CC BY
0
Surovov Daniil Sergeevich, engineer of the 1st category, surovov36@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, ZASLON Joint Stock Company,
Meshkov Sergey Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, D.F. Ustinov Baltic State Technical University «VOENMEH»,
Buzoeva Svetlana Olegovna, teacher, Svetlanabuzoeva@inbox. ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasian Suvo-rov Military School
УДК 615.47
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-12-93-94
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕНИЛАЛАНИНА В КРОВИ
НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ
Н.С. Тархов, А.Р. Дивавин
Рассматривается необходимость создания отечественного устройства для определения концентрации фенилаланина в крови. Предлагаемое устройство (в портативном исполнении) позволит решить проблему быстрой экспресс-диагностики концентрации фенилаланина в крови для своевременной коррекции диетического питания людей, страдающих фенилкетонурией.
Ключевые слова: микроконтроллер, измерительное устройство, фенилкетонурия, фенилаланин.
Основным источником информации в приборах, аппаратах и системах, исследующих неэлектрические характеристики организма, являются датчики, преобразующие измеряемые показатели в нормированные электрические сигналы. В зависимости от типа измеряемой величины применяются физические и химические датчики. Химические датчики измеряют состав и концентрацию различных веществ. Технология изготовления биомедицинских датчиков в значительной мере базируется на технологиях микроэлектроники, причем наблюдается тенденция размещения в одной микросистеме датчиков с элементами предварительной обработки информации, включая контроль работоспособности, калибровку, различные типы компенсаций, микроконтроллеры (МК), каналы коммуникаций и т.д. [1]. При проектировании портативного устройства для измерения концентрации фенилаланина (ФА) в крови, обоснование разработки которого для применения в домашних условиях для своевременной коррекции диетического питания людей, страдающих заболеванием фенилкетонурия, достаточно подробно изложено в [2-4], будем использовать типовой вариант построения измерительных приборов медицинского назначения с применением МК (MCU), представленный на рисунке 1. Одной из перспективных разработок для использования в биотехнических системах являются МК семейства БТМ32 [5].
Рис 1. Обобщенная структурная схема прибора для исследования неэлектрических характеристик
с использованием МК STM32F4
На основе обобщенной схемы разработана структура устройства для измерения концентрации ФА в крови, которая представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структура устройства для измерения концентрации ФА в крови: БС - биосенсор; SPÍ1 - контроллер интерфейса 8Р1 микроконтроллера; СР1 - сдвиговый регистр, ЛИ - линейка индикаторов; 8Б01- канал записи последовательных данных в регистры сдвига; МК - микроконтроллер; ЛБС1 - встроенный АЦП микроконтроллера; ОРЮ - порт ввода-вывода микроконтроллера
МК имеет в своем составе 3 встроенных достаточно качественных АЦП по 8 коммутируемых аналоговых каналов на каждый из них. Сигнал с датчика (Д) при необходимости усиливается и фильтруется блоком усиления и фильтрации (БУФ), который также используется при необходимости согласования характеристик датчиков и АЦП и подавления помех от источника сигнала. Управление блоком воздействия (БВ) обычно осуществляют через порты
93
МК Pi или через программно поразрядно управляемый интерфейс GPIO (в данном случае функция не используется), который соединен с блоком калибровки (БК), обеспечивающим изменение коэффициентов усиления, смещение нуля усилителей, изменение параметров фильтров и пр. Для управления жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ) используется встроенный контроллер LCD, для применения твердотельной памяти (ТП) - интерфейс типа SDIO. Радиомодуль Bluetooth подключается к интерфейсу UART.
В качестве датчика применен биосенсор (БС), в котором используется фермент фенилаланиндекар-боксилаза [6], а биологическим материалом для исследования служат высушенные пятна капиллярной крови на тест-бланках. Обобщенная схема БС представлена на рисунке 3. Чувствительным элементом БС, контактирующим с анализируемой средой, является биоселективный элемент. Сигналы, формируемые им, при его взаимодействии преобразуются в электрический сигнал трансдьюсером и усиливаются усилителем. Все элементы БС выполняются обычно в едином корпусе аналогично электронным микросхемам.
Авалпт
русмпя среда)-'.
%
И
I/ "ЧД Рецепторы /'Лигавды
Биоселектпвный элемент (рецептор, бпоматрцца)
Фермент
Антитело
Микроорганизм
Молекула ДНК и др.
Физико-химический
преобразователь
(трансдыосер)
Электрохимический Оптический
П ьезоа л ек трическ ий
Ка лори метриче с к и Й
Усилитель
Нормированный
^электрический Л:пгнал
Рис. 3. Обобщенная схема биосенсора
Алгоритм работы программы МК STM32F4 представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Алгоритм работы программы МК STM32F4 (начало)
Рис. 4. Алгоритм работы программы МК STM32F4 (окончание)
Программа начинается с инициализации необходимой периферии: ADC1, SPI1, GPIO и TIM3. ADC1 используется для получения показаний с БС, SPI1 - для записи данных в семисегментный индикатор ЛИ, TIM3 необходим для синхронизации с реальным временем.
После инициализации ожидается получение данных с БС при помощи АЦП (ADC1). Как только данные будут получены, они преобразовываются в коды семисегментного индикатора. Блок GPIO нужен для управления ЛИ.
Для преобразования числа в коды индикатора существует отдельная функция. Путем целочисленного деления и операций взятия остатка от деления переданного в функцию числа на числа, кратные степени числа десять из числа извлекаются разряды. Затем при помощи перекодировочной таблицы, сохраненной в ПЗУ, цифра разряда переводится в код семисегментного индикатора. Результат сохраняется в ОЗУ.
