CC BY
13
УДК 006.91:615.841:681.5
К. В. Подмастерьев, д-р техн. наук, М. В. Яковенко, канд. техн. наук,
ФГОУ ВПО «Орловский государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс»
Метрологические аспекты разработки электрофизиоаппаратуры с адаптивным управлением по биологическому параметру
Ключевые слова: адаптивное управление, артериальное давление, контроль, ударный объем, электрический ток, электрофизиотерапия
Статья посвящена проблемам разработки электрофизиотерапевтической аппаратуры с системами адаптивного управления на основе объективного контроля состояния организма пациента при проведении физиотерапевтических процедур. Дано обоснование выбора информативного параметра — ударного объема и управляемого параметра — амплитуды токового воздействия. Приводятся результаты исследований поразработке метода, обоснованиережимов и принципов построения средств контроля ударного объема для использования в указанных системах.
Постановка проблемы
В настоящее время в медицинской практике лечения и профилактики заболеваний, относящихся к различным группам, широкое применение нашла физиотерапия. Ее преимущества неоспоримы. В отличие от фармакотерапии, использующей для воздействия на причину заболевания химические препараты, физиотерапия обеспечивает:
• локальность воздействия;
• минимальные побочные воздействия на смежные органы и ткани;
• отсутствие деструктивного воздействия на внутренние органы;
• высокая скорость воздействия;
• низкий уровень адаптации организма к воздействию [1, 2].
Одним из видов физиотерапии, получивших наибольшее распространение, является электрофизиотерапия, основанная на использовании электрических модулированных и немодулированных токов. Она широко применяется для лечения заболеваний неврологического характера, в травматологии, ортопедии, а также в восстановительной медицине для
того, чтобы поддерживать тонус мышц у людей, не способных делать это самостоятельно в силу ряда причин (болезней, травм, синдромов нарушения сознания и т. п.).
При электрофизиотерапии электрический ток установленного диапазона протекает через ограниченный электродами участок тела, таким образом обеспечивается высокая степень локализации воздействия, например на конкретную мышцу. Однако было бы некорректно говорить о полной локальности воздействия и об отсутствии воздействия на организм в целом, а также об отсутствии побочных эффектов от электрофизиотерапевтических процедур. Это объясняется тем, что организм — самоадаптирующаяся система, стремящаяся к гомео-стазу, который нарушается при воздействии электрическим током и на который собственно оно и направлено. Так, например, электростимуляция мышцы электрическим током заставляет ее сокращаться, увеличивая потребность мышечной ткани в кислороде, последнее, вероятно, приводит к изменению параметров сердечно-сосудистой системы (ССС), качающей насыщенную кислородом кровь к этой мышце, к увеличению нагрузки на сердце.
Следует отметить, что неконтролируемое изменение жизненно важных параметров организма, к которым относятся, в частности, параметры ССС, в отдельных случаях может привести к тяжелым последствиям для человека, вплоть до летального исхода. В настоящее время контроль параметров организма во время проведения электрофизиотерапевтических процедур практически не осуществляется, за исключением субъективной оценки ощущений пациента. В итоге возможны ситуации, когда медработник, выполняющий процедуру и устанавливающий, согласно утвержденным методикам, параметры воздействия на пациента (рекомендуемый диапазон весьма широк — от 0 до 50 мА, а в отдельных случаях — до 100 мА), рискует спровоцировать указанные выше негативные последствия для
пациента, поскольку у него нет объективной информации о текущем и изменяющемся под действием тока состоянии систем организма конкретного больного [3]. Подобные случаи не предаются широкой огласке, не освещаются широко в печати в силу ряда причин, но тем не менее происходят. Также стоит отметить, что одинаковое по форме и амплитуде токовое воздействие оказывает различные по выраженности эффекты на каждого человека [3]. Если для одного пациента данное лечение дает исключительно положительный терапевтический эффект, то для другого пациента, например, с ослабленным здоровьем, с нетренированной ССС, оно же может быть чрезмерным и даже пагубным. Следовательно, нельзя считать приемлемым сложившееся на текущий момент положение дел с проведением электрофизиолечения в лечебно-профилактических учреждениях.
Таким образом, существует актуальная проблема создания электрофизиотерапевтической аппаратуры с адаптивным управлением воздействием по биологическому параметру. Такой аппарат не только оказывает воздействие, но и параллельно контролирует какие-либо жизненно важные параметры организма и на основе результата их оценки регулирует параметры своего воздействия, гарантируя, с одной стороны, то, что опасное для конкретного пациента значение контролируемого параметра не будет превышено, а с другой — обеспечение наибольшей эффективности терапевтической процедуры.
