VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství
BEZDRÁTOVÝ PLETYSMOGRAF PRO VETERINÁRNÍ PRAXI
Wireless pletysmograph
2012 Martina Pleskotová
Prohlášení
„Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracovala samostatně. Uvedla jsem všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpala.“
……….
Martina Pleskotová
Datum odevzdání bakalářské práce: 20.7.2012
V Ostravě dne
Poděkování
Při této příležitosti bych chtěla poděkovat mému vedoucímu bakalářské práce panu Ing.
Martinu Augustynkovi. Především za informace, ohledně problematiky pletysmografie a bezdrátovému přenosu dat, za užitečné rady a čas strávený nad konzultacemi. Poděkování patří také mým rodičům, kteří podporovali studium na vysoké škole, příteli za morální výpomoc a mému koni za trpělivost při měřeních.
Abstrakt
Náplní této bakalářské práce je návrh a sestrojení měřícího řetězce pro neinvazivní snímání pulsní křivky ve veterinární praxi. IR LED dioda typu L-934F3C od firmy BRIGHT LED ELECTRONICS CORP. Dioda je zde použita jako vysílač a jako snímač je použit fototranzistor typu L-932P3BT od firmy KINGBRIGHT ELECTRONICS. Přenos dat je veden bezdrátovou cestou pomocí technologie Bluetooth se zabudovaným A/D převodníkem, tudíž odpadá povinnost použití A/D karty nebo jiných převodních systémů. Uživatelské rozhranní je vytvořeno v programu MATLAB, splňující podmínky funkčnosti a jednoduchosti.
Klíčová slova
Pulsní křivka, veterinární praxe, L-934F3C, L-932P3BT, Bluetooth, MATLAB
Abstrakt
The aims of this bachelor´s labor are design and construction measuring system for not invazive scanning of pulse spline in veterinary using. The type of IR LED diod is L-934F3C from Kingbright. This diod is sender and receiver is phototranzistor L-932P3BT from Kingbright . Data transmission is throught the use of Bluetooth technologie with bulit in ADC converter. Then charge to use ADC card or the others conversions systéme fall of. The user interface is programmed in MATLAB and it satisfy the conditions of functionality and simplicity.
Key words
Pulse spline, veterinary usány, L-934F3C, L-932P3BT, Bluetooth, MATLAB
Seznam použitých symbolů a zkratek
A/D Analog/digital
C kapacita
CMOS Complementary Metal–Oxide–Semiconductor, doplněk kov-oxid-polovodič F Farad, základní jednotka kapacity
GND Stínění, zem
IR Infra red, infra červená k kilo, předpona 103
LED Light-Emitting Diode, dioda emitující světlo η mikro, předpona 10−6
n nano, předpona 10−9
OEM Original Equipment Manufacturer, PC Personál computer, osobní počítač
PN přechod rozhranní typu P a typu N, propuští proud v jenom směru
U Napětí, [V]
R Odpor[ ]
Obsah
1 Úvod ... 1
2 Oběhová soustava člověka a koně ... 2
2.1 Malý a velký krevní oběh, srdce ... 2
2.1.1 Malý krevní oběh ... 2
2.1.2 Velký krevní oběh ... 2
2.1.3 Srdce ... 3
2.1 Srovnání člověk vs. kůň ... 4
3 Pletysmografie ... 5
3.1 Pulsní vlna ... 5
3.2 Metody pletysmografie ... 6
3.3 Fotoelektrický pletysmograf ... 6
3.3.1 Fotoelektrický pletysmograf transmisní ... 6
3.3.2 Fotoelektrický pletysmograf reflexní ... 7
3.3.3 Fotoelektrický jev ... 7
3.3.3.1 Princip fotoelektrického jevu ... 7
3.4 Pletysmografie ve veterinárním lékařství ... 8
3.4.1 Neinvazivní snímání ... 8
3.4.2 Invazivní snímání ... 9
4 Měřící řetězec ... 10
4.1 Základní blokové schéma ... 10
4.1.1 Optický senzor ... 11
4.1.2 Zesílení signálu ... 11
4.1.3 A/D převodník, přenos dat ... 11
4.1.5 Napájení měřícího řetězce ... 11
5 Realizace měřícího řetězce ... 13
5.1 Návrh měřícího řetězce ... 13
5.2 Napájení ... 13
5.3 Optický senzor ... 14
5.4 Upravení signálu ... 16
5.5 Bluetooth ... 17
5.6 Umístění pletysmografu ... 19
6 Vizualizace dat ... 20
6.1 GUIDE, GUI ... 20
6.3 Vykreslení do grafu... 21
7 Testování ... 22
7.1 Modul bmeng PPG ... 22
7.2 Bezdrátová komunikace ... 23
7.2.1 Instalace Bluetooth Dongle, spárování ... 23
7.2.2 Konfigurace... 24
8 Výsledky, vyhodnocení ... 25
9 Závěr ... 27
10 Literatura ... 28 11 Seznam příloh ... I
1
1 Úvod
Bakalářská práce na téma Použití pletysmografie ve veterinární praxi byla vybrána autorem z důvodu zájmu o přístrojovou techniku v samotném veterinárním lékařství. Práce má poukázat na to, že poznatky a přístroje používané v medicíně se mohou aplikovat i v oblastech veterinárních.
Přístrojová technika v medicíně zažila v posledních letech velkého rozmachu. Ze zastaralé analogové techniky se přešlo na novější, digitální. Diagnostické přístroje napomohly k přesnější a rychlejší analýze biologických soustav. Díky kvalitnější analýze mohou být terapeutické přístroje využity efektivnějším způsobem.
