реальном масштабе времени на экране дисплея, а также передать информацию для последующей обработки данных.
Структурная схема устройства измерения артериального пульса приведена на рис . 1.
Рис. 1. Структур ная схема устройства измерения артериального пульса
Качество результатов медицинских исследований во многом определяется свойствами измерительного канала пульсометра, который состоит из интегрального датчика, усилителя, фильтров и блока оцифровки полученных данных.
Датчик воспринимает удары пульса и преобразует их в импульсы напряжения, которые усиливаются усилителем (УС) и пропускаются через фильтры верхних частот (ФВЧ) и фильтры нижних частот (ФНЧ) с целью исключения шумов и внешних помех. Полученный сигнал подается в микропроцессор (МП) со встроенным аналого-цифровым преобразователем, где обрабатывается и передается в компьютер (ПК) через USB интерфейс. Результаты измерений отражаются также на дисплее пульсометра.
Целью работы является моделирование измерительного канала пульсометра с целью исследования процессов, происходящих в данном устройстве, оптимизации параметров и улучшения его характеристик.
На рис . 2 представлена исследованная нами в программной среде PSPICE модель пьезорезистивного датчика давления, подключенного ко входу инструментального усилителя.
Рис. 2. Модель пьезорезистивного датчика давления с усилителем
Датчик имеет тонкую кремниевую мембрану, герметично закрывающую расположенную под ней полость, и четыре сформированных на ее поверхности пьезорезистивных элемента. Любое отклонение внешнего давления от давления внутри полости вызывает деформацию мембраны и изменение сопротивления этих элементов. Пьезорезистивные элементы соединены по схеме моста Уитстона, к одной диагонали которого подключено напряжение возбуждения, с другой диагонали снимается сигнал, пропорциональный изменению давления.
Модель одного пьезорезистора (рис. 2) представляет собой [1] параллельно соединенные резистор R 1 , конденсатор C 1 и цепочку последовательно соединенных элементов R 2 , C 2 , L 1 , отражающих динамические свойства пьезоэлемента.
Резисторы R 1 и R 5 регистрируют увеличение давления, что и отражено в модели, а R 3 и R 4 – уменьшение давления. Усилитель обеспечивает необходимый коэффициент усиления и преобразует симметричный (дифференциальный) выход датчика в несимметричный.
Получена и исследована амплитудно-частотная характеристика модели пьезорезистивного датчика давления с усилителем (рис. 3).
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика модели пьезорезистивного
датчика давления с усилителем
Резонансные свойства пьезорезисторов, использованных в данной схеме, проявляются на частоте 110 кГц, уровень выходного напряжения – 4 В достаточен для дальнейших преобразований.
Рабочая полоса частот измерителя пульса находится в диапазоне 0,1 –10Гц, что обеспечивается фильтрами низкой (ФНЧ) и высокой (ФВЧ) частот.
Разработаны и исследованы модели фильтров низкой и высокой частот [2], входящих в измерительный канал пульсометра. Моделирование фильтров позволяет легко определить параметры элементов, определяющих частоту среза фильтров. Результаты компьютерного моделирования измерительного канала пульсометра представлены на рисунке 4, на котором отображены верхняя граница рабочей полосы частот пульсометра, определяемая параметрами ФНЧ и нижняя граница рабочей полосы частот, определяемая параметрами ФВЧ.
Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика измерительного канала пульсометра
Проведено компьютерное моделирование пьезорезистивного датчика давления с усилителем и других узлов измерительного канала устройства измерения артериального пульса в программной среде PSPICE с целью улучшения характеристик предложенного устройства. По результатам моделирования осуществлен выбор параметров датчика, усилителя и фильтров, обеспечивающих необходимые характеристики устройства.
Список использованных источников:
1. Джагупов Р. Г. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике / Р. Г. Джагупов, А. А. Ерофеев. – Л.: Машиностроение, 1986. – 252 с.
2. Костенко В. Л. Моделирование измерительного канала компьютерного фотоплетизмографа / В. Л. Костенко, М. В. Ядрова, А. А. Николенко // Электротехнические и компьютерные системы. – 2011.– № 04 ( 80 ). – С. 205–208 .