Одной из важнейших проблем разработки любых систем с адаптивным управлением является получение объективной информации о текущем состоянии объекта. На протяжении последних лет решением указанной проблемы применительно к элетрофизиоаппаратуре занимается коллектив кафедры приборостроения, метрологии и сертификации ОрелГТУ (в настоящее время — ФГОУ ВПО «Орловский университет — учебно-научно-производственный комплекс»). Настоящая работа посвящена рассмотрению основных аспектов указанной проблемы и полученных на сегодняшний день результатов ее решения.
Обоснование выбора информативного параметра
Важнейшим этапом разработки и создания элек-трофизиоаппаратуры с адаптивным управлением по биологическому параметру является поиск информативных параметров, значения которых объективно отражают фактическое состояние организма, а изменение — эффект оказываемого токового воздействия. При этом специфика объекта создает дополнительное требование к параметру: измерение в условиях токового воздействия на пациента, то есть метод контроля состояния организма по данному параметру должен быть электросовместимым.
В рамках решения данной задачи проведен анализ различных систем организма с точки зрения возможности использования их параметров в качестве информативных при организации адаптивного управления электрофизиоаппаратурой. По данным многих исследователей [4, 5, 10], квазимгновенное функциональное состояние человека зависит прежде всего от состояния ССС, что обусловлено ее функцией — непрерывным обеспечением кислородом и питательными веществами всех органов и тканей. Влияние нервной системы на функциональное состояние человека оказывается доминирующим и сказывается в основном лишь в предпроцедурный период (страх перед болезненностью процедуры и т. д.), при хронических стрессах (в данном случае оно чаще всего обусловлено слишком высокими нагрузками на нервную систему и малым количеством отдыха), а также при неврологических заболеваниях, для лечения которых часто используется физиотерапия. Влияние эндокринной системы на функциональное состояние человека обусловлено генетическими факторами, патологиями, применением ряда лекарств, что крайне редко имеет место.
Отметим, что среди существующих методов контроля параметров указанных систем распространенными являются методы регистрации электрических характеристик объектов: разности потенциалов, электрической проводимости, биоимпедансов. Очевидно, что такие методы неприемлемы при создании физиоаппаратуры, непосредственно воздействующей на пациента током. Анализ указанных систем с этой точки зрения позволил установить, что нервная система проявляет себя исключительно электрическими взаимодействиями и, соответственно, доступна только для электрических измерений. В настоящее время феномены ее работы, основанные на иных принципах, не исследованы в достаточной мере. Сердечно-сосудистая система обладает не только рядом электрических свойств, связанных также с нервной системой, но и механическими параметрами: давлением, скоростью, объемом. Некоторые механические параметры доступны для измерения неэлектрическими методами, не связанными с регистрацией электрических параметров организма. Следовательно, использование ССС в качестве источника информативного сигнала для мониторинга текущего состояния организма удовлетворяет критерию совместимости с электрическим воздействием на организм.
Таким образом, можно утверждать, что именно ССС, в основном оказывающая влияние на состояние человека, наиболее доступна для контроля, поэтому предлагается контролировать именно ее параметры (отклики) при токовых физиотерапевтических процедурах.
Известно примерно 150 параметров ССС, среди них насчитывается около 35 наиболее важных. В медицинской литературе к последним относят частоту сердечных сокращений (ЧСС) и другие параметры пульса (напряжение, наполнение и т. д.), изменение
биотехносфера
| № 5-Б (11-123/2010
которых и предлагают контролировать во время физиотерапевтических процедур и физических тренировок [4, 5]. Однако известно, что изменения значений данных параметров обусловлены действием не только величины токового воздействия, но и рядом других факторов: психоэмоциональным состоянием, преобладанием типа нервной системы и т. п. Следовательно, использование только этих параметров как однозначной характеристики функционального состояния организма не является оптимальным.
На наш взгляд, в качестве источника информации о состоянии ССС организма наиболее целесообразно использовать комплексные параметры, менее подверженные влиянию вышеуказанных факторов. В качестве такого параметра предлагается использовать ударный объем сердца (УО) — количество крови, выбрасываемое в аорту за одно сокращение желудочка, или систолический объем (Systolic Volume, SV). Это интегральный параметр сердца, определяемый множеством внутренних факторов организма и внешними воздействиями. Он предельно инвариантен относительно психоэмоционального состояния человека, одинаков для левого и правого желудочков, что повышает объективность оценки состояния организма по этому параметру.
