Аппарат для электрорефлексотерапии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ — УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

УЧЕБНО-НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине

«Основы проектирования терапевтических и хирургических приборов, аппаратов и систем»

Тема курсовой работы: Аппарат для электрорефлексотерапии Работу выполнил студент: Асоцкий Сергей Петрович Орел, 2014 г.

Содержание Введение

1. Разработка медико-технических требований

1.1 Анализ исходных данных

1.2 Разработка медико-технических требований

2. Синтез структурной схемы, составление математического описания

2.1 Разработка и описание структурной схемы

2.2 Составление математического описания

3. Расчет параметров измерительной цепи

3.1 Синтез номинальной расчетной статической характеристики

3.2 Анализ статической характеристики

4. Распределение суммарной погрешности. Определение допусков на параметры

4.1 Анализ источников первичных погрешностей

4.2 Распределение частных погрешностей

4.3 Распределение первичных погрешностей и определение допусков на параметры

5. Анализ полученных результатов Заключение Список использованных источников

Введение

Воздействие различными видами физической энергии на акупунктурные точки и рефлексогенные зоны тела с диагностической или лечебной целью является областью теоретических и клинических исследований рефлексотерапии. Среди физических факторов воздействия особенно популярным уже в течение нескольких десятилетий является электростимуляция точек и зон. Это привело к формированию соответствующего направления в рефлексотерапии — электрорефлексотерапии.

Электрорефлексотерапия (ЭРТ)? общее название методов рефлекторного лечения путем воздействия на биологически активные или рефлексогенные зоны электрическим током.

Мировая клиническая практика уже давно отдает особое предпочтение методам электростимуляции БAT в комплексном лечении многих заболеваний. Электрический ток легко дозируется по мощности воздействия и является физиологически адекватным раздражителем для возбудимых тканей, сконцентрированных в области БAT. Современные аппараты для электростимуляции позволяют управлять частотой импульсов, их длительностью, формой, полярностью. Практическая реализация данного метода не требует введения игл, что минимизирует возможность случайного инфецирования.

Исходя из этого, разработка аппаратов для электрорефлексотерапии является актуальной задачей в наше время

1. Разработка медико-технических требований

1.1 Анализ исходных данных За последнюю четверть века ученые многих стран проявляют повышенный интерес к изучению электрических процессов в живом организме. Интерес не только теоретический, но и сугубо прикладной.

С их помощью производятся урежающая или учащающая стимуляция сердца при пароксизмальной тахикардии, активация деятельности мочевого пузыря, желудочно-кишечного тракта, матки, спинного мозга, периферических нервов и мышц. В современной медицине разрабатываются уникальные методы активного управления электрическими процессами головного мозга, целью которого является подавление патологических биопотенциалов. Данные методы могут помочь пациентам с паркинсоническогим тремором и некоторыми формами эпилепсии.

Возможность использования электричества в различных условиях делает его незаменимым и многогранным инструментом воздействия на биологические объекты. Именно благодаря электрону мы можем обнаруживать, изучать и воздействовать на многие явления, которые ранее были недоступны либо в силу их чрезвычайно малой величины, либо из-за отсутствия надлежащих для их выявления рецепторов. Благодаря электрону мы можем также осуществлять вмешательство в жизненные процессы путем возбуждения, торможения, передачи зарядов или ионов либо путем разрушения отдельных клеточных образований.

Известно, что сами биологические объекты генерируют микротоки. Обычно биологические явления сопровождаются электрическими токами весьма малых напряжений.

Поддержание мембранного потенциала необходимо для нормальной работы ионных каналов, которые очень чувствительны к любому его изменению. При действии микротоков потенциал на мембране меняется, некоторые ионные каналы открываются, и в клетку по концентрационному градиенту начинают поступать ионы, в том числе кальций, который является регулятором многих ферментов. Поэтому увеличение его внутриклеточной концентрации служит сигналом для запуска целого ряда процессов, в частности, синтеза АТФ универсальной клеточной «батареи», без энергии которой протекание дальнейших метаболических реакций просто невозможно. Таким образом, выстраивается следующая цепочка событий: действие микротоков? изменение мeмбранногo потенциала клеток? открытие ионных каналов, в том числе, кальциевых, (кальций начинает поступать внутрь клетки по концентрационному градиенту)? увеличение внутриклеточной концентрации кальция? активация Са-зависимых ферментов? увеличение синтеза АТФ (появляется энергия, необходимая для дальнейших внутриклеточных метаболических процессов)? синтез белков, липидов, ДНК и других важных для клетки молекул? ускорение дифференцировки клеток и регенерации ткани.

Рисунок 1.1.1 — Организм как энергетическая система

Исследования, показали, что в результате воздействия микротоков, синтез АТФ увеличивается на 500% (т.е. в 5 раз), а транспорт аминокислот? на 30−40%. [2]

Поэтому с целью воздействия на биологические процессы в организме логично применять электричество в виде микротоков слабого напряжения, приближающиеся по своим параметрам к токам, сопровождающим биологические процессы. В этом, собственно говоря, и состоит сущность электрорефлексотерапии.

Применение микротоков при рефлексотерапии объясняется ещё рядом тонкостей, связанных с особенностями биологического объекта.

