Зміст
Вступ1) Загальна постановка проблеми
3) Опис спеціалізованої комп'ютерної системи
Живі тканини організму є провідниками електричного струму. При цьому різні тканини володіють різною електропровідністю. Найменший опор мають рідкі середовища організму, в першу чергу кров. Якщо через якусь ділянку тіла пропускати нешкідливий для організму змінний електричний струм високої частоти (близько 500 кГц) і малої сили (не більше 10 мА) і одночасно реєструвати електричний опор цієї ділянки, то виявиться, що такий опір буде постійно змінюватися у зв'язку з проходженням по тканинах пульсової хвилі. Чим більше кровонаповнення тканин, тим менше їх опір. Таким чином, крива зміни опору добре відображає кровонаповнення тканин при проходженні по них пульсової хвилі. Це дає можливість судити про стан кровообігу в певній області тіла або органі (наприклад, кінцівки, мозку, серці, печінці, легенях). На кровонаповнення впливають тонус судин і загальна кількість крові, тому реографія дає непряме уявлення про перефіричний опір току крові в судинах і про обсяг циркулюючої крові. В медицині реографія застосовується як один з діагностичних методів при захворюваннях серця і судин, інших внутрішніх органів, а також при крововтраті і шоку.
При проведенні вербальних комп'ютерних тестів, покликаних визначити психічний стан людини, або його загальний рівень розвитку, необхідно виявити ті відповіді на питання, які мають високу валідність. З такою метою в тест вводять ряд додаткових питань, що збільшує загальний час проведення тесту. Відповіді, що не відповідають істині активізують симпатичну нервову систему і викликаються фізіологічні зміни: кров'яного тиску, температури тіла, пульсу, амплітуди дихання, електричної активності шкіри, частоти мигання, зміни ритму головного мозку. Для реєстрації цих змін можна застосовувати детектори брехні (поліграфи). Ці пристрої дуже громіздкі і дорогі, тому їх застосування у вирішенні даного завдання недоцільно.
Для вирішення даної проблеми подібний пристрій не використовувався раніше, тому публікацій на цю тему немає.
Метою даного дослідження є розробка спеціалізованої комп'ютерної системи (СКС) вимірювання температури ділянки тіла людини в режимі реального часу.
Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:
1) вибір температурних датчиків;
2) підбір електронних компонентів для реєстрації опору ділянки тіла людини;
3) вибір способу комутації пристрою і персонального комп'ютера;
4) реалізувати прилад.
Опис спеціалізованої комп'ютерної системи
Спеціалізована комп'ютерна система заснована на принципах роботи реографа і термографа. Реограф - це пристрій для реєстрації порівняно швидких пульсових коливань кровонаповнення органів [1]. Термограф - прилад для реєстрації теплового поля об'єкту.
Термограф в СКС використовує температурні датчики DS18B20 компанії "Dallas Semiconductor". Датчики дозволяють вимірювати температуру з точністю ± 0,5 ° C від -10 ° C до +85 ° C. Унікальний і незмінний 64 бітний серійний номер, який використовується як вузлова адреса датчика, дозволяє підключити на одну шину безліч термодатчиків. На ринку представлена велика кількість різних температурних датчиків, особливої уваги заслуговує саме DS18B20, оскільки має високу точність, широкий робочій діапазон і низьку вартість, а також простий спосіб реалізації в пристрої. На тілі людини фіксується 3 температурних датчика за допомогою лейкопластиру (тонка матерія з нанесеною на неї клейкою масою). Метод реографії базується на законі Ома [2]:
де, I – сила струму, що пропускається через живу тканину, А;
V – падіння напруги на ділянці між електродами, В;
R – електричний опір, Ом.
Вимірювання опору проводиться за допомогою спеціальних електродів, зафіксувавши які на тілі людини дозволяють конструктивні особливості пристрою. Перед початком вербального комп'ютерного тесту, до людини підключаються датчики пристрою, які дозволяють реєструвати фізичні показники, що передаються на ПК приладом.
Для вимірювання опору і температури ділянки тіла людини розроблено пристрій, схема якого представлена на рис. 2.
Принципова схема пристрою розроблялася за допомогою програмного продукту DipTrace, розробника Novarm. DipTrace - система автоматизованого проектування (САПР) для розробки друкованих плат (PCB). У пакет включено чотири програми: Schematic - розробка принципових схем; DipTrace - створення плат, ручна і автоматична трасування; ComEdit - редактор корпусів; SchemEdit - редактор компонентів. Програма має найбільш зручний, серед САПР для проектування друкованих плат, користувальницький інтерфейс. Вся робота супроводжується підсвічуванням редагованих і залежних від них елементів, що дозволяють наочно оцінювати ситуацію. Логічна структура принципової схеми або плати формується відразу при побудові і зміна одного елементу відбивається на залежних від нього [4].