В состоянии покоя значение УО у человека составляет в среднем 60 мл. При физической или иной нагрузке организма УО может возрастать в несколько (3-5) раз, достигая у спортсменов 200 мл и более [5]. При этом у лиц, тренированных на выносливость и обладающих высокой физической работоспособностью, УО крови обычно относительно увеличен, а ЧСС снижена (хорошо развитое сердце при нагрузке работает более экономно и производительно). У нетренированных людей при аналогичной нагрузке также наблюдается увеличение УО, при этом синхронно с изменением УО происходит изменение ЧСС. Такие изменения могут привести к перераспределению соотношений между фазами сердечного цикла при неизменной общей длительности цикла. В определенных комбинациях фаз в условиях короткого времени диастолы может развиваться избыточная усталость сердца, что негативно повлияет на его сократительную способность и приведет к нарушению состояния организма в целом. При увеличении УО свыше трех раз также может возникнуть явление перерастяжения сердца, которое станет причиной нарушения его ритма. При проведении электрофизиотерапии для людей, ослабленных из-за болезни, общих заболеваний, не тренированных физически, категорически недопустимы описанные выше состояния, поскольку нарушения ритма сердца могут привести даже к его остановке. Рассматривая другие интегральные параметры ССС (фракцию выброса, минутный объем кровотока, артериальное давление, скоростные характеристики кровотока на локальных участках и т. п.), можно отметить, что они зависят от УО и их использова-
ние в качестве отдельных информативных параметров нецелесообразно.
На основании сказанного сделан вывод, что УО является параметром, наиболее информативным и приемлемым в качестве источника сигнала обратной связи системы адаптивного управления средством токового воздействия, а также дающим наиболее адекватную интегральную информацию о гемодинамике ССС при проведении токовых физиотерапевтических процедур. При этом в качестве критерия принятия управляющего решения целесообразно рассматривать величину возрастания УО при токовой нагрузке по отношению к значению УО при ее отсутствии.
Обоснование выбора управляемого параметра воздействия
После определения УО в качестве информативного параметра предстоит выбрать параметр токового воздействия, управляемого при проведении терапевтической процедуры. В качестве критерия выбора рассматривается наличие тесной связи параметра с УО. На основании анализа литературных источников [11] выдвинута гипотеза о том, что УО крови изменяется от внешнего воздействия на организм электрическим током. Для подтверждения гипотезы и изучения данного вопроса проведены комплексные экспериментальные исследования по установлению параметров тока ¿, оказывающих влияние на УО, и вида функции влияния этих параметров 0(1). Для исследования применялся специальный экспериментальный комплекс на базе эхотомоскопа ЕТ8-БМи-02-02, измеряющего УО на основе М-модального сканирования. В качестве генераторов токового воздействия использовались аппараты «Амплипульс-7» и ДДТ-50-3. Проведено более 500 серий экспериментов при использовании 5 родов тока, с 4 вариантами временной модуляции, на 7 частотах, при 5 значениях глубины частотной модуляции на каждой частоте. К экспериментам были привлечены 20 пациентов — мужчины и женщины в возрасте от 18 до 75 лет.
Исследовалось влияние рода тока, частоты, глубины модуляции и амплитуды тока на УО. Для установления существенности влияния использован метод групповой корреляции, основанный на сравнении эмпирического корреляционного отношения кух с его случайным значением ко [6]. На рис. 1, а—в представлены примеры характерных диаграмм изменения средних и средних квадратических отклонений (СКО) УО от рода тока, частоты и глубины его модуляции для различных значений амплитуды (каждое значение получено по результатам 50 измерений).
Установлено, что УО практически не зависит от формы тока и параметров его модуляции (кух — от 0,10 до 0,29, а кух/ко — от 0,79 до 2,02, что свидетельствует об отсутствии или пренебрежимо малой значимости связи). В то же время установ-
Вопросы метрологии в биомедицинской инженерии
а)
§
120 100 80 60
-ъ
1
Род работы
0,25 0,50 0,75 1,25 Глубина модуляции
1,50
б)
120
100 80 60
U.........{.........I......
I.........{.........I.......
И........1......
I..........I.........f......
