CC BY
17
УДК: 623.746.519
Князьков А.В., Королев В.С., Чайковский В.М,
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СИСТЕМА ОНЛАЙН-КОНТРОЛЯ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА С ПЕРЕДАЧЕЙ ПО КАНАЛУ GSM
Рассмотрена система, предназначенная для сбора информации о ряде параметров, характеризующих состояние здоровья человека, в режиме реального времени и отправки её по каналу GSM с целью отображением полученных результатов на экране монитора лечащего врача
Ключевые слова:
система сбора, состояние здоровья, вывод данных на экран, радиоканал
Ритм текущей жизни в настоящее время не позволяет современному человеку выделить время для посещения больницы с целью проведения достаточно полной проверки состояния собственного здоровья. Поэтому значительный процент граждан, особенно находящихся в группе риска, таких как послеоперационная реабилитация или вредное производство, уклоняется от посещения врачей не только в силу своей склонности к безответственному отношению к собственному здоровью, но и в силу своей производственной занятости. Сочетание указанных факторов приводит к тому, что наличие серьезных проблем со здоровьем у таких граждан выявляется уже на финальном этапе развития болезни, а это несомненно приводит либо к затяжному характеру протекания процесса выздоровления, либо оказывается предпринимать данное лечение уже бессмысленно. Снижение влияния данного фактора возможно путём использования предлагаемой системы онлайн контроля, осуществляющей оценку значений ряда жизненно важных параметров человека, подвергаемому тому или иному риску. Данный подход позволяет своевременно зафиксировать даже незначительные, не ощущаемые самим человеком, ухудшения состояния его здоровья, которые могут вызвать тяжелые последствия, которые можно избежать только регулярной проверкой его состояния.
В состав предлагаемой системы (Рис.1) входит набор датчиков, позволяющих круглосуточно проводить мониторинг основных, жизненно важных показателей состояния здоровья человека и своевременно предупреждать об отклонениях их значений от нормы, способных вызвать возникновение проблем со здоровьем.
На сегодняшний день одним из наиболее эффективных способов решения подобной задачи [1] признано применение систем, основанных на постоянном ношении достаточно универсального датчика в виде наручного браслета. Последний позволяет осуществлять постоянный контроль значений целого ряда жизненно важных параметров, с последующим выводом этих значений либо на экран собственного устройства, либо в случае отклонения их от контрольных значений на экран монитора лечащего врача, осуществляющего контроль за данным гражданином. Следует отметить, что система, выполненная в виде наручного браслета, находящегося на запястье человека, является не только весьма удобной и универсальной по своему использованию, но и практичной.
Одним из наиболее значимых параметров, по которым судят о состоянии здоровья человека, следует считать пульс. Известно [1], что по пульсу, являющимся ритмичным колебанием стенок артерий, можно судить о соответствующих данному ритму сокращениях сердечной мышцы, а нормальное значение последних сокращений является критерием правильного функционирования всей сердечнососудистой системы. По показателям пульса можно судить о силе и ритмичности сердцебиения. При этом одним из важнейших факторов общего состояния человека является частота его сердцебиений (ЧСС). Каждому возрасту человека соответствует определенный диапазон значений ЧСС, выход за пределы которого свидетельствует о нездоровом состоянии.
Существует множество методов для измерения пульса [2], основными из которых являются традиционная электрокардиография и получающая все большее распространение плетизмография. Последняя позволяет определение значения пульса проводить по результатам оценки изменения объема
крови наполняющем тот или иной орган. На практике, в большинстве случаев, таким органом являются кровеносные сосуды. При этом оценивать значение амплитуды, возникающей волны пульсации, можно с помощью хорошо развитых к настоящему времени механических, оптических или импедансных (электродных) методов [3].
Все указанные методы имеют свои достоинства и недостатки, сохранение первых и устранение последних может быть достигнуто путем использования метода оптической плетизмографии. На практике используют две разновидности последней [4], одна из которых основана на пропускании светового пучка, а другая - на его отражении. В первом случае световой пучок пропускается сквозь часть тела человека (например, через палец или мочку уха), а фотодетектор фиксирует результирующую интенсивность прошедшего через тело пучка света, поэтому источник излучения и фотоприемник располагаются диаметрально противоположно. Во втором случае - источник света и фотоприемник геометрически совмещены, при этом информацию о частоте пульсе будет нести отраженный оптический сигнал. Определение пульса данным образом возможно осуществить на любом участке тела. При данных методах оценки интенсивности светового потока, как отраженного, так и прошедшего через часть тела, будут фиксироваться изменения мощности светового пучка, осуществляющиеся в строгом соответствии с пульсирующим изменением наполняемости сосудов кровью, вызываемым сокращением сердечной мышцы. Следует отметить, что применение оптической плетизмографии, требующей постоянном ношении на запястье человека браслета с измерительными датчиками, является неоспоримым достоинством.
