Дистанционный комплекс контроля функционального состояния

1. Анализ современных способов и устройств обеспечения дистанционного измерения параметров биологических объектов

В настоящее время непрерывно расширяется область применения методов регистрации параметров биосигналов в практических и исследовательских задачах. Современный уровень научных достижений и технологий открывает новые перспективы для создания портативных систем с дистанционным анализом. Измерения различных характеристик организма человека как: артериального пульса, давления, функций дыхания, реакции коры головного мозга на внешние стимулы, температурных аномалий внутри биологического объекта и так далее. Различие приборов заключается в способах передачи, регистрации и обработке сигнала, в среде по которой он передается. Применяющаяся аппаратуру для измерения параметров биологических объектов на расстоянии можно разделить на два прогрессивно развивающихся класса:

1.         Приборы использующиеся в медицине

2.          Приборы использующиеся спортивной медицине.

1.1 Методы дистанционной регистрации биосигналов

Способ регистрация артериального пульса и частоты дыхания. Изобретение направлено на создание надежной методики дистанционного наблюдения за процессом дыхания и пульса с использованием доплеровского локатора, основанной на регистрации микроперемещений кожи с раздельным определением параметров процесса дыхания и пульса и пригодной, например, для последующего исследования психофизиологического состояния контролируемого объекта.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе наблюдения за артериальным пульсом и интервалами дыхания путем регистрации перемещения тканей участка тела, обусловленных комбинированным воздействием пульсаций кровотока и дыхания, с последующим выделением посредством фильтрации полезного сигнала, дистанционно облучают кожный покров с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 Ггц и путем разложения отраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяют изменения его фазы. При этом из отраженного сигнала предварительно удаляют низкочастотные составляющие сигнала, обусловленные возможными перемещениями облучаемого участка, а суждение о психофизиологическом состоянии исследуемого объекта выносят на основании анализа статистического распределения кардиоинтервалов.

Дистанционная регистрация перемещений кожного покрова дает достоверную и полную информацию о процессе дыхания и состоянии сердечнососудистой системы, которое определяется на основе анализа кардиоинтервалов, регистрируемых доплеровским локатором, работающим в диапазоне частот от 10 до 100 ГГц.

При этом точность и достоверность определения микроперемещений обеспечивается в изобретении как фазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т.к. фаза отраженного сигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора до облучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики) в режиме облучения объекта непрерывным монохроматическим немодулированным сигналом, так и выбором рабочей частоты, которая в заявленном СВЧ диапазоне обуславливает значительную фазовую модуляцию отраженного сигнала при изменении пульса на расстоянии до 5 м при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья, легких ширм и т.п.

Кроме того, электромагнитное облучение на отдельных участках выбранного диапазона (от 10 до 100 ГГц), как показали медицинские исследования, могут улучшать общее самочувствие пациентов и излечивать некоторые болезни.

Наличие блока коррекции тренда повышает достоверность регистрации "дыхательного" и "сердечного" сигнала, т.к. предварительно отфильтровывает (вычитанием) из квадратурного сигнала составляющую, обусловленную случайными макроперемещениями тела или его отдельных участков, и систематическое смещение нуля.

Способ для дистанционного исследования функций дыхания. Известно, что основным методом исследования вентиляционной функции легких является спирометрический, позволяющий объективно оценить жизненную емкость легких (ЖЕЛ), минутный объем дыхания (МОД), форсированные объемы (ФЖЕЛ, ОФВ1, МВЛ, РД).

Измерить скорость воздушного потока при форсированном вдохе, величины ПОС, МОС25, МОС50, МОС75, построить кривую поток - объем позволяет пневмотахометрический метод.

Снижение функциональной активности дыхательных мышц, дискоординацию торакоабдоминальных движений может регистрировать метод магнитометрии (плоские электроды приклеиваются к коже) [1].

Техническим результатом изобретения является возможность регистрации и измерения пульсации объема во время дыхания-пульса. Результат обеспечивается вследствие того, что предварительно для каждого пациента проводится процедура калибровки, которая обеспечивает измерение, анализ параметров измеряемого пространства в параллельных слоях (в трех измерениях X, Y, Z) и служит для построения таблицы преобразования данных режима измерения в цифровые единицы объема [2].

