Контроль частоты сердечных сокращений для носимых устройств

Устройства непрерывного контроля сердечной активности позволяют определять изменения частоты сердечных сокращений (HRV) – основной параметр здоровья сердца и других заболеваний.

В данной новой разработке рассматривается пульсовая оксиметрия, которая превосходит по простоте и функциональности другие методы измерения. Благодаря своим возможностям, данное решение может использоваться как автономное устройство, которое выполняет контроль за частотой сердечных сокращений и насыщенностью кислородом.

Главными компонентами системы являются ультра-яркий красный светодиод (KA-3528SURC), инфракрасный светодиод (VSMB3940X01-GS08), и фотодиод (VBP104SR), который воспринимает обе длины волны света на одинаковом уровне.

Рисунок 1 Пульсовая оксиметрия

Основным стандартным блоком системы является операционный усилитель LT6003, который используется на нескольких каскадах схемы. IC1 используется как усилитель напряжения, управляемый током, который преобразует ток, генерируемый фотодиодом, в напряжение. Данный каскад выполняет усиление сигнала и позволяет использовать датчик на любой части тела. Подключенный операционный усилитель IC2 является инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления 30.

На отрицательный вход компаратора IC4 подключается измененный сигнал, используя цепь пикового детектора. Компоненты IC3, D1, и C6 используются для определения и удержания максимального напряжения входного сигнала. Резисторы R7 и R10 разряжают конденсатор C6. Данная цепь используется для создания эталонного напряжения, позволяя определить даже слабые импульсы, вызванные случайным изменением положения датчика на теле пациента.

Один высокочастотный фильтр (HP) и два низкочастотных фильтра (LP) предназначены для фильтрации нежелательных посторонних сигналов, вызванных изменениями внешнего освещения или скачками сети напряжения переменного тока. Высокочастотный HP фильтр и первый низкочастотный LP фильтр настроены на частоты равные 0.86 Гц и 159 Гц соответственно. Вторые выводы обоих высокочастотных и низкочастотных фильтров не подключаются к выводу GND, а подключаются к источнику опорного напряжения величиной 1В, для увеличения сдвига измеренного сигнала для последующей обработки. Опорное напряжение создается с использованием LM4040 и делителя напряжения (R15, R16). После усилителя IC2 сигнал обрабатывается на втором низкочастотном LP фильтре, настроенном на частоту 5.9 Гц, который фильтрует другие нежелательные помехи.

Рисунок 2 Выходное напряжение, изменяющееся во времени, в точках схемы COMP (CH1) и Pulse (CH2)

Рисунок 3 Сигнал в точке схемы OUT

В данной статье не объясняется процесс считывания импульса, который можно выполнить с помощью любого микроконтроллера с внутренним АЦП. Микроконтроллер нужен для управления светодиодами, измерения сигнала и для обработки сигнала в процессе насыщения кислородом. Вычисление требуемого насыщения кислородом возможно с использованием даже узкополосного фильтра. После включения ультра-яркого красного светодиода, АЦП измеряет сигнал. После двух или трех импульсов загорается инфракрасный светодиод на тот же период времени, что и красный светодиод. Микроконтроллер используется следующую формулу расчета S = V_R/V_IR, где значения напряжения представляются собой показания полного размаха колебаний, а S представляет собой значение StO₂ в калибровочной таблице.

Данная разработка проводилась при поддержке Словацкого агентства по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, согласно контракта № APVV-0865-11 и контракта № APVV-0819-12 и VEGA 1/1177/12.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• ОУ