Другим весьма значимым фактором, по которому можно судить о состоянии здоровья человека, является его полноценный сон, во время которого происходит отдых и восстановление сил всех органов человека. При этом во время сна происходит выработка целого ряда гормонов, отвечающих за правильность протекания процесса не только пищеварения, но и отвечающего за работу щитовидной железы и половой системы.
Человеческий сон [5] состоит из чередующихся циклов, каждый из которых включает в себя фазу быстрого и медленного сна, последняя занимает 80% времени от всего сна и длится 60-90 минут, включая в себя 4 меняющиеся по очереди стадии. В этой фазе восстанавливаются функции органов и регенерируются клетки организма, способствующие его оздоровлению. В свою очередь быстрая фаза составляет всего 10-20 минут, при которой происходит развитие всей нервной системы, а также запоминание и усвоение полученной в течение дня информации. Правильное соотношение данных фаз сна весьма важно.
Нарушение фаз сна приводит как к расстройству работы сердечнососудистой системы, так и к нарушению физической и умственной деятельности, а всё это вызывает набор веса, снижение иммунитета, нарушение общего гормонального фона, вызывает полное расстройство работы желудочно-кишечного тракта. В результате чего достаточно остро стоит необходимость в проведении контроля фаз сна.
Одним из показателей состояния здоровья человека является количество сожжённых его организмом килокалорий за день, что помогает предупредить проблемы с лишним весом. Доказано [5],
что требуемое количество шагов, пройденных человеком за день, должно быть не менее 10 000, контроль за соблюдением последнего осуществляет шагомер.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на рисунке 1, в ее состав входят
два отдельных модуля, центральный и измерительный. Само устройство выполнено в виде наручного браслета, способного последовательно осуществлять целый ряд операций таких как - измерение, обработка данных с датчиков и онлайн отправка их в виде сообщений на центральный модуль посредством GSM радиоканала.
Измерительный модуль
Рисунок 1.
Структурная схема системы
Основным управляющим узлом, осуществляющим выполнение в строгой последовательности всех требуемых операций, является микроконтроллер МК1 семейства PSoC4 производства компании Cypress [4]. При появлении высокого уровня на его выходе излучающий светодиод ИС в направлении запястья (З) формирует световой поток, который, отражаясь от последнего, поступает на фотоприемник (ФП). На выходе которого формируется информационный сигнал постоянного тока, амплитуда которого пропорциональна интенсивности принимаемого отраженного от запястья светового потока, промоду-лированного пульсирующим объёмом крови в вене запястья. На первом этапе преобразования сигнала от ФП происходит подавление больших медленных волн (постоянной составляющей) и осуществляется усиление слабых, быстрых волн (переменной составляющей), которые несут информацию о пульсе. Данный сигнал проходит через пассивный фильтр верхних частот (ФВЧ), устраняющий постоянную составляющую. Частота среза (fc) ФВЧ берётся равной 0.7 Гц (частота пульса человека находится в пределах 1-2 Гц). Затем сигнал проходит через активный фильтр нижних частот (АФНЧ) имеющего частоту среза 2,5 Гц, (значение которой несколько превышает традиционную частоту пульса), реализованного на операционном усилителе типа MCP6001 [6]. Указанный подход позволяет устранить высокочастотные шумы и постоянную составляющую, а также избавиться от влияния гармонической помехи промышленной сети переменного тока 50 Гц (60 Гц), и довести до нормированного значения в 1В уровень информативного сигнала, на выходе последней, несущего сведения о пульсе.
Для формирования светового потока используется светоизлучающий диод AM27SGC09 производства фирмы «Kingbright» [7] с рабочей длиной волны излучения 565 нм. В качестве фотоприемника предлагается использовать APDS-9008 [8] - традиционно применяемый в качестве миниатюрного сравнительно недорогого датчика освещенности с аналоговым выходом [9], удобного для поверхностного монтажа, и обладающего максимальной чувствительностью для оптического сигнала с длинной волны 5 65 нм.
