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domingo, 16 de julio de 2017

Proyecto: Monitor de presión arterial


Introducción

           Nuestro proyecto final es diseñar y construir un dispositivo portátil de monitorización de la presión arterial que pueda medir las presiones sanguíneas y la frecuencia cardíaca de un usuario a través de un manguito de mano inflable. El dispositivo consta de tres partes principales: hardwares externos (como el manguito, el motor, la válvula, y el lcd), el circuito análogo, y el microcontrolador. El circuito anológico convierte el valor de presión dentro del manguito en formas de onda analógicas legibles y utilizables. La MCU muestrea las formas de onda y realiza la conversión A / D para poder realizar cálculos adicionales. Además, la MCU también controla el funcionamiento de los dispositivos tales como el botón y la pantalla LCD. Puesto que tenemos la palabra 'portátil' en nuestro título, seguro que todos los componentes se juntan en un paquete que permite al usuario llevarlo a cualquier lugar y realizar una medición siempre y donde quiera.

           Es innegable que hoy en día las personas son más conscientes de las condiciones de salud. Uno de los métodos más utilizados para probar las condiciones de salud de un individuo es medir su presión arterial y la frecuencia cardíaca. Nosotros, como aquellos que están preocupados por su salud, decidimos trabajar en este tema porque queremos construir algo que sea útil y útil en la vida real.

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Diseño de alto nivel

1) Cómo se miden las presiones sanguíneas

           Por lo general, cuando el médico mide la presión arterial del paciente, bombea el aire en el brazalete y utiliza el estetoscopio para escuchar los sonidos de la sangre en la arteria del brazo del paciente. Al principio, el aire es bombeado para estar por encima del valor sistólico. En este punto, el médico no escuchará nada a través del estetoscopio. Después de que la presión se libera gradualmente, en algún momento, el médico comenzará a oír el sonido del corazón late. En este punto, la presión en el manguito corresponde a la presión sistólica. Después de que la presión disminuye más, el médico seguirá escuchando el sonido (con diferentes características). Y en algún momento, los sonidos comenzarán a desaparecer. En este punto, la presión en el manguito corresponde a la presión diastólica.

           Para realizar una medición, utilizamos un método denominado oscillométrico . El aire será bombeado dentro del manguito para estar alrededor de 20 mmHg por encima de la presión sistólica promedio (aproximadamente 120 mmHg para un promedio). Después de eso, el aire se liberará lentamente del manguito haciendo que disminuya la presión en el manguito. Cuando el manguito se desinfla lentamente, estaremos midiendo la pequeña oscilación en la presión de aire del manguito del brazo. La presión sistólica será la presión a la que comienza a producirse la pulsación. Utilizaremos la MCU para detectar el punto en el que se produce esta oscilación y luego registrar la presión en el manguito. A continuación, la presión en el manguito se reducirá aún más. La presión diastólica se tomará en el punto en el que la oscilación comienza a desaparecer.


3) Hardware diagram


El diagrama anterior muestra cómo se maneja nuestro dispositivo. El usuario utilizará botones para controlar las operaciones de todo el sistema. La MCU es el componente principal que controla todas las operaciones, como el control del motor y la válvula, la conversión A / D y el cálculo, hasta que se completa la medición. Los resultados entonces son salida a través y pantalla LCD para que el usuario vea.