Направленный поток заряженных частиц образует электрический ток. Наличие электрического заряда у частиц предполагает строго определенные законы силовых взаимодействий между ними, допускающие точную математическую формулировку и определяющие движение самих частиц. Не следует думать, что явление электрического тока исчерпывается простым механическим движением заряженных частиц. Во-первых, электрические и магнитные поля, связанные с движущимися заряженными частицами, обладают особой, немеханической, природой. Во-вторых, само движение элементарных частиц подчиняется иным законам, чем механическое движение макроскопических тел. И хотя в ряде вопросов такое утверждение верно, в других оно оказывается непригодным, и явления приходится анализировать на основе более сложных квантовомеханических представлений. Объяснение миграции (перемещения) энергии вдоль молекул живого тела дает электронная теория полупроводников, разработанная в физике твердого тела. Макромолекула живого организма во многом сходна с молекулой полупроводника, хотя происходящие в ней процессы гораздо сложнее. [3]

Носители зарядов, вообще говоря, могут быть различными. В одних случаях это заряженные атомы или молекулы (ионы), например при электролитической проводимости или в положительных лучах, возникающих в разреженных газах, в других? ток обусловлен движением электронов (в металлах и катодных лучах). Однако во всех случаях наличие тока сопровождается некоторыми общими явлениями: тепловыми, химическими, магнитными.

Механизм движения зарядоносителей, т. е. перенос электричества, характеризуется величиной электрического сопротивления или электропроводностью, обусловленной движением, количеством и видом зарядоносителей. Численные значения последней находятся в очень широких пределах, и, но каждому виду электропроводности эти пределы различны.

Полупроводники представляют собой самую большую группу веществ и имеют максимальные пределы численных значений удельной проводимости. Эти вещества в самом общем плане сближают живую и неживую природу.

Сопротивление человеческого тела непостоянно во времени и меняется в широких пределах, как у разных людей, так и в различных областях кожного покрова одного человека. Наиболее высокое сопротивление характерно для сухого наружного' кожного покрова (малопроводящий роговой слой) и колеблется в пределах 10⁵— 10⁶ Ом. Жидкая среда внутри человеческого организма (60—70% воды) содержит соли, которые делают ее хорошим проводником.

Электропроводность тканей различна. Так, хорошо проводят ток кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, паренхиматозные органы, мышцы, плохо? жировая ткань, сухожилия, нервы (миелиновая оболочка). Почти не проводят ток роговой слой кожи, ногти, волосы.

При наложении электродов между ними возникает электрическое поле, т. е. в тканях начинается движение ионов, обусловленное напряжением, поданным на электроды: электрический ток проходит через кожу, внутренние ткани и опять-таки через кожу замыкается на второй электрод. Под влиянием электрического ноля происходит перемещение внутри тканей не только ионов, но и белковых молекул и частиц воды. В направлении катода (отрицательно заряженного электрода) скапливаются положительные ионы. Они разрыхляют оболочку клеток, увеличивают их проницаемость, что ведет к повышению возбудимости. В области же анода в связи с уплотнением анионами (отрицательно заряженными ионами) оболочек клеток возбудимость их понижается.

Многослойность и различная электропроводность тканей являются причиной того, что силовые линии электрического поля в организме не всегда совпадают с кратчайшим путем между электродами, а могут захватывать отдаленные области. Ток устремляется в межклеточные пространства, заполненные проводящей жидкостью, по ходу кровеносных и лимфатических сосудов, оболочкам нервных стволов, через протоки потовых и отчасти сальных желез, т. е. по пути минимального сопротивления.

Процесс проникновения электрического тока в живые ткани сам по себе вызывает изменение их сопротивления. Так, с ростом напряжения сопротивление падает. При переходе к высоким напряжениям ток растет быстрее напряжения, так как сопротивление падает. Можно достичь момента, когда, сопротивление будет равно нулю и ток резко возрастет при неизменном направлении. Это приведет к разрушению диэлектрика, в данном случае? кожи, к так называемому «пробою».

Суть электрического пробоя заключается в резком возрастании электрического тока в цепи, сопровождающемся изменением свойств проводника.

Пробой кожи обусловлен двумя факторами:

1) возрастанием напряжения тока, поскольку при достаточно высоком напряжении происходят поляризация (процесс возникновения связанных зарядов в диэлектрике), затем ионизация молекул ткани и образование свободных зарядов, что приводит к резкому возрастанию тока. Обычно пробой кожи наступает при напряжении 10 — 50 В;

2) местным разогревом, так называемым «тепловым пробоем».

Количество образовавшегося при прохождении электрического тока тепла Q по закону Джоуля—Ленца зависит от силы тока I, сопротивления ткани R и длительности воздействия t:

Q = 0,24· I²·R·t (1)

Ткань под электродом нагревается. Компенсаторные системы организма, например увеличение кровотока, отводящие часть тепла, определенное время не дают ткани перегреваться. Однако при последующем нагреве растет кинетическая энергия молекул, что ведет к более легкой ионизации, падению сопротивления и резкому увеличению тока на данном участке. Возросший ток опять-таки увеличивает температуру ткани, вызывая лавинообразный процесс возникновения зарядоносителей. Таким образом, тепловой пробой наступает, когда организм не в состоянии локально компенсировать повышение температуры под действием электрического тока.

Поэтому, чтобы избежать пробоя кожи, следует применять токи малой плотности и только кратковременно.

Установлено, что при плотности тока 10^-7 А/см² свойства ткани не изменяются и пробоя не происходит, что соответствует средней скорости зарядоносителей порядка 10 ^-4 м/с.

Более заманчива, но и более сложна перспектива использования стимуляторов? микроэлектротока? через биологически активные точки кожи. Некоторые БАТ представлены на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2 — БАТ на теле человека

Не вызывает сомнения, что покровы тела служат, с одной стороны для отграничении организма от внешней среды (его персонализации), с другой стороны? для связи его с нею (его экологизации). Поэтому в процессе эволюции живых организмов, приспособления их к меняющимся условиям существования, условиям и требованиям среды. Покровы тела оказались функционально взаимосвязанными с нервной, гормональной и висцеральной системой. Это выражается в том, что как состояние внутренних органов через их интерорецепторы и изменение обмена веществ отражается на покровах тела, так и состояние экстерорецепторов кожи и проприорецепторов мышц изменяет состояние внутренних систем организма. Вегетативная система человека представлена на рисунке 1.1.3.

