CC BY
21
- © В.В. Грызунов, Н.Б. Суворов, А.В.Белов,
Т.В. Сергеев, И.В. Грызунова, 2014
УДК 616.12-073.97-71
В.В. Грызунов, Н.Б. Суворов, А.В.Белов, Т.В. Сергеев, И.В. Грызунова
СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА РИСК-УГРОЖАЕМЫХ СОСТОЯНИЙ СПЕЦИАЛИСТОВ ОПЕРАТОРСКОГО ПРОФИЛЯ
Специфика операторской функции, требующая принятия ответственных решений в условиях риска при дефиците времени, предъявляет высокие требования к психофизиологическим возможностям человека и определяет целесообразность дистанционного мониторинга состояния человека. С использованием современных достижений схемотехники, микроэлектроники и программирования с учетом специфики профессиональной деятельности разработана структура адаптивного модуля, который представлен в виде блоков. Предварительные испытания продемонстрировали возможность мобильного переносного устройства контролировать степень напряжения ре-гуляторных функций специалиста, выполняющего операторские функции, с целью снижения риска уязвимости поведенческого паттерна. Ключевые слова: оператор, дистанционный мониторинг, контроль, состояние, регуляция.
Появление робототехнических систем с элементами искусственного интеллекта, информационных и биоинформационных технологий индуцирует изменение характера труда и появление новых операторских специальностей. Несмотря на автоматизацию трудового процесса функции человека-оператора усложняются, а социально-экономические последствия нарушения производственной деятельности трудового процесса возрастают. И поэтому выполнение операторских функций накладывают на специалиста большую ответственность, так как порой от безошибочности, своевременности и эффективности его действий зависит качество работы системы, сохранность оборудования и жизни людей. Специфика профессиональной деятельности, требующая принятия ответственных решений в условиях риска, неопределенности и жесткого дефицита времени, предъявляет высокие требования к личностным ресурсам и психофизиологическим возможностям оператора и обуславливает потребность в мониторинге надежности функционирования организма (Грызунов В.В., 2008).
Технология дистанционного функционального мониторинга жизнедеятельности специалиста, профессионально связанного с выполнением ответственных задач в различных сферах дея-
тельности, разрабатывается в течение многих лет на основе адаптивного модуля регистрации электрокардиосигналов с использованием современных технологий в области схемотехники, микроэлектроники и программирования (Фролова Н.Л. с соавт.,2002; Биуогоу И., 2002;2006). Для беспроводного варианта передачи данных был выбран готовый модуль -В1ие1:оо1:Ь-адаптер 0Н-ВТ20-115.2 (табл. 1), который предназначен для создания беспроводного канала связи в подчиненном устройстве на основе иАИТ-протокола и представляет собой законченное решение с интегрированным фильтром питания и планарной антенной. Адаптер 0Н-ВТ20-115.2 обеспечивает скорость обмена 115.2 Кбит/с (с микроконтроллером) и принадлежит ко второму классу Ь1ие1:оо1:Ь-передатчиков (гарантированная дальность действия - 10-15 м).
С учетом специфики профессиональной деятельности использовались следующие параметры, от которых зависит функциональность и удобство использования готового устройства:
• скорость передачи данных;
• дальность действия передатчика;
• потребляемая мощность - особо важный пункт для портативного варианта устройства, работающего от аккумуляторов;
• наличие приёмника сигнала в существующих приборах (ПК, ноутбуках, мобильных телефонах и т.д.);
• стоимость передатчика.
Сигнал от адаптера поступает на вход АЦП, входящего в состав микроконтроллера АТМеда16 фирмы А1те1, который обеспечивает дальнейшее преобразование цифрового сигнала,
Таблица 1
Основные характеристики модуля OR-BT20-115.2
Дальность: 10-15м при прямой видимости
Скорость обмена данными Габаритные размеры: Вес: Pin-код: Используемые уровни питания: Логические уровни: Потребляемый ток: Режим ожидания Подключение Передача данных Запрос Стандарты разъемов: Используемый профиль Bluetooth: 115200 кбит 30(д) х 66(ш) х 12(b) мм ~12г 0000 3,3 В 3,3 В 0,6МА 2 8М А 46мА 80мА RoboBus SPP (Serial Port Profile)
его дополнительную фильтрацию, выявление РИБ-комплексов для дальнейшего вычисления длительности ИИ-интервалов, что является необходимым условием для определения вариабельности сердечного ритма.
