CC BY
72
УДК 614.8
Бройко А. П., канд. техн. наук, Гончаров Д. В., инженер, Калинин С. Б., инженер
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Разработка портативного комплекса для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека
Ключевые слова: контроль физиологического состояния, биомониторинг, телемедицина
Статья посвящена разработке портативного комплекса для непрерывного дистанционного контроля физиологического состояния и местоположения человека. Описаны проблемы и пути решения, возникающие при создании подобных комплексов.
Повышение уровня безопасности человека в современном мире требует создания комплекса для контроля его физиологического состояния и местоположения. Дети и люди пожилого возраста, а также лица, чья профессиональная деятельность связана с экстремальными физическими и психологическими нагрузками (военные, сотрудники МЧС, спортсмены и др.), — потенциальные потребители 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». Для контроля стандартными измерителями необходимо размещать на теле пациента массивные металлические датчики, множество циркулярных электродов и окклюзионных (периодически раздуваемых и сдавливающих артерии) манжет.
Цель работы — 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.
«Носимая» часть обеспечивает измерение: 1) основных физиологических параметров [пульса; частоты дыхания; процента насыщения крови кислородом (SP02); среднего артериального давления; температуры кожного покрова]; 2) параметров положения и движения [положения тела; двигательной активности; местоположения (по GSM и GPS].
В системе — нательной одежде — размещены измеритель температуры, электрокардиограф, пульсоксиметр (определяющие температуру кожного покрова, пульс, процент насыщения крови кислородом), сенсоры которых контактируют с чувствительными участками тела контролируемого объекта, а также плетизмограф и акселерометр-инклинометр, (контролирующие соответственно частоту дыхания, положение тела и активность).
2. Особенности измерения артериального давления безокклюзионным методом
Измерение динамики артериального давления устройством основано на зависимости скорости распространения пульсовой волны (СРПВ) от артериального давления (АД) крови в сосудах. Эта связь была теоретически обоснована и подтверждена экспериментально давно ([7], а также Geddes L. А., Voelz M. Н., Babbs С. F. et al., 1981; Маркман В. Г., Королева Е. Л., 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, различаясь лишь крутизной [1, 2]. Авторы 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 неинвазив-ному определению артериального давления и использован в нескольких отечественных и зарубежных разработках (пат. Франции № 2523432 А61В5/02; а. с. СССР № 1445689 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 интервалу 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 состоя-
нии. 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.
Базовые параметры АД, полученные после первой физической нагрузки, вводятся в устройство и состаляется протокол (табл. 1).
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. Базовые параметры АД, полученные на 1-й минуте после второй физической нагрузки, также вводится в устройство.
Правильность расчета по предварительно введенным базовым параметрам проверяется контрольным измерением сфигмоманометром. Если разница в показаниях сфигмоманометра и текущих показаниях устройства составит 20 мм рт. ст. и более, то необходимо обновить базовые параметры. В любом случае базовые параметры следует обновлять ежемесячно.
3. Оценка положения и активности человека
Для более детального распознавания изменения физиологических параметров человека в каждый конкретный момент времени, в системе предусмотрена возможность определения положения человека относительно земли и уровня его движения:
1) человек стоит;
2) человек наклонился;
3) человек лежит;
4) человек не движется;
5) человек движется;
6; человек движется интенсивно.
Таблица 1
Протокол проведения функциональной пробы у пользователя с нормотоническим типом реагирования АД на физическую нагрузку
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
120/70 14/60 - 120/70 175/70 155/65 135/70 125/70
биотехносфера
Программное обеспечение может в реальном времени отображать синхронный тренд всех физиологических 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, БР02 и т. д. (рис. 1).
Задача решается бесконтактно с помощью твердотельного акселерометра-гироскопа, выполненного по МЕМБ-технологии. Датчик размещается внутри описанной специализированной одежды в главном корпусе прибора. Основным преимуществом данной конструкции является отсутствие какой-либо привязки к конечностям или деталям одежды (брюкам, ботинкам и т. д.). Местоположение и алгоритм обработки данных обеспечивают устойчивость к небольшим помехам, которые вызваны мелкими движениями, постоянно происходящим 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 с учетом физических возможностей среднестатистического человека производится 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 реализованное на основе МЕМБ-технологий, не обременяет исследуемого. В свою очередь, эти данные значительно повышают качество работы всего комплекса в целом, по-
зволяют с большей вероятностью получать 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 рис. 2.
