Аңдатпа. Бұл мақала жүрек қызметін бақылауға арналған сымсыз және киілетін құрылғыны әзірлеуге арналған. Құрылғы ESP32 микроконтроллері мен AD8232 операциялық күшейткішін бір тақтада біріктіруге негізделген, бұл жинақы және энергияны үнемдейтін жүйені қамтамасыз етеді.
Зерттеудің негізгі мақсаты – жүрек қызметін үздіксіз бақылай алатын және деректерді талдау үшін қашықтағы серверге жібере алатын құрылғы жасау. Ұсынылған технология жүрек параметрлерін өлшеудегі жоғары дәлдік пен сенімділікке ие.
Мақалада құрылғының аппараттық іске асырылуы егжей-тегжейлі қарастырылады, оның жұмыс істеу принципі сипатталады, эксперименттердің нәтижелері ұсынылады және осы әзірлеменің медицина саласында практикалық қолдану мүмкіндіктері талқыланады.
Түйін сөздер. Сымсыз жүрек мониторы, денсаулықты қашықтан бақылау, шағын құрылғы, медициналық электроника, біріктірілген жүйелер.
Кіріспе. Заманауи технологиялар денсаулық жағдайын бақылауға арналған ықшам және тиімді құрылғыларды жасау бағытында тұрақты түрде алға жылжуда. Бұл салада жүрек қызметінің жай-күйі сияқты маңызды көрсеткіштерді үздіксіз бақылай алатын сымсыз және киілетін құрылғылар ерекше маңызды болып келеді.
Бұл мақаланың мақсаты - ESP32 және AD8232 операциялық күшейткіші негізінде біріктірілген құрылғыны пайдаланып жүрек мониторингінің жаңа тәсілін ұсыну. Біз әзірлеген құрылғы деректерді жинау мен өңдеудің озық технологияларын біріктіреді, ақпаратты кейіннен талдау және интерпретациялау үшін қашықтағы серверге сенімді және дәл жіберуді қамтамасыз етеді.
Біздің құрылғының негізгі мүмкіндіктері оның ықшам өлшемі, төмен қуат тұтынуы және кию мүмкіндігі болып табылады, бұл пайдаланушыларға жүрек денсаулығын кез келген уақытта, кез келген жерде ыңғайлы бақылауға мүмкіндік береді.
Болашақта біз құрылғымыздың аппараттық құрамдас бөлігін, оның жұмыс істеу принциптерін, сондай-ақ тәжірибе нәтижелерін және медициналық тәжірибеде практикалық қолдануды егжей-тегжейлі қарастырамыз.
Әдістер мен материалдар.
Бұл бөлімде апараттың құрастыру барысы және оның электрондық сұлбасы және әр компонентіне талдау қарастырылады. Электрокардиографияны талдау және фильтрден өткізудін математикалық зерттеулер жүргіщілетін болады.
Электрокардиография жүрек-тамыр жүйесінің функционалдық жағдайын зерттеудің ең маңызды әдісі болып табылады. Сонымен қатар, жүректің электр өрісінің потенциалдарының дененің бетінде таралуының жеке ерекшеліктерінің айтарлықтай саны бар.[1]
Мен құрылғыны әзірлеу барысында ПХД сұлбасын EasyEda бағдарламсында сызылған болатын(Сурет 1).
Зерттеудің негізгі мақсаты – жүрек қызметін үздіксіз бақылай алатын және деректерді талдау үшін қашықтағы серверге жібере алатын құрылғы жасау. Ұсынылған технология жүрек параметрлерін өлшеудегі жоғары дәлдік пен сенімділікке ие.
Мақалада құрылғының аппараттық іске асырылуы егжей-тегжейлі қарастырылады, оның жұмыс істеу принципі сипатталады, эксперименттердің нәтижелері ұсынылады және осы әзірлеменің медицина саласында практикалық қолдану мүмкіндіктері талқыланады.
Түйін сөздер. Сымсыз жүрек мониторы, денсаулықты қашықтан бақылау, шағын құрылғы, медициналық электроника, біріктірілген жүйелер.
Кіріспе. Заманауи технологиялар денсаулық жағдайын бақылауға арналған ықшам және тиімді құрылғыларды жасау бағытында тұрақты түрде алға жылжуда. Бұл салада жүрек қызметінің жай-күйі сияқты маңызды көрсеткіштерді үздіксіз бақылай алатын сымсыз және киілетін құрылғылар ерекше маңызды болып келеді.
Бұл мақаланың мақсаты - ESP32 және AD8232 операциялық күшейткіші негізінде біріктірілген құрылғыны пайдаланып жүрек мониторингінің жаңа тәсілін ұсыну. Біз әзірлеген құрылғы деректерді жинау мен өңдеудің озық технологияларын біріктіреді, ақпаратты кейіннен талдау және интерпретациялау үшін қашықтағы серверге сенімді және дәл жіберуді қамтамасыз етеді.
