STM32. Медичне застосування. Тонометр. Введення і апаратна частина

Одним з цікавих профілів застосування сучасного МК, безумовно, є медицина. Спектр приладів тут досить широкий, починаючи від простих термометрів, де можна застосувати простий STM8L з ЖК екраном, закінчуючи навороченими кардіо-моніторами, вимірниками ЕКГ, холтерами з можливостями дистанційного збору і відправки інформації за эйзернет або безпровідно з ліжок пацієнтів прямо в кабінет голів-лікаря. Сьогодні ми поговоримо про можливості застосування МК STM32 при неинвазивном вимірюванні артеріального тиску осциллометрическим методом. Всіх зацікавлених прошу під кат.

Введення

Сьогодні «золотим стандартом» вимірювання артеріального тиску прийнято вважати метод «тонів Н.С. Короткова», визнаний Всесвітньою Організацією охорони Здоров'я. Однак не слід забувати, що це непрямий метод вимірювання кров'яного тиску. Безумовно, вимірювання артеріального тиску відбувається з деякою похибкою, що визначається пружністю стінок артерії і м'яких тканин, амплітудою і формою пульсової хвилі та іншими факторами, індивідуальними для кожної людини. Якщо відмовитися від заокруглень і точно використовувати ціну поділки манометра, то ми побачимо різницю між сусідніми вимірами і при користуванні механічним приладом. Зчитування показань манометра на слух також виконується з деякою помилкою, яка залежить від індивідуальних особливостей людини — швидкості реакції, наявності навичок і т. д. В результаті похибка ручних тонометрів складається з трьох складових: самого методу, точності манометра і помилки визначення моменту зчитування показань. Реально її величина може складати до 15 мм рт. ст.! На результати вимірювань впливає також швидкість нагнітання повітря в манжету, швидкість стравлювання і величина тиску, створюваного в манжеті. Якщо додати ще й природні коливання артеріального тиску, то різниця між двома сусідніми вимірами може бути ще більшою.

Електронний тонометр, в принципі, повинен був бути позбавлений всіх цих недоліків, оскільки вимірювання тонів відбувається за допомогою самої ж манжети, а обробка здійснюється з допомогою ряду запатентованих алгоритмів і методик. Однак, практика показує, що в ряді випадків електронний тонометр дає стійке розбіжність з показаннями ручного тонометра. Як наслідок — на сьогоднішній день у людей склалося стійке думка — «електронні тонометри брешуть — краще лікаря з ртутним вимірювачем тиску ніхто не виміряє!» Досліди показали, що більша похибка вимірювання, викликана виключно невмінням пересічного обивателя користуватися цим приладом, а саме, правильно одягати манжету. Правильно одягнена манжета — запорука отримання хорошої огинаючої тонів Короткова і успішного знаходження характерних точок на огинаючої.

Де копати

Літератури з методикою знаходження АТ за огинаючої тонів в інтернеті досить багато. У Freescale є навіть хороший аппноут, де популярно разжовано, як вимірювати тони Короткова в манжеті. Але! Як саме аналізувати отриману огинаючу — інформації практично ніде немає. Кожен виробник тонометрів ліпить по-своєму, хоча загальна методика проглядається чітко. Досить зайти на freepatentsonline.com і набрати в пошуку non invasive blood pressure, і Ви отримаєте достатньо інформації щоб написати заготівлю тонометра. Але! Далі-гірше. Екстрасистоли, артефакти, та інші страшні слова встають на шляху до точних результатами осциллометрии…

Збірка вимірювального стенду

Якщо бажання зібрати свій тонометр все-таки не відпало, то приступимо.

… У нас було дві манжети, жменька операційних підсилювачів, кілька датчиків тиску, пара клапанів та мікроконтролер. Єдине, що викликало у мене побоювання — це MEMS датчики тиску. Я знав, що рано чи пізно ми перейдемо і на цю погань...

Що потрібно для вимірювача артеріального тиску:
1) Плата за МК STM32F1xx (підійде STM32 VL Discovery з STM32F100RBT6 на борту);
2) Датчик тиску MPXV5050GP (модель взята з Freescale BPM Application Note, у Вашому випадку м. б. інша модель);
3) Інтегральний ОУ LM358 (LM324) (краще, звичайно, взяти рейл-ту-рейловый);
4) Який-небудь індикатор — на ніж показувати тиск (якщо немає індикатора — можна дивитися результати в watch при налагодженні);
5) Помпа з моторчиком від китайського тонометра або груша від бабусиної тонометра;
6) Якщо все-таки Ви взяли помпу з моторчиком з тонометра, Вам також знадобиться клапан повільного стравлювання із того ж тонометра;
7) Аварійний клапан (за смаком — потрібен для швидкого стравлювання залишків повітря в манжеті після проведення вимірювання);
8) Манжета тонометрическая;
9) SD картка з картоприймачем (або microSD з адаптером, до якого не шкода підпаяти).

image
Малюнок 1 — Схема пневмотракта для вимірювання АТ

Давайте спробуємо розібратися в тому, що ми зараз тільки-що зібрали. Пневмо-схема дуже проста. Помпа служить для накачування манжети, після чого повітря починає повільно стравлювати нерегульованим клапаном з дуже маленьким отвором. При цьому слід врахувати, що аварійний клапан повинен бути закритий — інакше Ви нічого не накачаєте! По завершенню вимірювання тиску, можна відкрити аварійний клапан і швидко стравити залишковий тиск в манжеті.

