CC BY
31
Доклады БГУИР
2015 № 5 (91)
УДК 615.47:616-072.7
ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОТООТДЕЛИТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА
А.М. ВОРОБЕЙ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 25 июня 2015
Разработан диагностический аппаратно-программный комплекс, основанный на использовании емкостного датчика и адсорбирующего элемента и реализующий измерение и мониторинг количества выделенного человеком пота в норме и патологии (первичный гипергидроз).
Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, емкостной датчик, адсорбирующий элемент, потоотделение человека.
Введение
Потоотделительные реакции в течение многих лет успешно используются в медицинской практике при диагностике ряда заболеваний, как правило, нервной системы [1]. В связи с этим измерение количества и контроль динамики потоотделения человека является актуальным вопросом в клинической практике и спортивной медицине.
В настоящее время наиболее распространенным электрическим методом оценки потоотделения человека является метод импедансометрии (основанный на измерении полного электрического сопротивления кожи) [2]. Рядом преимуществ по сравнению с импедансометрией обладает емкостной метод (основанный на измерении электрической емкости кожи): отсутствие гальванического тока и поляризационных эффектов, независимость результатов измерений от химического состава кожи) [3]. При этом все вышеуказанные методы не позволяют осуществлять накопление влаги (выделяемого пота) в течение определенного промежутка времени, что является необходимым при оценке потоотделения человека в динамике. Для устранения данного недостатка целесообразно дополнительно использовать материал, максимально сорбирующий пот с поверхности кожи. При этом анализ существующих сорбционных материалов показал, что целлюлоза и, соответственно, изготавливаемая на ее основе фильтровальная бумага обладают высокими впитывающими свойствами [4]. Использование емкостного датчика и адсорбирующего элемента на основе целлюлозы решает задачу повышения эффективности количественной оценки потоотделения человека, однако требует проведения дополнительных исследований (моделирования и экспериментальной верификации) для определения структуры и размеров электродов емкостного датчика (оптимальных с точки зрения достижения наибольшей чувствительности).
В данной работе предложено разработать аппаратно-программный комплекс на основе использования емкостного датчика и адсорбирующего элемента с целью повышения информативности количественной оценки потоотделения человека в норме и при патологии (первичный гипергидроз).
Моделирование и экспериментальная верификация емкостного датчика количественной оценки потоотделения человека
По результатам проведенного моделирования в программной среде COMSOL Multiphysics, представленных в работах [5, 6], в промышленных условиях изготовлен типоразмер 640х7000 емкостного датчика встречно-штыревой структуры электродов с целью проведения исследований по его экспериментальной верификации.
При проведении исследований по экспериментальной верификации для регистрации электрической емкости системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент» использовался аппаратно-программный комплекс на базе промышленного прибора (измерителя иммитанса Е7-20) (рис.1), а в качестве адсорбирующего элемента - бумага фильтровальная лабораторная по ГОСТ 12026-76 (плотностью 85 г/м2 и толщиной 190 мкм).
Рис. 1. Аппаратно-программный комплекс на основе промышленного прибора (измерителя иммитанса Е7-20) для проведения исследований по экспериментальной верификации
По результатам проведенного экспериментального исследования глубина проникновения электрического поля в адсорбирующий элемент составила 140 мкм. По результатам моделирования в программной среде COMSOL Multiphysics - 135 мкм. Отклонение экспериментальных данных от результатов моделирования по оценке глубины проникновения электрического поля в адсорбирующий элемент составило 3,7 %.
Отклонение экспериментальных данных от результатов моделирования по оценке абсолютного приращения электрической емкости датчика в зависимости от влагосодержания адсорбирующего элемента, смоченного физиологическим раствором, составило соответственно 13,6 %. Влагосодержание адсорбирующего элемента Влсод_100% определяется в соответствии с выражением:
т — т
Влсод^100„/ =—1-- • 100%, где - масса пропитанного адсорбирующего элемента;
т0
т0 - масса сухого адсорбирующего элемента.
Таким образом, проведенная экспериментальная верификация подтвердила адекватность компьютерной модели системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент».
Результатом экспериментальной верификации является градуировочный график зависимости абсолютного приращения электрической емкости датчика (АС) от влагосодержания адсорбирующего элемента (Влсод0_100%) для количественной оценки потоотделения человека, представленный на рис. 2.
АС, пФ
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Влсодо-1(Ю, %
Рис. 2. Градуировочный график зависимости абсолютного приращения электрической емкости от влагосодержания адсорбирующего элемента для количественной оценки потоотделения человека
Разработка диагностического аппаратно-программного комплекса количественной оценки потоотделения человека на основе емкостного датчика
и адсорбирующего элемента
Диагностический аппаратно-программный комплекс (АПК) количественной оценки потоотделения человека содержит портативное устройство для регистрации электрической емкости системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент» и аппаратно-программный модуль обработки и визуализации результатов диагностики на базе персонального компьютера (ноутбука или планшета) (рис. 3). Соединение портативного устройства и аппаратно-программного модуля осуществляется через канал связи Bluetooth.
