Разработка автоматического регистратора частоты дыхательных движений человека
Разработка автоматического регистратора частоты дыхательных движений. Принцип, который положен в основу работы прибора базируется на явлении синусной респираторной аритмии. Разработан алгоритм измерения интервалов сердечных циклов повышенной точности.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.06.2021 |
| Размер файла | 176,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Разработка автоматического регистратора частоты дыхательных движений человека
Латкин Н.К., студент
4 курс, факультет «Физико-технический» Кубанский государственный университет, Россия, г. Краснодар
Аннотация
Данная статья посвящена разработке автоматического регистратора частоты дыхательных движений. Принцип, который положен в основу работы прибора базируется на явлении синусной респираторной аритмии. В статье описываются специально разработанный алгоритм измерения интервалов сердечных циклов повышенной точности по данным фотоплетизмографии. А также алгоритм вычисления частоты дыхательных движений в режиме реального времени по данным частоты сердечных сокращений. автоматический регистратор дыхательный движение
Ключевые слова: Arduino, фотоплетизмография, пульсоксиметрия, частота сердечных сокращений, синусная респираторная аритми, частота дыхания.
Abstract
This article is devoted to the development of an automatic respiratory rate recorder. The principle of operation of the device is based on the phenomenon of sinus respiratory arrhythmia. The article describes a specially developed algorithm for measuring intervals of cardiac cycles of increased accuracy according to photoplethysmography. Real-time breathing rate calculation algorithm based on heart rate data.
Key words: Arduino, photoplethysmography, pulse oximetry, heart rate, sinus respiratory arrhythmia, respiratory rate.
Возникшая потребность в регистрации частоты дыхательных движений в рамках исследования подвигла к поиску оптимального технического средства. Метод измерения частоты дыхательных движений, примененный при разработке прибора, в основе которого лежит явление синусной респираторной аритмии был выбран не случайно. Выбор был обоснован тем, что по техническим причинам именно на основе этого метода была возможность спроектировать наиболее компактный по габаритам и обладающим минимальной массой конечного изделия прибор. Такие требования по габаритам и массе диктовались спецификой проведения исследования, в рамках которого проводилась разработка прибора, описываемого в данной статье.
Основной проблемой при разработке прибора являлась необходимость поиска и реализации алгоритма, который смог бы обеспечить наиболее высокую времяразрешающую способность фиксации моментов сердечных сокращений по данным фотоплетизмографического датчика. Это необходимо потому что положенный в основу работы регистратора частоты дыхательных движений принцип основан на измерении разницы временных интервалов между соседними сокращениями сердца, обусловленной явлением синусной респираторной аритмии [1]. Решение этой проблемы было достигнуто путём разработки алгоритма, основанного на вычислении дискретной производной сигнала, приходящего с оптического датчика. Исходный, оцифрованный сигнал, приходящий с датчика имеет форму, представленную на рисунке 1.
Рисунок 1. Форма сигнала, приходящая с фотоэлектронного преобразователя, входящего в состав фотоплетизмографического датчика
Как видно из рисунка, у этого сигнала есть постоянная составляющая и компонент высокочастотных помех, обусловленный, главным образом, погрешностью работы аналогово-цифрового преобразователя(АЦП) и рядом прочих факторов. Как постоянная составляющая, так и высокочастотная помеха являются нежелательными для последующей обработки сигнала с целью получения временных интервалов между соседними сокращениями сердечной мышцы. Поэтому для их отсечения был применен каскад фильтров, состоящий из алгоритма усреднения по среднему арифметическому и цифровой реализацией полосового фильтра Баттерворта первого порядка.
Также во время работы прибора алгоритм в режиме реального времени, помимо фильтрации, осуществляет вычисление дискретной производной отфильтрованного сигнала и поиск максимального значения амплитуды сигнала за последний период времени, равный двум интервалам сердечных сокращений. Так, на рисунке 2 можно видеть 3 линии, отражающие вычисляемые в режиме реального времени 3 величины, соответствующие изображенным на рисунке 2 линиям под номерами 1, 2 и 3. Под номером 1 линия, отражающая изменение во времени максимального значения амплитуды сигнала в течение промежутка времени, равного двум интервалам сокращения сердца. Под номером 2 изображена линия, отражающая изменение во времени амплитуды сигнала, прошедшего через каскад фильтров. А под номером 3 изображена линия, отражающая изменение во времени значения дискретной производной от отфильтрованного сигнала.
Метод фиксации момента сокращения сердечной мышцы заключается в том, что программа, выполняющая исполнение алгоритма во время своей работы производит определенное количество специальных проверок в секунду, задаваемое настройками режима работы фотоплетизмографического датчика. Эти проверки заключаются в следующем: программа во время очередной иттерации может либо зафиксировать сокращение сердечной мышцы, либо нет. При этом фиксация происходит при выполнении одновременно нескольких условий.
