Меню

Генератор постоянного тока для экг

Тестовые генераторы и имитаторы электрофизиологических сигналов

Для проверки работоспособности электрофизиологических каналов медицинских изделий часто используются устройства, формирующие входные сигналы специальной формы. При этом используются:

1. Стандартные формы сигналов (гармонические и меандры) для измерения параметров трактов усиления;

2. Сигналы, эквивалентные формам электрофизиологических сигналов для оценки работы алгоритмов распознавания и обработки.

Стандартные формы сигналов чаще всего получают, используя функциональные лабораторные генераторы (Г3-109, Г6-26 и т.д.).

Для синтеза электрофизиологических сигналов (ЭФС) применяют программируемые функциональные генераторы ЭФС или компьютерные платы с цифровыми преобразователями и соответствующим программным обеспечением.

С точки зрения методических и схемотехнических решений наибольший интерес представляют собой генераторы и имитаторы электрофизиологических сигналов.

Программируемые имитаторы позволяют генерировать различные типы ЭФС как в норме, так и в патологии, что позволяет оценивать также характеристики программного обеспечения медицинской техники как точность измерения ЭФС, специфичность и чувствительность алгоритмов классификации и др., что не возможно осуществить с помощью генераторов стандартных форм сигналов.

Особенности технической реализации программируемых имитаторов рассмотрим на примере имитаторов электрокардиосигналов, которые согласно современным требованиям должны реализовывать следующие функции:

1. Многоканальную генерацию гармонических сигналов с частотным диапазоном от 0,5 до 500 Гц (±1%), размахом от 0,03 до 5 мВ;

2. Одноканальную генерацию гармонического сигнала 50, 60 Гц (±1%), размахом 20 В (±1%) (имитация сетевой помехи для проверки коэффициента ослабления синфазного сигнала);

3. Выдачу постоянного напряжения ±300 мВ ±1% на каждый электрокардиографический канал независимо от основного тестового и испытательного сигналов (проверка реакции на напряжение поляризации электродов);

4. Многоканальную генерацию сигналов прямоугольной формы с частотным диапазоном от 0,5 до 500 Гц (±1%) размахом от 0,03 до 5 мВ (±1%);

5. Генерацию одиночного импульса прямоугольной формы с регулируемой длительностью от 1 до 10 с с размахом от 0,03 до 5 мВ(±1%);

6. Генерацию сигнала прямоугольной формы с частотным диапазоном от 0,03 до 5 мВ (±1%) с регулируемой длительностью от 20 до 200 мс;

7. Генерацию смеси сигналов гармоничной и прямоугольной форм (для проверки нелинейности амплитудно-частотных характеристик и эффективной ширины записи электрокардиограмм);

8. Воспроизведение испытательных сигналов.

Кроме того, международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует использовать наборы стандартных ЭКГ-сигналов из атласа Общих стандартов электрокардиографии с базой около 1220 коротких записей, полученных от 12-и и 15- канальных ЭКС, оцифрованных с частотами 0,5 и 1 кГц с разрешением 1мкВ. В эту базу входят калибровочные ЭКС, ЭКС здоровых людей, ЭКС с сетевой помехой и артефактами, ЭКС с различными типами аритмий, ЭКС с заднестеночными и переднестеночными инфарктами и т.д.

Эти записи рекомендуется использовать для тестирования современных интерпретирующих электрокардиографов.

В качестве конкретного примера рассмотрим структурную схему программируемого имитатора электрокардиосигналов типа «Кардитест», разработанного московским государственным институтом электронной техники (г. Зеленоград) (рис 2.10). [8]

Рис. 2.10.Структура программируемого имитатора ˝Кардитестт˝.

В этой схеме применен микроконтроллер (МК) типа АТ 90 S8515, решающий задачи: обмена с ПЭВМ через двунаправленный последовательный интерфейс с гальванической развязкой (ДПИ), подключаемый к порту типа RS 232; загрузки и считывания оцифрованных значений тестовых и испытательных сигналов из программируемого запоминающего устройства с последовательным интерфейсом (ПЗУ) типа АТ 45ВВ081/161; управление 7 – строчным жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ) по 16 символов на строку; считывание команд и данных с энкодера (ЭК); выдача информации в выходные каскады, состоящие из трёх 4-х канальных 12-ти разрядных цифроаналоговых преобразователей с последовательным интерфейсом (ЦАП) типа MAX5253, девятиканального аналогового фильтра низких частот третьего порядка на операционных усилителях типа ОР491 (ФНЧ), пассивного аттенюатора на прецизионных делителях напряжения (АТ).

Питание имитатора осуществляется от элемента типа АА(1,5В) через схему преобразователя напряжения (ПН) построенного на микросхеме типа MAX660. Кроме того, для ЦАП формируется опорное напряжение источником опорного напряжения (ИОН).

Для обеспечения требуемой точности формирования тестируемых сигналов (±1%) в схеме дополнительно задействован генератор для запуска ЦАП (ГЗЦАП).

Имитатор ˝Кардитест˝ формирует все перечисленные выше сигналы и, кроме того, он может генерировать нормальные и патологические фрагменты ЭКГ, которые могут быть занесены в ПЗУ или сформированы специальным программным обеспечением ПЭВМ.