I______________I
Рис. 3. Схема диагностического аппаратно-программного комплекса количественной оценки
потоотделения человека
Составляющими портативного устройства для регистрации электрической емкости системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент» являются:
- емкостной датчик;
- адсорбирующий элемент;
— блок регистрации электрической емкости системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент»;
— аналогово-цифровой преобразователь;
— блок передачи данных.
Аппаратно-программный модуль обработки и визуализации результатов диагностики включает следующие блоки:
— блок приема данных;
— устройство управления;
— блок моделирования параметров системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент»;
— блок расчета влагосодержания адсорбирующего элемента;
— устройство отображения информации;
— устройство ввода данных.
Предусмотрено два режима работы диагностического аппаратно-программного комплекса.
1. Режим измерения потоотделения, реализующий методику измерения (рис. 4, а) количества пота, выделенного человеком за заданный промежуток времени.
2. Режим мониторинга потоотделения, реализующий методику контроля динамики (рис. 4, б) потоотделения человека в течение заданного промежутка времени.
Диагностический аппаратно-программный комплекс работает следующим образом. В начале диагностического обследования происходит закрепление портативного устройства на исследуемом участке кожи человека. Далее осуществляется выбор режима диагностики.
В режиме измерения потоотделения аппаратно-программный комплекс работает в следующей последовательности.
^ Начало )
( Начало ^
Моделирование системы "емкостной датчик + адсорбирующий элемент"
Выбор временного интервала, в течение которого адсорбирующий элемент будет накапливать выделяемый человеком пот
Измерение электрической емкости системы "емкостной датчик + адсорбирующий элемент"
Количественная оценка потоотделения человека на основе показателя влагосодержания адсорбирующего элемента
( Конец )
Моделирование системы "емкостной датчик + адсорбирующий элемент"
Выбор временного интервала, в течение которого адсорбирующий элемент будет накапливать выделяемый человеком пот
Выбор шага, в соответствии с которым будут выполняться измерения потоотделения человека
Измерение электрической емкости системы "емкостной датчик + адсорбирующий элемент"
Количественная оценка динамики потоотделения человека на основе изменения показателя влагосодержания адсорбирующего элемента во времени
( Конец )
а б
Рис. 4. Методика измерения (а) и методика контроля динамики (б) потоотделения человека
Пользователь (врач) посредством устройства ввода данных осуществляет выбор стандартных параметров емкостного датчика (типоразмера 640^7000 встречно-штыревой структуры электродов) и адсорбирующего элемента (на основе целлюлозы плотностью 85 г/м2 и толщиной 190 мкм) либо новых параметров емкостного датчика и адсорбирующего элемента.
В случае использования стандартных параметров системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент» производится выбор временного интервала (Т), в течение которого адсорбирующий элемент будет накапливать выделяемый человеком пот. Далее происходит измерение электрической емкости сухого адсорбирующего элемента (С0) с последующим преобразованием данного сигнала из аналоговой в цифровую форму и сохранением в устройстве управления. После этого осуществляется накопление адсорбирующим элементом выделяемого человеком пота в течение заданного временного интервала.
По истечении заданного промежутка времени (Т) производится измерение электрической емкости пропитанного адсорбирующего элемента (С) и преобразование данного сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя с последующей передачей в устройство управления. В устройстве управления по зарегистрированным значениям электрической емкости сухого (С0) и пропитанного (С) адсорбирующего элемента осуществляется расчет абсолютного приращения электрической емкости (АС) в соответствии с формулой: АС = С — С.
Рассчитанное значение АС передается в блок расчета влагосодержания адсорбирующего элемента, где в соответствии с величиной АС определяется показатель влагосодержания адсорбирующего элемента Влсод0_100%. Взаимосвязь абсолютного
приращения электрической емкости и влагосодержания адсорбирующего элемента установлена в результате проведенной экспериментальной верификации типоразмера 640^7000 емкостного датчика встречно-штыревой структуры электродов и выражается градуировочным графиком (АС = /(Влсод0_100%)), представленным на рис. 2. Далее полученное значение Влсод0_100О/о
выводится на устройство отображения информации. Влагосодержание адсорбирующего элемента служит количественным критерием потоотделения человека: чем выше данный показатель, тем больше пота впитал адсорбирующий элемент за заданный промежуток времени. В случае перенасыщения адсорбирующего элемента потом раньше, чем истечет временя диагностики, на блок отображения информации устройством управления выдается сообщение о перенасыщении адсорбирующего элемента и его замене.
Аппаратно-программный комплекс, работающий в режиме измерения потоотделения, может быть использован для диагностики первичного гипергидроза с целью повышения эффективности отбора пациентов для оперативного лечения данного заболевания.
В режиме мониторинга потоотделения диагностический аппаратно-программный комплекс работает следующим образом. Пользователь (врач) посредством устройства ввода данных осуществляет выбор использования стандартных либо новых параметров емкостного датчика и адсорбирующего элемента. В случае использования стандартных параметров системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент» производится выбор временного интервала ( Т ), в течение которого будет выполняться мониторинг потоотделения, а также выбор шага (А?), в соответствии с которым будут выполняться измерения потоотделения человека. Далее происходит измерение электрической емкости сухого адсорбирующего элемента ( С0 ) с последующим преобразованием данного сигнала из аналоговой в цифровую форму и сохранением в устройстве управления. После этого осуществляется накопление адсорбирующим элементом выделяемого человеком пота в течение заданного шага А?.