Далее информативный сигнал постоянного тока преобразуется в переменный сигнал в виде импульсной последовательности, частота повторения которой будет совпадать с частотой сердечного сокращения ЧСС, превышающей частоту повторения данной импульсной последовательности в 60 раз, чтобы получить количество ударов сердца в одну минуту.
В предлагаемой системе, как для подсчета количества шагов в процессе его движения, так и фиксации интервала времени нахождения человека в покое, т.е. продолжительность его сна, используется акселерометр MPU-6050 [10]. Последний так
же позволяет осуществлять фиксации движений человека во время сна, тем самым оценивая уровень беспокойства протекания последнего.
Данные со всех датчиков, через соответствующие буферные каскады (БК1, БК2), преобразующие информативные сигналы в однополярные, для последующей подачи их на соответствующие входы микроконтроллера МК1, который обрабатывает их и результат выводит на дисплей (Д) как самого устройства, а так и с помощью центрального модуля отправляет их на монитор лечащего врача посредством радиоканала.
В качестве радиоканала предлагается использовать высокопроизводительный радиочастотный приёмопередатчик CC1101 производства Texas Instruments [11]. Предпочтение CC1101 отдано потому, что он является практически единственным из имеющихся приёмопередатчиков, в котором реализованы встроенные цифровые функции такие как: обнаружение слова синхронизации, побитное и побайтное восстановление данных, а так же хранение данных в приёмном FIFO-буфере размером 64 байт, которые позволяют значительно разгрузить МК и осуществлять его работу в режиме энергосбережения, что несомненно является важным достоинством при создании носимых устройств.
Поступивший в центральный модуль сигнал с измерительного модуля, обрабатывается микроконтроллером МК2 и транслируется в GSM-модем для последующего оповещения по каналу мобильной связи [12]. GSM модем M590 фирмы Neoway [13] представляет собой беспроводное коммуникационное устройство для приема/передачи данных в сетях мобильной связи. GSM модем осуществляет последующую отправку собранных данных на компьютер лечащего врача, который осуществляет вывод их на его монитор.
Центральный модуль питается от источника напряжением +12В, при токе потребления не более 2А. Блок питания центрального модуля построен по принципу бесперебойного, что позволяет сохранить требуемый уровень напряжения питания данного модуля от встроенной аккумуляторной батареи при отключении напряжения питания сети.
Так же предусмотрена возможность контроля прибором напряжения питания сети и напряжения аккумуляторной батареи. При понижении напряжения питания резервного источника (аккумулятора) ниже уровня (8-9В) передается сообщение на экран устройства у носителя. После чего прибор переходит в «спящий», дежурный режим, выход из которого возможен только при возобновлении подачи питания требуемого уровня (сетевого или аккумуляторного).
В заключении следует отметить, что при дальнейшем усовершенствование предлагаемой системы возможно оснащение её дополнительно звуковым датчиком, что даст возможность записывать звуки во время сна, что поможет более точно судить о
качестве сна человека и фиксировать момент оста- дополнительно позволяет организовать передачу
новки дыхания. Дополнительно возможна организа- сообщений от лечащего врача о необходимости при-
ция передачи оповещений через интернет на уда- нятия человеком (пациентом) тех или иных лекар-
ленный сервер, так как используемый GSM модем ственных препаратов в зависимости от анализа те-
поддерживает пакетную передачу данных GPRS, что кущей ситуации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волкова Н.А., Алгоритм диагностики состояния сердечнососудистой системы по результатам многократных измерений артериального давления и пульса/ Н.А. Волкова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки - 2015. - № 1. - C. 43-49.
2. Пульс под контролем? Чем и зачем измерять пульс в движении https://geektimes.ru/company/icover/blog/252 054/
3. Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 https://geektimes.ru/company/darta systems/blog/2 4 6856/http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html ?di=144220
4. Популярная медицинская энциклопедия/ Под ред. Петровского Б.В. - М.: «Советская энциклопедия», 198 4
5. описание микросхемы MCP6001// Microchip Technology Inc - 2009 http://ww1.microchip.com/down-loads/en/DeviceDoc/21733j.pdf
6. описание излучающего диода AM27SGC09// Kingbright https://www.kingbrightusa.com/images/catalog/spec/AM2 7SGC0 9.pdf
7. Технологическое описание фотоприемника APDS-9008// AVAGO TECHNOLOGIES http://www.avagotech.com/docs/AV02-116 9EN
8. Аверин И.А, Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации/ И.А. Аверин, В.Е. Пауткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки - 2014. - № 2. - C. 24-32.