Tento vývoj neminul ani přístrojovou techniku ve veterinárním lékařství. Ač laická veřejnost není o tomto pokroku ve specifickém odvětví informována. Technika byla nejprve použitá pro vrcholová sportovní zvířata, především koně, díky své finanční náročnosti. Posléze se stala dostupnější i pro méně sportovně vytížené koně a jejich majitele. V dnešní době je kvalita veterinární péče srovnatelná s lékařskou, avšak závislá na finanční dispozici majitele
Cílem této bakalářské práce je aplikovat pletysmografii na biologickou soustavu neznámých parametrů. Po konzultacích s veterinárními lékaři, bylo zjištěno, že se tato vyšetřovací metoda příliš nepoužívá. Přínosem by bylo monitorování zvířete při operacích, nebo při obvyklých tréninkových a volnočasových aktivit. Modelem soustavy je kůň, 7 let, ve velmi dobré zdravotní kondici, bez zjištěných srdečních vad.
Seznámení se s metodou fotoelektrické pletysmografie transmisní a reflexní.
Návrh a realizace měřícího zařízení pulsní křivky s přenosem pomocí technologie Bluethooth, následné využití uživatelského rozhraní programu Matlab s vizualizací dat a uložením grafů.
2
2 Ob ě hová soustava č lov ě ka a kon ě
Srovnání jedné z nejdůležitější soustavy organismu u lidí a koní se bude lišit pouze fyziologickými parametry. Funkčností je identická, slouží pro transport živin, kyslíku, hormonů, vody, zplodin metabolismu a udržování stálosti vnitřního prostředí - homeostázy.
2.1 Malý a velký krevní ob ě h, srdce
Obecně u savců rozdělujeme cévní soustavu na 3 hlavní elementy. Srdce, malý oběh a velký oběh. Jak už bylo napsáno dříve, tato soustava se u každého živočicha liší pouze fyziologickými parametry. Toto rozdělení poukazuje na rozdílnost pohybu okysličené a odkysličené krve, kdy srdce je středem a pumpou pro tento transport.
2.1.1 Malý krevní ob ě h
Může se nazvat také jako plicní oběh. Tento oběh má za úkol přivézt neokysličenou do plic, kde se následně okysličí.
Koloběh začíná v pravé srdeční síni, kdy odkysličená krev projde přes trojcípou chlopeň do pravé srdeční komory. Odtud přes plícní tepnu do plic, kde se větví na hustou síť vlásečnic kolem plicních sklípků, zde dojde k okysličení a krev se z vlásečnicové sítě sbírá do čtyř plicních žil, které ji vedou do levé předsíně.
2.1.2 Velký krevní ob ě h
Nazývá se taky jako tělní oběh. Díky plicnímu oběhu může transportovat okysličenou krev do tkání, které nezbytně potřebují k životu kyslík. Transport probíhá opačně než u malého oběhu. V tomto případě tepny vedou okysličenou krev a žíly odkysličenou.
Z levé srdeční předsíně krev putuje přes dvoucípou chlopeň do levé srdeční komory.
Odtud aortou do celého těla, kde odevzdá živiny a kyslík do tkání a buněk. Do krve se vrací produkty látkové přeměny a oxid uhličitý, tato odkysličená krev se vrací z jednotlivých orgánů přední a zadní dutou žílou do pravé předsíně.
3
2.1.3 Srdce
Srdce je jeden z nejdůležitějších orgánů savců. Díky své důležitosti je kryto v hrudním koši mezi plícemi směřujíce mírně vlevo. Je hlavním atributem pro udržení oběhu krve v organismu. Funkci pumpy zastává 24 hodin denně. Kdyby tomu tak nebylo, mozek ani ostatní životně důležité orgány by nedostaly kyslík a do 10 min by nastala smrt organismu.
Srdce je dutý orgán, skládá se ze srdeční svaloviny, která má schopnost stahovat se v systole a roztahovat se v diastole. V diastole se srdce plní krví. V systole srdce vypuzuje krev do oběhu, přitom z pravé poloviny srdce je krev čerpána do plicního oběhu krve, z levé poloviny srdce do orgánů a tkání. Pro přehlednost cirkulace krve je rozděleno na pravou síň a pravou komoru, a levou síň a komoru.
Pravá komora vhání krev do plic, aby se tam okysličila. Okysličená krev se pak vrací do levé síně a komory. Z levé srdeční komory je vypuzována do celého organismu. Poté se krev prostřednictvím systému žil opět vrací do pravé poloviny srdce a celý proces probíhá znovu.
Výsledkem je vypuzení určitého objemu krve (tepový objem) do velkého a malého oběhu.
Srdeční cyklus je řízen převodním systémem srdečním tj. elektrickými ději, které spouštějí mechanické děje. [2]
Obrázek 1 - Srdce, 1- Dolní dutá žíla, 2- , 3- Aorta, 4- Plícní tepny, 5- Plícní žíly, 6- Koronární žíly, 7- Koronární tepny
4
2.1 Srovnání č lov ě k vs. k ůň
Porovnání dvou savců skrz fyziologické parametry je následující:
Průměrná hmotnost u lidí je udávána 80kg, u koní 500kg. Je tudíž logické, že fyziologické parametry budou u koní podstatně vyšší než u lidí.
Vlastní váha srdce koní je 5-8 kg, u lidského srdce je váha 280- 320 gramů. V tomto srovnání může připadat váha srdce jako monstrózní, ale nesmí se zapomínat, že koňské srdce musí přepumpovat 45-50 litrů krve, na rozdíl od 4-6 litrů u lidí.
Srdce koně v klidu tepe až o polovinu méně než u lidí, a to 30-50 tepů/minutu.