При разработке конструкции макетного образца системы дистанционного мониторинга были рассмотрены и учтены следующие вопросы:
• защита пациента от поражения электрическим током;
• заземление в системах со смешанными сигналами;
• наличие общей поверхности заземления;
• разделение аналогового и цифрового заземления;
• разделение функциональных блоков (аналоговый и цифровой блоки находятся на отдельных платах);
• вывод контрольных точек;
• возможность отладки отдельных блоков;
• общие правила компоновки платы;
• изоляция сигнала;
• фильтрация и контроль питания;
• индикация подключения к ПК.
Макет адаптивного модуля представлен следующими блоками: предварительного усиления, частотно-селективного усиления в полосе И-зубцов электрокардиосигнала (ЭКС), выделения И-зубцов ЭКС, частотно-селективного усиления в полосе ЭКС, согласования уровней, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, гальванической развязки, формирования данных для персонального компьютера, индикации включения и питания.
В виде печатных плат (рис. 1) реализованы следующие узлы аппаратной части системы:
• предварительный усилитель (ПУ), обеспечивающий формирование сигнала «активной» земли пациента и схему ФВЧ, построенную на интеграторе;
• фильтры сетевой частоты 50 Гц;
• ФВЧ, ФНЧ и ПФ для выделения полосы 16 - 20 Гц;
• ФНЧ с частотой среза 100 Гц, с коэффициентом усиления 150;
• микроконтроллер вместе с АЦП и вспомогательными элементами;
• стабилизаторы питания (3,3 В, 5 В);
• индикатор состояния системы;
• гальваническая развязка.
Для гальванической развязки использована схема типа Adum (Analog Devices), обеспечивающая развязку цифровых сигналов и питания для цифровой части 5 В (100 мА - ток нагрузки).
При проведении испытаний макетного образца системы использовались рекомендации, приведённые в частных требованиях безопасности с учётом основных функциональных характеристик к регистрирующим и анализирующим одноканальным и многоканальным электрокардиографам (ГОСТ Р 50267.472004; ГОСТ Р МЭК 60601-2-51-2008).
Во время испытаний макета системы производилась его калибровка с использованием калибровочного напряжения согласно требованиям, а именно с временем нарастания не более 5 мс и амплитудой, эквивалентной (1±0,01) мВ.
В результате проведённых испытаний информационной системы были определены значения её технических параметров.
• точность определения длительности RR-интервалов ЭКС ±1 мс;
• нелинейность амплитудной характеристики в эффективной ширине полосы частот не более 1 %;
• динамический диапазон входного ЭКС ±5 мВ;
• максимально допустимая постоянная составляющая потенциала электродов ±300 мВ;
• частотный диапазон регистрируемого ЭКС 0,01—150 Гц;
• частотный диапазон для регистрации R-зубца ЭКС 16-20 Гц;
• коэффициент подавления синфазной помехи 100 дБ;
• динамический диапазон до 40 - 60 дБ.
Для адаптивной информационной системы были созданы:
• база данных пациентов, на рис. 2 представлено окно её пользовательского интерфейса и окно введения персональных данных;
• база данных проведенных проб кардиотренинга с разделением по сеансам и циклам, датам (окно пользовательского интерфейса - рис. 2 и 3);
• результаты расчёта и оценки показателей функционального состояния (рис. 4, вверху слева), а именно: среднеквадратичное отклонение (СКО, SD), RMSSD, показатель активности парасимпатического звена вегетативной регуляции, индекс напряжения регуляторных систем, мощность высокочастотной составляющей спектра (дыхательных волн), мощность низкочастотной составляющей спектра (медленных волн 1-го порядка или вазомоторные волны), мощность сверхнизкочастотной составляющей спектра (медленных волн 2-го порядка), аритмии;
а
б
INPUT SYGNAL 'га
« a „ ФЗё! " ^ ЕЯ ^ !§®S=ri=P «гаОк «
B39R40
жмиляя,,,
oV awl2 21
„ _ _ R73R7Л
к
к
( _ «И
О О- R3I КГ»[о и 7
ВвВ=ГЕЯ™Кё
|О]КТ10 p
ЯзВгЗ S3s!£B
¡bibs ь^а-сй^ан
i»
[o]KI12
»В овивав RI07 ■:• в-г
S31S15 =Г = ¡1
о» J= =£ з ¡1 HD2
IB + ri^ </> ^ ^
Place for Accessory Board
ООО "ЭЛЭК"
Кардиотренэжэр БОС-ВСР вдр. 2.1 Аналоговая часть июнь 2012 гопа
■'.' в®
ну
I:
0s5
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIH
bsd
С&ЗГ CCOOCQ
Я сп
1\ШФ
■из
L1— . ■ ■ 1«п- U4 у ■ , .
