F7PBBPNK - Praktika z návrhu a konstrukce lékařských přístrojů

Cílem prakticky orientovaného předmětu je seznámit studenty s postupem návrhu měřicí části přístroje, tj. základní analýza problému, stanovení funkčních bloků a jejich návrh, volba vhodných součástek a jejich hodnot s důrazem na práci s katalogovým listem a aplikačními doporučeními, přípravou elektrotechnické dokumentace a návrhu desky plošného spoje, její osazení, pájení a oživení. V průběhu výuky budou studenti realizovat funkční přípravek (osazení, pájení, oživení) elektronického teploměru, jež se bude skládat ze dvou funkčních celků – analogová část pro měření teploty a úpravu signálu (osazena THT součástkami) a zobrazovací člen s diodovým bargrafem (osazena SMT součástkami). K oběma přípravkům budou studenti realizovat návrh schématu a DPS v CAD prostředí Fusion. K analogové části přípravku bude realizována dále aplikace pro digitalizaci dat z analogového přípravku pomocí karet NI-DAQ a levného řešení pomoci Arduina.

Vstupní požadavky předmětu:

Orientace ve schématu a znalost základních výpočtů v obvodu – pasivní součástky (odporový dělič, RC a RL články, odporový můstek), aktivní součástky (diody a Zenerovy diody), operační zesilovače (zapojení jako sledovač, invertující a neinvertujcí zesilovač, diferenční zesilovač a přístrojový zesilovač). Základní znalost práce s laboratorními přístroji – digitální multimetr (měření parametrů U, I, R), laboratorní zdroj (nastavení napětí a proudového omezení), osciloskop (ruční nastavení parametrů – rozsah, časová základna, trigrování) a generátor signálu.

Předmět je zakončen klasifikovaným zápočtem.

Předmět je hodnocen na základě vypracování samostatné úlohy a závěrečného testu s praktickou zkouškou. Náplní samostatné úlohy je návrh schématu a desky plošných spojů v programu Fusion, kdy každý student je hodnocený na základě odevzdaných podkladů - Schématu a DPS vyexportovaných do PDF jako průvodní dokumentace. Jsou hodnoceny všechny náležitosti správné dokumentace, za nepřesnosti a chyby v návrhu jsou strhávány body. Maximální celkový počet získaných bodů je 20.

Závěrečný test je zaměřen na probranou látku v předmětu a skládá se z následujících částí: početní příklad s nutností vyčtení parametrů z katalogového listu součástky, návrh schématu zapojení s výběrem součástek z definované řady a teoretické otázky s jednou správnou odpovědí. Student může získat maximálně 40 bodů (15 bodů početní příklad, 15 bodů tvorba schématu a 2 body za otázku, tj. celkem 10 bodů za otázky, celkem tedy 40 bodů za test). Čas na vypracování testu je 30 min.

Praktická zkouška probíhá bezprostředně po vypracování testu. Student si vylosuje zapojení z předem známých úloh a bude mět za úkol samostatně toto zapojení realizovat, včetně např. dopočtu potřebných komponent obvodu. Správnost zapojení bude hodnocena vyučujícím po proměření významných bodů v obvodu. Student musí umět spočítat, či alespoň přibližně odhadnout velikost napětí/proudu v tomto bodu. Maximální počet bodů za praktickou zkoušku je 40 bodů.

Studenti mohou získat další bonusové body nad rámec testů za návrh, realizaci a oživení vlastní DPS nutné pro realizaci úlohy v rámci výuky. Výsledné hodnocení je dáno součtem bodů z jednotlivých testů a případných bonusových bodů. Výsledná známka je dána stupnicí ECTS.

Hodnocení jednotlivých částí: 15 bodů početní příklad, 15 bodů tvorba schématu a 2 body za otázku, tj. celkem 10 bodů za otázky, celkem tedy 40 bodů za test.

Výsledná známka bude dána celkovým počtem získaných bodů z obou testů. Nebude realizován opravný termín vzhledem k faktu, že je možné získat až celkem 120 bodů.

Bodové minimum je 50 bodů, tj. známka E, maximum je 100 bodů, tj. známka A podle SZŘ ČVU

Předmět nemá přednášky.

Cvičení probíhají formou 4 hodinových bloků

1.Analýza problému (elektronický teploměr s NTC), návrh zapojení funkčních bloků (zapojení rezistivního teploměru do děliče a můstku, napájení a napěťová reference, zesílení), volba komponent na základě výpočtu a dostupnosti z řady, práce s katalogovým listem

2.Ověření navrženého zapojení (elektronický teploměr s NTC) a jeho stability na nepájivém poli.