V namáhavé činnosti (rychlý cval) se počet tepů za minutu zvýší až na 200. Pro přesnost uvedena tabulka: [2]
kůň Člověk
váha (kg) 500 80
váha srdce (kg) 5-8 0,3 Objem krve (l) 45-50 4-6 Počet tepů/min v klidu 30-50 60-70 Tabulka č.1 Srovnání fyziologických hodnot
Obrázek 2 Oběhová soustava koně
5
3 Pletysmografie
Pletysmografie je neinvazivní vyšetřovací metoda vycházející z měření objemových změn daných postupem pulsní vlny (respektive objemového pulzu) v daném segmentu končetiny. Amplituda křivky je veličinou reprodukovatelnou. Objemové změny lze kvantitativně hodnotit. Pletysmografické metody nám umožňují posouzení změn v tepenném i žilním řečišti. Lze je také využít pro zátěžové nebo farmakologické testy. [7]
3.1 Pulsní vlna
Vypuzením krve z levé komory do aorty se elastická stěna aorty rozepne a tato tlaková vlna se rozšíří aortou a jejími větvemi distálně a můžeme ji hmatat jako arteriální pulz. Tepová vlna se šíří nezávisle na rychlosti proudění tepnami, je daleko rychlejší než vlastní rychlost proudění krve cévami. Změny, které tlaková vlna v tepenném řečišti vyvolává, můžeme pomocí velmi citlivého snímače zaznamenat. Pletysmografická křivka má svůj charakteristický tvar a velikost, která se vlivem nemocí a fyzického stavu může měnit.
Dle tvaru můžeme rozdělit pulsní křivky na centrální a periferní. Její tvar závisí na místě snímání pulsní vlny. Jak už její názvy napovídají, centrální vlna je snímaná na hlavních, centrálních cévách a periferní v periferním řečišti, například ušní lalůček, prst. [3]
Obrázek č.3. Centrální a periferní pulsní vlna
6
3.2 Metody pletysmografie
Pletysmografických metod snímání je široká škála. Rozdělují se dle fyzikálních principů na:
Mechanické Kapacitní Impedanční Fotoelektrické.
Všechny jmenované metody pletysmografů jsou neinvazivní.
Do mechanické metody patří pneumatický pletysmograf. Snímaní je prováděno v komůrce, kde je vložena a od okolí uzavřená končetina. Elektrický signál je zde snímán jako změny tlaku v komůrce. Kapacitní pletysmograf využívá změn kapacity k odpovídajícím změnám objemu. Impedanční fotopletysmograf měří změny impedance tkáně v závislosti na prokrvení. Fotoelektrická metoda je založena na vnitřním fotoelektrickém jevu v kovu, táto metoda bude následně blíže rozvedena.
3.3 Fotoelektrický pletysmograf
Fotoelektrický pletysmograf je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu a prošlým zářením tkání. Rozděluje se na transmisní a reflexní. Jak už názvy napovídají, u transmisní metody se snímá prošlé záření tkání a u reflexní metody odraz záření od snímané tkáně.
3.3.1 Fotoelektrický pletysmograf transmisní
Mezi fotoelektrické pletysmografické metody patří prstová a ušní pletysmografie. Metoda je založena ne fotoelektrickém jevu a průniku záření tkání.
Paprsek infračerveného světla o konstantní intenzitě je směrován infračervenou diodou přímo do tkáně, kde má být měřen krevní tok. Procházející světlo je snímáno fotodiodou nebo fototranzistorem. Výhodou této metody je to, že tepová frekvence je zde zřetelná. Nevýhoda metody je ta, že se dá snímat pouze na periferních místech, kde očekáváme průchod paprsku.[2]
. Obrázek č.4 Transmisní snímač fotoelektrického pletysmografu
7
3.3.2 Fotoelektrický pletysmograf reflexní
Do této metody se zařadí snímání na povrchu pokožky. Může se využít jak na periferních oblastech – prst, ušní lalůček, tak i na povrchu různých částí těla, ale za podmínky dobrého prokrvení snímané tkáně.
Princip snímání je zde podobný jako u metody transmisní, je taktéž založen na principu fotoelektrického jevu. Paprsek infračerveného světla je vysílán do tkáně, tam se odrazí a vrátí se zpět na povrch pokožky kde je následně snímán. Průchod světla tkání může být i 0,5cm.
Výhodou metody je možnost snímat na různých oblastech těla, nevýhodou jsou časté artefakty vzniklé s nepřiléhavostí senzoru s kůží.
3.3.3 Fotoelektrický jev
Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 německým fyzikem Heinrichem Hertzem. V té době byl tento jev považován za nevysvětlitelný. Jeho kvantové vysvětlení popsal až, jeden z nejznámějších fyziků všech dob, Albert Einstein a v roce 1921 za něj dostal Nobelovu cenu.
3.3.3.1 Princip fotoelektrického jevu
Foton z infračerveného paprsku dopadne na přechod PN diody nebo fototranzistoru. Ve valenční vrstvě narazí do elektronu a předá mu svou energii, kterou elektron příjme. Díky tomu má elektron dostatek energie pro opuštění valenčního pásma do pásma vodivostního. Vznikne volný elektron na jehož místě vznikne díra. Tímto se zvýšila elektrická vodivost polovodiče a volný elektron je nositelem náboje.
Fotoelektrický jev umožňuje využití solární energie a vytvoření fotočlánků, např.
fotodiody nebo fototranzistoru. Vnitřní fotoelektrický jev našel uplatnění především na světlo citlivých polovodičů. Při osvětlení se uvolňují v polovodičích elektrony z atomových orbitů.
Tyto elektrony se pak mohou uplatnit jako nosiče proudu.
Obrázek 6 Princip fotoelektrického jevu
8
3.4 Pletysmografie ve veterinárním léka ř ství
Pletysmografie je jedna z hlavních vyšetřovacích metod. Pomocí ní můžeme vyhodnotit prokrvení tkáně a zjistit funkčnost cév a srdce. V oblasti veterinární není tato metoda hojně využívaná. Můžeme toto vyšetření rozdělit na invazivní a neinvazivní.
3.4.1 Neinvazivní snímání
Mezi neinvazivní se zařadí jednoduchá metoda měření krevního pulzu na lícní tepně (arteria facialis). Provádí se hmatem na vnitřní ploše dolní hrany čelisti za pomocí stopek.
Toto vyšetření má výhody ve své nenáročnosti na vybavení, může se provádět kdekoli a kdykoli, vyšetření zvládne i laik.