В качестве второго прибора рассмотрим комбинированный прибор генерации сигналов для тестирования электроэнцефалографов и электрокардиографов типа «Нейротест 7А». [9]

Прибор этого типа имеет следующие основные характеристики:

— 9 видов тестовыхсигналов (2 стандартных и 7 специальных);

— амплитудавыходного сигнала ± 1,25, 0,63 или 0,31В; устанавливается пользователем;

— задание частоты повторения периода сигнала (диапазонызависят от выбранного типа сигнала);

— погрешность по амплитуде не более 1,2%;

— точность установки частоты не менее 99,8%;

— выходное сопротивление не более 110 Ом ± 5%;

— выход сигналасинхронизации, совместимый с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) по уровням;

— питание от гальванического элемента типоразмера ААА; ток потребления не более 14 мА; длительность работы от одного элемента питания не менее 100 ч; индикация разряда батареи; автоматическое выключение прибора;

Прибор «Нейротест 7А» обеспечивает генерацию стандартных тестовых сигналов:

1. Гармонический – синусоида. Частотаизменения от 0,5 до 99 Гц. Применяется для определения неравномерности амплитудно-частотных характеристик, согласно [0].

2. Прямоугольной формы — меандр. Частота изменения от 0 до 99 Гц. Применяется для оценки относительной погрешности измерения интервалов времени.

«Нейротест 7А» синтезирует также следующие специальные сигналы:

1. ЭКГ в норме во II стандартном отведении. Период следования от 0,5 до 1,6 с.

2. Имитация R-зубца (рис. 2.11). Частота следования от 30 до 300 периодов в минуту. Применяется для проверки алгоритма детектора частоты сердечных сокращений.

3. Сигнал проверки алгоритма подавления Т-волны (рис.2.12) [0].Частота следования от 30 до 300 периодов в минуту.

4. Сигнал, соответствующий зрительным вызванным потенциалам на реверсивный шахматный паттерн у здорового испытуемого(рис.2.13). Частота следования периодов от 0,5 до 1,6 Гц.

Рис.2.11. Осциллограмма сигнала имитации R-зубца.

Рис.2.12. Осциллограмма сигнала проверки алгоритма подавления Т-волны.

Рис.2.13. Осциллограмма сигнала, соответствующего зрительным вызванным потенциалам на реверсивный шахматный паттерн у здорового испытуемого.

5. Сигнал,соответствующий зрительным вызванным потенциалам на вспышечный паттерн у здорового испытуемого [0] (рис.2.14).Частота следования периодов от 0,5 до 1,6 Гц.

6. Чередование сигналов 4 и 5. Частота следования импульсов от 0,5до 1,6 Гц.

7. Сигнал, соответствующий фибрилляции желудочков (рис.2.15). Является периодически повторяющимся фрагментом записи 8201 базы данных АНА длительностью 8 с.

Рис.2.14. Осциллограмма сигнала, соответствующего зрительным вызванным потенциалам на вспышечный паттерн у здорового испытуемого.

Рис. 2.15. Осциллограмма сигнала, соответствующего фибрилляции желудочков.

Прибор выполнен на основе 16-ти разрядного микроконтроллера (МК) (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Структурная схема прибора «Нейротест 7А».

Режимы работы отображаются на 6 – символьном жидкокристаллическом индикаторе. Представлены информация о типе выбранного сигнала, значения частоты повторения (в некоторых режимах значение периода), информация об амплитуде, состоянии элемента питания, а также спецсимвол об отмене режима автовыключения. Управление осуществляется с помощью кнопок. Одна из них предназначена для включения-выключения прибора, а три другие служат для выбора типа, частоты и амплитуды требуемого сигнала. В генератор встроен монотонный звуковой сигнализатор.

Выходной сигнал генератора выдается через штыревой разъем размером 2,5 мм. Синхронно с началом каждого периода через другой штыревой разъем размером 3,5 мм выдается импульс ТТЛ уровня длительностью 3 мс. Этот синхронизирующий импульс может быть полезен при оценке алгоритмов накопления, применяемых, например, в ЭЭГ-методе вызванных потенциалов.

При включении прибор автоматически переходит в состояние, в котором находился до выключения — устанавливаются вид тестового сигнала, частота и амплитуда. Это позволяет не настраивать каждый раз генератор при проведении однотипных испытаний. Если ни одна из кнопок не была нажата в течение 10 мин, то после нескольких звуковых сигналов прибор автоматически выключается. Существует режим непрерывной работы, который активизируется специальной комбинацией кнопок при включении.

По последовательному интерфейсу в качестве ведущего устройства МК взаимодействует с АЦП. Клавиатура, индикатор и звуковой сигнализатор непосредственно управляются микроконтроллером. Сигнал с ЦАП подается на выходные буферы, построенные на операционных усилителях (УО) и защищенные от статического электричества.

Питание осуществляется от гальванического элемента типо размера ААА.Повышающий интегральный преобразователь бустерного типа с внешней индуктивностью обеспечивает два выходных напряжения: 3,3 В для питания основной части схемы и 6 В для формирования ТТЛ-уровней сигнала синхронизации.

Для подключения прибора «Нейротест 7А» к медицинским устройствам необходимы специальные адаптеры, которые представляют собой пассивные делители напряжения, снабженные соответствующими разъемами.