Предлагаемый способ исследования функции дыхания-пульса заключается в следующем. Обследуемый располагается в пространстве электромагнитного поля метрового диапазона в медицинском кресле в положении сидя, с помощью экрана с матрицей датчиков (МД) производятся измерения параметров поля. Количество датчиков, размещенных в экране МД, - n, где n - 64, 128, 256. При неподвижном положении верхних и нижних конечностей, соответственно расположенных на подлокотниках и подставке для ног кресла, изменения объемов грудной клетки и живота вызывают модуляцию параметров электромагнитного поля. Экран устанавливается в пространстве (X, Y, Z) так, чтобы i-й датчик экрана регистрировал максимальный вклад биомеханики дыхания-пульса соответствующей i-й зоны поверхности исследуемого биотела (Xi, Yi, Zi), где i - 1....n, в измеряемом пространстве. Измерения выполняются экраном датчиков МД с дистанции не менее L (см) до наиболее выступающей зоны передней стенки туловища. Сигнал F(i, t) (сигнал i-гo датчика после демодуляции, фильтрации и обработки) является функцией времени, отображает биомеханику i-й зоны и зависит от настройки аппаратных средств на режим измерения дыхания, пульса или перистальтики.

Обследуемый при дистанционной спирометрии дышит в естественной атмосфере, носовой зажим и загубник не используются. Данные, отображаемые на экране монитора, дают возможность оператору во время исследования функции дыхания более детально управлять процедурой записи пробы дыхания, что обеспечивает возможность выбора для обработки наиболее информативного цикла.

Анализ данных рентгенографии, спирометрии, радиоизотопных методов, клиники заболевания и данных дистанционного способа исследования функции дыхания позволил получить алгоритм преобразования данных патологического отставания "больной" половины грудной клетки при дыхании в соответствующее уменьшение показателей правого или левого легкого больного, что позволяет дополнить спирометрические данные объемами правого и левого легкого в отдельности, оценить вклад верхнего, среднего и нижнего отделов обоих легких с помощью гистограмм и динамических карт дыхания, регистрировать степень отклонения от нормы и место локализации патологического процесса.

Медицинская радиотермометрия. Радиотермометрия является методом неинвазивного определения температурных аномалий внутри биологического объекта (тела пациента). Она основана на законах излучения нагретых тел, справедливых и для биологических объектов. Каждое нагретое тело излучает согласно закону Планка в широком диапазоне частот, в том числе и в радиодиапазоне. В этом случае мощность излучения пропорциональна абсолютной температуре тела.

Биологические ткани являются сравнительно прозрачными для волн дециметрового диапазона, поэтому, оценив мощность излучения с помощью антенны, приложенной к поверхности кожи (антенны – аппликатура), можно судить о температуре глубинных слоев. В случае усиленного метаболизма клеток (при онкологических заболеваниях) при воспалительных процессах температура внутренних тканей повышается, на чем основаны диагностические особенности метода.

Впервые схема прибора для измерения температуры удаленных источников в радиодиапазоне была предложена Р. Дайком и носит его имя. Дайку принадлежит формула для радиометрического выигрыша:

, (1.1)

где  - среднеквадратическое значение флуктуации температуры на выходе прибора; - температура шумов на входе приемника; - температура шумов объекта;  - ширина полосы пропускания высокочастотной части прибора;  - время накопления.

При используемых полосах частот  в десятки и сотни мегагерц и времени накопления  в единицы секунд радиометрический выигрыш  составляет 10⁴... 10⁵ раз, и шумы на выходе радиометра эквивалентны 0,05... 0,1°С.

Формула Дайка находит следующее качественное объяснение. Высокочастотный сигнал представляет собой шум, состоящий из хаотических импульсов различной амплитуды и полярности. Длительность этих импульсов обратно пропорциональна ширине полосы пропускания приемника . Постоянная времени  является периодом усреднения амплитуды импульсов и при увеличении  в процесс усреднения попадает большее число импульсов, поэтому сигнал на выходе прибора стабилизируется, и точность показаний увеличивается. Модуляция сигнала низкой частотой уменьшает влияние изменения усиления приемного тракта.