Г I* ¿я Й аЕаЁПЕфэ J" " ' JA® r'bsi sbeS
•I1C19 ВЦС20 llllllll
[ДаМввв:
ООО "ЭЛЭК"
Кардиотренажер вер. 2.1 Цифровая часть июнь 2012 года
llllllll
■I1C21 ■:«С22
■ • ¡й
S3 ,.=
I
Рис. 1. Сборочный чертёж печатных плат аналоговой (а) и цифровой (б) частей системы (вид сверху)
Полмемтеяи_
^^, Добавить || у ^ Удалить Редактировать
4 зарафьанц Л м
3 Садовников С А. н
1 Сергеев Т.е. м Отчество
1 Гагарин К)А оу.оьмив м
Дата рождение Рост,И Вес (кг] |
ФйшЛий || Имя Отчество Пап [чет па-нык] Дата рождеига Рост,Н I «Я.М | Прииечв^с ОК _ | Р Отпека | Прмнечшче
Рис. 2. Окно пользовательского интерфейса база данных и окно введения персональных данных
Кардиотренимг Выход
Смена пользователя
Сергеев Тимофей Ц|
| ф Нас1ройнн ^ Корзина ^ Справка
эпэк
Отрицание
1 N9 || Нашло
|1эс6
~||НдааЛ0
¡Оксг^агме
Путьк файлу БД гвльмвателей |ЩИЯ!В!ИИе1ИДЮЦ1
частота дискретиэати
|ааа
семе™* пиво« ад
> элэк
Аппаратной 9 Пмгрвтиьй
е те<т«еиО«-нвя
| Принетта |
10.57.00 11.04.20 11.08.03
10.57.00
11.D4.20 11.0803
на-атьцкл | | удалить ьикл |
НОВАЯ ПРОБА [ Удаипь грибу! [й
Рис. 3. Окно пользовательского интерфейса базы данных с разделением по сеансам и циклам, датам и окно настроек системы
Анализ ритма • Сергеев Тимофей Владимирович
Данные пробы ¡ Пред. проб;
Показатели ЧСС = 58 va мин
я =132
SDNN = 68 мс dX = 343 мс RRcp = 1030 мс D = 4587 нс CV = 637 % RMSSD = 50 ис RRmm - S4S ис RRmas = 1191 мс ÍCN50 = 26IOT pNNíO = 19,85% NN<50 = 105 un MODE = 1000 мс AMo = 30 % ИВР = IS ПАЛР = 30 ИН = 44 ВПР = 2$
^ След. проба fl^ Печать /* Настройки \ ,■ .*■' Заключение ф Экспорт Q
Рктмотраыыа
ЧСС,
Спектр рнтмограммы Частота ЦФ: 12,1 циклов ы
я (0,20 Гц), период: 5,0 с (мощность гармоники: 0 019 c"'2Ta¡)
,1 ,1
■шин
' 0.3 05
Скагерограмма
7200
• а i Л • • ■
у ñ/\
и ■ »»Л* • •
. ■
юго
R-R интервал [i—1]. м
Рис. 4. Окно пользовательского интерфейса с результатами расчета и опенки показателей функционального состояния (вверху слева), графическое представление результатов
Данные пробы ^ Пред. проба ^ Спел проба ^ Печ:
Показатели ЧСС - 63 >д мин 11= 143
ЗОВД* = 79 мс г = -0,59 (р=1) Сдвиг = -1,55 с ах = 341 ыс ЯКср = 949 мс □ = 6318 ыс СУ = 8,37 % КМ5ЭТ = 54 мс
ЦФ для следующей пробы
Постоян. Г^Д I уд./
составл-я (С) 1 мин. Амплитуда (А) \02 | с
Период СО |9.7 [ с
Г*
Рис. 5. Окно пользовательского интерфейса с представленной целевой функцией и её параметров (внизу слева)
• графическое представление результатов (рис. 4);
• адаптивное формирование целевой функции пациента в процессе коррекции (рис. 5).
Используемая база данных развёрнута на SQL Server Compact Edition 3.5. Доступ к данным осуществляется по объектно-ориентированной технологии доступа к данным (ORM) ADO.NET Entity Framework (Шумаков П.В., 2003).
Разработанная информационная система обеспечивает формирование многомерной базы данных состояний человека, учитывающую всю предысторию динамического дистанционного наблюдения. Благодаря этому достигается высокая эффективность контроля за состоянием человека.
Таким образом, разработанная система дистанционного мониторинга позволяет в реальном режиме контролировать степень напряжения регуляторных функций специалиста, выполняющего операторские функции, с последующей оптимальной коррекцией его функционального состояния с целью снижения риска уязвимости поведенческого паттерна.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грызунов В. В. Надежность — интегративная характеристика живой системы// Научные исследования и инновационная деятельность: Материалы научно-практической конференции. — СПбГПУ,2008. — С. 147-152.
