Skip to main content

Csökkentjük a nyomást…

Megjelent: 2017. április 03.

MCA688 Eyecatcher…orvoson és páciensen egyaránt egy precíz, digitális vérnyomásmérővel


Az egyik legalapvetőbb diagnosztikai paraméterünk a vérnyomás. Ezt még ma is sok orvos méri a XVII. században feltalált U-csöves, higanyos nyomásmérővel, de a páciensek házi állapotfelügyeletére ez a klasszikus műszer nem alkalmas. A legjobb, ha a szenzor felhelyezésén és a mérés elindításán kívül semmit sem bízunk a páciensre. Az automatizált digitális vérnyomásmérők „belsejébe” ad betekintést a cikk.

 

A vérnyomásmérők ma a kórházak és orvosi rendelők alapvető eszközei világszerte. Használatuk része a páciensek egészségi állapotának megismerésére szolgáló alapvizsgálatoknak, bármilyen célból is keresik fel orvosukat. A Dolgok Internete (Internet of Things – IoT) és a páciensek „távmonitorozása” jelentőségének növekedtével azonban a módszer az otthonainkban is megjelenhet.
Egy digitális vérnyomásmérő oszcillometrikus módszerrel méri a diasztolés és szisztolés vérnyomást elektronikus nyomásmérő szenzor és numerikus megjelenítés segítségével. A vérnyomásmérés eredménye ugyanis két számból áll. A nagyobb a szisztolés vérnyomás, ami a szívizom összehúzódásakor mérhető. Az alsó – diasztolés – nyomásérték pedig az artériák (verőerek) nyomása két szívdobbanás közti időben, amikor a szívizom elernyed és a szív üregei ismét vérrel telnek meg.

MCA688 Eyecatcher

Egy tipikus, kereskedelmi forgalomban kapható műszer a mérés során egy felfújható mandzsettával (a csuklón vagy gyakrabban a felkaron) elszorít egy verőeret (artériát) a mandzsettába elektromos működtetésű kompresszorral pumpált levegő segítségével. Az érverés akkor szűnik meg, ha a mandzsetta nyomása meghaladja a szisztolés vérnyomást. Ezután a mandzsetta nyomását egy szelep segítségével lassan csökkentik, amíg az a diasztolés vérnyomás alá nem csökken. Az érverés jellegének megváltozásakor regisztrálják a mandzsettanyomás pillanatnyi értékét, és ezek adják a mérési eredményt.
A jelen cikkben bemutatott digitális vérnyomásmérő – a fentiektől eltérően – a két jellemző vérnyomásértéket, valamint a pulzusfrekvenciát a mandzsetta felfúvása közben méri meg. A mérés nem invazív módszerrel történik, amelynek az elektronikai megvalósításához lényegében csak egy instrumentációs erősítőre és egy 16 bites mikrovezérlőre van szükség. Az 1. ábrán a példaként bemutatott műszer tömbvázlata látható, amelyben az említett két funkciót a Microchip MCP6N16 erősítő és egy PIC24F mikrovezérlő látja el.

1abra

1. ábra Egy digitális vérnyomásmérő tömbvázlata

A felfúvás közbeni (Measurement When Inflating – MWI) mérési elv csökkenti a teljes mérési időt, és egyben csökkenti a páciensnek a madzsetta elszorításával okozott kényelmetlenség mértékét. Miután a motor „gyors” üzemmódban felfújja a mandzsettát 30 Hgmm[1] nyomásra, lassú üzemmódra vált, amely közben lassan és lineárisan (azaz másodpercenként azonos mértékben) növeli tovább a mandzsettanyomást. Amint a nyomás elég nagy lesz ahhoz, hogy már elkezdi akadályozni a vér áramlását a verőérben, a nyomásszenzor az artériás nyomás legalacsonyabb értékét detektálja. Ezen a ponton a mikrovezérlő AD-konverterének 2. csatornája (egy analóg felül áteresztő szűrő kimenetén) már a vérnyomás ingadozásának (oszcillációjának) a jeleit mutatja, amint az a 2. ábrán is látható.