1
2
"X"
•f
5
.............1
10 30 50 70 90 110 130 150 Частота модуляции, Гц
5 10 15 20
Сила тока, мА
Рис. 1 Зависимости ударного объема от параметров тока: а — СКО е [3,65; 3,86]:
1 — сила тока I = 25 мА; сила тока при процедуре h = 0,12; h/h0 = 0,90; 2 — I = 20 мА; h = 0,14; h/h0 = 1,08; 3 — I = 25 мА; h = 0,15; h/h0 = 1,12;
4 — I = 10 мА; h = 0,14; h/h0 = 1,09; 5 — I = 5 мА; h = 0,16; h/h0 = 1,26;
б — СКО е [3,48; 3,84]:
1—I = 25 мА; h = 0,14; h/h0 = 1,01; 2 — I = 20 мА; h = 0,18; h/h0 = 1,40; 3 — I = 15 мА; h = 0,25; h/h0 = 1,09; 4 — I = 10 мА; h = 0,14; h/h0 = 1,08;
5 — I = 5 мА; h = 0,29; h/h0 = 2,20;
в — СКО е [3,36; 3,74]:
1—I = 25 мА; h = 0,14; h/h0 = 1,08; 2 — I = 20 мА; h = 0,10; h/h0 = 0,80; 3 — I = 15 мА; h = 0,26; h/h0 = 2,00; 4 — I = 10 мА; h = 0,10; h/h0 = 0,79; 5 —I = 5 мА; h = 0,12; h/h0 = 0,95;
г — СКО е [3,36; 3,86]:
1 — род работы R = 4; частота модуляции F = 50 Гц; глубина модуляции т = 0,50; h = 0,97; h/h0 = 7,65; 2 — R = 2; F = 50 Гц; m — 0,75; h = 0,98; h/h0 = 7,67; 3 — R = 2; F = 80 Гц; m — 0,50; h = 0,97; h/h0 = 7,65
лено, что амплитудное значение тока (рис. 1, г) оказывает существенно влияние на УО (Нух — от 0,97 до 0,99, а Ьух/Н$ — от 7,61 до 8,94). На основании этих результатов сделан вывод, что для формирования сигнала обратной связи от организма человека при токовом воздействии следует использовать значение УО, а в качестве управляемого параметра тока — его амплитуду.
Алгоритм адаптивного управления электрофизиоаппаратурой
В соответствии с вышеизложенным предложен обобщенный алгоритм адаптивного управления электрофизиоаппаратурой, состоящий из следующих этапов:
• задание времени процедуры электролечения, подача тока начальной амплитуды (например, 5 мА);
• ожидание периода измерения;
• измерение значения ударного объема;
• анализ измеренного значения, принятие управляющего решения;
• корректировка (увеличение или уменьшение) амплитуды тока;
• повтор предыдущих четырех действий, если процедура не окончена по времени.
Динамика ССС
при электрофизиотерапевтическом воздействии
При разработке системы адаптивного управления электрофизиоаппаратурой одним из важнейших является вопрос о скорости реакции организма, оцениваемой в данном случае с помощью УО, на возникновение и изменение токового терапевтического воздействия. Это необходимо для определения требуемых динамических характеристик метода контроля и возможной периодичности регулировки выходного тока аппарата в процессе физиотерапии.
Исследования динамического режима нагружения организма током позволили определить минимальные и достаточные интервалы времени между последовательными измерениями УО. На рис. 2 представлены примеры характерных переходных характеристик ССС, выраженных зависимостями У О от времени при подаче фиксированных значений тока 15, 20 и 25 мА.
На основе статистического анализа результатов с использованием регрессионного анализа получены условия выбора времени установления Ту значения УО (релаксации Тр), которые при увеличении тока имеют вид: Ту > 152- еО,12Д*+0,03 для М < 30 мА
Время, с
Рис. 2 Зависимости УО от времени при амплипулъсвоздействии в режиме «посылка/пауза» при частоте модуляции 50 Гц, глубине модуляции 0,5:
1 — 25 мА; 2 — 20 мА; 3 — 15 мА. Пунктир — отключение тока
и Ту > 152 - £-0,07а;+6,84 для & < 30 мА, а при уменьшении тока: Тр > е°,5°А-1,31 для & < 25 мА и Тр > > 100 - 3Д3г33>1/АЬ1>31 для М > 25 мА.
Расчеты показывают, что при типовых значениях воздействующих токов интервал между измерениями УО составляет порядка 90 с. Соответственно, за среднее время процедуры электролечения такое измерение, а следовательно, и корректировку тока, можно произвести 7-10 раз. При высоких значениях тока скорость реакции УО увеличивается, поэтому корректировать ток можно чаще. Значение УО может быть близким к опасному именно при больших значениях силы тока, где период регулировки I короче, что оказывается удобным для управления. Совокупность всех представленных данных доказывает, что предложенный способ управления током адекватен поставленной задаче при условии, что метод контроля УО обеспечит указанную периодичность контроля.