4) Circuito analógico
           El circuito analógico se utiliza para amplificar tanto los componentes de CC como de CA de la señal de salida del transductor de presión para que podamos usar la MCU para procesar la señal y obtener información útil sobre la salud del usuario. El transductor de presión produce la tensión de salida proporcional a la presión de entrada diferencial aplicada. La tensión de salida del transductor de presión oscila entre 0 y 40 mV. Pero para nuestra aplicación, queremos bombear el manguito del brazo a sólo 160 mmHg (aproximadamente 21.33 kPa). Esto corresponde a la tensión de salida de aproximadamente 18 mV. Por lo tanto, elegimos amplificar el voltaje de modo que la tensión de salida de CC del amplificador de CC tiene un rango de salida de 0 a 4V. Por lo tanto, necesitamos una ganancia de aproximadamente 200. Entonces la señal del amplificador de CC se pasará al filtro de paso de banda. El amplificador de CC amplifica tanto el componente de CC como el de CA de la señal (es sólo un amplificador normal). El filtro está diseñado para tener una ganancia importante de alrededor de 1-4 Hz y para atenuar cualquier señal que está fuera de la banda de paso. El componente de CA del filtro de paso de banda es el factor más importante para determinar cuándo capturar las presiones sistólicas / diastólicas y cuándo determinar la frecuencia cardíaca del usuario. La etapa final es la etapa de acoplamiento AC. Usamos dos resistencias idénticas para proporcionar un nivel de polarización de CC a aproximadamente 2,5 voltios. El condensador de 47 uF se utiliza para acoplar sólo un componente de CA de la señal para que podamos proporcionar el nivel de polarización de CC independientemente.
Diseño de Hardware

1) Transductor de presión


            Utilizamos el transductor de presión MPX2050 de Motorola para detectar la presión del brazalete del brazo. El transductor de presión produce la tensión de salida proporcional a la presión de entrada diferencial aplicada. Conectamos el tubo del manguito a una de las entradas y dejamos otra entrada abierta. De esta manera, la tensión de salida será proporcional a la diferencia entre la presión en el manguito y la presión de aire en la habitación. La característica de transferencia se muestra en la figura


Figure 1: Output voltage vs. Differential input pressure
2) Amplificador de CC

            Dado que la tensión de salida del transductor de presión es muy pequeña, tenemos que amplificar la señal para su posterior procesamiento. Utilizamos el amplificador de instrumentación AD620 de Analog Devices. La resistencia R G se utiliza para determinar la Ganancia del amplificador de acuerdo con la ecuación  Puesto que necesitamos la ganancia de aproximadamente 200, elegimos la resistencia R G a 240 ohmios. Esto nos dará la ganancia de 206 según la ecuación. Sin embargo, hemos medido la ganancia del circuito terminado, y la ganancia medida es 213. El esquema del amplificador se muestra en la figura 2.

                                                    Figure 2: Schematic of DC amplifier


3) Filtro de paso de banda

            La etapa del filtro de paso de banda está diseñada como una cascada de los dos filtros de paso de banda activos. La razón para usar dos etapas es que la etapa de paso de banda general proporcionaría una ganancia importante y la respuesta de frecuencia del filtro tendrá un corte más nítido que el uso de una única etapa. Este método mejorará la relación señal / ruido de la salida. Los esquemas de ambos filtros se muestran en la figura 3.




4) Etapa de acoplamiento de CA

            La etapa de acoplamiento de corriente alterna se utiliza para proporcionar el nivel de polarización de CC. Queremos que el nivel de CC de la forma de onda se sitúe aproximadamente a la mitad de Vdd, que es de 2,5 V. El esquema para la etapa de acoplamiento de CA se muestra en la figura 4. Dado este nivel de polarización, es más fácil para nosotros procesar la señal de CA con el encendido -chip ADC en el microcontrolador.



Figure 4: AC coupling stage for DC bias level


La salida de CA de esta etapa se transmitirá al convertidor analógico a digital en el microcontrolador Mega32. La imagen del banco de laboratorio se muestra en la figura 5. Podemos ver que es muy agradable y limpio.