2. ГОСТ Р 50267.47-2004 Изделия медицинские электрические. Часть 2. Частные требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик к амбулаторным электрокардиографическим системам.
3. ГОСТ Р МЭК 60601-2-51-2008 Изделия медицинские электрические. Часть 2-51. Частные требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик к регистрирующим и анализирующим одноканальным и многоканальным электрокардиографам.
4. Фролова Н.Л., Бабич С.С., Белов А.В., Бочкарев Д.Н., Булгакова О.С., Федоров А.А., Суворов Н.Б. Биотехнические системы для скрининго-вой оценки регуляции синусового узла// Вестник аритмологии. — 2002. — N 25- С.141.
5. Шумаков П. В. ADO.NET и создание приложений баз данных в среде Microsoft Visual Studio.NET. М.: Диалог-МИФИ, 2003. — 528 с..
6. Suvorov N. Biofeedback control and functional state correction // Attrac-tors, Signals and Synergetics. Lengerich, Berlin. Pabst Science Publishers. W.Klonowski (Ed.), 2002. -Р..547-552.
7. Suvorov N. Psychophysiological training of operators in adaptive biofeedback cardiorhythm control // The Spanish Journal of Psychology. — 2006. — Vol. 9, № 2. — P. 193-200. EШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Грызунов Владимир Викторович — доктор медицинских наук, профессор, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Суворов Н.Б., Белов A.B., Сергеев Т.В., Грызунова И.В. — Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», Первый Санкт-Петербурский медицинский университет им. акад. И.П. Павлова.
REMOTE MONITORING OF AT-RISK CONDITIONS OF CONTROL ENGINEERS
Gryzunov V. V., Doctor of Medical Sciences, Professor, national University of mineral resources «Mining»,
Suvorov N.B., Belov A.V., Sergeev T.V., Gryzunova I.V., St. Petersburg state Polytechnic University, the First St. Petersburg medical University. Acad. Pavlov.
The specificity of a control engineer function, requiring responsible decision-making in the conditions of risk and tight time, places great demands on psychophysiological capacity of a person and determines the expediency of human's state remote monitoring. Taking advantage of recent achievements in circuit engineering and microelectronics computer programming and based on the specificity of the professional occupation, the adaptive block-structured module has been designed. The preliminary tests have demonstrated of the portable unit to control the rate of regulatory function tension of a control engineer, aimed at decrease of risk susceptibility of behavioral pattern.
Key words: control engineer, remote monitoring, control, state, regulation.
REFERENCES
1. Gryzunov V.V. Nadezhnost' — integrativnaja harakteristika zhivoj sistemy// Nauchnye issledovanija i innovacionnaja dejatel'nost': Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii. (Reliability—the integrative characteristic of a living system, Scientific Research and Innovative Activities: Scientific and Practical Conference Proceedings). SPbGPU, 2008, P. 147-152.
2. GOST R 50267.47-2004 Izdelija medicinskie jelektricheskie. Chast' 2. Chastnye trebovanija bezopasnosti s uchetom osnovnyh funkcional'nyh harakteristik k ambula-tornym jelektrokardiograficheskim sistemam.
3. GOST R MJeK 60601-2-51-2008 Izdelija medicinskie jelektricheskie. Chast' 251. Chastnye trebovanija bezopasnosti s uchetom osnovnyh funkcio-nal'nyh harakter-istik k registrirujushhim i analizirujushhim odnokanal'nym i mnogokanal'nym jelektro-kardiografam.
4. Frolova N.L., Babich S.S., Belov A.V., Bochkarev D.N., Bulgakova O.S., Fe-dorov A.A., Suvorov N.B. Biotehnicheskie sistemy dlja skriningo-voj ocenki reguljacii sinusovogo uzla (Biotechnical systems for screening study of pacemaker control action, Newsletter on Arrythmology)// Vestnik aritmologii. 2002, N 25, P.141.
5. Shumakov P. V. ADO.NET i sozdanie prilozhenij baz dannyh v srede Microsoft Visual Studio.NET. (ADO.NET and creation of database applications in Microsoft Visual Studio.NET environment) Moscow, Dialog-MIFI, 2003, 528 p.
6. Suvorov N. Biofeedback control and functional state correction // Attrac-tors, Signals and Synergetics. Lengerich, Berlin. Pabst Science Publishers. W.Klonowski (Ed.), 2002. pp.547-552.
7. Suvorov N. Psychophysiological training of operators in adaptive biofeed-back cardiorhythm control // The Spanish Journal of Psychology. 2006, Vol. 9, № 2, pp. 193-200.