Метод контроля ударного объема
Следующей решаемой проблемой является определение метода контроля УО, пригодного для использования в системе адаптивного управления генераторами токового воздействия физиоаппаратуры. Результаты проведенного анализа существующих методов показали:
• методы термоделюции и катетеризации сердца являются наиболее точными, но связаны с введением в полость сердца электродов, что недопустимо при проведении неинвазивной физиотерапии;
• метод контрастной рентгенографии предполагает использование крупногабаритного оборудования, дорогостоящих реактивов и материалов, специальных условий, исключается возможность его применения в кабинете физиотерапии;
• эхотомоскопия, как метод измерения УО, получил широкое распространение в клинической практике, совместим с токовым воздействием, од-
№ 5-6 (11-123/2010 |
нако высокая стоимость оборудования и требования к соответствующей квалификации диагноста также исключают возможность его применения при физиотерапии;
• реографический метод не инвазивен, не травматичен, является наиболее приемлемым для мониторинга УО, но основан на измерении электрических параметров (импеданса, разности потенциалов), поэтому его применение в условиях токовой терапии невозможно;
• электрокардиографический и тахиосциллогра-фический методы неинвазивны, удобны для автоматизированной реализации, однако связаны с измерением разности потенциалов, поэтому несовместимы с токовым воздействием на организм. Таким образом, не представляется возможным решить проблему определения УО в процессе проведения физиотерапевтической процедуры для использования информации в системе адаптивного управления аппаратурой известными методами.
На первом этапе работы возникало предложение о реализации контроля УО известными методами по электрическим параметрам. Для этого необходимо отключить воздействующий ток, затем произвести измерительные процедуры, после чего снова включить ток. С учетом проведенных выше динамических исследований данное предложение было отвергнуто: после отключения тока ударный объем резко снижается (см. рис. 2), поэтому провести измерения в этом режиме невозможно. Кроме того, при включении тока, особенно при больших его значениях, у пациента появятся негативные ощущения, связанные со значительными переходными процессами. На основании этого сделан вывод, что метод контроля УО в системе адаптивного управления непременно должен быть электрически совместимым.
Создание метода контроля УО, совместимого с электрофизиотерапией, явилось одной из ключевых задач, решенных в работе. Основной целью контроля УО является получение заключения о том, не превысил ли УО предельно допустимого уровня,
биотехносфера
определяемого как произведение начального значения УО в покое (без токового воздействия) на предельный множитель хтах. В связи с этим задачей контроля является ответ на вопрос, во сколько раз увеличился УО при токовом воздействии, то есть определение коэффициента х и сравнение его с предельным значением хтах. В таком случае при известном предельно допустимом значении УО для конкретного пациента не составит труда принять решение о необходимости увеличить или снизить силу воздействующего тока с учетом результата контроля.
На основании разработанной модели УО предложен метод его контроля, сущность которого заключается в неинвазивном неэлектрическом измерении параметров артериального давления, частоты сердечных сокращений и вычислении через них косвенным методом величины УО. Основы метода изложены в работах [7, 8], более поздние теоретические и экспериментальные исследования, нацеленные на уточнение и повышение адекватности используемой теоретической модели, корректировки алгоритма и обоснования режимов, позволили существенно трансформировать метод, повысив его достоверность.
В итоге этих работ синтезировано выражение для определения УО:
УО - Ро + 2Рд0 + - 3 ЗД +
ДРС + 2 Р
° «>'
(1)
где Рс — давление систолическое; Рд — давление диастолическое; а(0 — функция влияния тока на УО; ^со — частота сердечных сокращений при ну-
левом начальном значении силы тока; Wо — периферическое сопротивление при нулевом начальном значении силы тока; W — периферическое сопротивление, определяемое из выражения В. Л. Карпмана:
W =
Р - Р )
9
Р*
р + Р
С 1 У
(2)
где £ — отношение длительностей фаз сердечного цикла (коэффициент ритмичности); Q — постоянный коэффициент выброса.
Для установления общего вида функция влияния тока на УО проведены экспериментальные исследования, причем а(£) была найдена на основе формулы (1) при подстановке экспериментальных значений УО и входящих в формулы (1) и (2) прочих параметров. На рис. 3, а-в представлены характерные примеры полученных таким образом средних значений а(1) и СКО для трех испытуемых 25, 50 и 75 лет, при этом каждое из различных параметров токового воздействия получено для 17 комбинаций параметров. Проведенный статистический анализ экспериментальных данных указал на идентичность вида функции влияния у различных пациентов (на графиках представлены уравнения регрессии, СКО регрессии £р и коэффициенты детерминации В2).