Figure 5: AC Waveform
Diseño de software

1) Diseño para el control operativo

El diagrama de bloques para el control de operación consta de un total de 7 estados. Comenzamos primero en el estado de inicio donde el programa espera a que el usuario presione el botón blanco del dispositivo. Una vez que se ha pulsado el botón blanco, el proceso de medición comienza por inflar el manguito de mano. Mientras el brazalete está siendo inflado, si el usuario se siente muy incómodo o doloroso, puede presionar el botón gris (botón de emergencia) para detener el motor, desinflar rápidamente el brazalete y detener la medición. Esto garantizará que la seguridad del usuario se mantenga bien durante el uso del dispositivo. De todos modos, si el procedimiento de inflado del manguito se hace sin problemas, el aire se bombea en el manguito hasta que la presión dentro del manguito alcance 160 mmHg. Después de eso, el motor se parará y el aire se liberará lentamente del manguito. Una vez más, en este punto, el usuario puede abortar el proceso presionando el botón gris. Una vez que la MCU haya obtenido los valores de la frecuencia sistólica, diastólica y cardíaca, la válvula estará abierta para liberar aire del manguito rápidamente. Luego informará el resultado de la medición mostrando los datos obtenidos en la pantalla LCD. Después de que, si se presiona el botón negro, el programa volverá al estado START nuevamente esperando la siguiente medición. Tenga en cuenta que si se pulsa el botón de emergencia, se debe presionar el botón negro para volver al estado de arranque.


2) Diseño para medir las métricas

            Una vez que el motor bombea el aire en el manguito hasta que la presión excede los 160 mmHg, el motor deja de bombear más aire y el manguito se desinfla a través de la válvula ligeramente abierta. La presión en el manguito comienza a disminuir aproximadamente linealmente en el tiempo. En este punto, el programa entra en el modo de medición. El MCU examinará la señal de CA a través del pin de ADC0 y determinará los valores de presión sistólica, diastólica y la frecuencia cardiaca del usuario respectivamente. Para este proyecto, realizamos la medición utilizando el método oscilométrico, en el cual el programa monitorea las diminutas pulsaciones de la presión en el manguito. El diagrama de estado de la medición se muestra en la figura 7




Figure 6: State Diagram for Measurement
2.1) Medición de la presión sistólica

           Después de que el motor bombea la presión hasta 160 mmHg que es aproximadamente más que la presión sistólica de personas normales sanas, el manguito comienza a desinflarse y el programa entra en el estado de Sys_Measure. En este estado, el programa verá la forma de onda de AC desde el pin ADC0. Cuando la presión en el manguito disminuye hasta cierto valor, la sangre comienza a fluir a través del brazo. En este momento si miramos el osciloscopio, veremos el inicio de la oscilación. La presión sistólica puede obtenerse en este punto.

           La forma en que programamos esto es que establecemos un voltaje de umbral de 4V para la forma de onda AC. Al principio, no hay pulso y la tensión en el pin ADC0 es constante a aproximadamente 2,5 V. Entonces, cuando la presión en el manguito disminuye hasta que alcanza el valor de la presión sistólica, la oscilación comienza y crece. A continuación, contamos el número de impulsos que tiene valores máximos por encima de la tensión de umbral. Si el programa cuenta hasta 4, el programa entra en el estado Sys_cal. En este estado, el programa registra la tensión continua del pin ADC1. A continuación, convierte este valor de tensión de CC a la presión en el manguito para determinar la presión sistólica del paciente.

           A partir de la característica de transferencia del transductor de presión y de la ganancia medida del amplificador de CC, podemos determinar la presión sistólica observando la tensión de CC del pin ADC1. Explicaremos el procedimiento de conversión aquí. Vamos a la tensión de CC que leemos fuera del pin ADC1 ser DC_voltage ', y la ganancia del amplificador de CC sea DC_gain'. Entonces la tensión diferencial que sale del amplificador de CC se calcula como  


2.2) Medición de la frecuencia del pulso

           Después de que el programa terminó de calcular la presión sistólica, entonces comienza a controlar la frecuencia del pulso del paciente. Elegimos determinar la frecuencia del pulso justo después de determinar la presión sistólica porque en este punto la oscilación de la forma de onda es más fuerte. El programa muestra la forma de onda de CA cada 40 milisegundos. A continuación, registra el intervalo de tiempo cuando los valores de la forma de onda AC cruzan el valor de voltaje de 2,5 voltios. El programa toma entonces el promedio de cinco intervalos de tiempo para que la frecuencia cardíaca sea lo más precisa posible. La variable utilizada para contar el número de intervalos de tiempo es count_average como se muestra en el diagrama de estado. Después de determinar la frecuencia cardiaca, el programa entra entonces en el estado Dias_medida, en el que intenta medir la presión diastólica del paciente.