Рисунок 1.1.3 — Вегетативная нервная система

Известно, что жизнедеятельность любого живого существа, в том числе человека, есть непрерывный процесс поглощения, преобразования и перемещения энергии различных значений и различных видов. Особенностью электрофизиологических свойств биологических объектов является огромная подвижность зарядоносителей при крайне малых значениях энергии связи.

При этом клетки головного и спинного мозга обладают значительно большей электропроводимостью, чем мышечная ткань, система кровообращения и периферические нервы.

Мозговые клетки взаимодействуют со всем, что обусловливает жизнедеятельность, намного опережая другие системы организма по быстроте реакции на любой и в первую очередь электрический раздражитель. Поэтому стоит току пройти через кожу и тем самым преодолеть главный электрический барьер человеческого тела, он начинает действовать почти беспрепятственно, проходя через нервные сплетения, оплетающие сосуды и мышцы, достигать «коренных» клеток спинного мозга и симпатических узлов пограничного ствола, откуда электрический заряд идёт как свищ к внутренним органам, рисунок 1.1.4.

Рисунок 1.1.4 — Связь БАТ со спинным мозгом

Однако преодолеть очень мощное сопротивление кожных покровов, колеблющееся у здорового человека с неповрежденной сухой кожей от сотен тысяч до десятков миллионов Ом, почти невозможно, если не считать активных точек кожи, этих «энергетически крошечных лазеек». [5]

Гаваа Лувеан в своей книге «Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии» пишет, что «…точка? это небольшой ограниченный участок кожи и подкожной клетчатки, в котором имеется комплекс взаимосвязанных структур? сосудов микроциркулярного русла, нервов, клеток соединительной ткани, благодаря чему создается депо биологически активных веществ, оказывающих соответствующее влияние на нервные терминал и образование связей между точкой и внутренним органом. Биологически активные вещества служат гуморальным звеном рефлекторных дуг вегетативной нервной системы, регулирующей состояние организма». На рисунке 1.1.5 представлена БАТ на поверхности человека.

Рисунок 1.1.5 — Примерное строение биологически активной точки в коже

Таким образом, влияние электрического тока на активную точку подобно локально действующему стрессу, вызывающему «усиленную вибрацию одной из струн сложнейшего человеческого инструмента».

Схема корреляции БАТ с органом на рисунке 1.1.6.

Рисунок 1.1.6 — Схема взаимодействия БАТ с органами

Положительных результатов от воздействия на БАТ добился автор первой в нашей стране монографии «Электропунктурная рефлексотерапия» таблица 1.1. Ф. Г. Портнов (1980). 8]

Таблица 1.1.? Результаты применения электропунктурной терапии

Под действием слабых и умеренных электрических раздражителей у живых организмов обнаруживаются две ответные реакции? тренировки и активации. (М.Д. Уколовой, Л.X. Гаркавн, Е.Б. Квакиной)

Если эти реакции поддерживаются длительное время, то организм становится более устойчивым в преодолении различных трудностей, более резистентным по отношению к различным заболеваниям. Применение раздражителя такого рода позволяет добиться поразительного эффекта? рассасывания опухолей у экспериментальных животных и поверхностно расположенных злокачественных новообразований у человека.

Потенциал БАТ в зависимости от заболевания представлен на рисунке 1.1.7

Рисунок 1.1.7 — Электрический потенциал БАТ: 1 — здоровый человек; 2? больной

Установлено, что применение микротоковой рефлексотерапии приводит к повышению функциональных возможностей организма с дальнейшим ускорением выработки новых двигательных навыков за счет стабилизации патологической активности срединно-стволовых структур, восстановления корково-подкорковых взаимоотношений, повышения функциональной активности мозжечка, коррекции тонуса мышц-антагонистов, участвующих в патологических установках конечностей, а так же активации стресс-лимитирующих механизмов.

Коррегирующее воздействие микротоковой рефлексотерапии оказывает положительное влияние на гемодинамические и ликвородинамические нарушения, за счет рефлекторной стабилизации тонуса церебральных сосудов артериального и венозного русла, а так же стабилизирует тонус мышц опорно-двигательного и артикуляционного аппарата. Совокупность выявленных эффектов способствует существенному расширению адаптивных процессов в центральной нервной системе c развитием миелинизации и дендритного синаптогенеза, что существенно ускоряет реабилитационный процесс с развитием новых навыков.

Таким образом, электрорефлексотерапия улучшает процессы регенерации и восстановлении мышечной ткани. [9]

Преимущества данного метода заключаются в том, что воздействие осуществляется на ограниченном участке кожной поверхности, обладающем высокой степенью дифференциации и наименьшим электрическим сопротивлением в области акупунктурной точки. Так, например, если электрическое сопротивление для индифферентных участков кожи равно 1−2 мОм, то сопротивление в акупунктурных точках будет равным 20 — 40 кОм.

Действие физиологического раздражителя на такой участок позволяет получить выраженный терапевтический эффект даже в тех случаях, когда обычные медикаментозные и физиотерапевтические процедуры не дают сколько-нибудь значительного результата. Это позволяет сократить сроки лечения, снизить расход лекарственных препаратов, а следовательно, их токсическое влияние на организм в целом.

1.2 Разработка медико-технических требований

1 Наименование и область применения

1.1 Наименование: Аппарат для электрорефлексотерапии.

1.2 Область применения: аппарат предназначен для диагностики и лечения путём электрорефлекторного воздействия микротоками на биологически активные точки. Используется для лечения широкого спектра функциональных нарушений организма безмедикаметозными методами.

