ساخت منسوج هوشمند با قابلیت دریافت سیگنالهای بیوالکتریک قلب

ضرورت دریافت و انتقال مستمر سیگنالهای بیوالکتریک قلب

بر اساس آمارهای جهانی 29 درصد علل مرگ و میر در كل دنیا مربوط به بيماري‌هاي قلبی - عروقی است. اهمیت این موضوع زمانی بیشتر شده و باعث نگرانی می‌گردد كه بر اساس آمار منتشر شده، ایست قلبی با فراوانی 69/10 درصد همچنان شایعترین عامل منجر به فوت شهروندان در ایران می باشد. همچنین نزديك به 40 درصد علت فوت جوانان در کشور به دلیل بيماري‌هاي قلبی - عروقی است كه این آمار به سرعت در حال افزایش است. در مجموع نارسایی قلب را میتوان عامل مرگ سالانه 50 هزار نفر در کشور دانست و در حال حاضر حدود یک میلیون نفر در کشور به این عارضه مبتلا هستند.

دكتر كرك مولر و همكاراش در دانشگاه برلين در نشريه Circulation مي‌نويسند:" قبل از ايست قلبي 22 درصد بيماران براي 120 دقيقه دچار درد قفسه سينه،15 درصد براي 30 دقيقه دچار تنگ نفس، 7 درصد براي 120 دقيقه دچار تهوع و استفراغ و5 درصد براي 10 دقيقه دچار سرگيجه بودند. تنها 25 درصد بيماران هيچ علائم هشدار دهنده‌اي نداشتند. اين پژوهشگران گزارش مي‌كنند كه در 90 درصد موارد براي دست‌كم 5 دقيقه مانده به از حال رفتن بيمار علائمي وجود داشته‌است. اين يافته‌ها دال بر آن است كه آموزش عموم، بيماران و بستگان بيماران براي شناسايي و پاسخ دادن به علائم بيماري قلبي اين اميدواري را ايجاد مي‌كند كه بتوان از مرگ و مير ناشي از ايست ناگهاني قلب كاست."

به طور معمول، اولین آزمایشی که روی بیماران قلبی انجام می‌شود، گرفتن نوار قلب است. این امر، مستلزم صرف زمان زیادی بوده و هزینه زیادی را به بیمار تحمیل می‌کند. علاوه‌بر‌آن اطلاعات دریافتی از نوار قلب بیمار، نشان‌دهنده وضعیت عملکرد قلب بیمار در همان لحظه تهیه نوار است. در‌صورتیکه ممکن است قلب در شرایط مختلف فیزیکی و حرکتی روزمره عملکرد متفاوتی داشته و احتمال سکته قلبی و در نهایت مرگ بیمار وجود داشته باشد. بنابراین آگاهی از وضعیت کارکرد قلب به طور مداوم و در طول فعالیت‌های روزانه به ‌وسیله دریافت مستمر سیگنال‌های بیوالکتریک قلب ضروری است.

طراحی و ساخت منسوج هوشمند با قابلیت دریافت و انتقال سیگنال‌های بیوالکتریک

ساختار منسوج هوشمند با قابلیت دریافت سیگنال‌های بیوالکتریک مانند دستگاه الکتروکاردیوگرام شامل حسگر، سامانه نویزگیر و تقویت کننده و سامانه نمایش است با این تفاوت که این اجزاء در منسوج هوشمند ویژگی‌های خاصی مانند وزن بسیار کم، راحتی در پوشش، دوام و ماندگاری و مصرف انرژی بسیار پایینی دارند.

 

نصب حسگر بر روی لباس

 

پس از تایید شدن ثبات‌ها و خواص فیزیکی و مکانیکی حسگر، برای ساخت منسوج هوشمند با قابلیت دریافت سیگنال‌های بیوالکتریک قلب، سه حسگر در محل‌های مشخصی از لباس معمولی دوخته شدند. محل دوخت حسگرها در بالای سینه در سمت‌های چپ و راست و سمت راست پایین شکم می‌باشد. این محل‌ها طبق محل قرار گرفتن الکترودهای دستگاه الکتروکاریوگرام که در بخش CCU استفاده می‌شود است. قرار گیری حسگرها در مکان‌های ذکر شده، شکل موج حاصل از عملکرد قلب را نشان می‌دهد که بر اساس آن چگونگی عملکرد قلب به دست می‌آید. شکل شماتیک محل قرار گرفتن حسگرها روی لباس در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1: شکل شماتیک محل قرار گرفتن حس‌گرها

با توجه به اینکه حسگر دوخته شده از جنس پارچه است، مشکل وجود سرهای آزاد که در حسگر سیمی وجود داشت از بین می‌رود و در اثر تماس حسگر با پوست، آسیبی به بدن فرد استفاده کننده از لباس نمی‌رسد.