2abra

2. ábra A nyomás oszcillációját mérő AD-konverter nyers adatai (ADC2 bemenet, 250 minta/s mintasebesség)

A nyomás oszcillációjának jelét aztán a szoftverben egy futóátlagoláson alapuló digitális szűrő dolgozza fel. Az átlagos artériás nyomás (Mean Arterial Pressure – MAP) a mandzsettanyomásnak az a pillanatértéke, ami a nyomásoszcillációs jelnek a maximuma. A vérnyomásmérés céljára kifejlesztett algoritmus szerint a szisztolés nyomás (SYS) és a diasztolés nyomás (DIA) egy empirikus képlettel meghatározott tartalmú táblázatból olvasható ki, a MAP érték ismeretében, (3. ábra). A mandzsetta felfújásának folyamata akkor ér véget, ha a nyomás elér egy előre meghatározott értéket. A pulzusfrekvencia (PR) az AD-konverter mintavételi gyakoriságának és a két egymást követő nyomásmaximum között vett minták számának szorzatából számítható.

3abra

3. ábra A digitálisan szűrt nyomásoszcilláció és a digitalizált mandzsettanyomás diagramjának jelei

Az analóg frontend

Az 1. ábrán látható instrumentációs erősítő (INA) feladata annak az analóg feszültségnek az erősítése, amely a mandzsettanyomás mérésére szolgáló, Wheatstone-hídba kapcsolt nyomásérzékelő hídátlójában keletkezik. Az INA teljes erősítése 101 V/V. Az erősítő kimenőjelének feldolgozása két útvonalon történik. Az egyik útvonal közvetlenül a mikrovezérlő AD-konverterének ADC1 csatornájára kapcsolódik, és ezzel a mandzsettanyomás pillanatértékét reprezentálja. A másik útvonalon egy kétpólusú aktív felüláteresztő szűrőre kapcsolódik, amelynek törésponti frekvenciái 0,48 és 4,8 Hz 92-szeres erősítéssel. Ezt a felüláteresztő szűrőt a mikrovezérlő belsejében kialakított műveleti erősítők egyikének felhasználásával valósítottuk meg. Ennek a szűrőnek a kimenete a nyomásoszcillációs jel, amelyet a mikrovezérlő AD-konverterének 2. csatornája digitalizál.