2 Основание для разработки

2.1 Разработка изделия проводится на основании задания на курсовую работу на тему «Аппарат для электрорефлексотерапии».

3 Исполнитель разработки: студент УНИИ ИТ, группы 41-ИД Асоцкий С. П.

4 Цель и назначение разработки

4.1 Основной целью разработки является создание устройство для лечения широкого спектра функциональных нарушений организма путём электрорефлекторного воздействия микротоками на БАТ.

4.2 Устройство предназначено для лечения функциональных нарушений организма.

4.3 Преимуществом разрабатываемого устройства по сравнению с существующими аналогами является поиск биологически активных точек по значению индивидуального значения импеданса, а также воздействие на эту точку.

Применение токов слабого напряжения приближает воздействие по своим параметрам к токам биологических процессов. Вдобавок, это позволяет избежать электрического и теплового пробоя кожи.

Канал измерения позволяет измерять сопротивления с высокой точностью за счёт применения преобразователя сопротивление — частота.

5 Источники разработки

5.1 Исходные требования определяются заданием на курсовую работу;

ГОСТ Р 15.013−94 «Медицинские изделия»;

ГОСТ Р 50 444−92 «Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия».

6 Медицинские требования

6.1 Выход из строя одного или нескольких блоков аппарата во время его работы не должен вызывать никаких последствий для состояния здоровья исследуемого пациента, а также обслуживающего медицинского персонала, так как в процессе работы устройства амплитуда воздействующего тока, подаваемого на пациента, не превышает нескольких микроампер.

Конструкция устройства должна быть выполнена таким образом, чтобы прикасание к частям, находящимся под напряжением, было затруднительно для оператора.

6.2 В основу принципа действия устройства положен метод Фоля, основанный на использовании микроамперных токов значением от 0 до 20.

6.3 Единовременно может обслуживаться только один пациент. Разрабатываемое устройство имеет два канала измерения. Эксплуатация устройства требует специальных навыков работы.

6.4 Контроль, регулировка и ремонт прибора осуществляется квалифицированным инженерно-техническим персоналом ремонтных предприятий системы «Медтехника» и других предприятий, допущенных к проведению подобных работ.

6.5 Способ отображения результатов измерения — визуальный и звуковой.

6.6 На работоспособность устройства не должно влиять включение (отключение) электромагнитных приборов.

7 Технические требования

7.1 Состав изделия.

7.1.1 Устройство состоит из следующих основных составных частей:

Демультиплексор, Цифро-аналоговый преобразователь, Преобразователь сопротивление — частота, Микропроцессор, Постоянно запоминающее устройство, Блок ручного управления, Аналого-цифровой преобразователь, Звуковой индикатор, Визуальный индикатор, Блок связи.

Состав изделия может быть уточнен и конкретизирован на этапе разработки.

7.1.2 Эксплуатационным документом на устройство является «Техническое описание и инструкция по эксплуатации».

7.2 Показатели назначения

7.2.1 Технические параметры:

Таблица 1.2.1

7.2.2 Предел допускаемой основной погрешности измерения ± 1%;

Предел допускаемой основной погрешности воздействия ± 5;

7.2.3 Энергопитание устройства — автономное.

7.3 Условия эксплуатации (использования, транспортирования и хранения).

7.3.1 Требования устойчивости разрабатываемого изделия к воздействующим факторам внешней среды.

7.3.1.1 Требования устойчивости к климатическим и механическим воздействиям при эксплуатации по ГОСТ 20 790.

Рабочими условиями эксплуатации должны быть:

— температура окружающего воздуха — от плюс 15 до плюс 30 °C;

— относительная влажность воздуха — до 80% при 25 °C;

— атмосферное давление — от 84 кПа до 107 кПа.

7.3.1.2 Требования устойчивости изделия и (или) его составных частей к стерилизации или дезинфекции по ГОСТ 28 703–90.

7.3.1.3 Требования устойчивости к климатическим и механическим воздействиям при транспортировании по ГОСТ 15 150.

7.3.2 Транспортировка устройства производится в транспортировочной таре предприятия-изготовителя.

Устройство транспортируется во всех видах крытого транспортного средства в соответствии с правилами перевозки грузов, действующих на каждом виде транспорта.

При транспортировке обязательно надо обеспечить устойчивое положение упаковочной коробки и отсутствие ее перемещений в процессе транспортирования.

7.3.3 Эксплуатация устройства не требует от обслуживающего его медицинского персонала специальных навыков и знаний.

7.3.4 Внешний осмотр устройства проводится не реже одного раза в шесть месяцев с целью установления его пригодности для дальнейшего использования.

Осмотр внутреннего состояния монтажа и узлов устройства проводится не реже одного раза в год высококвалифицированным техническим персоналом, знакомым с принципом действия устройства, согласно методике, изложенной в техническом описании на устройство.

7.4 Требования безопасности

7.4.1 Устройство должно быть электробезопасным для пациентов, медицинского и обслуживающего персонала при эксплуатации и техническом обслуживании и соответствовать ГОСТ 12.2.025 и ГОСТ Р50 267.0−92, тип защиты — В.

7.4.2 Уровень радиопомех, создаваемых устройством, не должен превышать значений, установленных ГОСТ 23 511.

7.4.3 Величина тока подаваемого на пациента не должна превышать 105 мкА.

7.4.4 Максимальная температура наружных поверхностей устройства, доступных для прикосновения, над температурой окружающей среды, равной 25⁰С, после двух часов работы должна быть в установленных пределах.

7.5 Требования к надежности

7.5.1 В зависимости от возможных последствий отказов в процессе эксплуатации устройство относится к классу В по ГОСТ Р 50 444.

