регистрация биометрических параметров
и повышение эффективности тренажёров
, ученик 10 «В» класса лицея №4 г. Орла,
учащийся ЗФТШ при Московском физико-техническом институте
e-mail:*****@***ru
Компьютер и информационные технологии стали инструментом повседневной деятельности людей. В то же время перечень областей их применения практически не ограничен. Одной из них может служить использование домашнего компьютера для ежедневных измерений и регистрации параметров состояния (пульс, частота и глубина дыхания), назначаемая пожилым людям и лицам со слабым здоровьем, находящимся на домашнем лечении или восстанавливающим форму спортсменам. Такой электронный журнал аналогичен системам мониторинга в больницах или в тренажерных залах с той разницей, что он автоматически заполняется и анализируется по любой заранее заданной программе. В дальнейшем полученные данные могут быть использованы тренерами или медицинскими работниками для определения текущего состояния организма и оценки эффективности проводимых тренировок.
Созданная нами система разрабатывалась для организации эффективной работы дыхательных тренажеров. Проблема здесь состоит в том, существует большое число методик выполнения дыхательных упражнений. Однако чтобы их освоить, требуется немало сил, времени, терпения и опытный инструктор. Так как режим работы тренажёра, согласованный с лечащим врачом, требует выполнения и контроля многочисленных операций, отслеживать которые достаточно трудно. С помощью инновационного тренажёра дыхательные тренировки сможет самостоятельно освоить каждый человек.
Функции дыхательной системы очень многообразны: это не только проведения кислорода к крови и выведение углекислого газа, но и участие в теплообмене, поддержании постоянства внутренней среды организма, выведении излишков жидкости и многое другое. Нарушения функции дыхания в той или иной степени ухудшают нормальную жизнедеятельность организма. В то время дыхание – одна из немногих способностей организма, которая может контролироваться сознательно и неосознанно. Это одна из причин, почему очень важно следить за дыханием и управлять им.
Дыхательная система состоит из последовательно соединенных между собой полостей и трубок, легкого, диафрагмы и дыхательной мускулатуры. При вдохе мускулатура поднимает грудную клетку, диафрагма сокращается и уплотняется. Вследствие этого процесса объем легких увеличивается, и воздух как через насос проникает в легкие. При тренировках дыхания с сопротивлением очень хорошо тренируется дыхательная мускулатура, увеличивается её сила и выносливость. Это увеличивает резервы организма и позволяет переносить более значительные физические нагрузки [1, 2].
Максимальный объем воздуха в легких человека в состоянии покоя равен 9 л. В легких находится 300–350 млн. альвеол с общей площадью – 80 м2 , длина легочного капилляра – 7-8 мкм, просвет около 10 мкм. Кровь через капилляры альвеол проходит за 0,8 с, но гемоглобин успевает насытиться кислородом. Выдох является пассивным процессом, при котором дыхательные мышцы расслабляются, диафрагма поднимается вверх и воздух свободно выводится из организма.
Необходимое для поставленной нами цели оборудование и программы включают в себя: современный ноутбук с безопасным 5-ти вольтовым выходом напряжения для питания аналого-цифрового преобразователя и электрических датчиков измеряемых параметров, USB разъем, методические указания по проведению измерений, их программное обеспечение для учета регистрации и обработки данных (рис.1).
Рис 1. Фото компьютера, модернизированного тренажёра выдоха, датчиков и аналого-цифрового устройства
Несложная модернизация тренажёра для тренировки дыхательных мышц заключалась в установке в его выходной канал малогабаритного наконечника для присоединения датчика дифференциального давления с чувствительностью 1 мм водн. ст.
Функциональная схема, использованная для разработки компьютерной программы работы тренажера в среде LabVIEW [3], ее фрагмент и интерфейс показаны на рис. 2, 3, 4. Программа состоит из отдельных блоков, обеспечивающих
1) регистрацию даты проведения и ввод исходных данных, определяющих режим тренировки;
2) запуск режима измерения параметров, контролируемых перед началом упражнений;
3) запуск режима тренировки с выдачей звукового и светового сигналов, корректирующих частоту дыхания с отображением осциллограмм давления и их индивидуально допустимых значений;
Рис. 2. Функциональная схема работы системы
4) автоматическую подачу сигнала о завершении тренировки;
5) автоматический расчет осредненных показателей и оценки качества выполнения предписанной программы дыхательных упражнений;
6) измерение параметров состояния после завершения тренировки;
7) последовательную запись выходных данных блоков 1, 2, 3, 5, 6, при этом все данные могут быть использованы для консультаций с лечащим врачом.