Za nevýhody se považují nepřesnosti měření. Měřící osoba může započítat i svůj tep na prstech do naměřených tepů zvířete. Taktéž omezené výsledky měření, získají se pouze informace o počtu tepů za minutu.
Obrázek č.7 Neinavizivní měření
9
3.4.2 Invazivní snímání
Invazivní metoda je složitější. Pomocí katetru zavedeného do vnější jugulární žíly se provádí měření. Může se snímat pulsní křivka, tak krevní tlak v řečišti.
Tato metoda je velmi náročná na provedení, musí ji vykonávat pouze veterinární lékař, nejlépe ve sterilním prostředí. Díky katetrizaci může dojít k infekci nebo v nejhorším případě k vykrvácení zvířete po punkci. Využití nalezne při monitorování životních funkcí koně v průběhu náročných operací. [1]
Obrázek 8 Nalezení jugulární žíly(1- jugulární žlábek, 2- jugulární žíla) [1]
10
4 M ěř ící ř et ě zec
Pletysmograf se může lišit konstrukčním řešením jednotlivých funkčních bloků. Funkce ale přesto zůstává sejná, snímá pulsní křivku a může být doplněn o oximetrii, metodou určení prokrvení tkání.
Pro monitorování lidských pulsních křivek jsou pletymografy v mnoha velikostech. Může být součástí dalších diagnostických prvků, nejčastěji spojeno s elektrokardiografií a oximetrií.
Tvar senzoru se odlišuje použitím na růžných částech těla, například ušní, prstová, novorozenecká – nosní, aplikace na horních a dolních končetinách. N
Neinvazivní pletysmograf pro veterinární použití se nepoužívá. Mohou být dvě vysvětlení. Buď ji veterinární lékaři nepovažují za stěžejní monitorovací metodu nebo se ještě nepřišlo s nápadem využití pro veterinární praxi.
4.1 Základní blokové schéma
Blokové schéma je rozděleno do několika částí.
Začátkem řetězce je infračervená LED dioda, která vysílá záření o určité vlnové délce.
Naproti ní je umístěna fotodioda nebo fototranzistor, který záření prošlé tkání přijímá, následně převádí proud na napětí. Operační zesilovač pro zesílení snímaného signálu na přijatelnou hodnotu. Aby se signál mohl následně v PC vizualizovat a zpracovat, musí se převést z analogového na digitální. K tomu slouží A/D karta nebo zabudovaný převodník v Bluetooth.
Samotné zpracování dat se provede v procesoru PC. Data lze uložit do paměti a následně s nimi pracovat.
Obrázek č.9. Základní blokové schéma
11
4.1.1 Optický senzor
Tento senzor se skládá z dvou optosoučástek. První je vysílací dioda. Měla by být s co největší intenzitou záření, kvůli průchodu záření tkání. Jako druhá součástka bývá nejčastěji fotodioda nebo fototranzisor. Tyto dva druhy fotosoučástek musí snímat záření o stejné vlnové délce, kterou dioda vyzáří.
Jsou dva druhy umístění těchto součástek v senzoru. První metoda, kdy senzory jsou umístěny zhruba 1cm vedle sebe, se nazývá reflexní. V druhém případě jsou umístěny naproti sobě a jedná se metodu transmisní.
4.1.2 Zesílení signálu
Vstupní zesilovač se nachází za fotodiodou nebo fototranzistorem. Jsou na něj kladeny mimořádné požadavky. Minimální šum s požadovaným zesílením. Obecně jsou požadavky na operační zesilovač velký vstupní odpor, malý výstupní odpor a velké napěťové zesílení.
K sehnání jsou již zabudovány v integrovaném pouzdře, tudíž se můžou použít jako klasické součástky.
4.1.3 A/D p ř evodník, p ř enos dat
A/D převodník slouží pro převod dat z analogového formátu do formátu digitálního.
Jinak řečeno převod spojitého signálu na diskrétní. Převod je nutný pro následné zpracování signálu v procesoru neboli PC.
Práce A/D převodníku se rozděluje na dvě části. Tou první je vzorkování, kdy se rozdělí osa x na rovnoměrné úseky a v každém úseku se označí jeden vzorek. Čím je větší vzorkovací frekvence, tím více vzorků se získá a výsledný signál bude přesnější. Ve druhé fázi se kolem vzorků zadají toleranční pásy na ose y. Kvantová hodnota je hodnota vzorku, který spadá do daného tolerančního pásu. Nakvantovaný signál lze pak vyjádřit v N bitech, kde N-tá mocnina čísla 2 je rovna počtu kvantizačních úrovní.
Přenos dat může probíhat bezdrátově nebo drátově. V bezdrátové komunikaci může se volit mezi technologiemi Bluetooth, ZigBee a WiFi. Při drátové komunikaci je výběr širší. Mezi neznámější patři sériová komunikace pomocí RS 232, RS 485. Při sériové komunikaci se přenáší bit po bitu na rozdíl od paralelní, kdy se zároveň přenáší paralelně 8 nebo 16 bitů.
Výhodou sériové komunikace je úspora počtu vodičů a nedochází k vzájemnému ovlivňování bitů.
4.1.5 Napájení m ěř ícího ř et ě zce
Napájecí zdroj má být schopen napájet celý řetězec kontinuálně nebo při použití baterií dosáhnout co nejdelší doby napájení. Při volbě kontinuálního napájení z rozvodné sítě je třeba
12
zajistit náhradní zdroj při výpadku. Musí se taktéž dbát na bezpečnost obsluhy přístroje a pacienta.