تقویت و نویزگیری سیگنال

همانگونه که اشاره شد، اختلاف پتانسیلی که در اثر فعالیت قلب در سطح پوست ایجاد می‌گردد در حد میلی ‌ولت است؛ همچنین سیگنال‌های دریافتی از پوست به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی موجود در محیط می‌باشند. بنابراین برای نشان دادن این سیگنال‌ها به مدار الکترونیکی تقویت کننده و نویزگیر نیاز است. این مدار در ابعاد بسیار کوچک و قابل حمل و همچنین مصرف انرژی بسیار پایین توسط شرکت رایانه گستر معین طراحی و ساخته شد (شکل 2).

 

شکل 2: مدار تقویت کننده و نویزگیر

این مدار با منبع تغذیه‌ی 5± ولت کار کرده و توان مصرفی آن 200 میلی‌ وات در ساعت است، یعنی اگر جریان منبع تغذیه برابر با 900 میلی‌آمپر باشد، طبق رابطه‌‌ی (2) منبع تغذیه، انرژی مورد نیاز مدار را به مدت 5/22 ساعت تامین می‌کند. این مدار دارای سه ورودی برای دریافت اطلاعات از سه حسگر، ورودی منبع تغذیه و دو خروجی است. یکی از خروجی‌ها اطلاعات پنج برابر تقویت شده را برای نمایشگر ارسال می‌کند و خروجی دیگر اطلاعات را که پس از پنج برابر تقویت شدن، اختلال زدایی (نویزگیری) شده و دوباره به مقدار ده برابر تقویت شده‌اند برای نمایشگر ارسال می‌کند.

 انتقال با سیم سیگنال‌های دریافتی برای نمایشگر

در مرحله اول به منظور بررسی توانایی منسوج هوشمند شده در دریافت و انتقال سیگنال‌های بیوالکتریک، از کارت اسیلوسکوپ استفاده شد. این روش، روش انتقال با سیم سیگنال‌های دریافتی برای نمایشگر است. که در آن سیگنال‌های بیوالکتریک توسط دستگاه شبیه ساز تولید می‌شود. سپس سیگنال‌های تولید شده توسط حسگرها دریافت می‌شود. اطلاعات دریافتی توسط حسگرها از طریق شبکه ارتباط داخلی منسوج که همان سیم‌های مسی روکش دار هستند به مدار تقویت کننده و نویزگیر ارسال می‌شوند. در نهایت سیگنال‌های بیوالکتریک پس از تقویت و نویزگیری از طریق اتصالات سیمی (پروب‌های دستگاه) وارد کارت اسیلوسکوپ می‌شوند. این دستگاه اطلاعات آنالوگ دریافتی را به دیجیتال تبدیل کرده و امکان نمایش سیگنال‌ها در رایانه و همچنین ذخیره‌ سازی داده‌ها را فراهم می‌کند. در شکل 3 شماتیک مراحل دریافت تا نمایش سیگنال‌های بیوالکتریک نشان داده شده است.

سیگنال ساز

حس‌گر

حس‌گر

حس‌گر

مدار تقویت‌کننده و نویزگیر

کارت اسیلوسکوپ

شکل 3: شماتیک مراحل دریافت تا نمایش با سیم سیگنال‌های بیوالکتریک

 سیگنال دریافت شده از حسگر از طریق با سیم

همان‌طور که اشاره گردید مدار تقویت‌کننده دارای دو خروجی است. یکی از خروجی‌ها اطلاعات پنج برابر تقویت شده را برای نمایشگر ارسال می‌کند و خروجی دیگر اطلاعات را که پس از پنج برابر تقویت شدن اختلال زدایی (نویزگیری) شده و دوباره به مقدار ده برابر تقویت شده‌اند برای نمایشگر ارسال می‌کند. نتایج به‌ دست‌ آمده از این دو خروجی به‌ ترتیب در شکل‌های 4 و  5نشان داده شده است.