На основании регрессионного анализа обобщенных по всей совокупности проведенных исследований данных (рис. 3, г) получено выражение для усредненной функции влияния:
ст(0 = 8,14 • 10~5*3 - 5,30 • 10~5*3 + 0,186*. (3)
5 10 15
Сила тока, мА
10 15 20 25 Сила тока, мА
5 10 15
Сила тока, мА
10 15 20 25 Сила тока, мА
Рис. 3
Функции влияния тока на ударный объем: а — а(1) = 7,12-10
б— ф) = 8,20-10~Ч3 -5,15-10~Ч2 +0,1821; Бр = 0,18; Я2 = 0,96; в — ф) = 8,51 Бр = 0,26; Я2 = 0,97; г — ф) = 8,14 - 10~Ч3 - 5,30 - 10~Ч2 +0,1861; вр = 0,15; Я2 = 0,97
+ 0,1881; £ = 0,20; Я2 = 0,95;
При этом коэффициент детерминации R2 составил 0,97, а СКО экспериментальных данных от уравнения регрессии — 0,15, что говорит о высокой адекватности регрессии. Полнота регрессии дополнительно подтверждена методом групповой корреляции.
Алгоритм реализации метода состоит из нескольких этапов. Подготовительный этап проводится перед началом воздействия током:
• тонометром измеряют параметры Рс0, -Рдо, Fc0 и определяют ритмичность сокращения сердца (коэффициент ¿о);
• вычисляют Wo по выражению (2) для найденных Р^ pд0, Fc0 и ¿о;
• рассчитывают начальное значение УО по выражению (1), подставляя туда измеренные значения Рсо, Рдо, Fco и Wo при i = 0;
• задают предельное значение множителя хтах (определяется из диапазона от 2,5 до 3,0 по медицинским показаниям).
Этап контроля включает в себя следующие операции:
• проводят электрофизиотерапевтическую процедуру, при этом устанавливают заданное значение силы тока i;
• по истечении интервала времени обеспечения установившегося режима Ту с помощью тонометрии измеряют параметры Рс, Рд и Fc и определяют ритмичность сокращения сердца (коэффициент t) за время измерения Ти;
• вычисляют W по выражению (2) для найденных Рс, Рд, Fc и t;
• вычисляют приращение систолического давления ДРС: ДРС = Рс - Рсо;
• рассчитывают значение УО по выражению (1) с учетом (3), подставляя туда измеренные значения Рсо, Рдо, F^, Рд и Fc, рассчитанные значения Wo, W, ДРС и установленное значение i;
• определяют относительное приращение х как соотношение УО и начального УО;
• сравнивают найденное значение х с допускаемым значением хтах, на основании чего делают
вывод о достижении или не достижении предельно допустимой границы УО.
При реализации управления физиотерапевтической техникой на основании результатов контроля формируется управляющее решение, например, если х < хтах, то увеличивают силу тока до следующего фиксированного значения, а при х > хтах — уменьшают силу тока.
Принципы построения
средств контроля ударного объема
Согласно изложенному алгоритму контроля предложены два варианта построения цепей контроля УО, основанных на различных подходах: на основе дискретных элементов и на основе функциональных блоков. В качестве примера на рис. 4 представлена схема, поясняющая второй вариант с использованием в качестве базового элемента функционального блока тонометра.
Управление измерением Рс, Рд и Рс осуществляет устройство управления, которое непосредственно связано с управляющим контроллером блока тонометра, подает через него команду запуска преобразования и получает от устройства ввода (например, клавиатуры) значения г и хтах. В соответствии с осциллометрической методикой измерения давления управляющий контроллер управляет системой накачки, которая создает давление, преобразуемое датчиком давления в электрический сигнал. Этот сигнал поступает на устройство преобразования информации, которое выделяет из него численные значения Рс, Рд, Рс и признак аритмии а, передавая эту информацию управляющему контроллеру. Признак конца преобразования в виде одиночного импульса передается с блока на блок по соответствующей линии, что свидетельствует о выставлении данных с блока тонометрии на шину данных. Сработав по прерыванию от импульса, устройство управления считывает данные Рс, Рд, Рс и а, затем посред-
Рис. 4 | Структурная схема средства контроля ударного объема
ством блока принятия решений определяет t и последовательно рассчитывает W, УО и х. Полученное значение х сравнивается с хтах, на основании чего формируются результат контроля и управляющее решение, которые выводятся через внешний интерфейс (параллельный интерфейс типа LPT, или последовательный, например SPI, TWI, RS-485). Для управления средством токового воздействия по результату контроля управляющее решение через внешний интерфейс передается к функциональной части управляемого объекта. В случае управления аналоговым сигналом управляющий код ЦАП преобразует в напряжение, которое блок регулировки выходного напряжения приводит по уровню к требуемому для управляемого аппарата значению.