2.3) Medición de la presión diastólica

           Después de determinar la frecuencia del pulso, el programa entra en el estado Dias_Measure. En este estado, el programa todavía está muestreando la señal cada 40 milisegundos. Definimos entonces el umbral para la presión diastólica. Mientras el manguito se desinfla, en algún momento antes de que la presión alcance la presión diastólica, la amplitud de la oscilación disminuirá. Para determinar la presión diastólica, registramos el valor DC en el punto en que la amplitud de la oscilación disminuye por debajo de la tensión umbral. Esto se hace mirando el intervalo de tiempo de 2 segundos. Si la forma de onda AC no supera el umbral en 2 segundos, significa que la amplitud de la oscilación está realmente por debajo del umbral. El valor DC se puede convertir de nuevo a la presión en el brazalete usando el mismo procedimiento descrito en la sección de medición de presión sistólica.

           Tenga en cuenta que la determinación de la presión diastólica es bastante difícil y ambigua ya que el umbral de voltaje varía de persona a persona. Por lo tanto, tenemos que ajustar el umbral de voltaje que utilizamos para que el valor de la presión diastólica que obtenemos corresponde al valor conocido que usualmente obtenemos cuando lo medimos usando el producto comercial disponible.

           Después de que el programa termine de calcular la presión diastólica, mostrará la información adquirida de la medición en la pantalla LCD. A continuación, el programa abrirá la válvula y el manguito se desinflará rápidamente. La medición ya está terminada.
Resultados

           Los resultados del proyecto son los esperados y satisfactorios para nosotros. Si el usuario permanece inmóvil durante la operación, el dispositivo puede medir la presión arterial (sistólica y diastólica) y la frecuencia cardíaca sin ningún problema.
1) Duración de la medición

           Desde el principio hasta que todas las mediciones se hacen, se tarda unos 1,5 minutos. Sin embargo, esto también depende de cada individuo y cómo se lleva el brazalete. Para cada persona, la amplitud de las formas de onda puede diferir, causando que el tiempo de operación varíe. Sin embargo, la diferencia es pequeña y suele estar en 10 segundos.

2) Precisión

           Como se mencionó anteriormente, todas las mediciones dependen principalmente de las formas de onda del circuito y el sensor de presión es muy sensible incluso a un ligero movimiento del usuario. Como resultado, es posible que a veces el dispositivo no obtenga los datos deseados, especialmente si el usuario no se queda quieto o usa el manguito incorrectamente.

           En cuanto a los tres valores de resultado (sistólica, diastólica y frecuencia cardíaca), algunos de ellos tienen más tasa de éxito que los demás. Para la frecuencia cardíaca, la tasa de éxito es muy alta para obtener un valor exacto. Para encontrar la frecuencia cardíaca, necesitamos encontrar el período de la forma de onda AC. Y puesto que el período de la frecuencia cardíaca se mantiene bastante constante a través de la medición, es relativamente fácil obtener un resultado preciso. Para encontrar los valores de presión, sin embargo, son más difíciles porque dependen de la amplitud de la forma de onda, y la amplitud varía mucho durante la medición. Sin embargo, si el usuario permanece inmóvil y lleva el puño a la derecha, la medición suele ser exitosa 8 veces de 10 intentos (80% de éxito).

           Otro tema que vale la pena mencionar es que el método de medición que usamos se llama método oscilométrico. Por lo general se despliega en productos comerciales debido a la fiabilidad. Sin embargo, este método no es tan exacto como el método auscultatorio, en el que el médico utiliza el mocrophone para escuchar el ruido en la arteria.

3) Safty en Diseño

           Dado que se trata de un instrumento de instrumentación médica, la seguridad del usuario es la primera preocupación para nosotros. El manguito mientras está impulsado por un motor de 5 voltios puede apretar el brazo muy duro y causar lesiones si se utiliza incorrectamente. Así que en nuestro dispositivo tenemos 3 niveles de seguridad, asegurándose de que la operación puede ser abortada por el usuario en cualquier momento.