Источник

Получение сигнала ЭКГ на ПК и задел на ЭЭГ

170 руб), другие на биполярных транзисторах (например, AD620 – 450 руб).
При сравнении параметров ОУ по чувствительности к входному сигналу выигрывают биполярные, в то время как полевые выигрывают в цене и току потребления. Для считывания ЭКГ была выбрана INA321.
Основные технические характеристики ИОУ INA321:
1. Напряжение питания однополярное Vcc +5 V.
2. Потребляемый ток 45мкА (max).
3. Микросхема изготовлена по КМОП технологии.
4. Значение подавления синфазных помех: 95дБ.
5. Коэффициент усиления дифференциального сигнала от 5 до 500 раз, определяемый внешним резистивным делителем.
6. Уровень собственного шума: 10 uV.

В техническом описании на ИМС приводится принципиальная схема для ЭКГ. Для оцифровывания сигнала воспользуемся звуковым чипом с материнской платы ПК ALC662 (или аналогичный). Совместив принципиальные схемы двух устройств, получилась такая схема:

Рис. 1 Принципиальная электрическая схема
Так как сигнал ЭКГ не высокочастотный, то частоты оцифровывания звуковым устройством хватит с лихвой. При измерении столь малых напряжений, как ЭЭГ и ЭКГ, ОУ устанавливаются в усиление сигнала в тысячи раз. Но это усиление делается не на одном ОУ, а каскадом. Соответственно в основе платы устройства лежит INA321 и ОУ общего назначения LM358.

Рис. 2 Расположение измеряемых напряжений
Общее регулируемое усиление платы по расчетам составляет от 1200 до 3300 раз (регулировка подстроечными резисторами). Плата спроектирована таким образом, что имеет большой диапазон изменения коэффициента усиления и при минимальном значении в 1200 раз соответствует платам, с помощью которых получают сигнал ЭКГ с тела человека. Плата сделана по технологии ЛУТ. USB используется только для питания, сигнал передается через 3.5 jeck.

Рис. 3 Плата для ЭКГ. Вид сверху
Сигнал с платы после усиления поступает на звуковой чип материнской платы ПК, оцифровывается, обрабатывается драйвером и потом передается конечной программе для обработки.

Рис. 4 Точки подключения электродов
По стандартной схеме подключения электродов для считывания ЭКГ два электрода размещаются на запястье рук и фиксируются там, а третий электрод располагается на ноге для подачи на нее опорного напряжения. Электроды были сделаны из поролона с фольгированной оболочкой площадью

Читайте также:  Частота тока в энергосистемах

2 см2 и смачивались солевым раствором для понижения сопротивления рогового слоя эпидермиса.

Рис. 5 Электроды для снятия сигнала ЭКГ
Для записи сигнала (звука) использовалась программа Sound Forge Pro 11. После первой пробной записи результат был такой:

Рис. 6 Первый график ЭКГ — совсем не ЭКГ
После аппаратных доработок, настройки программы и драйвера и прочих танцев с бубном получить стабильную ЭКГ все таки удалось.

Рис 7. Примеры полученных графиков ЭКГ
Сверху расположена ось времени, которая позволяет подсчитать частоту ударов в минуту. Полученные результаты подсчета подтверждают, что наблюдаемый график и есть ЭКГ – фиксируется 75 ударов в минуту с четкой периодичностью между соседними ударами в 0.8 сек. График оцифровывался в разрешении — 8bit, частота дискретизации — 8kHz. Хотя для частоты в 75Гц выборки в 8кГц многовато.
В программе Sound Forge есть возможность провести обработку записанной дорожки с помощью XFX плагинов. При определенной настройке в программе можно подавлять 50Гц наводку, после чего график становится более похожим на тот, что получается при записи ЭКГ в больнице.
Например, изначальный график:

После применения эффекта эквалайзера к графику:

Так как у нас сигнал оцифрован в звуковую дорожку, то есть возможность сохранить её и прослушать. Услышанный сигнал очень сильно напоминает звук, который слышит человек, когда слушает пульс через стетоскоп, например, при измерении давления.
При считывании сигнала нужно постоянно обеспечивать контакт всех электродов с телом. Солевой раствор для этого подходит плохо. Признаком потери контакта и, соответственно, роста сопротивления между электродом и кожей является усиление 50-55 Гц наводки на графике и пропадание ритма.

Рис. 8 Пропадание сигнала и усиление шума.
Колебания напряжения питания также очень хорошо улавливаются схемой. Шумы в питающем напряжении изменяют значение опорного напряжения, которое должно быть как можно более стабильным, потому как оно подается на тело и относительно него идет получение сигнала. Колебания опорного напряжения накладываются на снимаемый сигнал и усиливаются ОУ, отпечатываясь на получаемом графике. При переключении платы на питание об батареи шумы питающего напряжения заметно ослабевают.

Рис. 9 Шумы в питающем напряжении при питании от сети и от батареи (один график).
Также учтем, что есть собственные генерируемые шумы ИМС. Например, согласно технической документации на INA321, график её собственных шумов, хотя он намного слабее сигнала ЭКГ:

Рис. 10 График шумов напряжения INA321
Проблема в том, как отличить, что будущий планируемый график ЭЭГ это не собственные шумы ИМС или не какие-либо еще? График ЭКГ получился, но мы знаем как он должен выглядеть. А как должен выглядеть ЭЭГ сигнал? При получении сигнала ЭЭГ есть риск получить вообще не тот сигнал, и потратить кучу времени на него.