A mikrovezérlő

A mikrovezérlő része egy 12 bites, nagy sebességű, „csővezetékes”[2] adatfeldolgozású analóg-digitális átalakító (ADC). A mandzsettanyomás-jel és a nyomásoszcillációval arányos jel mindegyikét 250 Hz-es mintafrekvenciával és 12 bites felbontással mintavételezi a rendszer.
Az elkészült rendszerben – amely a megoldás kiértékelésére és demonstrációs célra, nem pedig közvetlen orvosi felhasználásra szolgál – a mikrovezérlőbe beépített műveleti erősítők egyikének felhasználásával valósítja meg az analóg felüláteresztő szűrő funkcióját. Az ugyancsak beépített, 10 bites DA-konverterek egyikét használtuk fel arra, hogy egy programmal vezérelhető DC-ofszetfeszültséget állítson elő a művelet erősítő egyenfeszültség-nullszintjének beállításához. A Microchip mTouch márkanevű, firmware-alapú érintésérzékelő technológiájával valósítottuk meg a készüléket vezérlő kapacitív érintésvezérlésű felhasználói interfészt, amelyhez a mikrovezérlő töltési időt mérő egységét (Charge Time Measurement Unit – CTMU) is felhasználtuk.
A demonstrációs áramkör a mikrovezérlő impulzusszélesség-modulátor (Pulse Width Modulator – PWM) egységét használja arra, hogy a kompresszor motorját gyors és lassú üzemmódban működtesse. Az MWI-módszerből következik, hogy a mérés közben fut a kompresszor motorja, amelynek zaja zavarhatja a mérést. Az áramkör felépítésének, a firmware-nek és a NyÁK elrendezésének tervezése során figyelembe vettük, hogy ennek a zajnak a hatása minimális legyen.
A vérnyomásmérés és a percenkénti pulzusszám megjelenítése egy LCD-panelen történik, de az USB-interfészen és vezetékmentes kapcsolaton át is elérhető. A mikrovezérlő integrált LCD-vezérlőt is tartalmaz, amely előállítja egy statikus vagy multiplexelt LCD-panel közvetlen meghajtásához szükséges adat- és vezérlőjeleket. A demonstrációs áramkör felhasználja a mikrovezérlőbe integrált USB On-The-Go adatkommunikációs interfészt. Ezen kívül tápegységet is tartalmaz, amely az 5 vagy 6 V-os fő tápfeszültségből előállítja a belső tápfeszültséget. A vezetékmentes kommunikáció megvalósításához a Microchip RN42 Bluetooth- és/vagy az RN171 WiFi-modulját a mikrovezérlő SPI vagy UART portján keresztül lehet csatlakoztatni. Az LCD-panelen valós idejű óra és naptár is megjeleníthető. Ezek az eszköz készenléti („mélyalvó”) üzemmódjában jeleníthetők meg.
A tápfeszültségbemenet akár négy 1,5 V-os, AAA-méretű szárazelemről, akár az USB-csatlakozó Vbus-vezetékéről táplálható. A belső, 3,3 V-os VDD tápfeszültséget az MCP1802 LDO (kis feszültségesésű analóg feszültségszabályozó) állítja elő az 5 V-os (USB Vbus) vagy 6 V-os (4×1,5 V AAA) „nyers” bemeneti feszültségből.
A kétmenetes, futóátlag-képzéssel működő digitális szűrőfunkciót, amely 3,5 Hz-es törésponti frekvenciával működik, a firmware részeként valósítottuk meg. Ez a nyers AD-konverter-mintákat „simítja” mindkét AD-konvertercsatorna méréseinél.
A demonstrációs eszközben a vérnyomás meghatározására egyedi algoritmust használtunk, amelyet egy, a Journal of Computer Systems & Applications folyóiratban 2012-ben publikált tudományos közlemény (szerzői: Wang Wei-Wei, Pu Bao-Ming, He Bao-Yue és Li Sheng-Jin) alapján fejlesztettünk.

Összefoglalás

Az orvosi gyakorlat alapvető mérőműszere, a vérnyomásmérő – amint azt a megépített demonstrációs modell is bizonyítja – megépíthető egy instrumentációs erősítő és egy mikrovezérlő felhasználásával.

 


[1] A fordító – de minden bizonnyal a szerző is – tisztában van azzal, hogy a nyomás szabványos SI-mértékegysége a Pascal (1N/m2). Mivel azonban az orvostársadalom ezt a mai napig nem vette tudomásul, és a vérnyomásadatokat máig a higanyos hőmérőkön közvetlenül értelmezhető „higanymilliméter” (Hgmm) mértékegységben adja meg, a cikk is ezt a gyakorlatot követi – A ford. megj.

[2] Csővezeték (pipeline) a jelen szövegösszfüggésben olyan elektronikai hardver, amelyet egy összetett feladat részfeladatokra bontásával terveznek. Az egyes részfeladatokat megoldó részegységek „lánckapcsolásúak”, azaz az egyik részegység kimenete a következő részegység bemeneti adatát adja. Működése tehát nagyon hasonlít a tömeggyártásban használt futószalagos szereléstechnológiákéhoz. Ezzel a rendszer átlagos feldolgozási teljesítménye jelentősen növekszik, ám egyetlen adat feldolgozási ideje nem lehet kisebb, mint a részfeladatok feldolgozási időinek összege. – A Szerk. megj.


Zhang Feng
Microchip Technology

www.microchip.com

Még több Microchip