7.5.2 Средняя наработка на отказ — 3500 час;

средний срок службы — 7 лет;

среднее время восстановления работоспособного состояния после 4 часов непрерывной работы, не более — 1 часа.

7.5.3. Испытания на безотказность проводят методом одноступенчатого контроля для экспоненциального закона распределения времени безотказной работы по ГОСТ 23 256.

Испытания на долговечность проводят на образцах установочной серии по ГОСТ 23 256.

Испытания на сохраняемость проводят по ГОСТ 23 256.

Ремонтопригодность устройства проверяют в соответствии с ГОСТ 23 256

7.6 Требования к конструктивному устройству

7.6.1. Масса устройства, не более — 2 кг; габаритные размеры, не более — 210×160×110 мм.

7.6.2 Конструктивное исполнение устройства должно обеспечивать:

— взаимозаменяемость основных однотипных составных частей;

— ремонтопригодность;

— удобство эксплуатации, монтажа;

— исключение возможности несанкционированного доступа к частям блоков;

— доступ ко всем элементам, требующим коммутирования, регулирования, настройки, монтажа или замены в процессе эксплуатации.

6.7.3 Требования к материалам, и комплектующим изделиям по ГОСТ 20 790–93.

6.7.4 Требования к покрытиям по ГОСТ 9.401−91.

7.7 Эргономические требования

7.7.1 Устройство должно отображать на экране удобную для восприятия оператора информацию и не раздражающий слух звук.

7.8 Требования к дизайну.

7.8.1 Аппарат для электрорефлексотерапии должен соответствовать тенденциям современного дизайна.

7.9 Требования к патентной чистоте изделия

7.9.1 Аппарат для электрорефлексотерапии должен соответствовать требованиям по обеспечению патентной чистоты.

8 Метрологическое обеспечение

8.1 Устройство должно иметь автотест для проверки работы.

9 Экономические показатели

9.1 Ориентировочная стоимость изделия на момент разработки — 28 000 руб.

9.2 Ориентировочная потребность — 1000 шт.

10 Порядок испытаний и приемки

10.1 Порядок испытаний и приемки по ГОСТ Р 15.013−94. Условия испытаний — по ГОСТ 20 790.

2. Синтез структурной схемы, составление математического описания

2.1 Разработка и описание структурной схемы Устройство относится к медицинской технике и предназначено для диагностики и получения лечебного эффекта путём электрорефлекторного воздействия импульсными микротоками различной длительности на биологически активные точки. Кроме того, аппарат позволяет осуществить поиск БАТ.

Данный аппарат может использоваться для лечения широкого спектра функциональных нарушений организма безмедикаметозными методами.

Сущность предлагаемой схемы? устройство электрорефлексотерапии, поиска БАТ и генерации стимулирующих воздействий импульсными токами микродиапазона. Схема содержит: микропроцессор, к каналам вывода которого подключен демультиплексор и цифроаналоговый преобразователь, соединенный параллельно с преобразователем напряжение-ток и аналого-цифровым преобразователем. Преобразователь напряжение-ток последовательно сопряжён с демультиплексором.

К каналу ввода микропроцессора параллельно подсоединено постоянно запоминающее устройство и преобразователь сопротивление — частота. Демультиплексор соединён с электродами. На рисунке 2.1.1 приведена структурная схема устройства.

Микропроцессор взаимосвязан с блоком индикации и управления (БИиУ). БИиУ представляет собой параллельно соединенные блоки звуковой и визуальной индикации, блок ручного управления и блок связи с ПК. На рисунке 2.1.2 приведена схема блоком индикации и управления.

Данная совокупность блоков позволяет обеспечить формирование лечебных воздействий на организм человека за счет уже сформированной базы воздействий, реализованной в постоянно запоминающем устройстве.

Микропроцессор запрограммирован на самотестирование аппарата при условии закрытии крышкой электрода.

Программное обеспечение микропроцессора позволяет врачу задавать необходимые параметры оказываемого воздействия. Ввод данных осуществляется при помощи блока ручного управления.

Кроме того заявляемое устройство позволяет осуществить визуальный контроль амплитуды воздействия. Данная особенность достигнута за счет использования обратной связи канала воздействия.

Безопасность пациента обеспечивается за счёт быстродействия обратной связи, а при помощи импульсной формы воздействия практически исключается привыкание и поляризация ткани под электродами. Вдобавок, это позволяет избежать пробоя кожи, так как воздействие имеет токи малой плотности с коротким интервалом времени.

Рисунок 2.1.1 — Структурная схема устройства: Демультиплексор — 1; Преобразователь сопротивление — частота — 2; Постоянно запоминающее устройство — 3; Аналого-цифровой преобразователь — 4; Преобразователь напряжение-ток? 5; Цифро-аналоговый преобразователь — 6; Микропроцессор — 7; Блок индикации и управления — 8.

На рисунке 2.1.2 приведена схема блока индикации и управления.

Рисунок 2.1.2? Схема блоком индикации и управления: Звуковой индикатор — 9; Блок ручного управления — 10; Визуальный индикатор — 11; Блок связи — 12.

В постоянной памяти микропроцессора 7 хранится программа проведения диагностики, и примерная топография точек, в которых необходимо производить поиск БАТ, база данных, представленная в виде постоянно запоминающего устройства 3, содержит сведения о возможной длительности импульса и форме воздействия. Сведения представлены в виде дискретизованного по времени сигнала.

Перед проведением диагностики активизируется записанная в памяти микропроцессора 7 программа, задаются параметры сигнала воздействия, в том числе и амплитуда, при помощи блока ручного управления 10, и электрод приводится в контакт с телом пациента. Электрод соединён с демультиплексором 1, который сопрягает измерительный канал или канал воздействия с электродами. Управление демультиплексора осуществляется микропроцессором 7.