Достигнутые результаты
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность полученных теоретических результатов и выводов, а также работоспособность предложенного метода в сочетании с достижением хороших метрологических характеристик: при использовании тонометра с предельной погрешностью 3 мм рт. ст. (для измерения Рс и Рд) и 5 % (для Fc) погрешность предложенного метода характеризуется средним квадратическим значением 5,3 мл (5,2 %) при определении УО и 0,12 (5,8 %) — при определении относительного приращения УО. Время контроля не превышает 30 с.
Заключение
Подводя итог, можно сказать, что решены поставленные на данном этапе исследования задачи:
• поиск информативного параметра, объективно отражающего фактическое состояние организма и изменение состояния при токовой физиотерапевтической нагрузке;
• обоснование параметра токового воздействия, подлежащего регулированию при управлении;
• разработка метода контроля информативного параметра, обеспечивающего возможность адап-
тивного управления в условиях токового воздействия;
• разработка принципов построения цепей контроля информативного параметра, обеспечивающих определение его значения в автоматизированном режиме.
Для дальнейшего развития представленной работы, завершающего решение проблемы создания электрофизиоаппаратуры с адаптивным управлением по биологическому параметру, необходимо создание цепей управления выходными усилителями стандартной электрофизиоаппаратуры. В настоящее время проводится работа в данном направлении.
| Л и т е р а т у р а |
1. Техника и методики проведения физиотерапевтических процедур: Справочник / Под ред. В. М. Боголюбова, Т. Н. По-номаренко. Тверь: Губернская типография, 2002. 408 с.
2. Боголюбов В. Н., Пономаренко Г. Н. Общая физиотерапия. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 1999. 432 с.
3. Егоров Б. А., Яковенко М. В., Бодров М. А. Исследование откликов сердечно-сосудистой системы человека на электровоздействия физиотерапевтического диапазона // Изв./ ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. 2005. № 1. С. 32-36.
4. Карпман В. Л. Спортивная медицина: Учебник для институтов физической культуры. М.: Физкультура, 2000. 208 с.
5. Гайтон А. Физиология кровообращения. Минутный объем сердца и его регуляция. М.: Медицина, 1988. 322 с.
6. Елисеева И. И., Рукавишников В. О. Группировка, корреляция, распознавание образов. М.: Статистика, 1977. 144 с.
7. Подмастерьев К. В., Егоров Б. А., Яковенко М. В. Метод контроля ударного объема для систем управления электрофизиотерапевтической техникой // Контроль. Диагностика. 2009. № 7. С. 54-60.
8. Подмастерьев К. В., Егоров Б. А., Яковенко М. В. Устройство контроля ударного объема сердца для электрофизиоаппаратуры // Медицинская техника. 2010. № 1. С. 16-21.
9. Пат. № 95242 Российская Федерация. А61В. Устройство контроля ударного объема / К. В. Подмастерьев, М. В. Яковенко, А. В. Козюра; заявитель и патентообладатель Орл. гос. техн. ун-т. Опубл. 27.06.2010.
10. Аулик И. В. Определение физической работоспособности в клинике и спорте. М.: Медицина, 1990. 192 с.
биотехносфера
| № 5-6(11-12) 20 0
10Б
ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ. ИНВЕСТИЦИИ
С 15 по 17 марта 2011 года в выставочном комплексе «Ленэкспо» (Санкт-Петербург) пройдет XVII международная выставка-конгресс «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Ш-ТесЬ'2011). Данная выставка — это значимое для отрасли мероприятие, призванное дать новый импульс инновационной деятельности промышленных предприятий России. Выставка проводится ежегодно по распоряжению губернатора Санкт-Петербурга от 29.12.98 № 1328-р.
Традиционно основными участниками экспозиции выставки являются государственные научные центры, научно-исследовательские институты, вузы, промышленные предприятия, технопарки и региональные экспозиции, которые представят свои новейшие разработки. Специалисты смогут найти на выставке более 300 экспонатов, представляющих собой инновационные продукты, технологии и проекты.