           Para el primer diseño de seguridad, el microcontrolador se programa de tal manera que si la presión en el manguito es mayor que 160 mmHg, el motor se detendrá. Para la mayoría de las personas, la presión a 160 mmHg sólo causará un poco de incomodidad al brazo. Este diseño garantiza que la presión dentro del brazalete nunca excederá el límite máximo de 160 mmHg.

           El segundo diseño de seguridad es proporcionar un botón de emergencia para el usuario. Mientras el motor está bombeando y el brazalete está siendo inflado, si el usuario encuentra demasiada incomodidad o dolor, puede presionar este botón para detener la operación inmediatamente. El motor se parará y la válvula se abrirá para liberar el aire del manguito.

           Sin embargo, todavía pensamos que sólo un botón no es suficiente para la seguridad del usuario. Esto se debe a que el botón de emergencia sigue dependiendo del sistema operativo del programa en la MCU. A pesar de que no tenemos errores en nuestro programa, si algo sale mal con la MCU o las conexiones de botón, existe la posibilidad de que el botón de emergencia se vuelva inutilizable. Así que estamos de acuerdo en que debemos tener otro swtich que controlan el dispositivo físicamente. Este interruptor debe poder desconectar el circuito de la fuente de alimentación inmediatamente. De esta manera es seguro que el usuario podrá detener la operación incluso cuando el botón de emergencia no funcione. Y este interruptor es el interruptor de encendido / apagado que tenemos en el dispositivo.

           Aparte de las preocupaciones del manguito y el motor, nuestro proyecto es muy seguro de usar porque está muy bien empaquetado en un recinto de plástico. El dispositivo está funcionado por la batería de baja tensión (9 voltios) que no puede causar cualquier daño importante al cuerpo humano.

4) Interferencia con los diseños de otras personas

           Dado que nuestro proyecto sólo realiza mediciones en un individuo (usuario), no debe haber interferencia producida por el dispositivo además del sonido del motor en funcionamiento (que es muy silencioso comparado con los motores normales).

5) Usabilidad

           Nuestro proyecto debe ser utilizable para la mayoría de los adultos, ya que es básicamente un moniotor regular de la presión arterial vendido en los mercados hoy en día. Las instrucciones de la pantalla LCD son bastante simples y fáciles de entender. Dado que este dispositivo está construido para ser portátil, se puede utilizar en cualquier lugar y en cualquier momento, siempre y cuando la batería todavía tiene energía.

           El brazalete que usamos es apropiado para el tamaño medio del brazo adulto (9-13 pulgadas de circunferencia). Por lo tanto, el tamaño del brazo que está fuera de este rango puede no dar la medida exacta. Debido a nuestras limitaciones presupuestarias, no tenemos muchos tamaños de puños para nuestro proyecto
Conclusiones

1) Análisis y expectativas

           La mayoría de los diseños que hemos propuesto antes de comenzar el proyecto se cumplen en nuestro resultado final. De hecho, estamos muy felices y satisfechos con el resultado final de nuestro proyecto. Las mediciones son aceptablemente precisas (consulte la sección 'Precisión' en la sección de resultados). Las operaciones del dispositivo son fiables y no han producido ningún problema importante. El consumo de energía del dispositivo es decente ya que ya hemos probado muchas mediciones (más de 20) y el conjunto de dos baterías de 9 voltios no ha muerto todavía.

           En cuanto a las baterías y el consumo de energía, nos encontramos con un gran problema en este problema durante la prueba del dispositivo. En primer lugar, utilizamos una batería para alimentar la placa MCU, y la otra para alimentar el circuito, la válvula y el motor. Sin embargo, después de un par de intentos, la batería que alimentó el circuito y el motor perdió su potencia y no pudo proporcionar un voltaje constante durante la medición. En otras palabras, el voltaje a través de esa batería cae constantemente mientras el motor funciona. Como resultado, el voltaje que alimenta todas las fichas en el circuito no es lo suficientemente alto (el AD620 y el OPA2277 requieren 5V y -5V) y hace que el circuito funcione.

