МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

Факультет

контрольно-вимірювальних та радіокомп'ютерних систем

Кафедра

біотехнічних систем

Курсовий проект

з дисципліни

«Основи побудови і застосування біотехнічних та медичних апаратів і систем»

на тему:

«Побудова системи черезшкірного живлення електрокардіостимулятора»

Виконав: ____________________ ст. гр. ПМ-41 Стоянов Ю. М.

№ зал. кн. ПМ-08-246

Перевірив: ____________________ д.т.н. Яворський Б. І.

Прийняв: ____________________ д.т.н. Яворський Б. І.

Тернопіль 2011

АНОТАЦІЯ

Стоянов Ю. М. Побудова системи черезшкірного живлення електрокардіостимулятора. Курсовий проект, факультет контрольно-вимірювальних та радіо-комп΄ютерних систем, група ПМ-41. Тернопіль. ТНТУ, 2011р.

За вимогами замовника побудовано схему функціональну, структурну та електричну принципову системи черезшкірного живлення електрокардіостимулятора. На базі математичної моделі отримано розрахункові формули та графіки, наведено основне метрологічне забезпечення системи.

Сторінок , рисунків , додатків 3.

Ключові слова: електрокардіостимулятор, акумулятор, зарядний пристрій, радіопередавач, бездротова передача енергії.

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

СЧЖ – система черезшкірного живлення;

ТЗ – технічне завдання.

ЗМІСТ

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ………………………………………....……………......	3
ВСУП……………………………………………………………………….……....	5
Розділ 1. Технічне завдання на побудову системи черезшкірного живлення………………………………………………………………..	6
Аналіз умов замовника та складання технічних вимог. .……..……...	6
Складання технічного завдання…………………………………….…..	6
Розділ 2. Побудова системи черезшкірного живлення …………………….....	8
Математичне моделювання проблеми ………………………………......	8
Синтез функції системи черезшкірного живлення та побудова функціональної схеми…..………………………………………………...	17
Побудова і розрахунок схеми електричної принципової ………….....	13
Розділ 3. Метрологічне забезпечення системи черезшкірного живлення …….	16
Визначення похибки від математичного моделювання функцій системи черезшкірного живлення.………………………………………	16
Визначення похибки від неточності радіоелементів схеми та її робастності…………………………………………………………………	17
Побудова методики, програм та оформлення результатів метрологічних випробувань………………………………………………	18
ВИСНОВКИ……………………………………………………………………......	24
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ.........................................................	25
Додатки:
Додаток А. Схема функціональна …………………..………………..…………	27
Додаток B. Схема структурна ……………………………………..…………….	28
Додаток С. Схема електрична принципова схема …………………………..….	28

ВСТУП

Суттєву роль в досягненні підвищення якості життя людини відіграє використання пристроїв, імплантованих в її організм – біоімплантантів. Медична статистика показує зростання значення в життєдіяльності людини кардіостимуляторів. Ці пристрої потребують електроживлення. В даний час набувають поширення імплантовані кардіостимулятори. Оскільки невідновлювані джерела електроживлення (батареї) мають обмежений час роботи, а для заміни імплантанта необхідне медичне втручання, крім того, потрібно регулярно оцінювати стан батареї імплантанта, що і виконується в лікарській установі під наглядом лікаря, то це викликає низку незручностей для пацієнта.

В радіозв’язку, в телеметрії в даний час бурхливо розвивається бездротові технології, зокрема й передачі електроенергії. Наприклад серійно випускаються бездротові комп’ютерні миші, пульти керування радіоелектронними пристроями, зубні щітки, тощо.

В даному курсовому проекті виконано побудову системи черезшкірного живлення електрокардіостимулятора.

Розділ 1 аналіз умов замовника та складання технічних вимог

1. Аналіз завдання.

Система черезшкірного живлення (СЧЖ) повинна забезпечити безконтактну передачу електроенергії, призначеної для заряджання через шкіру елементів живлення (акумулятора) імплантованого підшкірно кардіостимулятора. Таким кардіостимулятором вибрано найбільш масовий серед кардіостимуляторів ‒імплантантів ЭКС 5388 [1]. Тобто, встановлено: тип корпусу електрокардіостимулятора, його розміри та електропровідність, електроємність акумулятора, його тип та періодичність заряджання, силу електричного струму заряджання, частоту радіохвилі ‒ носія енергії, відстань до імплантанта, розміри приймальної антени, час заряджання.