По переполнению таймера TIM3 вызывается обработчик его прерывания. В обработчике из ОЗУ извлекается код текущего сегмента и код активного сектора. Затем эта информация отправляется по последовательному интерфейсу SPI1. Сам же таймер TIM3 настроен на режим ШИМ. Один из его каналов является источником импульса SET для микросхем сдвиговых регистров.
Отображение показаний БС происходит методом динамической индикации. Для реализации этого метода использован сдвиговый регистр СР1 с последовательным входом и параллельным выходом. Последовательный вход подключается к контроллеру SPI микроконтроллера, а параллельный выход - к входам A.. .H семисегментных индикаторов.
Линейка индикаторов (ЛИ) состоит из трех семисегментных индикаторов, входы A.H которых соединены между собой. Каждый индикатор имеет вход разрешения КАх (x - номер индикатора).
Таким образом, предлагаемое устройство (в портативном исполнении) позволит решить проблему быстрой экспресс-диагностики концентрации фенилаланина в крови для своевременной коррекции диетического питания людей, страдающих фенилкетонурией.
Список литературы
1. Кореневский Н.А., Юлдашев З.М. Проектирование биотехнических систем медицинского назначения. Средства оценки состояния биообъектов: учебник. Старый Оскол; ТНТ, 2018. 456 с.
2. Тархов Н.С., Дивавин А.Р. Разработка портативного устройства для измерения концентрации фенил-аланина в крови. 60-я Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава ТулГУ с всероссийским участием: сборник докладов в 2ч. Ч.1/ под ред. д-ра техн. наук М.С. Воротилина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2024. С. 6-13.
3. Тархов Н.С., Дивавин А.Р. Определение содержания фенилаланина в крови. Медицинские приборы и технологии: сборник статей по материалам международной научной конференции «Медицинские приборы и технологии- 2024»/ под ред. А.З. Гусейнова, А.В. Прохорцова, В.С. Соболенковой, Н.Д. Юдаковой. Вып.11. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2024. С. 265-267.
4. Тархов Н.С., Комарова Е.Н. Диетическое питание детей, страдающих фенилкетонурией. Медицинские приборы и технологии: сборник статей по материалам международной научной конференции «Медицинские приборы и технологии-2024»/ под ред. А.З. Гусейнова, А.В. Прохорцова, В.С. Соболенковой, Н.Д. Юдаковой. Вып.11. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2024. С. 365-369.
5. Кореневский Н.А., Юлдашев З.М. Проектирование биотехнических систем медицинского назначения. Средства обработки и отображения: учебник/ Н.А. Кореневский, З.М. Юлдашев. - Старый Оскол; ТНТ, 2018. 332с.
6. Дивавин А.Р. Применение ферментных электродов для измерения содержания фенилаланина в крови/ XIX Региональная магистерская научная конференция (20-31 мая 2024 года): сб. докладов. - Тула: Изд-во ТулГУ. 2024. С.102-103.
Тархов Николай Сергеевич, канд. техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
Дивавин Артем Романович, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
A DEVICE FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF PHENYLALANINE IN THE BLOOD ON A
MICROCONTROLLER
N.S. Tarkhov, A.R. Divavin
The necessity of creating a domestic device for determining the concentration of phenylalanine in the blood is considered. The proposed device (in a portable version) will solve the problem of rapid rapid diagnosis of phenylalanine concentration in the blood for timely correction of dietary nutrition ofpeople suffering from phenylketonuria
Key words: microcontroller, measuring device, phenylketonuria, phenylalanine.
Tarkhov Nikolay Sergeevich, candidate of technical science, professor, t-ni@rambler ru, Russia, Tula, Tula State
University
Divavin Artem Romanovich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.58
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-12-96-97
ПРОЕКТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ И СТУДЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВОЙ
ТРАНСФОРМАЦИИ ОБЩЕСТВА
Е.Н. Патрикова, Т.С. Патрикова
В работе представлены технологии планирования проектной деятельности совместно со студентами, способы работы с электронными источниками, а также алгоритм реализации инженерного проекта студента-оружейника. Предлагаемый алгоритм реализации инженерного проекта, повышает эффективность проектной деятельности студента-оружейника и формирование способности самостоятельно или в составе группы осуществлять научный поиск, анализ научной и патентной литературы при решении профессиональных задач с использованием современных цифровых технологий.
Ключевые слова: проектная деятельность, патентный поиск, веб-квесты.
По результатам проведенных теоретико-экспериментальных исследований выработаны технологии планирования работы над проектом, организации обсуждения и распределения ролей каждого участника команды при работе над проектом, проанализированы возможные продукты проектирования при реализации учебных проектов, соответствующие источники информации, с которыми могут работать обучающиеся при осуществлении проектно-исследовательской деятельности.
Технологический этап - Разработка плана проекта оформляется в виде текстового документа, являющегося пояснительной запиской к проекту. Педагог высшего образования организует обсуждение темы проекта, в результате которого определяется план работы, ответственные за каждый этап и сроки выполнения.
Самый простой способ спланировать проект предложить командам обучающихся при консультационной поддержке педагога высшего образования заполнить шаблон «Зеркало инновационных преобразований». Данная методика была предложена коллективом авторов Т. В. Светенко, И. В. Галковской и Е. Н. Яковлевой и достаточно часто используется при работе над проектом. Она позволяет быстро и эффективно планировать свою деятельность и разбивать решение проблемы на этапы, поставив конкретную задачу на каждом из них. В результате получается не только подробный план работы по проблеме, но и анализ имеющихся ресурсов, учет рисков и четкое представление о желаемом результате проекта.