 

 

 

شکل 4: سیگنال دریافتی از حسگر

با توجه شکل 4، کیفیت سیگنال ارسالی توسط خروجی تقویت‌کننده مناسب نبوده و دامنه‌ی نویز سیگنال دریافت شده بسیار زیاد می‌باشد به‌طوری‌که امکان تفکیک موج PQRS وجود ندارد.

S

R

T

Q

P

شکل 5: سیگنال دریافتی از حسگر

همانگونه که در شکل 5 نشان داده شده‌است، سیگنال دریافت شده از خروجی نویزگیری و تقویت‌کننده دارای کیفیت بسیار بالایی بوده و شکل کامل موج به‌خوبی قابل مشاهده است. نویز مشاهده شده در این سیگنال دریافتی همان نویز Hz50 موجود در محیط می‌باشد.

با توجه به شکل‌های 4 و 5، حسگرها و شبکه ارتباط داخلی منسوج هوشمند ساخته شده به خوبی قادر به دریافت و انتقال سیگنال‌های بیوالکتریک هستند و نمایش با سیم اطلاعات دریافتی نیز با موفقیت انجام گرفت.

 سامانه انتقال بی سیم

انتقال بی سیم به فناوری ارتباطی اطلاق می‌شود که در آن از امواج راديويی، مادون قرمز و مايکروويو، به جای سيم و کابل برای انتقال سيگنال بين دو دستگاه استفاده میشود. از ميان اين دستگاه‌ها می‌توان پيغامگيرها، تلفن‌های همراه، کامپيوترهای قابل حمل، شبکه‌های کامپيوتری، دستگاه‌های مکان ياب و سامانه‌های ماهواره‌ای را نام برد.فن‌آوری‌ بی سیم به سرعت در حال پيشرفت است و نقش کليدی را در زندگی انسان در سرتاسر دنيا ايفا می کند.

فن‌آوری بی سیم به کابر امکان استفاده از دستگاه‌های متفاوت، بدون نياز به سيم يا کابل، در حال حرکت را می‌دهد. افراد می‌توانند صندوق پست الکترونيکی خود را بررسی کنند، بازار بورس را زير نظر بگيرند، اجناس مورد نياز را خريداری کنند و يا حتی برنامه تلويزيونی مورد علاقه خود را تماشا کنند. بسياری از زمينه های کاری از جمله مراقبت‌های پزشکی، اجرا قوانين و سرويس‌های خدماتی احتياج به تجهيزات بی سیم دارند. تجهيزات بی سیم به افراد کمک می کند تا تمام اطلاعات را به راحتی برای مشتری خود به نمايش در بياورند. از طرفی می‌توانند تمامی کارهای خود را در حال حرکت به سادگی به روز رسانی کنند و آن را به اطلاع همکاران خود برسانند. فن‌آوری بی سیم در حال گسترش است تا بتواند ضمن کاهش هزينه‌ها، به افراد امکان کار در هنگام حرکت را نيز بدهد. در مقايسه با شبکه‌های سيمی، هزينه نگهداری شبکه‌های‌بی سیم‌ کمتر می‌باشد. افراد می‌توانند از شبکه‌های بی سیم برای انتقال اطلاعات از روی درياها، کوه‌ها و ... استفاده کنند و اين در حالی است که برای انجام کار مشابه توسط شبکه های سيمی، کاری مشکل در پيش خواهند داشت.

سامانه‌های‌بی سیم‌ می توانند به سه دسته اصلی تقسيم شوند که عبارتند از:

1-  سامانه بی سیم ثابت: این سامانه از امواج راديويی استفاده می‌کند و خط ديد مستقيم برای برقراری ارتباط لازم دارد. بر خلاف تلفن‌های همراه و يا ديگر دستگاه‌های ‌بی سیم، اين سامانه‌ها از آنتن‌های ثابت استفاده می‌کنند و به طور کلی می‌توانند جانشين مناسبی برای شبکه‌های کابلی باشند و می‌توانند برای ارتباطات پرسرعت اينترنت و يا تلويزيون مورد استفاده قرار گيرند. امواج راديويی وجود دارند که می‌توانند اطلاعات بيشتری را انتقال دهند و در نتيجه از هزينه‌ها می‌کاهند. 