2. Складання технічного завдання на побудову системи черезшкірного живлення

Для побудови функціональної схеми необхідно обґрунтувати вибір математичної моделі СЧЖ, на базі якої вибрати функціональні елементи та їх з’єднання, а також структурні та принципові вирішення їх схем. Крім цього необхідно знайти вирази, за якими розраховуються номінальні значення параметрів радіоелементів.

Технічне завдання

на розробку СЧЖ електрокардіостимулятора.

1.2.1 Виконавець: Стоянов Юрій Миколайович.

1.2.2 Підстава для розробки: завдання на комплексний курсовий проект.

1.2.3 Строки виконання:

Початок	13 жовтня 2011 р.
Закінчення	20 грудня 2011 р.

1.2.4 Основні цілі та завдання розробки:

1.2.4.1 Обґрунтувати вибір:

а) частоти f радіохвилі

б) віддалі L до імплантанта від антени

в) тип та розміри антен

1.2.4.2 Для електрокардіостимулятора – імплантанта забезпечити такі параметрами:

а) розміри корпусу: менше (50×50×10) мм;

б) час заряджання акумулятора: не більше 40 хв.;

в) електроємність акумулятора: не менше (1,3÷2) А∙год.

1.2.4.3 Побудувати математичну модель СЧЖ;

1.2.4.4 Побудувати функціональну, структурну та електричну принципову схеми;

1.2.4.5 Обґрунтувати вибір типу та розрахувати параметри антени;

1.2.4.6 Побудувати методику метрологічних випробувань СЧЖ.

Розділ 2 побудова системи черезшкірного живлення

1. Математичне моделювання проблеми черезшкірного живлення.

1. Аналіз ТЗ. Для черезшкірного живлення передачу електроенергії здійснюють через індукційний канал, оскільки при цьому завдається найменше шкоди організму людини [1]. Тіло людини приблизно в 50 разів краще поглинає електричну складову електромагнітного поля, а індукційний канал характерний тим, що функцію передачі електроенергії виконує магнітна складова поля. З наведених в ТЗ основних цілей та завдань розробки (1.2.4.1, а, б) очевидно, що задача розрахунку електромагнітних полів є квазістаціонарною, коли час затримки:

, (1)

де м/с – швидкість поширення електромагнітної хвилі. Це означає, що при розрахунках електромагнітних полів затримка розповсюдження електромагнітної хвилі не враховується, що достатньо для вилучення відповідних членів з рівнянь Максвела.

При виборі частоти f перетворення, необхідно враховувати степінь впливу на організм і глибину проникнення в тканини. Глибина проникнення поля падає з ростом частоти і для частот вище 100 МГц складає не більше 3 см. (затухання в e разів). Частоти до 100 кГц вважаються електронебезпечними, бо можуть викликати фібриляцію шлуночків серця. Частоти від 1 МГц до 40 МГц є діатермічними (спричиняють нагрівання тканин організму) [2]. Тому вибираємо  мм, а  кГц. Звідси  с, що підтверджує умову (1) квазістаціонарності.

Корпус імплантанта виготовляють з легкого, корозостійкого, міцного металу – титану (Ti). Електропровідність титану  См/м.

Оскільки сучасні кардіостимулятори характерні невеликим споживанням електроенергії, буде достатньо електроємності акумулятора 0.5 А∙год. для отримання періодичності заряджання в 1÷2 роки. Заряджання акумулятора повинно відбуватись швидко, щоб завдати організму пацієнта мінімально можливих ушкоджень, а також зменшити час процедури. Тому заряджання повинно проводити максимально допустимим струмом, який для літій-іонних акумуляторів становить1 C (C – ємність елемента) [3].

Оскільки передача енергії повинна відбуватися з допомогою магнітного поля, бо електричні поля впливатимуть на функціонування серця, за незалежну змінну, через яку будуть визначатись всі розрахункові параметри, візьмемо векторний магнітний потенціал. Джерелом електромагнітного поля виберемо котушку індуктивності. Приймачем – також котушку індуктивності співвісну до першої. При використанні такої співвісної системи котушок, тривимірну задачу можна звести до плоскої осесиметричної задачі. При цьому напрямки векторів густини струму J, магнітного потенціалу А, і електричного поля Е будуть перпендикулярні площині січення області рішення задачі, тому їх можна розглядати як скалярні величини. Вектори магнітного поля Н і магнітної індукції В будуть лежати в площині січення області рішення задачі. Для гармонічного сигналу операція диференціювання еквівалентна множенню на , де .