           Así que solucionamos este problema separando la batería que corre la válvula y el motor del resto del circuito. Luego usamos la batería que suministra la placa MCU para alimentar el circuito en su lugar. Ahora que la batería que suministra la válvula y el motor está separada, asegura que no habrá caída de voltaje en el circuito mientras el motor está funcionando. De esta manera, el consumo de energía de las 2 baterías será más equilibrado, ya que el circuito y la MCU no consumen mucha energía.

           Sólo hay una característica propuesta que falta en nuestro proyecto. Es la opción que permite al usuario emitir la forma de onda del pulso (componente AC) en el televisor. Si queremos emitir la señal en la televisión, necesitaremos otro Mega32 y una placa de PC. Sin embargo, debido al presupuesto limitado de $ 50, esto no pudo ser hecho.

2) Consideraciones sobre la propiedad intelectual

           Todos los circuitos y los códigos están diseñados originalmente por nosotros. Las topologías de los circuitos son las que se tratan en los libros de texto estándar. No usamos códigos de otras personas o topologías de circuitos de diseños de otras personas. Por lo tanto, estamos seguros de que no violamos ninguna propiedad intelectual del diseño existente.

3) Consideraciones éticas

Hemos tratado de asegurar que nuestro diseño se ajusta a los códigos de ética de IEEE. Aquí están las consideraciones que tenemos en mente.

1) aceptar la responsabilidad de tomar decisiones de ingeniería consistentes con la seguridad, la salud y el bienestar de
Público, y para divulgar rápidamente los factores que podrían poner en peligro al público o al medio ambiente.

-Hemos sido conscientes del peligro de nuestro dispositivo en el que el brazalete del brazo puede dañar a los pacientes.
Por lo tanto, se aconseja que los pacientes utilizan este producto bajo el monitor de médicos calificados.
Y durante el diseño, nos preocupa nuestra seguridad. Con respecto a este tema, nos aseguramos de que
Podemos abortar la operación en cualquier momento presionando el botón o desconectando la fuente de alimentación.

2) evitar conflictos de intereses reales o percibidos siempre que sea posible, y divulgarlos a
Las partes afectadas cuando existan

-Hay ningún conflicto con el interés entre cualquier equipo de diseño durante este proyecto.

3) ser honesto y realista en declarar las reclamaciones o estimaciones basadas en los datos disponibles

- Basamos todo nuestro diseño en datos disponibles suministrados por los vendedores y la medición en el laboratorio
Sin vacilar un poco de información.

4) rechazar el soborno en todas sus formas

-Por supuesto, no hay problema de soborno para nuestro proyecto.

5) mejorar la comprensión de la tecnología, su aplicación apropiada y las posibles consecuencias

A través de este proyecto, hemos mejorado nuestra comprensión de cómo beneficiar a la sociedad a través de nuestra ingeniería
pericia. Además, mejoramos muchos de nuestros conocimientos en diseño analógico y digital en el mundo práctico.

6) buscar, aceptar y ofrecer críticas honestas al trabajo técnico, reconocer y corregir los errores, y
Acreditar correctamente las contribuciones de otros

Nos hemos abierto a cualquier crítica y ayuda del instructor, TA y colegas a través del diseño
Fase y estamos muy agradecidos su amable ayuda.

7) para evitar dañar a otros, su propiedad, reputación o empleo por acción falsa o maliciosa;

Siempre hemos estado tratando de evitar dañar a otros realizando el experimento sobre nosotros mismos.
Y, por supuesto, nuestra seguridad es una preocupación importante como mencionamos anteriormente en 1). Para las personas con problemas de salud, especialmente en la presión arterial o el corazón, no se recomienda usar este dispositivo, porque sólo lo hemos probado con personas sanas. Por lo tanto, para la máxima seguridad del usuario, este dispositivo sólo puede ser utilizado por las personas que no tienen problemas médicos en el corazón y sistema circular.

The hard work before the product is done












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