Заключение.
Получение сигнала ЭЭГ нужно в конечном итоге для создания интерфейса компьютер-мозг. Это сложная задача и занимаются ей много институтов по миру. Не знаю как у них организован процесс проведения исследований, но мне приходится работать на своих началах и делать платы буквально “на коленках”, что дает свою закалку, а потом в лабораторных условиях все так легко будет казаться делать.

Источник

Электропривод карьерного экскаватора

В карьерных экскаваторах типа ЭКГ или ЭШ используется большое количество систем, разнообразных по назначению и принципу работы. Практически все известные на сегодня схемы преобразования энергии, такие как гидравлика, пневматика, электропривод, электроника, нашли применение на этих машинах. Первичной и главной ступенью преобразования энергии – а в современных тяжелых экскаваторах это электрическая энергия, поступающая в экскаватор через высоковольтную питающую цепь, – является электропривод.

Эволюция электропривода карьерных экскаваторов за последние тридцать лет привнесла некоторые изменения в конструкцию, но по-настоящему новых принципиальных решений, уже внедренных на «живых» машинах, мало.

Классически для привода главных механизмов применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, питаемые от регулируемых генераторов (система Г–Д) или регулируемых статических тиристорных преобразователей (система ТП–Д).

Двигатель с экскаваторной (саморазгружающейся) характеристикой подразумевает работу с номинальной частотой вращения вплоть до стопорного максимального момента, по достижении которого двигатель останавливается, но не теряет усилие на приводном валу. То есть когда, к примеру, груженый ковш упирается в неподвижный массив и усилия, развиваемого подъемной лебедкой, недостаточно для внедрения ковша, не должно происходить «опрокидывание» двигателя, т. е. падение оборотов и снижение момента на валу двигателя. Для сохранения наибольшей производительности экскаватора желательно, чтобы двигатель работал с постоянной наибольшей частотой вращения до момента начала стопорения (наибольшей нагрузки). Это означает, что механическая характеристика (зависимость частоты вращения от момента на валу двигателя) должна быть жесткой, состоять из рабочего участка с минимальной линейной зависимостью частоты вращения от момента и нерабочего участка, соответствующего падению частоты вращения при максимальном моменте стопорения. К такому экскаваторному режиму наиболее близок режим работы двигателей постоянного тока.

Двигатель хода ЭКГ-5А

Из школьного курса все знают, что обмотка возбуждения двигателя постоянного тока в виде главных магнитных полюсов располагается в статоре, на обмотку якоря (ротора) ток поступает через щетки и коллектор – аппарат, который преобразует постоянную э.д.с. питающей сети в переменную э.д.с. обмотки якоря.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока возможно тремя способами: изменением сопротивления обмотки якоря, подводимого напряжения или потока возбуждения (тока возбуждения). Изменение сопротивления обмотки якоря для регулирования невыгодно, так как не экономично и сильно смягчает механическую характеристику. Регулирование изменением потока возбуждения применимо при малых моментах нагрузки. Момент двигателя прямо пропорционален потоку возбуждения, а кроме того, обрыв в цепи возбуждения может привести к работе двигателя вразнос при отсутствии значимой нагрузки на валу, так как частота вращения обратно пропорциональна потоку возбуждения.

Регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения требует источника с регулируемым напряжением.

Питание двигателей постоянного тока (главных приводов экскаватора) долгий период времени осуществлялось от генераторов постоянного тока (система Г–Д). Это достаточно надежная и простая в управлении система электропривода, она используется уже много десятилетий в приводах карьерных экскаваторов.

В простейшей системе Г–Д изменение питающего напряжения (выходного напряжения генератора) происходит путем изменения тока возбуждения в независимой обмотке возбуждения генератора (например, с помощью реостата в цепи возбуждения). Снижение питающего напряжения приводит к снижению частоты вращения двигателя при сохранении рабочего момента и жесткости рабочих характеристик (справедливо для двигателей с независимым и параллельным возбуждением).

Преобразовательный агрегат ЭКГ-5А

Для привода генераторов используется сетевой двигатель. Обычно преобразовательный агрегат включает в себя один или несколько сетевых двигателей, которые вращают генераторы. Каждый генератор обеспечивает привод соответствующего механизма – привод подъема, напора (тяги для драглайнов), поворота, хода, открытия днища ковша (для ЭКГ). В агрегат может входить генератор собственных нужд, питающий постоянным током обмотки возбуждения двигателей и генераторов. В качестве сетевого двигателя используются мощные асинхронные (ЭКГ-5А) или синхронные двигатели переменного тока (ЭКГ-10, ЭКГ-15, ЭШ-11.70 и т. д.).

Индивидуальный привод основных механизмов автоматизирован. Машинист управляет только частотой вращения и проводит реверсирование двигателя в процессе копания. Остальные процессы регулирования (стабилизация частоты вращения и ограничение предельной нагрузки, формирование экскаваторной характеристики) происходят автоматически. В основу принципа автоматизации управления отдельного механизма положена специальная система автоматического регулирования (САР). Регулятором здесь выступает силовой магнитный усилитель (он заменяет управляющий реостат в цепи возбуждения в простейшей схеме). В САР генератор является одновременно усилительным и исполнительным элементом, двигатель – объектом регулирования, а регулируемой величиной является частота вращения двигателя. При управлении машинист, желая установить определенную частоту двигателя, воздействует на цепь возбуждения генератора, т. е. изменяет величину тока в его обмотке возбуждения посредством командоконтроллера. Для поддержания заданного режима в САР присутствует обратная связь, обеспечивающая корректирующее воздействие на магнитные усилители и далее на ток в цепи возбуждения генератора.