9. Технологическое описание акселерометра MPU-6050// InvenSense Inc. Document Number: PS-MPU-6 0 0 0A-0 0
10. https://cdiweb.com/datasheets/invensense/MPU-6050_DataSheet_V3%204.pdf
11. Технологическое описание приемопередатчика CC1101// Texas Instruments http://www.ti.com/lit/ds/swrs061i/swrs061i.pdf
12. Чайковский В.М., Князьков А.В., Кожичкин Е.Ю. Удаленная система мобильного управления/надежность и качество - 2014: труды Международного симпозиума: - Пенза: Изд-во ПГУ,
2 014.Т2, С. 105-107
13. описание модема M590// Shenzhen Neoway Tech Co,. Ltd http://abc-rc.pl/templates/im-ages/files/995/1455184431-neoway-m590-hardware-design-manual-v1.pdf
УДК 681.5:004.415.2 Назаров Д.А.
ФГБУН «Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук», Владивосток, Россия
ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ДИСКРЕТНОЙ АППРОКСИМАЦИИ ОБЛАСТИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Под областью работоспособности в данной работе понимается ограниченная многомерная область в пространстве значений параметров элементов системы, в которых ее выходные характеристики удовлетворяют заданным требованиям. Задача исследования областей работоспособности возникает на этапе проектирования технических систем и позволяет исследовать диапазоны допустимой вариации их параметров с целью обеспечения параметрической надежности. Дискретная аппроксимация области работоспособности может иметь существенные погрешности и, помимо получения количественных характеристик погрешности, важно обладать визуальными средствами мониторинга ошибок такой аппроксимации. Главной проблемой используемого метода дискретной аппроксимации является сохранение таких важных для решения задачи параметрического синтеза свойств области как выпуклость/вогнутость, связность. Предлагается способ ручного контроля точности аппроксимации области работоспособности с помощью средств визуализации ее двумерных сечений методом Монте-Карло. В работе описывается программный компонент для визуального контроля точности аппроксимации в рамках программного комплекса нахождения и использования областей работоспособности
Ключевые слова:
проектирование, САПР, параметрическая надежность, область работоспособности
Введение занной с видом модели исследуемой системы, яв-
Под областью работоспособности (ОР) техниче- ляется отсутствие явных аналитических выражений, ской системы понимается многомерная область в связывающих выходные характеристики с внутрен-пространстве параметров ее элементов, в каждой ними параметрами. Причиной их отсутствия зача-точке, которой эта система удовлетворяет задан- стую является сложность модели и использование ным выходным требованиям. Задача определения ха- различных имитационных программных средств, ре-рактеристик конфигурации ОР возникает в процессе ализующих концепцию «черного ящика». Таким об-проектировании технических объектов и называется разом, в качестве доступного метода исследования построением ОР. Данная задача наиболее харак- пространства внутренних параметров является терна для проектирования устройств и систем уни- только поточечное зондирование.
кальных, дорогих, производимых в нескольких эк- В данной работе рассматривается метод постро-
земплярах. Такие системы могут состоять из не- ения ОР, основанный на аппроксимации многомерной типовых элементов, для которых отсутствуют ста- области дискретным множеством элементарных ги-тистические данные об отказах, что затрудняет перпараллелепипедов, заданных узлами регулярной применение вероятностного подхода к оценке сетки, и методе многомерного зондирования [1]. надежности. Даже в случае возможности применения Такой подход методологически имеет погрешность, вероятностного подхода к оценке надежности ис- обусловленную шагом сетки. В рамках системы пользование детерминированных методов анализа нахождения и использования областей работоспо-области допустимой вариации параметров может собности (СНИОР) [2, 3] необходим дополнительный дать дополнительные сведения, позволяющие повы- инструментарий для контроля точности сеточной сить параметрическую надежность проектируемой аппроксимации ОР. Проблема оценки точности ОР в системы. пространстве параметров заключается в том, что
Одной из основных трудностей, относящейся ко точные характеристики этой области неизвестны. всем методам построения ОР, является большая Поэтому оценить точность сеточной аппроксимации размерность пространства параметров элементов предлагается методом, в котором можно достичь (внутренних параметров). Другой проблемой, свя- определенной точности без увеличения хранимых
данных, - Монте-Карло.