Біздің құрылғының негізгі мүмкіндіктері оның ықшам өлшемі, төмен қуат тұтынуы және кию мүмкіндігі болып табылады, бұл пайдаланушыларға жүрек денсаулығын кез келген уақытта, кез келген жерде ыңғайлы бақылауға мүмкіндік береді.
Болашақта біз құрылғымыздың аппараттық құрамдас бөлігін, оның жұмыс істеу принциптерін, сондай-ақ тәжірибе нәтижелерін және медициналық тәжірибеде практикалық қолдануды егжей-тегжейлі қарастырамыз.
Әдістер мен материалдар.
Бұл бөлімде апараттың құрастыру барысы және оның электрондық сұлбасы және әр компонентіне талдау қарастырылады. Электрокардиографияны талдау және фильтрден өткізудін математикалық зерттеулер жүргіщілетін болады.
Электрокардиография жүрек-тамыр жүйесінің функционалдық жағдайын зерттеудің ең маңызды әдісі болып табылады. Сонымен қатар, жүректің электр өрісінің потенциалдарының дененің бетінде таралуының жеке ерекшеліктерінің айтарлықтай саны бар.[1]
Мен құрылғыны әзірлеу барысында ПХД сұлбасын EasyEda бағдарламсында сызылған болатын(Сурет 1).
Сурет 1 – Электр сұлбасының
Ұсынылған сұлбада қуат көзі және USB қосылым тізбегі ESP32 микроконтроллерін және AD8232 операциялық күшейткішін қуатпен қамтамасыз етуге арналған. USB micro-B қосқышы компьютерге қосылу үшін пайдаланылады. D+ және D-: Бұл деректер жолдары компьютер мен ESP32 арасында деректерді тасымалдау үшін пайдаланылады. Cn - бұл электр желісіндегі кернеу толқынын азайтуға көмектесетін тегістейтін конденсатор.
Қуатты басқару сұлбасында AMS1117-3.3 кернеу реттегіштері U1 және U6 арқылы 3,3 В дейін төмендетілген 5 В көзінен қуат алады. Сондай-ақ кернеуді сүзгілеу және тұрақтандыру үшін бірнеше конденсаторлар C1, C2, C4, C6, C24, C25 бар.
Байланыс интерфейстері ESP32 микроконтроллері USB U2, сериялық байланыс QR12, TXDO, RXDO, TXD, RXD және GPIO түйреуіштері сияқты әртүрлі интерфейстер арқылы басқа компоненттермен және сыртқы құрылғылармен байланысады. Операциялық күшейткіш бұл бөлім сигналды күшейтуге арналған AD8232 операциялық күшейткішін U4 және бірнеше резисторларды R18, R19, R20, R23, R25, R26, R27 және конденсаторларды C21, C22, C23, C26 қамтиды. сүзу. OPAMP 3,3 В қуат көзінен қуат алады және оның шығысы HPSENSE және AOUTH түйреуіштеріне қосылған. Перифериялық қосылымдар басқа құрылғыларға қосылуға арналған құлақаспап ұясы JP1 және тақырыптар U7 сияқты бірнеше перифериялық қосылымдарды қамтиды.
Коммутаторлар мен индикаторлар пайдаланушы әрекеттесуі мен күйді көрсету үшін бірнеше қосқыштар SW1, SW2 және жарық диодтары LED1, LED2 бар. Ажыратқыштар SW1, SW2 құрылғының жұмысын басқару үшін қолданылады. Жарық диодты шамдар LED1, LED2 құрылғының күйін көрсету үшін пайдаланылады. Әртүрлі құрамдас бөліктер: резисторлар R5, R9, R13, R14, R15, R16, R28, конденсаторлар C3, C7, C8, C9, C10, C11, C14, C15, C16 және диодтар D1, D2, DZ127R-11-02-25 токты шектеу, кернеуді реттеу және сигналды сүзу сияқты әртүрлі функцияларға арналған.
ESP32-WROOM-32 бұл ESP32 құрылғысын Wi-Fi желісіне қосу үшін пайдаланылатын Wi-Fi модулі. RX бұл деректер желісі Wi-Fi кіру нүктесінен деректерді алу үшін пайдаланылады. TX б ұл деректер желісі деректерді Wi-Fi кіру нүктесіне жіберу үшін пайдаланылады. Сымсыз жүрек соғу жиілігі мониторына арналған ПХД схемасымен таныстыру (Сурет 2,3).
Қуатты басқару сұлбасында AMS1117-3.3 кернеу реттегіштері U1 және U6 арқылы 3,3 В дейін төмендетілген 5 В көзінен қуат алады. Сондай-ақ кернеуді сүзгілеу және тұрақтандыру үшін бірнеше конденсаторлар C1, C2, C4, C6, C24, C25 бар.
