Система контроля движения для пациентов

Введение

акселерометр связь мониторинг

По результатам опросов специалистов, падения считается одним из наиболее серьезных рисков для здоровья пожилых людей, затрагивая большее число людей, чем инсульт и инфаркт, вместе взятые.

Особенно это касается:

пожилых людей, живущих отдельно;

людей, имеющих ограниченную подвижность (инвалиды, нарушения в опорно-двигательном аппарате, атеросклероз, остеопороз и т.д.);

людей с нарушениями памяти;

людей с расстройствами нервной системы (эпилептики, болезнь Паркинсона, церебральный паралич);

людей с нарушениями зрения;

больных, соблюдающих медицинский режим (после инсульта, инфаркта, проходящих лечение в реабилитационных центрах и т.д.);

людей с сердечно - сосудистымизаболеваниями (гипертония, гипотония и т.д.);

страдающих сахарным диабетом;

людей, работающих на опасных работах (электрики, профессии связанные с работой на высоте, удаленных от социума, охрана).

Падение может быть опасно для человека вдвойне. Помимо травм от самого падения, ситуация может усугубиться из-за осложнений, если медицинская помощь не оказана своевременно.

Статистика демонстрирует, что большинство серьезных осложнений не являются прямым следствием падения, а связаны с задержкой в помощи и лечении.

Падения в случае неоказания своевременной помощи являются основной причиной смертности в результате травм среди выше перечисленных категорий людей.

Поэтому актуальна задача обнаружения падения и оповещения о нем.

Решить эту задачу можно с помощью акселерометров, объединенных в систему c микроконтроллерами, обрабатывающими полученную от акселерометров информацию и передающему затем с помощью GPS сигнал тревоги о точном местонахождении близким родственникам.

Цель: разработка устройства контроля движения и определения момента падения пациентов.

Задачи:

·        проанализировать рынок акселерометров, GPS-маячков и микроконтроллеров;

·        разработать способ объединить все элементы и интегрировать в носимое устройство.

1 Аналитический обзор существующих устройств

1.1    Акселерометры

Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

По конструктивному выполнению акселерометры разделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. В соответствии с этим, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трёх осей.

Некоторые акселерометры еще имеют интегрированные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.

Основными параметрами акселерометра считаются:

·        Масштабный коэффициент-коэффициентпропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом);

·        Пороговая чувствительность(разрешение) - величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор;

·        Смещение нулевой отметки - показания прибора при нулевом кажущемся ускорении;

·        Случайное блуждание - среднеквадратичное отклонение от смещения нуля;

·        Нелинейность - изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения[1].

Виды акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры.

Считается многоцелевым вибродатчиком, в настоящее время используемый практически почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры различными широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью его характеристик.

Так как пьезоэлектрические акселерометры считаются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.

Главным составляющим пьезоэлектрического акселерометра считается диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого очень хорошо используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или же сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на собственных поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Конструкция пьезоэлектрических акселерометров.

Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Конструкция пьезоэлектрических акселерометров

На частотах, значительно меньших резонансной частоты совместной системы масса - пружина ускорения массы акселерометра идентично ускорению его основания и, отсюда следует, что отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.

§  Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;

§  Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

IEPE-акселерометры.

Пьезоэлектрические акселерометры с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры специально предусмотрены для измерения вибраций в небольших структурах (например, малогабаритных). Их высочайшая выходная чувствительность, высочайшее отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания дают возможность применить их и как прибора общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры считаются инструментами с довольно хорошими рабочими характеристиками, имеющими наиболее высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры. Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей вокруг среды, имеют невысокую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и невысокое выходное абсолютное сопротивление благодаря наружному источнику постоянного тока. Низко импедансный выход разрешает применить дешевые коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры считаются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и появлений критерий перегрузки.

Пьезорезистивные акселерометры

Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Целый датчик акселерометра хранит в себе встроенные механические ограничители и обладает довольно высокой прочностью при очень высоком соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа безупречно подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предусмотрены для тестирования на столкновение с препятствием, на флаттер, а еще и для биодинамических измерений и аналогичных приложений, требующих небольшой нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их возможно также применить для ударных испытаний легких систем или конструкций.

Имея частотную характеристику, которая распространяется до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры безупречно подходят для измерений длительных переходных процессов, а еще и кратковременных ударных воздействий. Во множествах случаях чувствительность как оказалась достаточно высокой и усиления выходного сигнала не требуется (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Строение пьезорезистивных акселерометров

Пьезорезистивные акселерометры имеют малое демпфирование, в следствии этого, не создают фазового сдвига на низких частотах.

Впрочем им присущи сложности при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих дефектов требуется принимать специальные меры [6].

Акселерометры переменной емкости

В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостный прибор с параллельным расположением пластин. В итоге получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику, и с необходимой прочностью, чтобы противостоять очень высоким ударным и ускорительным нагрузкам. Эти low-g акселерометры безупречно подходят для измерения движения и низкочастотных вибраций и предназначены для как мониторинга траектории.

Газовое демпфирование и интегрированные ограничители на выход за пределы диапазона дают возможность микродатчикам акселерометра противостоять ударным и ускорительным нагрузкам, присущим обычно всем highg - приложениям.

Интегральные акселерометры.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в данном качестве широко применяются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят обширное применения в транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

Современные технологии микрообработки дают возможность изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и невысокую цену. В данное время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические акселерометры

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения производятся на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка зафиксирована на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высочайшим выходным сопротивлением, вследствии этого на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors также имеется полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой подобие усилителя напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы [9].

Объемные интегральные акселерометры.

Интегральные датчики ускорения объемной системной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, потому что операции формирования довольно больших структур не очень просто сочетаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно использовать датчик как можно минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента потребуется от 6,5 до 16 мм площади кристалла.