Читайте также:  Восстановление аккумулятора циклическим током

Более прогрессивной считается схема, в которой питание обмотки возбуждения генератора (двигателя) осуществляется посредством тиристорного преобразователя. При такой схеме не требуется задействовать генератор собственных нужд, призванный питать обмотки возбуждения электромашин и привода малой мощности (открытия днища ковша). Основными преимуществами тиристорных возбудителей являются малая инерционность и более высокий к.п.д. по сравнению с силовыми магнитными усилителями. Тиристор преобразует переменный ток в постоянный с регулированием выпрямленного напряжения. Ток управления тиристора регулируется сельсинным командоаппаратом.

ЭШ-6,45 – система Г–Д

Второй способ – использовать вместо генератора тиристорный преобразователь (ТП–Д). Однако использование силовых тиристорных преобразователей для электропривода главных приводов приводит к снижению коэффициента мощности энергетической установки экскаватора, появлению дополнительных гармоник и колебаний напряжения в сети, что снижает качество электроснабжения карьера. Чтобы уменьшить негативное влияние работы ТП на сеть, на экскаваторах используются фильтрокомпенсирующие устройства. В бывшем СССР схема ТП–Д была обкатана на ЭКГ-20.

Другим перспективным направлением является применение импульсного способа изменения какого-либо параметра двигателя – напряжения, сопротивления в цепях статора или ротора. Изменяя длительность импульса, достигают изменения средней частоты вращения.

Асинхронные двигатели, питаемые от регулируемых статических преобразователей частоты (ПЧ–АС), применяют в электроприводе начиная с 1970-х годов. Асинхронные электродвигатели благодаря простоте производства и надежности в эксплуатации широко используют в нерегулируемом электроприводе. Основные их недостатки – ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности.

Преобразователи частоты получили распространение в первую очередь в системах плавного пуска. Сейчас частотные преобразователи внедряются и в качестве регуляторов в мощных приводах (до 10 МВт шахтные подъемники, вентиляционные системы, водоотлив, конвейерный транспорт, тяговый привод подвижного состава на железнодорожном транспорте и др.). Применение частотных преобразователей позволяет:

  • плавно регулировать скорость вращения асинхронного электродвигателя при сохранении момента на валу;
  • снизить потребление электроэнергии на 30…50% за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки;
  • осуществлять плавный пуск электродвигателя с током, не превышающим номинального значения для электродвигателя;
  • устранить пиковые нагрузки на электросеть и просадки напряжения в ней в момент пуска электропривода.

ЭКГ-5А с системой Г–Д

Частотные преобразователи создают определенные электромагнитные помехи, для уменьшения которых необходимо применять дополнительные фильтры. Для работы на низких частотах требуется эффективное принудительное охлаждение. Другой аспект – трудность обеспечения экскаваторной механической характеристики. В процессе работы экскаватора нагрузочные моменты могут меняться в значительной степени за короткие промежутки времени от максимальных моментов, способных «опрокинуть» двигатель, до минимальных. Поэтому требуется автоматическая одновременная регулировка частоты и питающего напряжения, поступающего на обмотку статора.

Несмотря на высокую перспективность системы ПЧ–АС, массового и быстрого внедрения на экскаваторах в России она до сих пор не получила. Здесь сказывается и определенный общий провал 1990-х годов в промышленности, и необходимость внедрять новые решения в системах автоматического регулирования. Работоспособность системы ПЧ–АС неоднократно доказана, в том числе при эксплуатации модернизированного экскаватора ЭШ-20.90 на Сафроновском разрезе (Иркутская обл.).

Вопросов при использовании системы ПЧ–АС возникает много, для краткого их обзора потребуется отдельная публикация.

Сегодня мировые лидеры производства электрических экскаваторов, такие как Bucyrus International Inc. с входящими в ее состав Marion и Ransomes-Rapier, а также P&H предлагают экскаваторы с электроприводом, выполненным по разным схемам – ПЧ–АС, Г–Д, ТП–Д. Выбор системы остается за заказчиком.

Источник

Генератор кардиосигнала (симулятор ЭКГ для проверки кардиографов, кардиогенератор, имитатор ЭКГ)

Генератор кардиосигнала (имитатор ЭКГ) предназначен для проверки и ремонта кардиографов, мониторов Холтера и кардиоблоков реанимационных мониторов и дефибрилляторов. Генератор ЭКГ сигнала — портативный прибор с питанием от встроенного литиевого аккумулятора.
Имеется возможность подключать кабеля со штекерами 4 мм с пружиной (banana), DIN3.0 (Pro версия) и контактами типа «кнопка» или «зажим».
Прибор для проверки кардиографов генерирует сигналы прямоугольной формы с длительностью импульса = длительности паузы (скважность = 2), и сигнал, имитирующий работу сердца (кардиоподобный сигнал).

