Разработка портативного комплекс для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека

УДК 614.8

БройкоА. П., к. т.н.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Ключевые слова: контроль физиологического состояния, биомониторинг, телемедицина.

Реферат.

Статья посвящена разработке портативного комплекса для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека. Описаны проблемы и пути решения возникающие при создании подобных комплексов.

Article is devoted to development of a portable complex for the continuous remote control of a physiological condition and a location of the person. Problems and ways of the decision arising are described at creation of similar complexes

Разработка портативного комплекс для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека.

Development of a portable complex for the continuous remote control of a physiological condition and a location of the person.

Повышение уровня безопасности человека в современном мире требует создания комплекса для контроля его физиологического состояния и местоположения. Дети и люди пожилого возраста, а так же те, чья профессиональная деятельность связана с экстремальными физическими и психологическими нагрузками (военные, сотрудники МЧС, спортсмены и др.), являются потенциальными потребителями подобных систем.

Создание носимой системы для дистанционного непрерывного персонифицированного контроля основных жизненных функций человека связано с решением широкого круга технических задач. Универсальные приборы для дистанционного медицинского контроля отсутствуют, а автоматические измерители основных физиологических параметров, получившие признание у клиницистов, непригодны в «полевых условиях».

Существенным препятствием, возникающим при попытке использовать для мониторинга динамики функционального состояния человека стандартные измерители, является необходимость размещения на теле достаточно массивных металлических датчиков, множественных циркулярных электродов и окклюзионных (периодически раздуваемых и сдавливающих артерии) манжет.

Целью работы являлась разработка портативной «носимой» аппаратуры и неинвазивных (не вносящих механических возмущений) способов регистрации динамики физиологических параметров.

1. Описание комплекса.

Созданная система [8] состоит из носимой телеметрической системы, включающей биометрические датчики, и программного комплекса, обеспечивающего обработку поступающих данных.

Описание носимой части комплекса

Носимая часть обеспечивает получение основных физиологических параметров:

-  пульса

-  частоты дыхания

-  процента насыщения крови кислородом (SPO2)

-  среднего артериального давления

-  температуры кожного покрова

Параметров положения и движения:

-  положения тела

-  двигательной активности

-  местоположения (по GSM и GPS).

Система представляет собой нательную одежду с расположенными в ней измерителем температуры, электрокардиографом, пульсоксиметром, сенсоры которых установлены с возможностью контактирования с чувствительными участками тела контролируемого объекта (определяющие температуру кожного покрова, пульс, процент насыщения крови кислородом), а также плетизмограф и акселерометр-инклинометр, (контролирующие соответственно частоту дыхания, положение тела и активность)

2. Особенности измерения артериального давления безокклюзионым методом.

Измерение динамики артериального давления устройством основано на принципе зависимости скорости распространения пульсовой волны (СРПВ) от артериального давления (АД) крови в сосудах. Связь скорости распространения пульсовой волны с уровнем давления в сосуде была теоретически обоснована и подтверждена экспериментально давно [7] (Geddes L. A., Voelz M. H., Babbs C. F. et all, 1981, , 1987). Анализ работ последних лет свидетельствует о сложном характере зависимости между этими величинами [3-5]. Однако, многие авторы сходятся во мнении, что в диапазоне значений артериального давления от 0 до 90 мм рт. ст. у здоровых испытуемых выдерживается линейный характер связи СРПВ и АД, отличаясь лишь крутизной [1,2]. Авторы далее указывают, что у 80% испытуемых и в более высоком диапазоне значений АД (100 – 120 мм рт. ст.) линейная зависимость АД и СРПВ сохраняется. Лишь в 18,5 % случаев в этом поддиапазоне возникают варианты изменения зависимости, различающиеся от индивидуума к индивидууму [1]. Принцип линейной зависимости СРПВ и АД исследован в ряде работ по неинвазивному определению артериального давления, и использован в нескольких отечественных и зарубежных разработках - патент Франции, № 000 А61В5/02; авторское свидетельство СССР № 000 А61В5/02, устройство «Casio» Япония и т. д.

Устройством измеряется время распространения пульсовой волны (ВРПВ), определяемое как интервал между экстремумом ЭКГ-сигнала и устойчивой точкой на кривой пульсовой волны регистрируемой на ухе фотоэлектрическим датчиком, принадлежащим одному сердечному циклу.

Во время каждого сердечного цикла (удара сердца) генерируются электрические сигналы. Момент возникновения ЭКГ сигнала служит точкой отсчета для определения времени и скорости распространения пульсовых волн.

Скорость распространения пульсовых волн подвержена влиянию ряда факторов, в первую очередь, кондициям физического состояния. Давление рассчитывается по величине интервала между зубцом R ЭКГ и устойчивой точкой на кривой пульсовой волны. Зависимость между СРПВ и кровяным давлением у разных людей различна. Для точной калибровки прибора конкретного пользователя необходимо ввести в устройство индивидуально определяемые «базовые параметры». Устройство рассчитывает давление на основе зависимости измеряемой скорости распространения пульсовых волн по определенным заранее «базовым» соотношениям показателей СРПВ и АД. Индивидуальный характер соотношений между АД и СРПВ определяется при трех различных уровнях АД.