Рис. 3. Фрагмент LabVIEW программы автоматического расчета
осредненных показателей и оценки качества выполнения
дыхательных упражнений
Рис. 4. Самостоятельно разработанный интерфейс в среде LabVIEW
На конференции Panasonic Convention – 2011 в Лондоне [4], руководитель отделения аудио - и видеотехники компании сообщил об открытии в 2011 году онлайн-магазина приложений для своих телевизоров, работающих по технологии хранения и исполнение программ на удаленном компьютере. Panasonic предполагает опубликовать интерфейс системы и стимулировать разработчиков новых рыночных услуг на создание разнообразного программного обеспечения. Примерно в это же время без всякой связи с этим сообщением мы по приглашению принять участие в научной конференции школьников в МФТИ приступили к нашему исследованию. Благодаря имевшемуся заделу [5] практически за один месяц нам удалось разработать программу измерения и регистрации индивидуальных биометрических параметров и повышения эффективности дыхательных тренажеров для домашнего компьютера и провести ряд интересных экспериментов. Таким образом, предлагаемое решение является актуальным, и обладает рядом преимуществ в части расширения сферы применения информационных технологий с использованием домашней компьютерной техники. Немало важен и тот факт, что стоимость компьютеризированных аналогов, оснащенных специальными микропроцессорами с постоянной программой работы чрезвычайно высока. При использовании домашнего компьютера и практически бесплатного программного обеспечения затраты на внедрение таких систем становятся посильными для большой части нашего населения.
Описанная система пригодна не только для регистрации параметров, но и для организации эффективной работы лечебных тренажеров. В случае самоконтроля программа может дополнительно выводить на экран компьютера осциллограммы контролируемых показатели и обеспечивать пациенту возможность непрерывного визуального наблюдения и выдерживания рекомендованного темпа и интенсивности выполнения упражнения, заданного времени и сохранение биометрических показателей до и после начала лечебной процедуры.
Возможен также постоянный и профессиональный анализ оценки эффективности тренировок, наращивание исследуемых биометрических показателей, таких как непрерывное определение пульса, содержания кислорода в крови, артериального давления, изменения объёма грудной клетки и т. п. Все эти данные также могут быть использованы при консультациях с лечащим специалистом (рис. 5).
Рис. 5. Осциллограммы – а) нормального дыхания, б) дыхания через базовый тренажер, в) дыхания через инновационный тренажер, соединенный с компьютером и управляющей измерительной системой
Основные результаты исследования сводятся к следующему
1) разработана компьютерная программа периодического мониторинга измерения биометрических параметров и учёта индивидуальных особенностей при использовании для лёгочного тренажёра в домашних условиях;
2) показано, что важнейшим достоинством модернизированных дыхательных тренажеров состоит в их простоте и универсальности, их можно применять и взрослым, и детям. При этом занятия на тренажёре могут сочетаться с любыми другими видами лечения;
3) предложен показатель комплексной оценки качества выполнения тренировок, автоматически рассчитываемый компьютером с расшифровкой его составляющих. Установлено, что наличие светового и звукового сигналов значительно улучшает качество выполнения тренировок. Одновременный контроль глубины дыхания позволяет улучшить качество выполнения программы с 70% до 100%.
Дальнейшие перспективы работы связаны
- с размещением материалов исследования на сайте фестиваля «Открытый урок» для использования в школах на уроках биологии и физики при изучении функций внешнего дыхания;
- регистрацией интеллектуальной собственности на алгоритм комплексной оценки качества эффективности тренировок и полезную модель системы;
- участием в инвестиционных программах поддержки исследований студентов и школьников.
Список использованных источников
1. Биология. Человек : учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений / , , . – 7-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006. – 332 с. : ил. ISBN 5-358-00929-9
2. Мальте Хенк. Двигатели жизни. Журнал GEO 02/2010, c. 137-141. www. geo. ru
3. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения на основе LabVIEW 7/Под. ред. –М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.: ил. ISBN 5-94074-084-7
4. Портал технологий на сайте 17.02.11 г.
5. ёв, , Пономарчук стенд для определения характеристик ИК - излучения тепловых мишений. Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии NI: Сборник трудов 9-oй Научно-практической конференции. Москва 3-4 декабря, 2010 г. – М.: РУДН, 2010. – 539 с. ISBN 978-5-209-03921-1.
