• фотоприемника;
• излучателя с длиной волны 660 нм;
• блока аналоговой обработки (фильтрация, приведение сигнала к диапазону АЦП);
• блока аналого-цифрового преобразования (АЦП);
• блока цифро-аналогового преобразования (ЦАП);
• блока микроконтроллера (МК);
• жидкокристаллического экрана (ЖК);
• модуля памяти для хранения данных.

    Блок  датчиков, который располагается  непосредственно на объекте наблюдения, состоит из фотоприемника и излучателя красного диапазона излучения. Светодиод (излучатель) просвечивает палец пациента, а фотоприемник преобразует свет, прошедший через палец, в аналоговый сигнал. Затем сигнал приходит в блок аналоговой обработки, в которой происходит фильтрация сигнала (ФНЧ) от высокочастотных помех. Затем с помощью АЦП сигнал оцифровывается и поступает в микроконтроллер, где происходит первичная цифровая обработка сигнала, расчет ЧСС, и формирование пакета данных для отправки в ПК по интерфейсу USB. В ПК происходит вывод результатов мониторинга ФПГ-канала на дисплей.

2.3 Построение граф–схемы режимов работы и временной диаграммы режима работы

    Основным  режимом системы является режим  работы (мониторинга). В этот режим  СОФПГ входит после инициализации и калибровки.

    Структурная схема режимов работы СОФПГ, на которой изображены связи между режимами работы, приведена на рисунке 2.3: 

 

Рисунок 2.3 – Структурная схема режимов  работы 
 

    В процессе работы система переходит  в следующие режимы:

1. «Холодный пуск», происходит инициализация программ, загрузка конфигурационных данных.
2. «Калибровка», производиться диагностирование правильности подключения датчика, а также внутренних блоков изделия.
3. «Работа», изделие выполняет снятие сигнала, происходит его первичная обработка и пересылка в сетевой канал по соответствующему алгоритму.
4. «Ожидание», вычисления прекращаются, и изделие находится в состоянии ожидания команды на продолжение работы.
5. «Аварийный режим», устройство или какой-либо компонент неисправен.

 
 

    Временная диаграмма работы системы [5] в режиме измерений приведена на рисунке 2.4: 

Рисунок 2.4 - Временная диаграмма цикла в режиме работы системы 
 

    Вначале цикла работы происходит опрос датчика на пациенте, происходит АЦ-преобразование сигнала. По завершению АЦ-преобразования происходит первичная цифровая обработка очередного отсчета (проверка на достоверность) и его запись в память, а также формирование пакета и отправка на ПК по интерфейсу USB. Одновременно, массив из 1024 накопленных значений обрабатывается и рассчитывается ЧСС, которая выводится на ЖКИ устройства. Затем цикл повторяется заново до поступления сигнала прекращения работы.

 

3 Алгоритмическая структура СОФПГ

3.1 Разработка алгоритма функционирования устройства в режиме измерений (основной режим работы)

    В пункте 2.3 пояснительной записки приведена граф-схема режимов работы устройства. Ее функционирование реализуется в соответствии с алгоритмом, приведенным ниже.

    При включении прибора запускается  режим «Холодного пуска» происходит инициализация программ, загрузка конфигурационных данных. Затем СОФПГ переходит в режим «Ожидания». При длительном бездействии прибор выключается.

    С помощью команд управления кнопками могут быть произведены определенные действия и запущен необходимый режим работы. При выборе режима измерений вначале запускается калибровка устройства, т.е. происходит поиск необходимого уровня выходного сигнала датчика, затем СОФПГ переходит непосредственно в основной режим работы.

    В режиме измерений полученный ФПГ-сигнал обрабатывается с помощью программы микроконтроллера, которая высчитывает пульс. Результаты выводятся на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и сохраняются в памяти прибора.

    Блок-схема  алгоритма работы СОФПГ в режиме «Работы» приведена на рисунке 3.1.

    После старта и перехода системы в рабочий  режим, микроконтроллером подаётся сигнал на ЦАП, который вырабатывает сигнал, идущий на светодиод. Свет красного цветового диапазона попадает на фотодиод. Затем выходное напряжение фотодиода, пропорциональное яркости  красного светодиода, поступает в  блок аналоговой обработки, где происходит фильтрация. После аналоговой фильтрации сигнала фильтром низкой частоты, сигнал попадает на вход АЦП. АЦП, преобразовав входную аналоговую величину в цифровой код с частотой 1кГц, передает данные в микроконтроллер. Далее происходит проверка на достоверность, согласно, соответствующему алгоритму [6]. В результате достоверные значения, попавшие в технические границы, записываются в память. При накоплении достаточного количества значений инициализируется процесс расчета ЧСС и передача данных в ПК.

    Далее шаги данного алгоритма повторяются  вплоть до отключения системы. 
 

    Описание  переменных в блок-схеме алгоритма  работы СОФПГ:

    Y – выходной сигнал АЦП;

    DATA – массив данных, прошедших проверку на достоверность;

    i – номер текущего элемента массива данных DATA 
 

Рисунок 3.1 – Алгоритм работы устройства в режиме «Работы»

3.2 Разработка алгоритма калибровки устройства

    При нажатии соответствующей кнопки запускается режим «Калибровки» датчика, то есть происходит поиск необходимого уровня выходного сигнала датчика. Блок-схема алгоритма режима «Калибровки» представлена на рисунке 3.2. 