3.Návrh schématu v prostředí EAGLE, volba komponent a pouzder, simulace obvodu v prostředí Multisim (SPICE).

4.Návrh DPS v prostředí EAGLE, metody ručního rozložení komponent, autorouting a manuální vedení cest, export pro výrobu.

5.Výroba DPS fotocestou, osazení DPS a pájení THT komponent – deska teploměru s NTC

6.Oživení vyrobené desky, měření v uzlových bodech, hledání poruchy, měření přenosových charakteristik.

7.Ruční pájení SMT komponent, nanesení pájecí pasty přes masku, osazení a přetavení, optická analýza pájení – deska zobrazovacího členu k teploměru.

8.Oživení a testování oživeného kompletu (deska teploměru a deska zobrazovacího členu), použití systému pro automatizované testy TestStand v kombinaci s datovou kartou pro ověření činnosti v rozdílných podmínkách a zátěžový test (simulace různé teploty, různé napětí baterie)

9.Tvorba měřicí aplikace v prostředí LabVIEW pro digitalizaci dat z vyrobeného přípravku pomocí průmyslového převodníku NI-DAQ.

10.Digitalizace pomocí dostupných řešení (Arduino) a zobrazení dat v terminálu a LabVIEW

11.Zapojení přístrojového zesilovače pro snímání biopotenciálů – EKG, EMG a EOG, digitalizace dat

12.Zesílení signálu z elektrochemických čidel – pH a vodivost, teplotní kompenzace, detekce maximálních píků.

13.Servisní zásah do monitoru vitálních funkcí, bezpečnosti při manipulaci a použití oddělovacího transformátoru, analýza funkčních bloků, měření na testovacích uzlech pro nastavení provozních hodnot, sestavení přístroje a ověření činnosti

14.Konzultace látky, rezerva pro doměření úloh, klasifikovaný zápočet.

Orientace v technické dokumentaci (katalogové listy, aplikační doporučení); návrh elektrotechnické dokumentace v prostředí EAGLE (elektronické schéma a deska plošných spojů); výroba DPS; měkké pájení THT a SMT součástek; bezpečná ESD práce; realizace jednoduché aplikace pro digitalizaci signálu na bázi NI-DAQ a Arduino v prostředí LabVIEW a export dat; servisní zásah do přístroje (analýza funkčních bloků, bezpečnost při manipulaci, měření na testovacích bodech)

[1]VEJROSTA, Vladimír. Konstrukce zdravotnických elektrických přístrojů: aplikace požadavků mezinárodních a evropských norem. Praha: Česká společnost pro zdravotnickou techniku, 2001. ISBN 80-02-01460-X.

[2]CETL, Tomáš, Pavel HRZINA a Václav PAPEŽ. Příklady konstrukčních řešení elektronických obvodů. V Praze: Nakladatelství ČVUT, 2006. ISBN 80-01-03578-6.

[3]ZÁHLAVA, Vít. Návrh a konstrukce desek plošných spojů: principy a pravidla praktického návrhu. Praha: BEN - technická literatura, 2010. ISBN 978-80-7300-266-4.

[4]Medical instrumentation: application and design. 4th ed. Editor John G. WEBSTER. Hoboken, N.J.: Wiley, c2010. ISBN 9780471676003.

[5]ABEL, Martin. Plošné spoje se SMD, návrh a konstrukce. Pardubice: Platan, 2000. ISBN 80-902733-2-7.

[6]ABEL, Martin a Vladimír CIMBUREK. Bezolovnaté pájení v legislativě i praxi. Pardubice: ABE.TEC, 2005. ISBN 80-903597-0-1..

[7]MACH, Pavel, Jan URBÁNEK a Vlastimil SKOČIL. Montáž v elektronice: pouzdření aktivních součástek, plošné spoje. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2001. ISBN 80-01-02392-3.

[8]BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika III: (příklady a úlohy). Šesté, nezměněné vydání. Praha: Informatorium, 2015. ISBN 978-80-7333-116-0.

[9]KRÁL, Jiří. Řešené příklady ve VHDL: hradlová pole FPGA pro začátečníky. Praha: BEN - technická literatura, 2010. ISBN 978-80-7300-257-2.

• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinný předmět)
• Bakalářský studijní program Biomedicínská technika (povinný předmět)