Прибор может быть использован для:
1. Проверки амплитуды записи со всех отведений. Для этого на выбранную группу отведений подается П-образный сигнал амплитудой 1 мВ и частотой 1 Гц (60 уд/мин) или 2 Гц (120 уд/мин).
2. Проверки общей функциональности электрокардиографов, а также для имитации больного при проверке стресс-систем. Генератор ЭКГ формирует кардиоподобный сигнал частотой 1 Гц (60 уд/мин) по всем отведениям одновременно.

Генератор кардиосигнала

Рис. 1 Внешний вид генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ).

Основные характеристики прибора для проверки кардиографов (генератора кардиосигнала):
Сигнал прямоугольной формы амплитудой 1.0 мВ, и частотой 1 Гц (60 уд/мин) и 2 Гц (120 уд/мин).
Сигнал, имитирующий работу сердца, имеет ненормированную амплитуду (порядка 1.0 мВ) и частоту 1 Гц (60 уд/мин).
Режимы выхода — сигнал на выбранную группу отведений или сигнал одновременно по всем отведениям.
Частота сигнала стабилизирована кварцем, амплитуда — встроенным стабилизатором напряжения.
Имитатор ЭКГ портативный, питается от встроенного литий — полимерного аккумулятора.
Зарядка производится через разъем mini-USB.
Время полной зарядки встроенного аккумулятора составляет 2,5-3 часа.
Процесс зарядки контролируется встроенным контроллером, перезарядка исключена. Состояние зарядки контролируется светодиодом.
Полной зарядки аккумулятора хватает не менее, чем на 48 часов непрерывной работы генератора кардиосигнала.
Габариты прибора: длина 133 мм, ширина 80 мм, высота 54 мм.
Режим работы — может работать круглосуточно без перерывов.
Вес генератора кардиосигнала без принадлежностей 170 гр.
Рабочий диапазон температур 0 — +50 град. С
Диапазон температур хранения -40 — +50 град. С

Форма сигнала ЭКГ в режиме генерации кардиоподобного сигнала

Рис. 2 Форма сигнала в режиме генерации кардиоподобного сигнала (имитатора ЭКГ).

Простой малогабаритный прибор для проверки кардиографов (генератор кардиосигнала) без микроконтроллера и ПЗУ (прототип).

При разработке генератора кардиосигнала (прибора для проверки кардиографов) ставилась задача обеспечить приемлемые эксплуатационные характеристики при максимальной простоте и надежности конструкции. Как показала многолетняя практика, прибор должен быть портативным (малогабаритным, легким), питаться от встроенного аккумулятора и иметь контакты для подключения как кардиографов, так и кардиомониторов. Для большинства практических случаев хватает прямоугольного выходного сигнала с несколькими фиксированными значениями амплитуды и частоты. Для простоты повторения конструкции мы решили обойтись без микроконтроллера. Как показала в последствии практика эксплуатации, генерируемая микроконтроллером серия сигналов, качественно имитирующих сигналы сердца, необходима лишь для проверки автоматической постановки диагноза кардиографами, да и демонстрации работы клиенту. А, например, для проверки комплексов стресс-теста вполне достаточно сигнала, генерируемого предлагаемым имитатором ЭКГ.

Исходя из этих требований была разработана и опробована схема генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ) версии 1.0 (прототип), изображенная на Рис. 3. Здесь и далее при скачивании рисунки будут иметь исходный размер.

Рис. 3 Схема прототипа (версии 1.0) простого генератора кардиосигнала.

Основные характеристики прибора для проверки кардиографов:

  • Схема обеспечивает амплитуду выходного сигнала 1 мВ.
  • ЧСС (частота сердечных сокращений) переключается только в режиме П-образных импульсов 1 Гц (60 уд/мин) и 2 Гц (120 уд/мин).
  • В режиме имитации (генерирование кардиоподобного сигнала Рис. 2) частота фиксированная 1 Гц (60 уд/мин).
  • Время полной зарядки аккумулятора составляет 2,5-3 часа.
  • Время непрерывной работы генератора — до 48 часов.

Рис. 4 Структурная схема генератора кардиосигнала.

Для сведения потребления энергии к минимуму применены КМОП микросхемы. Кварцевый генератор и делитель собраны на элементах D1, Z1, R10, R11, C10, C11. Чтобы улучшить эксплуатационные характеристики, в схему был введен простой формирователь кардиосигнала на 1-й микросхеме D2. Для простоты переключение ЧСС выполнено только для П-образного сигнала. Светодиод HL3 единственный, из светодиодов, питающийся от аккумуляторной батареи и является самым потребляемым ток элементом. Поэтому на него подается не постоянный ток, а П-образные импульсы, что позволило сократить его энергопотребление вдвое и обеспечило контроль максимального количества функций:

  1. индикация включения питания;
  2. индикация ЧСС П-образного выхода;
  3. индикация работоспособности кварцевого генератора и делителя частоты.

Переменными сопротивлениями R17 и R19 регулируется выходная амплитуда сигнала в режиме соответственно имитатора и в режиме П-образных импульсов.
Для простоты конструкции и в то же время чтобы обеспечить селекцию сигнала по разным отведениям (для локализации неисправного отведения) был применен механический переключатель S4. Резисторы R24 — R33 являются примерно сопоставимыми с сопротивлением тела человека. С ними по искажениям записи выявляются такие неисправности, как утечки на экран в кабелях отведений и в защитных диодах входных цепей кардиографов и кардиомониторов. Схема питания генератора кардиосигнала представлена на Рис. 5.