Индивидуальное тестирование зависимости АД и СРПВ у пользователей включает регистрацию параметров «в покое», а затем - после двух стандартных физических нагрузок нарастающей интенсивности. «Базовые» цифры артериального давления получают ручным сфигмоманометром и в виде трех опорных точек вводят в программу, которая строит «калибровочную» зависимость АД от СРПВ для конкретного пользователя. Установленная индивидуальная «базовая» зависимость, заложенная в память процессора, в дальнейшем позволяет рассчитывать артериальное давление только по измеряемой СРПВ для каждого сердечного цикла.

Базовый параметр АД «фона» для устройства измеряется в спокойном, расслабленном состоянии. Далее выполняется проба с приседаниями: в медленном темпе 20 приседаний за 30 с. Сразу после выполнения нагрузки (1-я минута) в положении сидя измеряется АД. При нормотоническом типе реагирования на физическую нагрузку повышается максимальное и понижается минимальное АД. У тренированных пользователей динамика АД в ответ на 20 приседаний невелика. Важным критерием нормотонической реакции является быстрое восстановление ЧСС и АД до уровня фона.

Пример (таблица 1) протокола проведения функциональных проб у пользователя с нормотоническим типом реагирования АД на физическую нагрузку

Таблица 1 Протокол проведения функциональной пробы

Время исследования	До нагрузки	После 20 приседаний	После 15-секундного бега
минуты	минуты
1-я	2-я	3-я	1-я	2-я	3-я	4-я
АД	120/70	140/60	—	120/70	175/70	155/65	135/70	125/70

Ввод в устройство базовых параметров АД полученных после первой физической нагрузки.

Вторая физическая нагрузка - 15-секундный бег на месте в максимальном темпе. Сразу после пробы в положении сидя измеряется АД. После 2-й нагрузки при нормотоническом типе реакции повышается максимальное и понижается минимальное АД. Изменения в ответ на 15-секундный бег могут быть выраженными. Так, на 1-й минуте восстановительного периода максимальное АД повышается до 160—180 мм рт. ст., а минимальное может понизиться до 50—60 мм рт. ст. Ввод в устройство базовых параметров АД полученных на 1-й минуте после второй физической нагрузки.

Проверка правильности расчета по предварительно введенным базовым параметрам проводится контрольным измерением сфигмоманометром. Если разница в показаниях сфигмоманометра и текущих показаниях устройства составит 20 и более мм рт. ст., то необходимо обновить базовые параметры. В любом случае, базовые параметры необходимо обновлять, по крайней мере, ежемесячно.

3. Оценка положения и активности человека.

Для более детального распознавания, с чем связаны различные изменения физиологических параметров человека в каждый конкретный момент времени, в систему введена возможность определения положения человека относительно земли и оценка уровня его движения. Это позволяет оперативно выявлять такие изменения как:

1.  человек стоит

2.  человек наклонился

3.  человек лежит

4.  человек не движется

5.  человек движется

6.  человек движется интенсивно

Программное обеспечение может в реальном времени отображать синхронный тренд всех физиологические параметров, обеспечивая их привязкой к событиям, связанным с изменением в положении человека и/или сменой его уровня движения. Такая информация может использоваться как независимый или вспомогательный инструмент и может увеличивать в ряде случаев адекватность измеряемых ЧСС, SPO2 и т. д. (пример на рис 1 ниже)

Рис 1. Синхронный тренд физиологических параметров

Задача решается бесконтактно с помощью твердотельного акселерометра-гироскопа выполненного по MEMS технологии. Датчик размешается внутри описанной специализированной одежды в главном корпусе прибора. Основным преимуществом данной конструкции является отсутствие какой-либо привязки к конечностям либо деталям одежды (брюкам, ботинкам и т. д.). Местоположение и алгоритм обработки данных обеспечивает устойчивость к небольшим помехам, вызванным мелкими движениями, которые постоянно происходят в живом организме. Возможны небольшие вариации системы в пространстве без появления видимых отклонений в работе, что позволяет не стеснять человека жесткими креплениями.

Предварительная калибровка чувствительности и уровня информативности показаний производиться с учетом физических возможностей среднестатистического человека во время изготовления. При целевом применении выполняется автоматическая настройка, не требующая вмешательства человека. При изменении потребностей потребителя системы возможна перенастройка релевантной составляющей показаний, но с внесением изменений в программную и/или аппаратную часть системы.