Динамическое многоканальное радиотепловидение (ДМРТ). Исследование пространственного распределения реакций коры головного мозга на внешние стимулы позволит получить новую информации: о механизмах его функционирования. Для исследования динамики этих процессов в коре головного мозга человека пригодно ограниченное число методов, поскольку необходимо избегать применения инвазивных методов исследования, а также методов, использующих радиоактивные излучения или сильные магнитные поля. При исследованиях на животных весьма успешным оказалось применение термоэнцефалоскопни [3] — измерение температуры коры по ее собственному тепловому излучению с помощью динамического инфракрасного тепловидения. Было обнаружено, что в ответ на внешний сенсорный стимул в коре головного мозга возникают разнообразные очаги повышенной температуры, как точечные, так и распределенные, в том числе волновые режимы. Характерное, время соответствующих реакций — единицы и десятки секунд. Данный метод неинвазивен и, более того, бесконтактен, что является его несомненным достоинством. К сожалению, этот метод даже при исследованиях па животных требует снятия скальпа, что исключает его использование для изучения температурных реакций человека.

К настоящему времени развит другой метод неинвазивного измерения температуры тканей — динамическое многоканальное радиотепловидение (ДМРТ), основанный на регистрации собственного теплового излучения тканей не в инфракрасном, а в микроволновом диапазоне частот [4]. Это позволяет измерять излучение, выходящее с глубины до нескольких сантиметров, интенсивность которого, определяется абсолютной температурой в указанном слое ткани. Съем информации осуществляется посредством контактных антенн, установленных на поверхности тела. В силу конструктивных особенностей метод ориентирован на измерение не абсолютной температуры, а динамики ее изменения по всей исследуемой области. Данный метод применялся для исследований в онкологии [5]. С его помощью было показано, что при глюкозном тесте происходит значительный разогрев в области, где расположена опухоль или ее метастазы. Первые исследования подтвердили, что этот метод окажется эффективным для изучения реакций коры головного мозга человека.

Реокардиомониторные системы. На сегодняшний день наибольшее распространение среди систем удаленного мониторинга в кардиологии получили носимые ЭКГ-мониторы. В то же время отмечается абсолютное отсутствие аппаратуры для дистанционного анализа импедансных реограмм, что объясняется, с одной стороны, технической сложностью импедансных измерительных преобразователей и сравнительно недавним внедрением доступных средств автоматизации диагностических процедур, а с другой - проблемами методического и алгоритмического характера, особенно проявляющимися в условиях естественной подвижности и изменяющегося положения тела пациента.

Учитывая сложившиеся обстоятельства на рынке телемониторных систем диагностики, а также близость областей применения систем дистанционного анализа ЭКГ и реографии, рассмотрим основные типы существующих ЭКГ-мониторов.

Широкое использование электрокардиографии в медицинской практике и разнообразие условий, в которых может потребоваться кардиологическая помощь, создали базу для развития различных технологий дистанционного анализа ЭКГ. Классификация последних представлена в таблице 1.1.

Таблица.1.1 - Классификация методов дистанционного анализа ЭКГ

В настоящее время наибольшее распространение получили системы передачи ЭКГ по телефону, что обусловлено повсеместной доступностью и относительной дешевизной проводной телефонной связи.

Радиоканальные системы используются реже, однако их достоинство неоспоримо, когда необходимо обеспечить естественную мобильность передающей стороны при длительном мониторировании в реальном времени активно перемещающихся пациентов (системы с малым радиусом действия) или при поддержке мобильных бригад скорой помощи (системы с большим радиусом действия).

Система дистанционного мониторинга параметров центральной гемодинамики согласно рисунку 1.1 включает в себя носимый пациентом 1 портативный реокардиомонитор с приемопередатчиком 2, осуществляющий измерение и передачу реограмм и электрокардиограмм с единой электродной системы, а также центральный монитор 3 и базовую станцию 4, обеспечивающие прием, обработку и визуализацию полученных данных в реальном масштабе времени. Разработанный радиотелсметрический протокол с временным разделением каналов позволяет мониторировать одновременно до четырех пациентов.