Рисунок 2. Линии, отражающие изменение величин во времени во время работы прибора
Во-первых, производная отфильтрованного сигнала должна быть равной нулю(в практической реализации приблизительно равной, учитывая дискретность получаемых значений и некоторую ненулевую их дисперсию) - это условие наличия экстремума в данной точке, как известно из математического анализа. Во - вторых, абсолютное значение отфильтрованного сигнала в этот момент времени должно превышать определённый порог, определяемый подобранной эмпирически долей от максимального значения за два последних периода сокращений сердца. В-третьих, получаемое значение временного интервала не должно отличаться от предыдущего более чем на 50%. Данное условие необходимо для того, чтобы не было ложных фиксаций в моменты возникновения так называемого "второго пика". В-четвертых, помимо всего прочего, отфильтрованное значение сигнала должно превышать определенный порог по абсолютной величине. Это необходимо для того, чтобы алгоритм не срабатывал на низкоамплитудный шум, который возникает при отсутствии контакта датчика и субъекта измерений. Имея данные моментов фиксируемых сокращений сердца, нетрудно производить расчет и непосредственно временных интервалов между соседними сокращениями.
Вычисление частоты дыхательных движений производится по данным частоты сердечных сокращений, которая изменяется во времени под действием различных факторов. Но постоянное присутствие гармонически изменяющейся составляющей, обусловленной явлением синусной респираторной аритмии посредством специальных алгоритмов даёт возможность выделить эту составляющую и по её частоте вычислить частоту дыхательных движений. Выделение этой составляющей достигается за счет применения цифрового триггера Шмидта. Однако это не единственная польза от его применения.
Рисунок 3. Иллюстрация работы цифрового триггера Шмидта
Так, под действием явления синусной респираторной аритмии при вдохе частота сердечных сокращений возрастает и, соответственно, уменьшается при выдохе. Однако в силу различных факторов, влияющих на интервал сокращений сердечной мышцы, динамика роста или убывания временных промежутков не всегда монотонна. Благодаря применению цифрового триггера, иллюстрация работы которого приведена на рисунке 3, учитываются только те участки роста или убыли частоты, которые по амплитуде больше некоторого порога, определённого экспериментально. На рисунке амплитудная высота этого порога схематично изображена красными линиями.
Измеряя временной интервал между фронтами триггера одной направленности (восходящими или нисходящими), непосредственно и вычисляется частота дыхательных движений.
Программа прототипа разрабатываемого устройства, реализующая описанный алгоритм, была написана на языке С в интегрированной среде разработки А1те1А1;иёю 7. В качестве фотоплетизмографического сенсора был выбран интегрированный датчик МАХ30102. В качестве аппаратной платформы - Arduino Nano 2.0. Готовый прототип устройства регистрации частоты дыхания состоит из электронного блока и внешнего зонда с датчиком. Электронный блок подключается к персональному компьютеру посредством последовательного асинхронного интерфейса для передачи данных. А также в режиме реального времени измеряемые величины индицируются на жидкокристаллическом дисплее, входящем в состав электронного блока.
Использованные источники
1. Evaluating the physiological significance of respiratory sinus arrhythmia: looking beyond ventilation-perfusion efficiency: сайт National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3573317/ (дата обращения: 12.06.2020).
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Обзор современной элементной базы с пониженным энергопотреблением. Разработка технических требований, структурной, функциональной и принципиальной схемы регистратора. Расчет надежности и технико-экономический расчет прибора, его применение и значение.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 23.08.2011Способы и методы измерения частоты, их характеристика. Типы индикаторов и проектирование принципиальной электрической схемы блока индикации. Разработка предварительного делителя частоты. Алгоритм работы микропроцессора и конструктивное решение прибора.
дипломная работа [1,0 M], добавлен 09.07.2013Разработка технологического процесса изготовления печатного узла прибора для измерения частоты пульса. Обеспечение технологичности конструкции изделия. Проектирование технологических процессов, средств технологического оснащения. Организация процесса ТПП.
курсовая работа [88,7 K], добавлен 09.10.2011Генерация токов повышенной частоты. Расчет электрического режима инвертора и выпрямителя. Выбор элементов и системы автоматического управления и защиты тиристорного преобразователя частоты. Временные диаграммы токов и напряжений, характеристики инвертора.
курсовая работа [339,6 K], добавлен 13.01.2011Поддерживание заданного режима работы управляемого объекта без участия оператора. Необходимость применения автоподстройки частоты в супергетеродинных приемниках. Структурная схема и принцип действия систем автоматического преобразования частоты (АПЧ).
реферат [261,5 K], добавлен 01.02.2009Общие сведения об усилителях звуковой частоты. Электрический расчет схемы прибора. Разработка узлов радиоэлектронной аппаратуры. Определение номиналов пассивных и активных элементов схемы усилителя низкой частоты, которые обеспечивают работу устройства.
курсовая работа [355,0 K], добавлен 13.10.2017Цифровые приборы частотно-временной группы. Основа построения цифровых частотометров. Структурная схема ЦЧ, измерение частоты. Погрешности измерения частоты и периода. Повышение эффективности обработки сигналов при оценке частотно-временных параметров.
контрольная работа [843,7 K], добавлен 12.02.2010Структурная схема микропроцессорного устройства для определения частоты сигнала. Выбор микроконтроллера, описание алгоритма нахождения частоты. Алгоритм работы программы управления микропроцессорным устройством. Программа работы микропроцессора.
курсовая работа [605,7 K], добавлен 24.11.2014Определение передаточных функций элементов системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала двигателя постоянного тока. Оценка устойчивости и стабилизация разомкнутого контура САР. Анализ изменения коэффициента усиления усилителя.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.07.2015Принцип работы, структурная схема и дополнительные возможности прямых цифровых синтезаторов частоты (DDS). Сравнительные характеристики синтезаторов DDS и синтезаторов частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ). Применение сдвоенных синтезаторов частоты.
реферат [102,4 K], добавлен 15.01.2011