2-  سامانه‌ بی سیم مادون قرمز: اين سامانه از امواج مادون قرمز جهت انتقال سيگنال‌هايی محدود بهره می‌برد. اين سامانه معمولا در دستگاه‌های کنترل از راه دور، تشخيص دهنده‌های حرکت و دستگاه های‌بي سيم کامپيوترهای شخصی استفاده می‌شود. با پيشرفت حاصل در سال‌های اخير، اين سامانه‌ها امکان اتصال کامپيوترهای نوت بوک و کامپيوترهای معمول به هم را نيز فراهم می‌کند و به راحتی می‌توان توسط اين نوع از سامانه‌های بی سیم، شبکه‌های داخلی راه اندازی کرد.

3-  سامانه‌ بی سیم‌ قابل حمل: این سامانه‌ها معمولا خارج از خانه، دفتر کار و يا در وسايل نقليه مورد استفاده قرار می گيرند. نمونه‌های اين سامانه عبارتند از: تلفن‌های همراه، نوت بوک‌ها و دستگاه‌های پيغام گير. اين سامانه‌ها از مايکروويو و امواج راديويی جهت انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند.

 انتقال بی سیم سیگنال‌های دریافتی برای نمایشگر

به دلیل محدودیت‌های استفاده از سیستم با سیم برای نمایش سیگنال‌ها مانند محدودیت در برد مسافت و همچنین افزایش نویز و اختلال در اثر افزایش طول سیم، در مرحله دوم با طراحی و ساخت مدارهای فرستنده و گیرنده، انتقال سیگنال‌ها برای نمایشگر از طریق بی سیم صورت گرفت. بدین صورت که در ابتدا سیگنال‌های بیوالکتریک توسط دستگاه شبیه ساز تولید می‌شود. سپس سیگنال‌های تولید شده توسط حسگرها دریافت می‌شود. اطلاعات دریافتی توسط حسگرها از طریق شبکه ارتباط داخلی منسوج که همان سیم‌های مسی روکش دار هستند به مدار تقویت کننده و نویزگیر ارسال می‌شوند. خروجی مدار تقویت کننده و نویزگیر به ورودی مدار فرستنده متصل است و مدار فرستنده اطلاعات را برای مدار گیرنده که به کامپیتر متصل است ارسال می‌کند. شماتیک مراحل دریافت تا نمایش سیگنال‌ در شکل 6 نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

سیگنال ساز

حس‌گر

حس‌گر

حس‌گر

مدار تقویت‌کننده و نویزگیر

شکل 6: شماتیک مراحل دریافت تا نمایش بی سیم سیگنال‌های بیوالکتریک

مدارهای فرستنده و گیرنده

به منظور انتقال بی سیم اطلاعات دو مدار یکی به عنوان فرستنده و دیگری به عنوان گیرنده طراحی و ساخته شد. مدار فرستنده به خروجی مدار تقویت کننده و نویزگیر متصل می‌شود و پس از تبدیل اطلاعات آنالوگ مدار تقویت کننده و نویزگیر به دیجیتال، اطلاعات را از طریق آنتن به مدار گیرنده که متصل به پورت کام کامپوتر است ارسال می‌کند. اطلاعات دریافت شده توسط مدار گیرنده به نرم‌افزار طراحی شده جهت ترسیم سیگنال‌ها ارسال می‌شود. این نرم‌فزار با استفاده از زبان بیسیک نوشته شده است و وظیفه آن رسم نمودن و نمایش اطلاعات دیجیتال دریافت شده از پورت کام است.             

نمایش سیگنال دریافت شده از حسگر از طریق با سیم

همانگونه که در بالا اشاره گردید با استفاده از زبان بیسیک نرم‌افزاری برای دریافت و رسم اطلاعات دریافت شده توسط مدار گیرنده نوشته شد که سیگنال رسم شده توسط این نرم‌افزار شکل 7 نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 7: سیگنال ترسیم شده توسط نرم‌افزار

همانگونه که در شکل 7 نشان داده شده است، اطلاعات دریافت شده از حسگرها با موفقیت کامل توسط سامانه بی سیم به کامپیوتر ارسال و توسط نرم‌افزار ترسیم شده است و شکل موج سیگنال‌های بیوالکتریک و موج PQRS به خوبی قابل مشاهده و تفکیک است.



بازگشت »
کلیه حقوق این وب سایت متعلق به شرکت نانو راد بهان می باشد.
طراحی شده توسط تیم ملی وب