РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА МОДУЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЛУБИНЫ АНЕСТЕЗИИ Новикова Ю.И.

Донской государственный технический университет


Номер: 4-3
Год: 2017
Страницы: 63-70
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

электроэнцефалограмма, глубина анестезии, конструкторская документация, electroencephalogram, anesthetic depth, engineering drawing

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье говорится о разработке конструкторской документации на модуль электроэнцефалографа системы контроля глубины анестезии, которая включает в себя схему электрическую принципиальную, плату печатную, сборочный чертеж, структурную схему. Разработанная конструкторская документация может быть использована приборостроительными предприятиями для реализации аналога дорогостоящего зарубежного прибора.

Текст научной статьи

Контроль глубины анестезии во время операции - обязательная процедура, так как несвоевременное и незамеченное пробуждение пациента повышает риск послеоперационных осложнений. С 1994 года на рынке медицинского оборудования появляются мониторы глубины анестезии, работа которых основана на регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), так как анализ спонтанной и вызванной активности головного мозга обеспечивает точную оценку физиологического состояния пациента [1,28]. На сегодняшний день к числу надежных относятся мониторные системы и модули компании Aspect Medical systems (США), работа которых заключается в следующем: на основе обработки временных, частотных, спектральных параметров ЭЭГ выводится биспектральный индекс, соответствующий уровню сознания пациента (0 - электрическое молчание, 100 - состояние полного бодрствования) [1,29]. Другой пример - мониторы компании Danmeter (Дания), которые вырабатывают CSM-индекс и являются самыми портативными на сегодняшний день (130 гр.) [1,30]. Однако вышеуказанные приборы зарубежного производства достаточно дороги, что препятствует их внедрению в операционных комнатах российских клиник. Поэтому целью работы является разработка конструкторской документации на отечественный модуль электроэнцефалографа системы контроля глубины наркоза, в функции которого входит: формирование двух ЭЭГ-отведений, их усиление, оцифровка, обработка данных по заданному алгоритму для последующего вывода числового значения, соответствующего уровню угнетения сознания, на устройство отображения информации. Конструкторская документация включает: схему электрическую принципиальную, плату печатную, сборочный чертеж и структурную схему. Для осуществления цели мы использовали схему электрическую принципиальную модуля электрокардиографа ЭК12Т [2,11] производства ООО «НПП «Монитор» (рисунок 1). Она была преобразована в схему электрическую принципиальную модуля электроэнцефалографа (рисунок 2) с учетом того, что суммарный коэффициент усиления ЭЭГ-сигнала должен быть в тысячу раз больше усиления ЭКГ-сигнала. Рис. 1 - Схема электрическая принципиальная модуля электрокардиографа ЭК12Т Рис. 2 - Схема электрическая принципиальная модуля ЭЭГ Для получения нужного коэффициента усиления нами были выполнены следующие действия: номиналы резисторов R8, R9, R11, R12, R22, R23, изображенных на рисунках 3 и 4, были изменены так, чтобы коэффициент усиления дифференциальных усилителей DA1:A, DA1:B стал равен 331: (1) , а коэффициент усиления усилителей DA3:A, DA3:B (рисунок 4), которые также являются активными фильтрами нижних частот, стал равен 770,2: (2) . Рис. 3 - Дифференциальные усилители DA1:A, DA1:B Рис. 4 - Усилители DA3:A, DA3:B Таким образом, суммарное усиление тракта составило: (3) . Для сравнения: в схеме электрической принципиальной модуля электрокардиографа ЭК12Т суммарное усиления составляло 255,302. Рассмотрим подробнее схему электрическую принципиальную модуля ЭЭГ (рисунок 2). В данной схеме - два измерительных канала электроэнцефалограммы. Схема защиты от импульсов дефибрилляции выполнена на основе разрядников, расположенных в кабеле отведений, которые обеспечивают ограничение входного напряжения до 90 В, и схемы ограничения напряжения на уровне ±5 В (VD1-VD4). Катушки индуктивности L1-L3, резисторы R1-R3 и LC фильтры L6-L8 формируют пассивные ФНЧ второго порядка по каждому отведению, исключая электрод N (ФНЧ первого порядка). Эти фильтры обеспечивают подавление сигналов электрохирургического оборудования, телевизионных и радиостанций, а также иного высокочастотного оборудования. Нейтральный электрод N используется для устранения синфазной помехи. Схема контроля плохого контакта электродов в системе отведений позволяет своевременно определять обрыв или плохой контакт электродов. Высокоомные резисторы R5-R7, подключенные к источнику напряжения 5 В, и сопротивление контакта «электрод-кожа» образуют делитель, напряжение с которого подается на вход дифференциальных усилителей отведений. При плохом контакте электрода увеличивается сопротивление в цепи пациента, а, следовательно, и возрастает постоянное напряжение на выходе дифференциальных усилителей, которое поступает через коммутатор каналов DA5 