4.1.6 Vizualizace dat
MATLAB je integrované prostředí pro vědeckotechnické výpočty, modelování, návrhy algoritmů, simulace, analýzu a prezentaci dat, paralelní výpočty, měření a zpracování signálů, návrhy řídicích a komunikačních systémů. MATLAB je nástroj jak pro pohodlnou interaktivní práci, tak pro vývoj širokého spektra aplikací. [10]
Mezi komponenty patří:
Toolboxy Simulink Guide
Rozhranní pro jiné jazyky
Knihovny funkcí taktéž nazývazené toolboxy obsahují ucelené funkce zpracovávající určitý blok převážně matematických výpočtů. Simulink slouží k simulaci dynamických modelů ve formě blokových soustav a rovnic. V komponentu guide se vytváří grafické uživatelské rozhraní. MATLAB Builder JA slouží pro vytvoření komponentů z jazyku Matlab do jazyku Java. [10]
13
5 Realizace m ěř ícího ř et ě zce
Myšlenka navrhnout a sestrojit pletysmograf přišla na popud dvou výše uvedených metod snímání pulsní křivky. Spojit neinvazivní vyšetření s co nejpřesnějšími informacemi o průběhu.
Díky neinvazivnímu vyšetření se získá větší komfort zvířete a vyhne se jeho nervózním reakcím. Možnost aplikovat měření v jakýchkoli podmínkách, bez nutnosti sterilního prostředí.
Snímání pulsní křivky i za vykonávání práce koněm, aniž by se musela přerušit. Díky snímáním v reálném čase veterinární lékař může sledovat průběhy pulsní vlny a vyhodnotit správnou činnost soustavy. Údaje uložit a následně opět využít.
5.1 Návrh m ěř ícího ř et ě zce
Obrázek 10 Návrh komunikace
5.2 Napájení
Zdroj napětí je baterie 9V, která bude k dispozici kdykoli k výměně bez složitějších úkonů. Ihned za ní jsou umístěny 3 diody, které způsobí úbytek napětí 3 x 1,1V. Dále za nimi se nachází lineární stabilizátor napětí, který stabilizuje napětí na 5V, kterým je následně napájen celý řetězec. Použití diod je zde nutné, protože na stabilizátoru by vznikaly velké napěťové ztráty ve formě tepla. Došlo by k přehřívání stabilizátoru a napětí na výstupu by klesalo.
Stabilizátor je typu L7805 a k němu jsou zapojeny dle zapojení v Datasheetu dvě kapacity 330 nF a 100 nF. Na výstupu je napětí v rozmezí 4,8 až 5,2 V.
14
Obrázek 11 Stabilizace napětí na 5V
Pro napájení modulu Bluetooth jsou použity dva totožné lineární stabilizátory, které ustálí napětí na požadovanou hodnotu 3,3V. Oddělené napájení zabraňuje ovlivnění měřeného signálu díky vytvoření kladné a záporné reference pro bluetooth modul. Stabilizátory jsou typu L33CD doplněny o kapacity 2 x 100nF. Na výstupu je napětí v rozmezí 3,23 až 3,36 V. Napájení bluetooth je v rozmezí 3,3V +-0,1V, proto je pro toto použití vhodný.
Obrázek 12 Stabilizace napětí pro bluetooth modul
5.3 Optický senzor
Optický senzor je složen z vysílací diody a fototranzistoru. Obě tyto součástky by měly být k sobě kompatibilní, což znamená pracovat na stejné vlnové délce.
Vysílací dioda by měla mít co největší svítivost. Jelikož ucho koně je tvořeno převážně chrupavkou, dioda by měla i tuto tkáň prosvítit. Dalším parametrem výběru je rozměr diody.
Plochou diodou se dosáhne usměrněný tok záření a taktéž se minimalizují nežádoucí reakce z otlaků diody na tkáň. Taktéž by se dioda měla jednoduše dát zakoupit na elektronickém trhu.
První podmínku nejlépe splňuje dioda typu LED. Tyto diody jsou relativné malých rozměrů, ale přitom dosahují poměrně vysokých výkonů. Také se jedná se o úspornou diodu s dlouhou životností. Tímto byla splněna i podmínka druhá a jelikož jsou tyto diody dostupné, dostane se splnění i třetí podmínky.
Nejlepším kompromisem výběru se stala dioda IR LED. IR proto, že emituje červené spektrum světelného záření. Dioda typu L934F3C od firmy Kingbright s následujícími parametry:
15
• prahové napětí = 5V,
• proudový odběr = 20 mA,
• vlnová délka = 940 nm
• rozměry 4,6 x 3,2mm.[5]
Obrázek 13 Rozměry IR LED diody
Fototranzistor se zařazuje mezi aktivní polovodičové součástky. PN přechod je ovládám světelným zářením, jinak pracuje jako klasický bipolární tranzistor. Báze je zde nahrazena otvorem pro příchozí světelné záření. Tento přechod funguje jako fotodioda na principu fotoelektrického jevu. Když je osvětlen, vytvářejí se na něm páry elektron – díra. Tyto volné elektrony se pohybují do báze tranzistoru. Proto stačí pouze 2 vývody tranzistoru.
Parametry jsou následující: typ L-932P3BT, výrobce KINGBRIGHT ELECTRONICS,
• prahové napětí 30V
• rozsah snímané vlnové délky do 940nm
• čočka čirá modrá.
[5]
Obrázek 14 Rozměry fototranzistoru
16
Obrázek 15 Optický senzor
5.4 Upravení signálu
Za fototranzistorem se nachází zapojení s operačním zesilovačem, které slouží jako převodník proud na napětí. Jedná se o invertující zapojení bez vstupního odporu. Pomocí kapacity 100ηF se odfiltruje stejnosměrná složka signálu. Druhé zapojení operačního zesilovače pracuje jako dolní propust a zároveň zesílí signál. Dolní propust je realizovaná neinvertujícím operačním zesilovačem. Nyní je signál s amplitudou 0-5V, horní propust 0,3Hz a dolní propust 10Hz. [6]
Obrázek 16 Úprava signálu
Snímaný signál je nutné dále upravit, jelikož na vstup A/D převodníku je třeba přivést napětí s amplitudou 0-3,3V. Proto další zapojení s neinvertujícím zesílením zde slouží jako dělič napětí. [6]
17
Obrázek 17 Zmenšení amplitudy napětí
Pro úpravu signálu jsou určeny operační zesilovače TS922 ID SMD od firmy ST MICROELECTRONICS/THOMSON. Jedná se o technologii CMOS. V jednom pouzdře jsou umístěny zesilovače 2, proto je lepší úsporu místa. Vstupní kompenzační napětí je od 2,7 V do 12V, napájecí napětí je od 2,7 V do 5,5 V, pracující při teplotě -65 až +150 °C.