    Описание  переменных в блок-схеме алгоритма  калибровки:

    X_н – необходимый уровень ЦАП;

    X – величина, управляющая уровнем выходного сигнала ЦАП (1..100);

    dX – допустимая разница уровней Х и X_н. 

 

Рисунок 3.2 – Алгоритм работы устройства в режиме «Калибровки» 

    Вначале уровень ЦАП выставляется на минимальный  уровень. Затем постепенно уровень  увеличивается каждый раз на 1% до тех пор, пока разница между действительным и желаемым уровнем ЦАП не будет  меньше установленной заранее допустимой разницы.

    Когда «Калибровка» прибора закончена и получен необходимый сигнал, прибор переходит в режим «Работы» (режим измерений).

3.3 Разработка алгоритма  проверки на достоверность

    Разрабатываемая система СОФПГ в режиме измерений выполняет проверку на достоверность сигнала, поступающего с АЦП [6]. Эта обработка необходима, поскольку из-за особенностей метода измерения фотоплетизмографии возможны импульсные помехи с сигнала датчика. Это может произойти, в частности, из-за колебаний датчика на пальце пациента. Проверка на достоверность устраняет данные импульсные помехи, не давая им отразиться на результате вычислений ЧСС.

    Поступающий i-й сигнал с АЦП сравнивается с предыдущим (i-1)-м значением и если их разница больше заранее определенной величины dY (обычно она составляет 3·σ, где σ – среднеквадратическая ошибка измерения), то текущее значение сигнала заменяется предыдущим достоверным значением.

    Блок-схема  алгоритма проверки на достоверность  представлена на рисунке 3.3  

    Описание  переменных в блок-схеме алгоритма  проверки на достоверность:

    Y_i – переменная, хранящая i-й результат АЦП;

    Y_i-1 – переменная, хранящая (i-1)-й результат АЦП;

    TmpY – временная переменная, хранящая (i-1)-й результат АЦП

        на i-м шаге;

    dY – допустимая разница i-го и (i-1)-го результатов АЦП. 

 

Рисунок 3.3 – Алгоритм проверки на достоверность

3.4 Разработка алгоритма расчета ЧСС

    В качестве метода расчета ЧСС был  выбран метод Ленера и Рангайяна [1], позволяющий определить положение пика пульсовой волны. В данном методе используется оценка  по методу наименьших квадратов величины второй производной p(n) от сигнала ФПГ y(n): 

      

    Последовательность  вычислений ЧСС выполняется в следующим порядке:

• Вычисление линейной взвешивающей функции ω(k) = M – k + 1;
• Вычисление аргумента (n – k + 1) функции p²(n – k + 1);
• Вычисление p(n – k + 1);
• Возведение p(n – k + 1) в квадрат;
• Вычисление s(n);
• С помощью алгоритма поиска максимумов определяется пик сигнала ФПГ, который соответствует удару сердца;
• Запускается счетчик, который считает количество ударов сердца за 30 секунд;
• По истечении 30 секунд (расчет времени происходит по аппаратному таймеру) высчитывается среднее значение ЧСС (уд./мин.).

    Полученная  вторая производная позволяет выявить  пики фотоплетизмограммы, являющиеся ударами сердца (см. рисунок 3.4). 

 

Рисунок 3.4 – Алгоритм Ленера и Рангайяна (графические данные) 

    Кроме вышеперечисленных переменных, на блок-схеме  алгоритма обозначены переменные:

    i – количество отсчетов в алгоритме (i = 1024);

    M – параметр, зависящий от частоты дискретизации сигнала;

    k – временная переменная;

    CNT – количество пиков (ударов сердца);

    t – время, получаемое от таймера времени микроконтроллера

    H – частота сердечных сокращений (уд./мин) 

    Блок-схема  алгоритма вычисления ЧСС представлена на рисунке 3.5. 

 

Рисунок 3.5 – Блок-схема алгоритма Ленера и Рангайяна

3.5 Разработка алгоритма  поиска минимумов

    Поиск минимумов осуществляется по простому алгоритму поиска минимумов. Блок-схему алгоритма см. на рисунке 3.7. 

    Описание  переменных в блок-схеме алгоритма  калибровки:

    S_i – переменная, хранящая i-й результат второй производной;

    S_i-1 – переменная, хранящая (i-1)-й результат второй производной;

    First – временная переменная, позволяющая определить первый элемент

       среди множества убывающих значений  второй производной 

      (определить пик, см. рисунок 3.6);

    S₀ – уровень, необходимый для отделения малых пиков, не относящихся

     к ударам сердца (см. рисунок 3.6). 

 

Рисунок 3.6  

 

Рисунок 3.7 – Блок-схема алгоритма поиска пиков

    В начале от исходного сигнала второй производной отнимается заранее  определенная величина S₀, которая позволяет отсечь незначительные пики, не являющиеся следствием сердечных сокращений.

    Все положительные значения обрабатываются далее: при увеличении значений второй производной (подъем графика второй производной) переменной First присваивается значение 1. Это необходимо для корректного нахождения пика (см. рисунок 3.6).

3.6 Расчет вычислительной  сложности алгоритмов

    Для расчета времени выполнения полного  цикла работы выберем наиболее длинный  путь алгоритма функционирования системы [5]. После запуска калибровка проводится только один раз, и т.к. измерения происходят циклически, а значения для расчета ЧСС берутся из оперативной памяти ПК, то наиболее длинный путь алгоритма является алгоритм расчета ЧСС вместе с алгоритмом проверки на достоверность (см рисунки 3.3, 3.5).