Далі необхідно зібрати електричну схему управління нашим пневмотрактом. Схема складається з вузла виділення тонів Короткова, вузла управління помпою і вузла управління клапан аварійного стравлювання. Схеми управління помпою і клапаном дуже прості і складаються, фактично з одного NPN транзистора (кожна), які управляються логічним рівнем мікроконтролера (… будь GPIO). Зупинимося детальніше на схемі виділення тонів по Короткову. Схема реалізована на ОУ загального застосування LM358, і являє собою підсилювач з смуговим фільтром. Завдання даного каскаду ізолювати постійну складову і виділити т. н. тони Короткова — пульсації крові в артерії при скороченні серцевого м'яза. Т. о. на аналогові входи мікроконтролера подаються сигнали безпосередньо з аналогового датчика тиску і сигнал, виділений ОУ. Підіб'ємо підсумок: сигнал з датчика тиску складається з «биття» і постійної складової тиску в манжеті. Т. о. на перший канал АЦП МК ми подаємо повільно стравливаемое тиск в манжеті, операційним підсилювачем виловлюємо змінну складову тонів Короткова та подаємо їх на інший канал АЦП МК.

image
Малюнок 2 — Електрична принципова схема вимірювального каскаду

На малюнках 3 і 4 наведені осцилограми на виходах, безпосередньо з датчика тиску (Рис.3) і на виході виділяє ОУ (Рис.4). На малюнку 4 стрілочками показані «характерні» точки на огинаючої тонів Короткова. SBP — Systollic Blood Pressure — Систолічний АТ (верхнє тиск), MBP — Mean Blood Pressure — середній тиск в артерії, DBP — Dyastollic Blood Pressure — Диастоллическое ПЕКЛО (нижнє тиск). Про те, як знайти ці точки, а значить, визначити ПЕКЛО мова піде пізніше.

image
Малюнок 3 — Напруга на виході датчика тиску (цикл накачування повітря, цикл стравлювання)

image
Малюнок 4 — Напруга на виході ОП. Виділені тони по Короткову

Підіб'ємо підсумок. Ми зібрали пневмотракт, виготовили електроніку для його обслуговування. У наступній частині ми поговоримо про те, як підключити до цього всього МК з дисплеєм і SD картою і почати «слухати» передпліччі. Результатом повинні стати дані на SD карті, які ми пропонуємо в Excel і спробуємо обробити за допомогою найпростіших алгоритмів розрахунку ПЕКЛО.

image
Малюнок 5 — Дані з датчиків, записані на SD карту в ході вимірювання

На рисунку 5 видно:
— в даному варіанті реалізації, підбурювання у мене ступінчасте;
— тони Короткова (пулсации тиску в манжеті) записываюся повністю.
— на льоту обчислюється максимальна амплітуда тонів Короткова.

Чому саме ступеневу підбурювання? Справа в тому, що при ступінчастому стравлювання ми отримуємо купу бонусів по вимірюванню. Наприклад, ми можемо вимірювати два тони за один щабель значення тиску в манжеті, т. о. фільтруючи екстра систоли. Або, при проблемності отриманої огинаючої, докачати до нас цікавить ділянки і поміряти тони на ньому повторно. Це вже фитча кардіомоніторів. Можна взагалі реалізувати вимірювання на висхідному ділянці тиску в манжеті (накачування):

1) Закрити клапан;
2) Зробити донакачку на 50 одиниць;
3) Поміряти тони Короткова;
4) пункт 2, поки не промеряем всю огинаючу, інакше на пункт 5;
5) Провести обчислення SBP, DBP, виходячи з параметрів огинаючої
6) Вивести результат.

image
Малюнок 6 — Результат обчислення значень SBP і DBP

Пояснення до малюнку 6:
1) Ряд 1 — сигнал безпосередньо з датчика тиску — рівень тиску в манжеті (фаза повільного стравлювання);
2) Ряд 2 — Розраховане значення АТ Систолічний;
3) Ряд 3 — Розраховане Діастолічне значення АТ;
4) Ряд 4 — Обвідна тонів Короткова ( не самі тони, а значення амплітуд піків).

В ході численних експериментів (які тривають і донині) з'ясувалося, що обчислення значення піку тони Короткова є ключовим у всьому циклі вимірювання АТ. Чим краще виміряєш огинаючу — тим точніше дізнаєшся значення АТ.

Наведу трохи відеороликів, пояснювальних весь процес. На всіх відео фігурує прилад, до якого підключений розробляється тонометр — «симулятор людини з заданим артеріальним тиском». Тиск можна вибирати з пресетів. Потім прилад імітує серцебиття (тони Короткова), а тонометр вимірює обвідну. На другому відео (Part 2) я прогнав тонометр з усіх основних режимів симулятора. При гіпертонії алгоритм робить донакачку, все як годиться!

Відео 1 — Симулятор пацієнта, тони Короткова на осцилографі

Відео 2 — Прогін тонометра по всьому меж АТ

Відео 3 — Вимірювання АТ на людину

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.