На выставке будет представлен специализированный раздел «Нанотехнологии», где предприятия получат возможность продемонстрировать принципиально новые материалы с уникальными потребительскими свойствами, которые являются универсальными и могут найти применение практически в любой отрасли экономики.
В рамках выставки научно-технический совет при Правительстве Санкт-Петербурга, Федеральное государственное учреждение «Научно-исследовательский институт — Республиканский исследовательский научно-консультативный центр экспертизы» (РИНКЦЭ), Международный стратегический инновационно-технологический альянс и Выставочное объединение «Рестэк» проводят конкурс «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года». Конкурс был учрежден Министерством науки и технологий России в 1998 году, и за прошедшие годы медалей и дипломов были удостоены более тысячи разработок в различных областях. Цель конкурса — активизация инновационной деятельности предприятий, выявление перспективных проектов и разработок, а также содействие их продвижению на внутренний и внешние рынки. В сложной для инновационных проектов финансовой ситуации многие предприятия рассматривают участие в конкурсе как наиболее эффективный способ представления своих разработок широкому кругу заинтересованных лиц.
В рамках деловой программы выставки пройдет ежегодная IV конференция «Нанотехнологии и на-номатериалы», посвященная вопросам применения нанотехнологий в различных отраслях, инвестиционного потенциала наноиндустрии, экономического эффекта применения нанотехнологий, подготовки кадров для отрасли. В 2011 году конференция пройдет четвертый раз, как всегда, в ней примут участие самые авторитетные специалисты данной отрасли.
Выставочное объединение «Рестэк» проводит данное мероприятие совместно с Петербургской технической ярмаркой, где организуются выставки и конференции по металлургии, машиностроению, автомобильной промышленности, металлообработке. Проведение выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» совместно с промышленными мероприятиями дает дополнительный импульс развитию отечественного наукоемкого производства и эффективному использованию интеллектуальных и производственных ресурсов, привлекает внимание представителей промышленности к конкурентоспособным отечественным научным разработкам. Таким образом, участники выставки смогут продемонстрировать свои предложения непосредственно целевой аудитории, максимально приближенной к конечным потребителям.
Выставка «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» и Петербургская техническая ярмарка проходят при поддержке Аппарата полномочного представительства Президента Российской Федерации по Северо-Западному федеральному округу, Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Правительства Санкт-Петербурга, Российского союза промышленников и предпринимателей, Союза промышленников и предпринимателей Санкт-Петербурга, Санкт-Петербургской торгово-промышленной палаты, Ленинградской областной торгово-промышленной палаты, под патронатом Торгово-промышленной палаты Российской Федерации.
Подробнее о выставке на сайте www.restec.ru/hi-tech.
Организатор — Выставочное объединение «Рестэк». Тел.: (812) 320-80-92, 320-96-76, 335-89-04, e-mail: autopr@restec.ru
Редакционная коллегия журнала «Биотехносфера» с глубоким прискорбием сообщает о том, что после тяжелой и продолжительной болезни ушел из жизни член редколлегии, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Совета министров СССР, заведующий кафедрой биомедицинских приборов и компьютерных технологий Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ), эксперт Высшей аттестационной комиссии, член Учебно-методического совета по биомедицинской технике и биомедицинской инженерии Министерства образования и науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, действительный член Академии проблем сохранения жизни и Международной академии информатизации, доктор физико-математических наук, профессор Александр Степанович Кравчук.
Александр Степанович был замечательным ученым. Под его руководством было создано одно из актуальных направлений современного математического моделирования в области решения задач медицинской и технической диагностики и на-нотехнологий.
С 1987 года судьба Александра Степановича была связана с МГУПИ. В должности проректора по науке он проработал в течение 10 лет. Был создателем кафедры «Биомедицинских приборов и компьютерных технологий», чутким и внимательным руководителем. Его отличали высокая эрудиция и большая человеческая скромность. Учениками этого прекрасного учителя считают себя 4 доктора и 12 кандидатов наук. Александр Степанович был трудолюбивым интеллигентным человеком, вызывающим уважение и восхищение. Курируя в редакционной коллегии нашего журнала рубрику «Лучевая диагностика», он всегда давал принципиальные и объективные рецензии.
Мы, все члены редакционной коллегии журнала «Биотехносфера», искренне скорбим и выражаем глубокие соболезнования семье и близким Александра Степановича.