По истечении заданного шага (А?) производится измерение электрической емкости пропитанного адсорбирующего элемента (С^) и преобразование данного сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя с последующей передачей в устройство управления. В устройстве управления по зарегистрированным значениям электрической емкости сухого (Со) и пропитанного (С) адсорбирующего элемента осуществляется расчет абсолютного приращения электрической емкости (АСг) в соответствии с формулой: АCj = С — Со .
Рассчитанное значение АС1 передается в блок расчета влагосодержания адсорбирующего элемента, где в соответствии с величиной АС1 определяется показатель влагосодержания адсорбирующего элемента Влсод0 100О/о (в соответствии с градуировочным
графиком, представленным на рис. 2. Далее полученное значение Влсод0_100%^ выводится на
устройство отображения информации. В дальнейшем производится реализация цикла
Т
измерения потоотделения человека по вышепредствленной схеме п = — раз.
А?
Количественная оценка динамики потоотделения человека осуществляется на основе изменения показателя влагосодержания адсорбирующего элемента во времени (Влсод0_100О/о = /(Т)). Данная зависимость выводится на устройство отображения информации в реальном режиме времени, тем самым обеспечивая возможность графической визуализации динамики потоотделения человека. В случае перенасыщения адсорбирующего элемента потом раньше, чем истечет временя мониторинга потоотделения, на блок отображения информации устройством управления выдается сообщение о перенасыщении адсорбирующего элемента и его замене.
Аппаратно-программный комплекс, работающий в режиме мониторинга потоотделения, может быть использован с целью проведения экспресс-оценки исходного уровня и динамики потоотделительной функции кожи человека для разработки индивидуального плана физических тренировок и занятий по лечебной физкультуре.
В случае использования новых параметров емкостного датчика и адсорбирующего элемента в схеме АПК (рис. 1) предусмотрен блок моделирования параметров системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент». В данном случае диагностический аппаратно-программный комплекс (как в режиме измерения, так и в режиме мониторинга) работает следующим образом.
Пользователь (врач) посредством устройства ввода данных задает следующие параметры моделируемой системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент»:
— материал, конфигурацию и геометрические размеры подложки и электродов датчика;
— материал и толщину диэлектрического покрытия датчика;
— материал, площадь и толщину адсорбирующего элемента.
Далее в блоке моделирования осуществляются построение и расчет электрических параметров компьютерной модели системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент», после чего в блоке расчета влагосодержания адсорбирующего элемента производится построение зависимости абсолютного приращения электрической емкости адсорбирующего элемента от содержания в нем влаги (нового градуировочного графика зависимости АС = У(Влсод0_1000/о)). После этапа моделирования процедура по количественной оценке
потоотделения человека выполняется в той же последовательности, что и в случае с использованием стандартных параметров емкостного датчика и адсорбирующего элемента.
При проведении повторных процедур по измерению и контролю динамики потоотделения человека предоставление сохраненных результатов выполняется посредством вывода на устройство отображения информации первоначальных показателей, хранящейся в устройстве управления.
Заключение
Разработанный диагностический аппаратно-программный комплекс, основанный на использовании емкостного датчика и адсорбирующего элемента и реализующий компьютерное моделирование параметров системы «емкостной датчик + адсорбирующий элемент», предназначен для диагностики первичного гипергидроза с целью повышения эффективности отбора пациентов для оперативного лечения данного заболевания, а также для мониторинга потоотделения человека с целью проведения экспресс-оценки исходного уровня и динамики потоотделительной функции кожи человека для разработки индивидуального плана физических тренировок и занятий по лечебной физкультуре. Данная работа включает новые научно обоснованные результаты, которые решают важную научную задачу разработки аппаратно-программных средств на основе использования электрических методов, реализующих количественную оценку потоотделения человека.
HARDWARE-AND-SOFTWARE DIAGNOSTICS SYSTEM FOR QUANTITATIVE EVALUATION OF HUMAN SKIN PERSPIRATION FUNCTION
A.M. VOROBEI Abstract
Capacitive transducer/adsorption element based on hardware-and-software diagnostics system that implements human perspiration measurement and monitoring under normal and pathological conditions (primary hyperhidrosis) is designed.
Список литературы
1. Панкратов В.Г. Дерматология. Минск, 2012.
2. ВладимировЮ.А. Биофизика. М., 1983.
3. Courage W. Hardware and measuring principle:corneometer. Florida, 1994.
4. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб., 1999.
5. Воробей А.М., Рымарев Д.В., Давыдов М.В. и др. // Вест. ПГУ. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2012. № 11. С. 50-55.
6. Воробей А.М. // Матер. XIX МНТК «Современные средства связи-2014». Минск, 14-15 окт. 2014 г. С. 80-82.