Пристрій зібрано на мікроконтролері (спеціалізований мікрокомп'ютер) Atmega8-16AU (рис. 2, 3) компанії «Atmel». Даний контролер має 8 кбайт Flash mem-ory (внутрішня енергонезалежна пам'ять) для програмного коду, а також 512 біт Eeprom (внутрішня енергозалежна пам'ять), розраховану на 100 000 циклів перезапису [5]. Мікроконтролер трактується зовнішнім кварцовим резонатором, частотою 8 МГц.
Мікросхема Atmega8 є бюджетним рішенням, і крім того мікроконтролер має всі необхідні порти, для реалізації пристрою.
Atmel Corporation - виробник напівпровідникових електронних компонентів. Компанія заснована в 1984 році. Один з лідерів виробництва мікроконтролерів (MCS-51, ARM, AVR, AVR32). Також розробляє і виробляє невеликі модулі енергонезалежної пам'яті для електронних виробів, ПЛІС, цифрові мікросхеми-радіоприймачі та передавачі, сканери відбитків пальців. Компанія для своїх клієнтів може запропонувати систему на кристалі, що об'єднує витребувані компоненти.
Продукція Atmel широко застосовується в комп'ютерних мережах, промисловості, медицині, зв'язку, автомобілях, космосі, військових пристроях, а також кредитних картах [6].
По засобах послідовного периферичного інтерфейсу (SPI) контролер отримує дані з зовнішнього аналого-цифрового перетворювача (АЦП) - ADS1256 (рис. 2, 4), компанії «Texas Instruments». Даний аналого-цифровий перетворювач, є 24 бітним, малошумним пристроєм, з максимальною частотою вибірок 30000 в секунду [7], тобто за одну секунду ми можемо отримати до 30000 замірів. АЦП має зовнішній кварцовий резонатор на 8 МГц і джерело опорної напруги REF192 -2,5 В (рис. 2, 5).
Аналого-цифровий перетворювач - ADS1256 самий витратний елемент у всій конструкції, але при цьому має найнижчу ціну серед пристроїв свого класу.
Texas Instruments (NYSE: TXN) - американська компанія, виробник напівпровідникових елементів, мікросхем, електроніки і виробів на їх основі. Розташована в Далласі (штат Техас, США).
Є четвертим у світі за розмірами виробником напівпровідникових пристроїв, поступаючись лише Intel, Samsung і Toshiba. Посідає перше місце з виробництва мікросхем для мобільних пристроїв, а також перше місце з виробництва цифрових сигнальних процесорів (DSP) і аналогових напівпровідників. Також компанія виробляє мікросхеми для широкосмугових модемів, комп'ютерної периферії, електронні побутові пристрої і RFID-мітки [8].
Для комутації пристрою з комп'ютером використовується універсальна послідовна шина (USB) (рис. 2, 1). Передача даних, отриманих мікроконтролером, на комп'ютер здійснюється мікросхемою FT232BM компанії «FTDI» (рис. 2, 2). Таке апаратне рішення дозволяє просто реалізувати пристрій, що використовує підключення до комп'ютера по коштах USB. Максимальна швидкість передачі даних для перетворювача FT232BM становить 1 Мбіт / с [9].
Перетворювач FT232BM використаний тому що, має найбільш широке розповсюдження, у своєму класі, це і пояснює його невисоку вартість, в порівнянні з конкурентами. Для роботи даної мікросхеми необхідна мінімальна кількість додаткових електронних компонентів.
FTDI (Future Technology Devices International) - шотландська приватна компанія, яка торгує напівпровідниковими пристроями. Спеціалізується в області пов'язаної з шиною USB. Вона розробляє, виготовляє та здійснює підтримку пристроїв і відповідних програмних драйверів для перетворення послідовної передачі даних по RS-232 або рівнів TTL в сигнали шини USB, для того щоб дати можливість сучасним комп'ютерам використовувати застарілі пристрої.
FTDI також надає консультаційні послуги з проектування спеціалізованих інтегральних схем. Головним продуктом компанії є FTDI Chip, інтегральна схема, широковживаних в електронних пристроях, що використовують мікроконтролери, наприклад, такі як платформа Arduino для фізичних обчислень [10].
Максимально можлива кількість пакетів даних (N, 1/c), переданих на персональний комп'ютер (ПК) за секунду залежить від довжини одного пакету даних (Lp, бит) і швидкості передачі даних по каналу зв'язку (Vch, бит/с), розрахується за формулою:
Розрядність температурного датчика DS18B20 встановлюється програмно і може становити 9 - 12 біт, тому максимально можливу кількість пакетів даних, передаваний на персональний комп'ютер, може відрізнятися.