на АЦП DA7. Оцифрованный сигнал из АЦП поступает в микроконтроллер DA8 для анализа состояния контакта «электрод-кожа». В случае обнаружения плохого электродного контакта микроконтроллер передает по последовательному интерфейсу сообщение микропроцессору о неполадках в системе отведений. Сигналы ЭЭГ с выхода ДУ (DA1:A, DA1:B) поступают на пассивные ФНЧ первого порядка C2-C3, R14-R15, частота среза которых равна: = (4) ===234 Гц. Затем пройдя через пассивные ФВЧ первого порядка C4-C5, R20-R21 с частотой среза =0,05 Гц, сигналы ЭЭГ усиливаются операционными усилителями DA3:A, DA3:B. Частота среза рассчитывается по формуле: = (5) ===0,05 Гц. Операционные усилители DA3:A, DA3:B выполняют функцию активного фильтра нижних частот первого порядка с частотой среза, равной 159 Гц для ограничения полосы частот, поступающих на вход АЦП (DA7). Частоту среза вычисляли по формуле: = (6) ===159 Гц. Далее отфильтрованные сигналы поступают на вход коммутатора DA5. Схема успокоения каналов ЭЭГ предназначена для предотвращения ухода изолинии при скачках напряжения, вызванных переходными процессами на участке электрод-кожа и двигательной активностью пациента. Она выполнена на транзисторах VT1-VT2, выполняющих роль ключей, через которые разряжаются конденсаторы C4-C5. Транзистор VT3 обеспечивает согласование уровней. Лог. 1, подаваемая на базу VT3 через резистор R26, закрывает ключи VT1-VT2, лог. 0 - открывает. Коммутатор выполнен на одной микросхеме DA5 и предназначен для коммутации выходных сигналов усилителей ЭЭГ и сигналов контроля обрыва электродов. Работой коммутатора управляет микроконтроллер DA8 через программируемые порты ввода-вывода PC1-PC5. При помощи коммутатора микроконтроллер выбирает, какой сигнал будет поступать на вход АЦП для измерения. В модуле ЭЭГ используется источник опорного напряжения DA4, который формирует опорное напряжение 5 В для АЦП и 1В для сдвига уровня усиленного ЭЭГ сигнала. Схема сдвига уровня, выполненная на микросхеме DA6, обеспечивает сдвиг уровня всех поступающих от коммутатора сигналов на 2 В для подачи на вход АЦП. Диапазон входных напряжений используемого 12-разрядного АЦП (DA7) составляет от 0 до +5 В. АЦП имеет следующие сигналы управления: -CS - входной сигнал запуска преобразования АЦП. Запуск осуществляется по перепаду из «1» в «0». Должен удерживаться в нуле до окончания передачи данных. -SCLK - входной сигнал тактовых импульсов для тактирования данных, выдаваемых АЦП по последовательному каналу. Достоверные данные могут быть считаны с АЦП по перепаду из «1» в «0» на входе SCLK. Для получения данных необходимо сформировать 16 тактовых импульсов. -SDATA - выход последовательных данных из АЦП. Для управления аналоговой частью в модуле ЭЭГ используется 8-разрядный микроконтроллер семейства AVR-ATMega8 (DA8). Основные технические характеристики микроконтроллера: тактовая частота 16 МГц; объем внутреннего ПЗУ 8 Кбайт (Flash); объем внутреннего ОЗУ 1 Кбайт; 23 программируемых портов ввода-вывода; два 8-разрядных таймера и один 16-разрядный; асинхронный последовательный канал UART; синхронный последовательный канал SPI; программируемый сторожевой таймер; АЦП; программируемая защита программного обеспечения от считывания. Микроконтроллер программируется внутрисхемно при помощи специального разъема X2 на плате для подключения программатора и поддерживает режим программирования по последовательному каналу. В этом режиме программирование осуществляется через последовательный интерфейс SPI путем посылки 4-байтовых команд на вывод MOSI микроконтроллера. Результат выполнения команд чтения снимается с вывода MISO. Источник питания гальванически развязанной части выполнен на микросхеме DA12, которая представляет собой DC/DC преобразователь и обеспечивает формирование напряжения ±7,2 В из напряжения +5 В. Для питания микроконтроллера и цепей оптронов используется напряжение +5 В, которое формируется из +7,2 В микросхемой DA9. Для обеспечения более стабильной работы схемы, снижения уровня шумов, взаимного влияния между каналами аналоговые узлы гальванически развязанной части питаются напряжением ±5 В, которое стабилизируется микросхемами DA10 и DA11. Гальваническая развязка асинхронного последовательного канала UART, соединяющего микроконтроллер AVR и процессор обработки сигналов, выполнена на высокоскоростных оптронах VU1 и VU2, которые обеспечивают дополнительную изоляцию цепей пациента. Получив схему электрическую принципиальную модуля ЭЭГ для нее составили плату печатную в графическом редакторе Sprint Layout 6.0 (рисунок 5), сборочный чертеж (рисунок 6) и структурную схему (рисунок 7) в системе проектирования радиоэлектронной аппаратуры P-CAD 2002. Рис. 5 - Плата печатная Рис. 6 - Сборочный чертеж модуля ЭЭГ Рис. 7 - Структурная схема модуля ЭЭГ Таким образом, разработанная конструкторская документация на модуль ЭЭГ системы контроля глубины наркоза может быть использована приборостроительными предприятиями для производства варианта для импортозамещения цифрового преобразователя BIS-монитора фирмы Aspect Medical systems.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.