Obrázek 18 Uspořádání zesilovačů v pouzdře
5.5 Bluetooth
Modul Bluetooth byl vybrán od firny Corscience & Co., typ Bluesence AD. Tento OEM modul je vhodný pro bezdrátovou komunikaci senzoru s PC a přenosem dat. Třída 2 znamená dosah 0-25m. Dosah pro účel bakalářské práce je dostačující, neboť standardní rozměry jízdárny jsou 20 x 40m. Vyniká velmi nízkému odběru a to 1,4mA při napětí 3,3V. Díky zabudovanému dvanácti bitovému A/D převodníku odpadá starost s použitím externího převodu signálu. Další výhodou jsou velmi kompaktní rozměry a to 37,5mm x 21,5mm. Frekvenční pásmo je od 2400 MHz do 2483 MHz, vstupní odpor 50Ω, schopný pracovat při teplotě -10 až 50 °C.
18
CON1 Funkce CON2 Funkce
1.1 Napájení 3,3V 2.4 zem, GND
1.2 Zem, GND 2.6 Napájení, 3,3V
1.7 GND - Slave 2.5 Channel 0, PPG signál 1.8 GND - Reset 2.19 GND, záporná reference 1.9 BAUD0, nezapojen 2.20´ Pozitivní reference, 3,3V 1.12 CD, indikace připojení
1.14 BAUD1, GND
Tabulka 2 Zapojení pinů Bluetooth
Na modulu BluesenseAD lze programovat přenosovou rychlost, počet bitů, paritu a stop bity. Toto programování lze provést buď pomocí zapojení v hardware části pomocí pinů BAUD0 a BAUD1 nebo softwarově zasíláním příkazů v hexa kódu. Na obrázku 19 je k vidění zapojení 00, kde piny BAUD0 a BAUD1 nejsou zapojeny. Toto nastavení lze změnit spájením destiček SJ1 a SJ2 a získat tak požadované parametry pro přenos.
[11]
Tabulka 3 Konfigurace přenosových parametrů [11]
Obrázek 19 Zapojení pinů BluesenseA
19
5.6 Umíst ě ní pletysmografu
Senzor pletysmografu bude umístěn na vyholené části ucha nebo kterékoli prokrvené části vhodné ke snímání. Vyholené místo proto, aby se zabránilo útlumu světelného toku infračervené diody. Kit s napájecím zdrojem, deskou plošného spoje a vysílajícím modulem Bluetooth bude připevněn sponou na postroji koně – ohlávka, uzdečka. Toto umístění nebude koně rušit a díky bezdrátovému přenosu ani omezovat ve volném pohybu
Obrázek 20 Umístění senzoru (1-senzor s IR LED a fototranzistorem, 2- měřící kit)
20
6 Vizualizace dat
Uživatelské rozhranní slouží lékaři nebo všeobecně kterémukoli člověku k ovládání hardware jednotky. Může se obecně rozdělit dle funkce a vzhledu na:
Grafické rozhraní Textové rozhraní Příkazový řádek Webová aplikace
Hlavními atributy ovládání jsou stručnost, srozumitelnost a funkčnost všech ovládacích prvků. Od rozhraní se v této práci očekává vykreslení snímané napěťové křivky, výběr kanálů pro zobrazení, možnost uložení grafu.
6.1 GUIDE, GUI
Guide a gui patří mezi komponenty programu MATLAB. Umožňuje vytvoření grafického uživatelského rozhraní.
Otevře se pomocí základního menu File/New/GUI nebo příkazem guide.
Po otevření okna figure se můžou umístit objekty jako axes, bushbuttom, slider, radiobuttom, list box, aj. na plochu Layout Area. U všech objektů se dá měnit nastavení v Properte Inspektor.
Po stisknutí zeleného trojúhelníku – Run figure v horní liště okna se uloží data a spustí se m- soubor s automaticky vygenerovaným kódem pro objekty. V tomto souboru se následně píší příkazy pro funkčnost jednotlivých objektů.
Axes 1 slouží jako pole pro vykreslení snímaného signálu. V sekci Výběr kanálů má uživatel možnost výběru z prvního až osmého kanálu modulu BluesenseAD, ihned o výběru se snímaný signál vykreslí. Ulož uloží data jak graf s využitím dialogového okna pro nazvání souboru. Po zmáčknutí.
Uživatelské rozhraní GUI je hotové k práci, plně funkční k ovládání. Reaguje na ovládání uživatele. Při odebírání nebo přidávání objektů se musí přepnout zpátky do rozhranní GUIDE.
21
Obrázek 21 Uživatelské rozhraní v GUIDE
6.3 Vykreslení do grafu
Vykreslení signálu do grafu v poli axes1 je za pomocí následujících příkazů. Příkaz load načte data ze souboru SigMonLog, kde se načte celý první sloupec dat. Čas je zde definován vytvořením aritmetické posloupnosti. Fvz znamená vzorkovací frekvence, pro všechna měření byla použita fvz=100.
%%%Vzorec pro nadefinovani vekotru cas%%%%%%
% cas=od kdy: s jakym krokem : do kdz %
% cas=1/fvz :fvz^(-1): cas/pocet vzorku %
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
data = load('SigMonLog2.txt');
X1 = data(:,1);
cas =(0.01:0.01:44.1);
plot(handles.axes1,cas,X1) axes(handles.axes1)
xlim([0 10]) ylim([2000 5000])
xlabel(handles.axes1,'t [s]');
ylabel(handles.axes1,'mV')
22
7 Testování
7.1 Modul bmeng PPG
Testovací první fáze proběhla na modulu bmeng PPG. Tento modul obsahoval podobné zapojení jako použité v této bakalářské práci. Avšak přenos dat byl veden jinou cestou.