Внедрение в систему доступных для внешнего наблюдателя показателей физической активности человека, технически реализованных на основе MEMS технологий, практически не обременяет исследуемого. В свою очередь эти данные значительно повышают качество работы всего комплекса в целом, позволяя с большей вероятностью выявлять полезную информацию и избегать помех и других влияний от движений, всегда являющихся значительным источником недетерминированных трудностей в анализе данных о человеке.

4. Система сбора и передачи данных.

Главный принцип работы системы сбора и передачи данных – это минимум действий пользователя. Все настройки связи происходят в автоматическом режиме.

Для передачи данных система использует канал связи GSM. У пользователя должен быть коммуникатор (или простой сотовый телефон) с поддержкой технологии Bluetooth, чтобы обеспечить сбор данных от биометрической системы.

Коммуникатор устанавливает связь с базой данных, находящейся на удаленном сервере, по каналу GPRS. Сервер обеспечивает доступ к информации пользователя по средствам любого Интернет браузера.

Схема взаимодействия элементов системы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Связь объектов в системе.

Коммуникатор выполняет функцию сбора данных от биометрической системы, добавляет к ним информацию о своем местоположении, используя GPS или базовые станции сотовой сети. Полученный пакет передается на сервер, где происходит идентификация объекта и работа с базой данных (рисунок 3).

Объект	Сервер	База данных
		Ожидание подключения объекта
Инициализация канала связи GPRS
	Подключение (Connect)
	Подключение (Accept)
	Передача уникального идентификационного ключа объекта (номера телефона)
			Запрос авторизации
			Подтверждение
		Идентификация объекта, создание сессии связи
	Передача параметров сессии связи (номер порта, ключ шифрования и т. п.)
	Служебная информация о версии аппаратного и программного обеспечения объекта
	Основные пакеты данных
			Добавление новой информации от объекта в базу данных
	Завершение сеанса связи (disconnect)
		Завершение сессии связи с данным объектом

Рисунок 3 – Диаграмма взаимодействия объекта, сервера и базы данных.

Авторизация объекта на сервере происходит по его номеру телефона. Если аппарат с таким номером зарегистрирован в базе данных, то сервер выделит ему отдельный порт для сеанса связи.

Доступ пользователя к серверу осуществляется через Интернет браузер. Для получения информации, пользователю необходимо пройти процедуру авторизации.

В случае успешного входа в систему пользователь перейдет на основную страницу, позволяющую просматривать данные о перемещении и биометрическую информацию для каждой точки за заданный интервал времени (рисунок 4).

Рисунок 4 – Отображение пользовательской информации

Для отображения пути используются карты Google Map, поддерживаются функции переключения вида (карта, спутники, гибрид) и изменения масштаба.

Пользователь может вывести данные о своих перемещениях за весь или за заданный период времени. Для каждой точки пути доступны следующие данные:

·  время с точностью до тысячной секунды;

·  высота над уровнем моря;

·  скорость движения;

·  частота дыхания;

·  положение тела;

·  двигательная активность (идет, бежит, стоит);

·  температура;

·  АД (артериальное давление)

·  Пульс

·  SpO2 ;

·  уровень заряда аккумулятора.

5. Заключение.

В результате работы впервые создан портативной комплекс для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека.

Дальнейшее совершенствование подобных систем вероятно приведет к созданию нового вида одежды, с полностью интегрированными в нее датчиками распределенными по телу, осуществляющую контроль физиологического состояния и местоположения человека, выполняющую функцию первичной медицинской помощи. Вероятно, станет возможным определять не только клинически важные параметры, но и более тонкие отклонения от нормы. Такие системы безусловно смогут улучшить качество жизни и повысить безопасность человека.

ЛИТЕРАТУРА

1. ,,Киселев связи скорости распространения пульсовой волны и артериального давления. Известия Алтайского Государственного Университета. Барнаул, 1999. Вып. 4. С. 153 – 157.

2. , , В. А, Клочков, . К выбору метода измерения артериального давления в мониторных комплексах // Медицинская техника. 1995. №4. С.26 – 29.

3. Березина значение оценки вариабельности скорости распространения пульсовой волны у больных артериальной гипертонией. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук, Иваново, 2007, с. 22.

4. , , . Клиническое значение оценки эластических свойств сосудов / Перспективы российской кардиологии // Российский национальный конгресс кардиологов: Материалы конгресса. // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. – 2005. – Т.4, №4. – С.230.

5. , , В, Изменение скорости распространения пульсовой волны при артериальной гипертензии. Южно-Российский медицинский журнал, N3. 2002.

6. , , Хирманов давление в исследовательской и клинической практике. – М. Реафарм, 20с.

7. Валтнерис определения скорости распространения пульсовой волны. Рига, 1966.

8. Патент на полезную модель № 000 Российской Федерации МПК A61B 5/0205, A61B 5/113 от 01.01.01г. Телеметрическая система для мониторинга физиологических параметров// Бройко А П, , к заявке № /22 от 01.01.2001. Опубл. 10.08.2008 Бил. №22. Дата начала отсчета срока действия патента: 25.03.2008.