Байланыс интерфейстері ESP32 микроконтроллері USB U2, сериялық байланыс QR12, TXDO, RXDO, TXD, RXD және GPIO түйреуіштері сияқты әртүрлі интерфейстер арқылы басқа компоненттермен және сыртқы құрылғылармен байланысады. Операциялық күшейткіш бұл бөлім сигналды күшейтуге арналған AD8232 операциялық күшейткішін U4 және бірнеше резисторларды R18, R19, R20, R23, R25, R26, R27 және конденсаторларды C21, C22, C23, C26 қамтиды. сүзу. OPAMP 3,3 В қуат көзінен қуат алады және оның шығысы HPSENSE және AOUTH түйреуіштеріне қосылған. Перифериялық қосылымдар басқа құрылғыларға қосылуға арналған құлақаспап ұясы JP1 және тақырыптар U7 сияқты бірнеше перифериялық қосылымдарды қамтиды.
Коммутаторлар мен индикаторлар пайдаланушы әрекеттесуі мен күйді көрсету үшін бірнеше қосқыштар SW1, SW2 және жарық диодтары LED1, LED2 бар. Ажыратқыштар SW1, SW2 құрылғының жұмысын басқару үшін қолданылады. Жарық диодты шамдар LED1, LED2 құрылғының күйін көрсету үшін пайдаланылады. Әртүрлі құрамдас бөліктер: резисторлар R5, R9, R13, R14, R15, R16, R28, конденсаторлар C3, C7, C8, C9, C10, C11, C14, C15, C16 және диодтар D1, D2, DZ127R-11-02-25 токты шектеу, кернеуді реттеу және сигналды сүзу сияқты әртүрлі функцияларға арналған.
ESP32-WROOM-32 бұл ESP32 құрылғысын Wi-Fi желісіне қосу үшін пайдаланылатын Wi-Fi модулі. RX бұл деректер желісі Wi-Fi кіру нүктесінен деректерді алу үшін пайдаланылады. TX б ұл деректер желісі деректерді Wi-Fi кіру нүктесіне жіберу үшін пайдаланылады. Сымсыз жүрек соғу жиілігі мониторына арналған ПХД схемасымен таныстыру (Сурет 2,3).
Сурет 2 - Сымсыз жүрек соғу жиілігі мониторына арналған ПХД схемасы.
Сурет 3 - Сымсыз жүрек соғу жиілігі мониторына арналған ПХД - ның 3D моделі.
Жүрекке қосылатын электродтардыңда өз орны болады, қазіргі кезде станционарлық экг апараттыр 12 электрод қолданылады ал сымсыз түрде қосылатын құрылғылар көбінесе 3-6 электродтар қолданылады.
Жүректің электр өрісі шамасы мен бағыты бойынша үнемі өзгеріп отырады. Бұл жүрек бұлшықеті арқылы қозу толқынының таралуына байланысты. Сонымен қатар, өткізгіш орта - адам денесі - гетерогенді, бұл әртүрлі ұлпалардың әртүрлі қарсылығына байланысты. Жүректің адам денесінің бетінде қозуы кезінде пайда болатын электр өрісінің изопотенциалдық сызықтарының таралу диаграммасы 4 суретте көрсетілген. Көптеген зерттеулер дипольдік теорияның клиникалық электрокардиографияда қолданылуын көрсетті. Бұл теория жүректің ЭҚК-нің тек фронтальды емес, сонымен бірге таралуын зерттеуге мүмкіндік береді.
Мысал ретінде кәдімгі электрокардиографты келтіруге болады. ЭҚК гальванометрдің оң және теріс полюстеріне қосылған 2 электродтың көмегімен өлшенеді.
Синус түйінінде оның өздігінен деполяризациясы нәтижесінде пайда болатын импульстар бүкіл жүректің қозуын және қозуын тудырады. Қалыпты синус түйінінің автоматикасы минутына 60-80 импульсті құрайды. Ең үлкен автоматизмге ие синус түйіні бірінші ретті автоматты орталық деп аталады. Ритмнің жоғарылауы мен төмендеуі, шамасы, адренергиялық және холинергиялық әсерлердің әсерінен, негізінен Са2+ концентрациясының өзгеруінен туындайды. Мысалы, жасушадан тыс кальций концентрациясының төмендеуі синус түйінінің автоматизмінің жоғарылауына әкеледі[2].
Ал ендігі кезекте біз адам денесінің кернеуін яғни жүрек соғысының жиілігіне сәйкес Эйтховен үшбұрышымен есептейтін боламыз(Сурет 4).