Testování proběhlo aby se zjistilo, zda není potřeba pozměnit parametry obvodu. Zda IR LED dioda tkáň dostatečně prosvítí, zda není potřeba většího nebo menšího zesílení signálu.
Set se skládá z modulu pro snímání pulsní křivky, modulu pro snímání elektrokardiografie a DAU jednotky pro převod signálu. Snímaná data jsou následně zobrazeny v programu ECGPPGonline. Software taktéž umožňuje ukládání a načtení uložených dat.
Modul PPG bylo nutné nejdříve spájet. Jelikož se měření provádělo na zvířeti, bylo nutné vyvést optočleny mimo desku plošného spoje. Tímto se usnadnilo měření a celková manipulace s měřícím řetězcem. Při měření vyvedených optočlenů nastaly výrazně viditelné artefakty.
Tento problém následně vyřešilo stínění IR Diody a fototranzistoru.
První testování se provedlo ihned po celkovém dokončení. Pro ověření zda vše funguje jak má, byla prvně snímaná lidská pulsní křivka. Až když se zjistilo, že vše je správně, postoupilo se k měření na koni. V tomto měření měla křivka menší amplitudy. Proto, že měření bylo prováděné v měsíci únoru a koňská pokožka byla značně osrstěna.
Obrázek 22 Testování – zobrazení lidské pulsní křivky programu ECGPPGonline
Obrázek 23 Testování – zobrazení koňské pulsní křivky v programu ECGPPGonline
23
7.2 Bezdrátová komunikace
Ve druhé fázi testování se pracovalo již s upraveným obvodem a plně sestrojeným hardwarem. Celkové rozměry modulu se zmenšily, komunikace po sériové lince byla zprostředkována pomocí bluetooth modulu BluesenseAD. Díky přidáním bluetooth modulu se musely poupravit napěťové úrovně na vstupu do AD převodníku.
7.2.1 Instalace Bluetooth Dongle, spárování
Aby mohla bezdrátová komunikace probíhat mezi PC a modulem, bylo třeba použít USB Bluetooth Dongle od firmy ACER. Pro instalaci tohoto zařízení byl použit CD driver který pomocí krátkého návodu umožnil následnou bezdrátovou komunikaci.
Po úspěšné instalaci se do USB portu zavedl USB Dongle a ihned se rozsvítila modrá dioda, která signalizovala, že dongle je připraven k použití. Následně byl zapnut kit a na něm se rozsvítila zelená dioda, signalizující dostatečné napětí v obvodech. V dolní liště PC se objevila ikona Zařízení Bluetooth. Po otevření této ikony a vybráním záložky Zobrazit zařízení Bluetooth se otevřelo okno s nabízenými Bluetooth zařízení. Pokud nebyl BluesenseAD nalezen, po zmáčknutí tlačítka Přidat se vyhledal. Ihned po vyhledání si BluesenseaAD zažádal PIN kód pro spárování se s PC. Následně bylo potřeba ověřit služby poskytované modulem BluesenseAD a poskytované COM porty. Tyto informace se objevily po zmáčknutí tlačítka Vlastnosti. COM porty se nastavily dva, jeden Bluesense AD “Cable_Replacement“ a druhý BluesenseAD “ADC_Channel“. [4][5]
Obrázek 24 Postup spárování BluesenceAD s PC
24
7.2.2 Konfigurace
Pro nastavení komunikace a získání snímaných hodnot sloužil program ConnectBlue. Po otevření tohoto programu bylo potřeba nastavit COM port, skrze kterým BluesenseAD komunikuje, dále přenosovou rychlost na hodnotu 9600 b/s. Pro ověření, zda modul je spárován, se zaslal libovolný příkaz ze záložky GENERAL COMMANDS. Pokud byl zvolen správný port, modul ihned na tyto příkazy odpověděl. Poté se přešlo k příkazům BLUESENSE AD COMMANDS, kde se nastavily dva důležité příkazy: CS_SET_FUNCTION_MODE_REQ na hodnutu ADC a CS_CONFIG_ADC_REQ kde se vybral počet kanálů a vzorkovací frekvence.
Př. zaslání přikazu v hexa kódu: SET_FUNCTION_MODE_REQ: [5] [12]
---[Session started]--- [Sent]: FC 03 42 07 02 04 D5 FD
[Recieved]: FC 03 42 09 00 00 02 FD FC – Start Flag
03 - packet number, v hodnotách 01, 02,…
42 07 – Playload
02 - Command (nastav ADC mód) 04 D5 - Checksum
FD - End Flag
V tomto případě odpověď 00 00 znamená, že BluesenseAD nastavil 02, neboli ADC mód.
Měření se zahájílo příkazem CS_START_ADC_REQ a v příkazovém okně byl vidět řetězec hodnot zasílaných v hexa kódu. Tyto data se následně vizualizovaly pomocí tlačítka Signal Monitor. Pro ukončení přenosu dat se poslal příkaz CS_STOP_ADC_REQ. [12]
Obrázek 25 Signál PPG v programu ConsoleBlue, tepová frekvence = 96/min, vzorkovací frekvence 800 Hz
25
8 Výsledky, vyhodnocení
Komunikace mezi PC a modulem BluesenseAD byla zprostředkována pomocí programu BlueConsole od firmy Corscience. Pomocí základních příkazů popsaných v kapitole 7.2.2 se modul aktivuje a začne na vyžádání zasílat data. Ty se následně uloží do souboru SigMonLog.exe, kde se v programu Matlab vykreslí.
Měření probíhalo na hlavě koně. Díky nízkému osrstění nebylo potřeba místo vyholit.
Zvoleno bylo místo na lícní kosti, kudy vede jedna z velkých žil. Kit se dal pohodlně zapnout na ohlávku koně a díky sponě se dal variabilně polohovat.