Процесс воздействия происходит в два этапа. На первом этапе производится измерение сопротивления в 10 зонах. Это необходимо для определения кожного сопротивления пациента в индифирентных точках и задания ориентировочного сопротивления, относительно которого будет осуществляться поиск БАТ. Для помощи оператору на экране дисплея 11 микропроцессора 7 отображается топография точек, в которых необходимо проводить измерения.

Далее, касаясь электродом случайных участков кожи, врач производит поиск БАТ по значению сопротивления в зоне контакта. При сопротивлении меньше чем в 10.30 раз относительно опорного сопротивления, микропроцессорное устройство 7 в ту же секунду подает управляющие сигналы на звуковой индикатор 9 и визуальный индикатор 11. Индикаторы служат средством привлечения внимания врача к точке касания и информируют его о нахождении БАТ под электродом. Помимо этого визуальный индикатор 11 предоставляет информацию об амплитуде тока воздействия.

Измерение сопротивления в зоне БАТ микропроцессором 7 осуществляется следующим образом. Микропроцессор 7 подаёт управляющее воздействие на демультиплексор 1 и посылает двоичную последовательность на цифро-аналоговый преобразователь 6, который преобразует цифровой код в аналоговую форму. Демультиплексор сопрягает выход преобразователя напряжение — ток 5 и вход преобразователя сопротивление-частота 2.

Далее этот сигнал преобразуется в эквивалентное значение амплитуды тока преобразователем напряжение — ток 5 и подаётся в зону БАТ через электрод. Второй электрод отводит ток из зоны БАТ и через демультиплексор подаёт на вход преобразователя сопротивление — частота 2.

Преобразователь сопротивление — частота 2 переводит значение сопротивления на входе в частоту сигнала и через свой канал вывода отсылает преобразованный сигнал обратно микропроцессорному устройству 7.

Режим измерения тока воздействия осуществляется следующим образом. АЦП 4 через свой канал ввода получает измерительный сигнал с ЦАП 6 и переводит напряжение на его выходе в понятный для микропроцессора 7 эквивалентный двоичный код. Зная коэффициент передачи преобразователя напряжение-ток, микропроцессор определяет действующее значение тока.

Второй этап. После выбора значения амплитуды, формы и длительности импульса сигнала воздействия, проводится загрузка данных в оперативную память микропроцессора 7. Затем с выхода микропроцессора 7 поступает управляющий сигнал на демультиплексор. Одновременно с другого выхода микропроцессора сформированный врачом сигнал воздействия поступает на вход ЦАП 6. Роль ЦАП 6 заключается в преобразовании переданной двоичной последовательности в эквивалентную аналоговую форму.

Далее, выходное напряжение ЦАП изменяется до необходимого значения амплитуды тока воздействия преобразователем напряжение-ток 5.

С выхода преобразователя 5 ток поступает на электрод, а затем и в зону БАТ. Второй электрод через демультиплексор отводит ток на общий провод.

Важной особенностью микропроцессора является ещё то, что при необходимости есть возможность сопряжения устройства с персональным компьютером при помощи блока связи 15.

2.2 Составление математического описания В разрабатываемом аппарате для электрорефлексотерапии предусмотрены два измерительных канала и один канал воздействия. В зависимости от необходимости микропроцессор может подключать поочерёдно канал воздействия и канал измерения к двум электродам. Второй же измерительный канал находится под постоянным контролем микропроцессора.

Составим математическое описание измерительного канала сопротивления зоны БАТ.

Демультиплексор представляет собой электронный ключ управляемый микропроцессорным устройством и исполняет роль посредника между двумя электродами и каналом измерения сопротивления и каналом воздействия током. Отсюда, выходное сопротивление на выходе демультиплексора определяется по формуле:

где — коэффициент передачи демультиплексора,

R_x — сопротивление зоны БАТ, Ом;

R_э — сопротивление электродов, Ом.

Следующим блоком канала измерения сопротивления является преобразователь сопротивление — частота, который состоит из интегратора компаратора и неинвертирующего усилителя. Последний имеет в своем составе искомое активное сопротивление зоны БАТ, которое подключается через демультиплексор к его инвертирующему входу.

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R₀ и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы неинвертирующего ОУ оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R_Д и R₂ образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал (I_см >> 0). Поэтому через R_Д и R₂ течет одинаковый ток.

Напряжение на выходе неинвертирующего ОУ будет определяться выражением:

где — коэффициент передачи неинвертирующего усилителя.

где — ток при поиске БАТ, пороговое значение которого 2 мкА.

Возвращаясь к преобразователю сопротивление — частота, определим выходную частоту напряжения и выражения (2.4):

где — коэффициент передачи преобразователя сопротивление? частота.

Подставляя (2.5) в (2.4), с учетом (2.3), (2.2) и (2.1) получаем:

Для дальнейшей обработки и вычислительных операций цифровой сигнал поступает на микроконтроллер.

Аналоговый канал воздействия начинается с цифро-аналогового преобразователя, где преобразуется числовой код в напряжение.

Выходное напряжение будет определяться:

где к_ЦАП — коэффициент передачи ЦАП,

N — числовой код с микропроцессора.

где: V_REF — значение опорного напряжения ЦАП,

— число разрядов ЦАП Выходное значение напряжения ЦАП претерпевает изменение в преобразователе напряжение-ток, на котором завершается формирование амплитуды тока до требуемого значения.

Ток с выхода преобразователя напряжение-ток определяется выражением (2.8):

где к_ПНТ — коэффициент передачи преобразователя напряжение-ток, С ПНТ ток поступает на демультиплексор, за счет которого происходит подача тока на электроды. Выходной ток на выходе демультиплексора определяется по формуле:

где к_Д3 — коэффициент передачи демультиплексора.