Жүректің электр өрісі шамасы мен бағыты бойынша үнемі өзгеріп отырады. Бұл жүрек бұлшықеті арқылы қозу толқынының таралуына байланысты. Сонымен қатар, өткізгіш орта - адам денесі - гетерогенді, бұл әртүрлі ұлпалардың әртүрлі қарсылығына байланысты. Жүректің адам денесінің бетінде қозуы кезінде пайда болатын электр өрісінің изопотенциалдық сызықтарының таралу диаграммасы 4 суретте көрсетілген. Көптеген зерттеулер дипольдік теорияның клиникалық электрокардиографияда қолданылуын көрсетті. Бұл теория жүректің ЭҚК-нің тек фронтальды емес, сонымен бірге таралуын зерттеуге мүмкіндік береді.
Мысал ретінде кәдімгі электрокардиографты келтіруге болады. ЭҚК гальванометрдің оң және теріс полюстеріне қосылған 2 электродтың көмегімен өлшенеді.
Синус түйінінде оның өздігінен деполяризациясы нәтижесінде пайда болатын импульстар бүкіл жүректің қозуын және қозуын тудырады. Қалыпты синус түйінінің автоматикасы минутына 60-80 импульсті құрайды. Ең үлкен автоматизмге ие синус түйіні бірінші ретті автоматты орталық деп аталады. Ритмнің жоғарылауы мен төмендеуі, шамасы, адренергиялық және холинергиялық әсерлердің әсерінен, негізінен Са2+ концентрациясының өзгеруінен туындайды. Мысалы, жасушадан тыс кальций концентрациясының төмендеуі синус түйінінің автоматизмінің жоғарылауына әкеледі[2].
Ал ендігі кезекте біз адам денесінің кернеуін яғни жүрек соғысының жиілігіне сәйкес Эйтховен үшбұрышымен есептейтін боламыз(Сурет 4).
Сурет 4 – Эйтховен үшбұрышы,
I - жүректің алдыңғы қабырғасы, II - I және III жолдардың қосындысы, III - жүректің артқы қабырғасы, aVR - жүректің оң бүйір қабырғасы aVL - жүректің сол жақ алдыңғы қабырғасы, aVL - жүректің сол жақ алдыңғы қабырғасы.[3]
Сигналды өңдеу барысында біз әртүрлі сигналды өңдеу үшін фильтр қолданылатын боламыз. Өңделмеген сигналдың түрін (Сурет 5) мамандар оқи алмайды.
Сигналды өңдеу барысында біз әртүрлі сигналды өңдеу үшін фильтр қолданылатын боламыз. Өңделмеген сигналдың түрін (Сурет 5) мамандар оқи алмайды.
Сурет 5 - Шулы ЭКГ сигналы
Көріп тұрғанымыздай алынған сигнал өте шулы және бұл сигналдын кірісін түзету үшін операционды күшейткімізге келетін кернеу көзін өзшнрту керек. ЭКГ сигналында бастапқы, пациент қозғалысы және басқа көздерден төмен жиілікті шу болуы мүмкін[4]. Төмен жиілікті сүзгі сигнал сапасын жақсарта отырып, оларды жоюға мүмкіндік береді.
Күшейткіш коэфициентін өлшеу:
CMRR -жалпы режимді қабылдамау коэффициенті (дБ-де).
Rin - ОУ – тің кіріс кедергісі әдетте 1 МΩ.
G - ОУ – тің күшеюі 90.
Бұл өзгерістерді енгізе отырып біз ЭКГ сигналын нақты түрге келтіреміз және ары(Сурет 6). Сигналды өңдеу барысынды біз MatLab бағдарламасында өзіміздің кіріс сигналымызды енгізіп соны өңдеп қандай фильтр қолдану керек екенін және де сол фильрді тапқан сон ары қарай сол фильтрді код түрінде алып өзіміздің бағдарламамызға енгімеіз және ол сигналды сайтқа жіберу үшінде керек болады. Әрі қарай математикалық жолмен сигналды цифрді түрде өндеу процессін көрсетіп өтемін(Сурет 7,8.9).
Rin - ОУ – тің кіріс кедергісі әдетте 1 МΩ.
G - ОУ – тің күшеюі 90.
Бұл өзгерістерді енгізе отырып біз ЭКГ сигналын нақты түрге келтіреміз және ары(Сурет 6). Сигналды өңдеу барысынды біз MatLab бағдарламасында өзіміздің кіріс сигналымызды енгізіп соны өңдеп қандай фильтр қолдану керек екенін және де сол фильрді тапқан сон ары қарай сол фильтрді код түрінде алып өзіміздің бағдарламамызға енгімеіз және ол сигналды сайтқа жіберу үшінде керек болады. Әрі қарай математикалық жолмен сигналды цифрді түрде өндеу процессін көрсетіп өтемін(Сурет 7,8.9).