Рис. 5 Схема питания генератора кардиосигнала.

Схема питается от литий — полимерного 1-элементного аккумулятора 200 мА/ч рабочим напряжением 3,7 В через стабилизатор напряжения на микросхеме IC2, на выходе которого получается напряжение 3,3 В. Схема на IC3, T1, R5 — R7 служит для предотвращения включения микросхемы IC2 в случае падения напряжения на аккумуляторе ниже 3,4 В, что предотвращает переразряд аккумулятора и его преждевременную потерю емкости, а также несоответствие выходных напряжений генератора кардиосигнала из-за падения напряжения +3,3 В.
Применение литий — полимерного аккумулятора потребовало введения в схему контроллера его заряда и состояния на микросхеме IC1, резисторах R3 и R4. Цепь D1, R1 нужна для предотвращения выхода из строя микросхемы IC1 в случае использования нескольких зарядных с разными характеристиками. Если же планируется использовать рекомендуемое зарядное для мобильных телефонов Nokia старого образца (тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA), или заряжать от USB, то эту цепь можно опустить. Приведенная ниже печатная плата разведена под разъем для зарядного к мобильникам Nokia тип ACP-7E 3.7V 355mA 1.3VA (старый вариант).

Читайте также:  Лампочка 12 вольт е27 постоянного тока

Генератор кардиосигнала (имитатор ЭКГ) собран на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 70 х 50 мм (Рис. 6). Полукруглый вырез служит для размещения переключателя отведений S3.

Рис. 6 Печатная плата генератора кардиосигнала (имитатора ЭКГ).

Правильно собранная схема будет работать сразу же после подачи питания, но для получения соответствия всех характеристик необходимо провести несложную наладку.
Налаживание схемы прибора питания сводится к подбору резистора R5, чтобы при включении питания выключателем S3 напряжение питания +3,3 В появлялось только если напряжение на аккумуляторе больше или равно 3,4 В.
Подстроечными резисторами R17 и R19 добиваемся заданной амплитуды напряжения на выходах генератора кардиосигнала.

Источник



Простой кардиомонитор своими руками

Еще одним методом получения информации о работе сердца является электрокардиография, который представляет собой недорогой метод инструментальной диагностики сердца, позволяющий проверить его работу и определить нарушения в ней. Для этой цели компанией Analog Devices разработана микросхема AD8232. AD8232 представляет собой интегрированный блок обработки сигнала для ЭКГ и других биопотенциальных задач. Микросхема предназначена для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех.

Основные характеристики AD8232:

  • Низкое потребление тока: 170 мкА
  • Напряжение питание: однополярное от 2 до 3,5 В
  • Rail to Rail выходной сигнал
  • Количество электродов: 2 или 3
  • Количество отведений ЭКГ: 1
  • Встроенный фильтр ВЧ помех
  • 2-полюсный фильтр высоких частот
  • 3-полюсный фильтр низких частот
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала: 80 дБ
  • Детектор контакта электродов
  • Выходной сигнал: аналоговый

На основе данной микросхемы в продаже присутствуют модули, удобные для изучения и использования, в комплект входит не только плата с AD8232 и обвязкой, но и набор электродов в зависимости от комплектации.

Для получения кардиограммы электроды прикрепляются на грудь и конечности (в зависимости от выбранного отведения), с которых снимаются сигналы электрической активности сердца.

Электрическая система сердца управляет генерацией и распространением электрических сигналов по сердечной мышце, в результате чего сердце периодически сокращается и расслабляется, перекачивая кровь. В процессе цикла работы сердца происходит упорядоченный процесс деполяризации. Деполяризация – это резкое изменение электрического состояния клетки, когда отрицательный внутренний заряд клетки становится на короткое время положительным. В сердце деполяризация начинается в специализированных клетках водителя сердечного ритма в синусно-предсердном узле. Далее волна возбуждения распространяется через атриовентикулярный (предсердно-желудочковый) узел вниз к пучку Гиса, переходя в волокна Пуркинье и далее приводит к сокращению желудочков. В отличие от других нервных клеток, которые неспособны генерировать электрический сигнал в автоколебательном режиме, клетки синусно-предсердного узла способны создавать ритмичный электрический сигнал без внешнего воздействия. Точнее, внешние воздействия (например, физическая нагрузка) влияют только на частоту колебаний, но не нужны для запуска этого «генератора». При этом происходит периодическая деполяризация и реполяризация клеток водителя ритма. В электрокардиостимуляторе также имеется генератор стабильной частоты, выполняющий роль синусно-предсердного узла. Мембраны живых клеток действуют как конденсаторы. Из-за того, что процессы в клетках электрохимические, а не электрические, деполяризация и реполяризация в них происходят намного медленнее, чем в конденсаторе той же емкости.

Расположенные на теле пациента электроды обнаруживают небольшие изменения потенциалов на коже, которые возникают вследствие деполяризации сердечной мышцы при каждом ее сокращении.