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 происходят идентификация объекта и работа с базой данных (рис. 3).
Авторизация объекта на сервере происходит по номеру его 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.
Рис. 1\ Синхронный тренд физиологических параметров
Системы мониторинга и диагностики здоровья
GPS
©
Сервер
GPRS
Я
БД
■М-
GSM
V ßi Р%
Рис. 2 Связь объектов в системе
Рис. 3\ Диаграмма взаимодействия объекта, сервера и базы данных
№ 5/2009 I"
биотехносфера
Имя: vlilsy
'IVл.:
I щ I !>■' : iin[. -n 1Z
Бил Ii < nil |][ 25 мня 20IIS годя 10:11:44
га ^ рай ы
25.05.2008 10:11:44.567 Высота: 1 м Скорость: 2 км/ч Число спутников: 4 шт. Дыхание: 63 Активность: идет
¡Активность: t: 26 °С Заряд: 98 %
шл _ «л
А
т-^ т
а* Л" % /I
В 9> III111 ПОЛ
in
□ времешж интервал: ox|oql'i [ро|ннн ДО ч Qw | мин
Рис. 4 Отображение пользовательской информации
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 (рис. 4).
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. 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;
• пульс;
• Sp02;
• уровень заряда аккумулятора.
Заключение
В результате работы впервые создан портативный 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, осуществляющими контроль физиологического состояния и местоположения человека и выполняющими функцию первичной медицинской помощи. Очевидно, станет
возможным определять не только клинически важные параметры, но и более тонкие отклонения от нормы. Такие системы безусловно улучшать качество жизни и повысят безопасность человека.
| Л и т е р а т у р а |
1. Поморова Ю. Г., Кондыков А. А., Киселев В. Д. Вариации связи скорости распространения пульсовой волны и артериального давления//Изв. Алтайс. гос. ун-та. Барнаул, 1999. Вып. 4. С. 153-157.
2. Андриященко П. Л., Большов В. М., Клочков В. А., Яковлев В. Т. К выбору метода измерения артериального давления в мониторных комплексах//Мед. техника. 1995. №4. С.26-29.
3. Березина А. М. Клиническое значение оценки вариабельности скорости распространения пульсовой волны у больных артериальной гипертонией. Автореф. дис. канд. мед. наук. Иваново, 2007. С. 22.
4. Назарова О. А., Березина А. М., Фомин Ф. Ю., Масленникова О. М., Мустафа X. X., Рачкова С. А. Клиническое значение оценки эластических свойств сосу-дов//Перспективы рос. кардиологии. Рос. нац. конгр. кардиологов. Материалы конгресса. Кардиоваскуляр-ная терапия и профилактика. 2005. Т. 4, № 4. С. 230.
5. Недогода С. В., Лопатин Ю. М., Чаляби Т. А., Марченко И. В., Капустин И. О., Иваненко В. В, Семенова Н. В. Изменение скорости распространения пульсовой волны при артериальной гипертензии//Юж.-Рос. мед. журн. 2002. № 3.
6. Кобалава Ж. Д., Котовская Ю. В., Хирманов В. Н. Артериальное давление в исследовательской и клинической практике. М.: Реафарм, 2004. 384 с.
7. Валтнерис А. Д. Метод определения скорости распространения пульсовой волны. Рига, 1966.
8. Пат. № 75293 Россия. МПК А61В 5/0205, А61В 5/113 от 25 марта 2008г. Телеметрическая система для мониторинга физиологических параметров// Б р о й к о А. П., Гончаров Д. В., И л ь -к о в В. К., КривачевР. К., Лучинин В. В., РезневА. А. К заявке № 2008111453/22 от 25.03.2008. Опубл. 10.08.2008. Бюл. № 22.