Během průběhu měření se zjistilo, že nejefektivnější snímání je v klidovém stavu koně.
Při pohybu koně a následně pohybu celého kitu vznikaly četné artefakty. Proto většina měření byla snímána v klidu a nebo při přerušení pohybu. Další problém nastal při snaze koně měřící senzor z hlavy setřást.
Měření v klidové fázi koně probíhalo bez komplikací. Pletysmografická křivka byla viditelná, i když zašumělá. Výpočet klidové tepové frekvence byl na hodnotě 45/min, kdy jeden tep odpovídá 1,5s. Tepová frekvence po práci byla rovna 80 tepů/minutu.
Obrázek 26 Naměřená křivka v klidu, tep = 45, kanál 4
26
Obrázek 27 Naměřená křivka v klidu, tep = 45, kanál 5
Obrázek 28 Naměřená křivka po práci, tep = 80, kanál 5
Obrázek 29 Pohybové artefakty, kanál 5
27
9 Záv ě r
Cílem této práce bylo navrhnout pletysmografický řetězec pro snímání pulsní křivky na zvířeti. K porozumění problematiky byl popsán krevní oběh obecně u savců, následně porovnány fyziologické parametry oběhové soustavy člověka a koně.
Dále objasnění principu pletysmografie, rozdělění druhů snímání dle fyzikálních principů a popsaní fotoelektrického pletysmografu. Následně popsání pletysmografického snímání ve veterinární praxi, které se rozděluje podobně jak u lidí na invazivní a neinvazivní.
Seznámení se s pletysmografem a popisem jednotlivých funkčních bloků. Funkcí a rozložení senzoru, vstupního zesilovače, převodem signálu a následného přenosu a konečnému zpracování. Tento popis byl obecného charakteru, sestrojení se u každého typu přístroje bude lišit.
Poté byl popsán návrh pletysmografu s již konkrétními druhy součástek a modulů. Za vysílací diodu byla vybrána dioda typu L934F3C, přijímač nastal fototranzistor typu L- 932P3BT. Oba tyto optočleny musely být k sobě kompatibilní. O zesílení struktury se postaralo šest operačních zesilovačů typu TS922 ID SMD. Přenos dat byl veden bezdrátovou cestou pomocí OEM modulu Bluesense AD. Představeno bylo taktéž obvodové cháma dílčích bloků.
Uživatelské rozhranní bylo vytvořeno v programu MATLAB, respektive v jeho komponentu GUI. Jednalo se o jednoduché grafické rozhranní, kde se vizualizovala data poslané BluesenseAD do souboru SigMonLog.txt.
Komunikace byla realizována pomocí programu BlueConsole. Kde se díky kódům v hexa formátu aktivoval přenos dat. Vypsané hodnoty programu se následně vizualizovaly v programu Matlab. Pro vizualizaci bylo k dispozici 8 kanálů, neboli 8 kanálů ADC převodníku modulu BluesenceAD.
Měření křivky probíhalo za velké trpělivosti snímaného koně. Díky pohybovým artefaktům bylo prováděno měření pouze v klidové fázi koně. I přesto vznikaly artefakty při náhlém pohybu hlavy koně.
Využití této práce by se mohlo uplatnit při snímání pulsní křivky převážně v klidu koně, například při rozsáhlých operacích. Tento kit může být doplněn o oxymetrii, EKG a spolehlivě tak monitorovat základní funkce organismu. Při snímání pletysmografické křivky za pohybu koně, je doporučeno pozměnit parametry optického senzoru. Například umístění na jugulární žíle a připevnění díky elastického pásku, jak je tomu u měření tepové frekvence a EKG u lidí.
28
10 Literatura
[1] URL <http://www.ifauna.cz/clanek/kone/jak-funguje-kun-cast-22-kde-proudi-krev/4953/>
[cit. 2011-12-17]
[2] ČERVENÝ, Č. Vademecum anatomie domácích savců. 1. vyd. Praha: Brázda, 2011. 271s.
ISBN: 978-80-209-0389-1
[3] PENAHKER,M.- IMRAMOVSKÝ,M.-TIEFENBACH,P. Lékařské diagnostické přístroje:
učební texty. 1 vyd. Ostrava: VŠB- Technická univerzita Ostrava, 2004. 320s. ISBN 80-248- 0751-3
[4] ČERNÝ, M.- PENHAKER, M.Biotelemetrie. 1.vyd. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2007.155s.
ISBN 987-80-248-1605-0
[5] ČERNÝ, M.- PENHAKER, M.Biotelemetrie: Laboratorní úlohy. 1.vyd. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2007.70s. ISBN 987-80-248-1605-7
[6] PUNČOCHÁŘ, J. Operační zesilovače v elektronice. 5vyd. Praha: BEN Technická literatura, 2002. 496s. ISBN: 80-7300-059-8
[7]URL<http://www.zdn.cz/clanek/priloha-lekarske-listy/pletysmografie-vyuziti-v-cevni- diagnostice- 451205> [cit. 2011-11-20]
[8] URL<http://www.gme.cz/_dokumentace/dokumenty/520/520-065/dsh.520-065.1.pdf>
[cit. 2011-10-2]
[9] URL <http://www.gme.cz/_dokumentace/dokumenty/520/520-021/dsh.520-021.1.pdf>[cit.
2011-10-2]
[10] URL < http://www.humusoft.com/produkty/matlab/> [cit. 2012-03-07]
[11] CORSIENCE BluesenseAD datasheet EN v1.2 [12] CORSIENCE BluesenceAD Transmission Protocol
I
11 Seznam p ř íloh
I Deska plošného spoje II Obvodové schéma III Umístění
IVGUI
V CD/software
II
I Deska plošného spoje
Návrh byl vytvořen v programu EAGLE
III
Obrázek I. Zobrazení cest
IV
Obrázek II. Osazení DPS
V II Obvodové schéma
Obrázek III. Obvodové schéma pletysmografu
VI
III Umíst ě ní
VII
IV GUI
VIII