Подставляя (2.7) в (2.8) с учётом (2.9) и (2.10) получаем выражение (2.11):

Затем ток протекает по электродам и оказывает лечебный эффект на биологически активную точку.

Составим математическое описание канала измерения тока воздействия.

Напряжение с ЦАП по параллельной линии с преобразователем напряжение-ток поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, который преобразует напряжение в числовой эквивалентный код:

где — квант, В;

m — разрядность АЦП;

— диапазон входных напряжений АЦП, В;

Для дальнейшей обработки и вычислительных операций цифровой сигнал поступает на микроконтроллер.

3. Расчет параметров измерительной цепи и цепи воздействия

3.1 Синтез номинальной расчетной статической характеристики

3.1.1 Выбор цифро-аналогового преобразователя

В канале воздействия разрабатываемого устройства имеют место аналоговые сигналы. Чтобы микропроцессор мог оказывать аналоговое воздействие необходимо сигнал на выходе микропроцессора преобразовать в аналоговую форму, для чего используется цифро-аналоговый преобразователь.

ЦАП должен быть приспособлен для работы в микропроцессорной системе, иметь возможность синхронизации работы с микропроцессором, должен подходить по разрядности и быстродействию, поэтому выберем 8 разрядный ЦАП DAC0831.

Диапазон выходного напряжения для данного ЦАП от 0 до 5 В. Условно графическое представление ЦАП представлено на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 — Цифро-аналоговый преобразователь DAC0831

Выбор ЦАП на данном этапе является предварительным. Это связано с тем, что требования точности ЦАП будут получены лишь после решения прямой задачи теории точности — синтеза.

Основные параметры ЦАП приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1 — Основные параметры DAC0831

Дискретный код преобразуется с помощью ЦАП в аналоговый сигнал, при этом напряжение на выходе ЦАП:

где: N — код на входе ЦАП,

V_REF — значение опорного напряжения,

— число разрядов ЦАП Рассчитаем максимальное выходное напряжение ЦАП с учётом опорного напряжения V_REF = 5 В и числового кода 256:

Значение кванта будет определятся следующим выражением:

3.1.2 Выбор и расчёт аналого-цифрового преобразователя

В канале измерения разрабатываемого устройства имеют место аналоговые сигналы. Чтобы микропроцессор мог оперировать измерительной информацией, необходимо аналоговый сигнал на выходе канала измерения преобразовать в цифровой код, для чего используется аналого-цифровой преобразователь.

АЦП должен быть приспособлен для работы в микропроцессорной системе, иметь возможность синхронизации работы с микропроцессором, должен подходить по разрядности и быстродействию, поэтому выберем 10 разрядный АЦП AD 7813. Диапазон входных напряжений для данного АЦП от 0 до 5 В. Условно графическое представление АЦП представлено на рисунке 3.2

Основные параметры АЦП приведены в таблице 3.2

Выбор АЦП на данном этапе является предварительным. Это связано с тем, что требования точности АЦП будут получены лишь после решения прямой задачи теории точности — синтеза.

Рисунок 3.2 — Аналого-цифровой преобразователь AD 7813

Таблица 3.2 — Основные параметры AD 7813

Напряжение преобразуется с помощью АЦП в код, при этом номер кодовой комбинации на входе АЦП:

где: — напряжение на выходе ЦАП,

— значение кванта, где: — максимальное значение напряжения на выходе ЦАП,

— число разрядов АЦП.

3.1.3 Выбор и расчёт преобразователя сопротивление — частота Основными требованиями, предъявляемыми к преобразователю сопротивление? частота, являются требования высокой линейности и стабильности функции передачи. На рисунке 3.3 показана схема преобразователя сопротивление — частота, имеющего высокую линейность и стабильность функции передачи. В схему входят интегратор, построенный на DA1, компаратор DA2 и неинвертирующий усилитель, построенный на DAЗ.

Рисунок 3.3 — Преобразователь сопротивление — частота

Компаратор и неинвертирующий усилитель образуют триггер Шмитта, на вход которого поступает пилообразный сигнал с выхода интегратора (точка А). Схема преобразователя представляет собой генератор прямоугольных импульсов. Если амплитуды положительного и отрицательного выходных импульсов равны по модулю, т. е.

гденапряжение насыщения DA1 (DAЗ), то при изменении полярности выходных импульсов напряжения на входах компаратора (точки А, В) изменятся скачкообразно на величину? U_A = 2U_вых,

Затем напряжение на выходе DA1 (точка А) будет линейно изменяться с постоянной времени ф = R₁C₁ в течение полупериода Т/2 до момента равенства напряжений U_А = U_В = U_вых, т. е.

Отсюда находим частоту колебаний

Для исключения влияния емкости кабеля С_К = 2 ± 1% мкФ, соединяющего резисторный датчик R_x с преобразователем, выбираем сопротивление резистора R₂ = 1 кОм, значение номинального сопротивления резистора соответствует ряду Е96 по ГОСТ 28 884. При таком значении переходной процесс, обусловленный этой емкостью, полностью заканчивается в течение одного полупериода. Определив R₂, рассчитываем и ф:

Из номинального ряда Е192 подберем наиболее подходящее значение конденсатора C1=40 нФ.

Для резистора выберем значение R₁ = 100 кОм, соответствующее номинальному сопротивлению резисторов С2−23 ряда Е192 по ГОСТ 28 884.

ф = 1· 10⁵·4·10^-8 = 4· 10^-3 сек Сопротивление электродов примем равным 20 ± 1% Ом.

Например, частота на выходе преобразователя при сопротивлении 50 кОм и 20 кОм будет равна f₁ и f₂ соответственно.