Рисунок 1.1 - Биорадиотелеметрическая реокардиомониторная система

В канале импедансного измерительного преобразователя применена новая технология формирования трехуровневых зондирующих токов и стробируемого синхронного детектирования. Синтез трехуровнего зондирующего тока, управление синхронным детектированием и аналого-цифровым преобразованием, формирование радиотелеметрического протокола осуществляет микроконтроллер AT90S1200. Основные достоинства, определившие выбор данного микроконтроллера, - возможность работы от напряжения 3В с целью снижения потребляемого модулем тока, высокая производительность (при тактовой частоте 7,4 МГц время выполнения одной команды от 135 нс), развитая система команд, а также доступные и удобные средства проектирования и отладки [4].

Технически новым решением для разработанного реокардиомонитора является нормирующий фильтр-усилитель на выходе синхронного детектора представленный на рисунке 1.2, который позволяет использовать один канал для полного реографического сигнала, не разделяя его на базовый импеданс и пульсовую составляющую реограммы, тем самым сокращены аппаратные затраты и количество передаваемых каналов. Кроме того, повышение частоты среза аналоговых фильтров верхних частот до 1,8 Гц с последующей программной коррекцией линейных частотных искажений сигналов дает возможность применения удовлетворяющих требованиям компактности конденсаторов с меньшими размерами.

Рисунок 1.2 - Нормирующий фильтр-усилитель

Система аналого-цифрового сбора данных реализована на четырехканальном 16-разрядном АЦП последовательных приближений AD974, имеющем встроенный источник опорного напряжения, входной мультиплексор, устройство выборки-хранения и последовательный цифровой интерфейс. Данная микросхема может функционировать от одного источника питания 5В и имеет режим пониженного потребления.

Использование 16-разрядного АЦП позволяет увеличить допустимый размах входных, сигналов в 16 раз по сравнению с ранее применяемым 12-разрядным АЦП, что значительно снижает вероятность искажения реограммы свободно перемещающегося пациента в силу ограниченного динамического диапазона АЦП.

Достоинства: исключение «привязки» обследуемого к диагностической аппаратуре обеспечивает естественную подвижность пациента при выполнении им функциональных проб, тестовых профессиональных операций и других диагностических, профилактических и лечебных мероприятий, улучшает качество жизни пациентов, и в то же время позволяет врачу оперативно получать объективную картину состояния сердечно-сосудистой системы, применение для обработки полученной информации компьютера, высокая скорость передачи данных, возможность одновременного мониторинга нескольких пациентов.

Недостатки: ограниченный ресурс автономного источника питания, аналоговые фильтры инфранизких частот содержат крупногабаритные компоненты, что не удовлетворяет требованиям портативности, в условиях, естественной подвижности пациента существует вероятность искажения диагностических реограм.

Похожие работы

Степень влияния условий производственной среды и трудового процесса на функциональное состояние организма

Скачать

128511

8

9

... лекарств. Можем сделать вывод, что физиология трудовой деятельности — раздел физиологии, посвященный изучению изменений функционального состояния организма человека под влиянием его трудовой деятельности и обосновывающий методы и средства организации трудового процесса, направленные на поддержание высокой работоспособности и сохранение здоровья. В задачи физиологии труда входит изучение ...

Проблемы и перспективы развития технических средств таможенного контроля как части таможенной инфраструктуры РФ

Скачать

120254

5

3

... форме, что в итоге приведет к сокращению административных расходов; Ø   содействовать реализации торговой политики с учетом социально-экономических и инвестиционных задач. 1.2   Технические средства таможенного контроля как часть таможенной инфраструктуры Все элементы инфраструктурного обеспечения деятельности таможенной службы можно разделить на три большие группы [46]: 1)         ...

Разработка системы оперативно-диспетчерского контроля и управления канала

Скачать

275218

32

4

... К. Сатпаева» для просмотра и ввода информации системы оперативно-диспетчерского контроля и управления, создаваемые на Visual Basic. Специфика используемого в системе оперативно-диспетчерского контроля и управления РГП «Канал им. К. Сатпаева» ПО такая, что разработка ПО, как таковая, может производиться только при создании самой системы. Применяемое ПО является полуфабрикатом. Основная задача ...

Технология защиты леса

Скачать

346436

4

0

... биологических и химических средств защиты леса от хвое- и листогрызущих насекомых». Наставление разработано на основе обобщения результатов исследований по совершенствованию технологий изменения средств защиты леса от вредителей на базе современной авиационной техники. Данный документ рассматривает такие важные для лесозащитной практики вопросы, как определение целесообразности авиационной борьбы ...