Таким образом, на основе AD8232 можно строить портативные устройства для мониторинга за здоровьем сердечной системы (ЭКГ, кардиомониторы и др.). А кроме этого данная микросхема пригодна для использования получения данных о сокращениях других мышц, что потенциально дает возможность использовать ее в бионике и протезировании. В этом случае необходимо подключать электроды к мышцам, активность которых контролируется.

Выбирая микроконтроллеры STM32 для портативных устройств рационально использовать микроконтроллеры серии L с низким потреблением тока для увеличения времени работы от аккумулятора. В нашем случае для ознакомления используется STM32F1.

В основе схемы лежит микроконтроллер STM32F103C8T6, для индикации используется TFT LCD дисплей ILI9341 с интерфейсом SPI. Схема питается от 5 вольт (можно использовать Power Bank), до необходимого уровня напряжение питания понижается с помощью стабилизатора напряжения AMS1117 3v3 или любого другого стабилизатора напряжения с нужными параметрами. Кроме дисплея в качестве индикатора сердцебиения используется бузер со встроенным генератором. При появлении пика удара сердца на время этого пика включается бузер.

Программа микроконтроллера имеет два меню: основное меню, где на дисплее строится кардиограмма и отображается частота сердечных сокращений и меню настроек, где можно задать коэффициенты для отображения кардиограммы по высоте и по ширине, а также задать порог счета сердечных сокращений. Последний параметр задается относительно окна кардиограммы от 0 до 200 – это порог, в который входят только пики ударов сердца. Настройки сохраняются в flash памяти микроконтроллера. Для надежности используется последняя страница памяти, чтобы наверняка не пересекать память, в которую записана программа микроконтроллера. Для управления меню используется три кнопки S2-S4. Кнопка S2 переключает меню, а кнопки S3 и S4 регулируют настройки. Значения настроек здесь достаточно абстрактны и привязаны к коду. Первая настройка задает время задержки между измерениями АЦП и построением графика, то есть чем больше задержка, тем больше времени нужно на заполнение экрана и тем более сжат график. Вторая настройка задает коэффициент, который делит измеренное значение АЦП — при максимальном значении 4095 делим на 20 и получаем 204,75, то есть практически весь размах значений мы укладываем в 200 пикселей экрана, отведенного под график. Изменением этого коэффициента можно увеличивать или уменьшать график по оси Y. Последняя настройка задает порог с учетом второй настройки для определения пика. Выходя за это значение программа понимает когда произошел удар сердца. Между Этими пиками фиксируется время, по которому рассчитывается частота сердечных сокращений.

В программе присутствует визуализация отклонения ЧСС (частоты сердечных сокращений), если она слишком маленькая или слишком большая график ЭКГ на дисплее начинает отрисовываться красным цветом. Модуль MOD1 это рассматриваемый модуль на основе AD8232. Частота сердечных сокращений вычисляется как среднее значение пяти последних измерений.

Три электрода, входящих в комплект, подключаются к модулю через разъем и сами электроды крепятся на теле человека. В моем случае желтый электрод соответствует RL (правая нога), красный RA (правая рука), зеленый LA (левая рука). Так же соответственно электроды крепятся и на груди. Эти контакты электродов на модуле так же продублированы в виде контактов, к которым можно подключать свои провода с электродами. При использовании проводов из комплекта обязательно стоит прозвонить контакты, чтобы убедиться, что они соответствуют цветам, что не всегда встречается. Круглые электроды, которые входят в комплект являются одноразовыми. После их использование клейкость резко ухудшается, а гель в середине для получения надежного контакта с кожей высыхает. После первых экспериментов не стоит спешить их выбрасывать, для продолжения экспериментов достаточно смочить гель водой (я воду немного подсаливал), тогда он станет снова вязким, клейким и токопроводящим. Такие электроды самые дешевые и простые, при желании можно найти в продаже многоразовые электроды без клейких элементов, работающие как присоски. Но даже в этом случае нужно использовать специальный гель для надежного контакта электрода с кожей. Самым простым вариантом электрода может быть металлическая пластинка или шайба (монета), смоченная в соленой воде, подключенная к модулю AD8232. Такой вариант электрода максимально бюджетный и не сгодится для продолжительного использования — при высыхании воды контакт начнет ухудшаться, что приведет к ухудшению результатов измерения.

Модуль AD8232 имеет детектор подключения электродов – контакты L+ и L- выдают логическую единиц, если электроды не подключены и логический ноль, если подключены. На экране дисплея это отображается символами L+ и L-. Если их цвет зеленый, значит электроды подключены, если красный – отключены. Наличие шума на графике ЭКГ может быть связано с такими нюансами как контакт электродов и их верное расположение на теле, наличие дефектов в проводах электродов и их повреждение. В отличии от оптических датчиков, движения тела при измерении дают намного меньшие искажения графика на экране, но все же дают, так как при движении напряжения других мышц тела, расположенных близко к электроду, также дают некоторые импульсы.

Данная схема не исключает использования других датчиков с аналоговым выходом, например, затрагиваемых ранее оптических датчиков. Достаточно выводы PA1 и PA2 микроконтроллера подключить к земле или питанию, чтобы символы на дисплее не моргали.

P.S. Данное устройство не может быть применено для самостоятельно диагностики, только квалифицированный врач может делать какие-либо заключения о здоровье. Данное устройство создавалось только в познавательных и ознакомительных целях.

Источник