Электрические параметры резисторов представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 — Электрические параметры резисторов

Электрические параметры конденсатора представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 — Электрические параметры конденсатора

Выберем в качестве этого операционного усилителя усилитель LMV 6211. Он может работать с широким диапазоном синфазных напряжений и обеспечить максимально широкий диапазон входных напряжений от микровольт до вольт. ОУ имеет очень малые напряжения смещения и высокий уровень быстродействия. Его технические характеристики приведены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 — Технические характеристики LMV 6211

3.1.4 Выбор микропроцессора

Следующим элементом схемы является микропроцессор 1886ВЕ4У, выполняющий указанные выше операции над входными сигналами.

Микропроцессор представляет собой однокристальную микро-ЭВМ с ЭСППЗУ (Flash-типа) с интерфейсом USB.

Основные параметры микросхемы:

* Тактовая частота до 33 МГц

* Минимальная длительность цикла выполнения команды от 121 нс

* 58 однословных инструкций (коды инструкций 16-ти разрядные)

* 8-ми разрядное АЛУ

* Параллельные: 16-ти разрядная шина команд и 8-ми разрядная шина данных

* Инструкция 8×8 битного аппаратно реализованного умножения

* Поддержка прямого, косвенного и относительного режимов адресации

* Наличие инструкций одновременно работающих с двумя регистрами

* Все команды (включая команду 8×8 битное умножение) выполняются за один цикл (от 121нс), кроме команд ветвления и чтения/записи таблиц, выполняемых за два цикла

* Температурный диапазон: −60…−125 ⁰С

* 4-х векторный контроллер прерываний поддерживающий 18 источников прерываний (внешних и внутренних).

* 16-ти уровневый аппаратный стек.

* Возможность работы только с внутренней, с внутренней и внешней и только с внешней памятью программ (режимы: микроконтроллер, расширенный микроконтроллер и микропроцессор).

* Суммарный адресуемый объем памяти программ 128 КБайт (64К х 16 бит).

* Объем внутренней памяти программ 64 КБайта (32К х 16 бит).

* Внутренняя память программ перепрограммируемая FLASH типа.

* Объем внутренней памяти данных 902 байта.

* Все регистры «специального назначения» находятся в адресном пространстве памяти данных.

* До 28 универсальных линий ввода/вывода с индивидуальной настройкой направления и высокой нагрузочной способностью.

* 16-ти разрядный таймер/счетчик с 8-ми разрядным программируемым делителем (таймер 0).

* Один универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART), c программируемой скоростью передачи информации.

* Универсальный аппаратно реализованный контроллер и аналоговый приемопередатчик интерфейса USB 1.1, с четырьмя пользовательскими оконечными точками и со скоростью передачи до 12 Мбит/с.

* Последовательный синхронный порт с режимом последовательного периферийного интерфейса SPI.

* Универсальный контроллер внешней памяти типа NAND FLASH.

* Встроенное запоминающее устройство типа EEPROM объемом 256 байт.

* Микроконтроллер имеет систему сброса по включению и снижению напряжения питания (с таймерами отсрочки включения и запуска тактового генератора).

* Сторожевой таймер с собственным RC генератором на кристалле, для обеспечения высоконадежной защиты от сбоев.

* Защищенный режим (защита кода программы).

* Последовательный режим программирования памяти программ, возможность внутрисхемного программирования.

* Поддерживает режим энергосбережения SLEEP (с возможностью выхода с помощью внешних и внутренних прерываний и сброса).

* Четыре режима работы встроенного тактового генератора (RC генератор, использование в качестве тактовой частоты деленной на два частоты генератора USB контроллера, XT — стандартный генератор с кварцевым резонатором, EC — вход внешнего тактового сигнала).

* Встроенный регулятор напряжения на 3.3 вольта (ток до 40 мА).

* Диапазон напряжения питания ядра микроконтроллера от 4.5 до 5.5 вольт.

* Диапазон напряжения питания пользовательских выводов микроконтроллера от 3 до 5.5 вольт.

* 48 выводной металлокерамический корпус Н16.48−1 В.

1886ВЕ4У — высокопроизводительный 8-ми разрядный RISC микроконтроллер с Гарвардской архитектурой. Он предназначен для однокристальной реализации систем передачи, обработки и хранения данных, в том числе с применением внешней энергонезависимой памяти типа NAND Flash, использующих USB интерфейс. Может использоваться для организации малопроизводительных вычислительных систем и в качестве устройства совмещения различных типов интерфейсов.

Основные области применения: устройства сопряжения интерфейсов; системы хранения и передачи данных; малопроизводительные вычислительные устройства; промышленные системы управления; измерительное оборудование.

Микроконтроллер использует две тактовых частоты:

* первая — для микропроцессорного ядра и периферийных модулей,

* вторая — для контроллера USB.

В микроконтроллере есть два блока памяти: память программ и память данных. Каждый блок имеет свою собственную шину, так что доступ к каждому блоку возможен во время одного и того же цикла генератора.

Память данных делится на RAM общего назначения и регистры специальных функций (SFRs). Функционирование SFR-регистров, которые управляют ядром микроконтроллера.

Микроконтроллер имеет четыре порта ввода-вывода. Порты «С», «D» и «E» имеют регистр направления данных DDR, который используется для конфигурации выводов порта на вход или на выход. Некоторые выводы портов могут иметь дополнительное назначение.

На рисунке 3.5 представлен микропроцессор 1886ВЕ4У Рисунок 3.5 — Микропроцессор 1886ВЕ4У

3.1.5 Выбор демультиплексора Демультиплексор предназначен для целенаправленной коммутации (переключения) электродов на один из двух каналов. Таковыми являются: канал воздействия током и канал измерения сопротивления. Переключение каналов осуществляется микропроцессорным устройством.