Таблиця 1. Гранична кількість пакетів даних, переданих на ПК за секунду, в залежності від кількості і розрядності DS18B20 (розрядність АЦП - 24 біт).
Як видно з таблиці, незважаючи на збільшення кількості температурних датчиків, можна відстежувати свідчення з великою частотою.
Для отримання реограми, досить зареєструвати значення опору з інтервалом в 2 мс. Повний реографічний цикл дорівнює тривалості одного серцевого циклу 0,3 – 1,5 с [3].
де, N - кількість реєстрації фізичних показників, 1/c;
ЧСС – частота серцевих скорочень, 1/мин;
r - інтервал вимірювань, мс;
По цій формулі розрахуємо кількість реєстрації показань (N, 1/c), для частоти серцевих скорочень (ЧСС) в інтервалі 40-205 1/c, а інтервал (r, мс) прийняти рівним 2 мс. Отримаємо N=330-1700 1/c.
Застосовані електронні компоненти забезпечують необхідну частоту фіксації фізичних показників. Спеціалізована комп'ютерна система має великий потенціал для масштабування кількості датчиків, при розширенні завдання.
Застосовані електронні компоненти забезпечують необхідну частоту фіксації фізичних показників. Спеціалізована комп'ютерна система має великий потенціал для масштабування кількості датчиків, при розширенні завдання.
Роз'єми для підключення електродів (1), програмування мікроконтролеру (2), температурних датчиків (3), кабелю USB (5) і температурні датчики DS18B20 (4).
За допомогою кабелю USB, пристрій підключається до ПК. Трьох контактний растровий роз'їм (рис. 3, 3), здійснює комутацію температурних датчиків та пристрої. До чотирьох розрядної Штирьової виделки (рис. 3, 1) підключаються електроди, а до семи розрядної (рис. 3, 2) - роз'їм программатора для налагодження роботи мікроконтролеру.
Мікросхема FT232BM (1); мікроконтролер Atmega8-16AU (2); АЦП ADS1256 (3); джерело опорної напруги Ref192 (4); роз'єм підключення кабелю USB (5).
Розроблена спеціалізована комп'ютерна система, яка реєструє значення температури і опору ділянки тіла людини в режимі реального часу. Система складається з температурних датчиків і електродів, закріплених на тілі випробуваного, прибору реєстрації опору і температури, а також комп'ютера, на який передаються біометричні показники. Використані схематичні рішення дозволяють отримувати дані з високою точністю і частотою.
До переваг реографії слід віднести неінвазивний, можливість проводити дослідження практично в необмеженій кількості судинних зон, які тривалий час і в будь-яких умовах, безболісність і нешкідливість для пацієнта, простота проведення дослідження, інформативність, оперативність отримання даних - відсутність тривалого циклу вимірювання. У більшості випадків використовують поверхневі електроди, для кожної з досліджуваних зон потрібні два реографічних електрода, розташування яких залежить від досліджуваного басейну кровообігу. Наприклад, при дослідженні кровообігу кінцівок (рук і ніг) використовують спеціальні металеві рулетки або прямокутні металеві пластини. Для дослідження мозкового кровотоку використовують круглі електроди діаметром близько 20 мм. Реограма характеризує стан судин в зоні між встановленими електродами.
Використання реографії спільно з термографії дозволяє значно скоротити час вербального тестування, а також збільшує достовірність результатів.
1. Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии. – М.: Медицина, 1983. -176 с.
2. Подколзина В.А. Медицинская физика. - М.: Медицина, 2007. - 32 с.
3. Ройтберг Г.Е., Струтынский А.В. Лабораторная и инструментальная диагностика заболеваний внутренних органов.– М.: Бином, 1999. - 602 с.
4. Учебник по DipTrace / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://diptracer.ru/
5. Планар. Электронные компоненты. Datasheet ATmega8. / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://www.planar.ru/
6. Торгово-сервисная компания «Itsell Service». Atmel Corporation. / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://www.planar.ru/
7. Планар. Электронные компоненты. Datasheet ADS1256. / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://www.planar.ru/
8. Космодром - Электронные компоненты для разработки и производства. Texas Instruments / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://www.kosmodrom.com.ua
9. Чип-Дип. Мастер электроники. Datasheet FT232BM / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://http://chipdip.ru
10. Торгово-сервисная компания «Itsell Service». Future Technology Devices International. / Інтернет-ресурс. – Режим доступу: www/ URL: http://itsellservice.com.ua/