CC BY
122
kristally i ikh prakticheskoe ispol'shchovanie. 2011;3:90-6. Russian.
2. Zakharov NA, Skibinskiy KV, Bayrikov IM, Mi-zina PG, Kuz'mina VE, Ermak IM, Chalykh AE, Kalinni-kov VT. Cintez i issledovanie organomineral'nogo nano-kompozita gidroksiapatit kal'tsiya/karraginan. Konden-sirovannye sredy i mezhfaznye granitsy. 2007;9(2):112-24. Russian.
3. Pisareva EV, Vlasov MYu, Orlova EV. Vliyanie allogennogo gidroksiapatita na aktivnost' katalazy, uro-ven' dienovykh i malonovogo dial'degida u krys. Vest-nik Samarskogo gosudarstvennogo universiteta. Estest-vennonauchnaya seriya. 2012;9(100):217-25. Russian.
4. Promyslov MSh, Demchuk ML. Modifikatsiya metoda opredeleniya antioksidantnoy aktivnosti syvo-rotki krovi. Voprosy meditsinskoy khimii. 1990;4:90-2. Russian.
5. Rebrova OYu. Statisticheskiy analiz meditsins-kikh dannykh. Primenenie paketa prikladnykh programm STATISTICA. Moscow: MediaSfera; 2002. Russian.
6. Rozhinskaya LYa. Sistemnyy osteoporoz. Moscow: Mokeev; 2000. Russian.
7. Sitnikova OG, Nazarov SB, Dyuzhev ZhA, Kly-
cheva MM, Popova IG, Alekseeva OV, Agafonov AV. Issledovanie vliyaniya razlichnykh vidov nanorazmer-nogo dioksida kremniya na razvitie oksidantnogo stressa i antioksidantnuyu aktivnost' in vitro [The nanopar-ticles of silica derivates affect oxidative stress progression and antioxidant activity in vitro]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. 2013;3:17-21. Russian.
8. Ishihara M. Studies on lipoperoxide of normal pregnant women and patient toxemia of pregnancy. Clin. Chim. Acta. 1978;84:1-9.
9. Khairoun I, et al. Effect of calcium carbonate on clinical compliance of apatitic calcium phosphate bone cement. J Biomed Mater Res. 1997;38:356-60.
10. Chapman MW, Bucholz R, Cornell C. Treament of acute fractures with a collagen-calcium phosphate graft material. A randomized clinical trial. J. Bone Joint. Surg. Am. 1997;4:495-502.
11. Xu J, et al. Oxidative stress and apoptosis induced by hydroxyapatite nanoparticles in C6 cells. J. Biomed Mater Res A. 2012;3:738-45.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-03-97528-р_центр_а
УДК: 612.087.1, 681.518.22 DOI: 10.12737/7286
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ СОННОГО
АПНОЭ
Н.В. ИВАХНО, А.В. ПРОХОРЦОВ, Е.Н. СЕНИНА, С.С. ФЕДОРОВ
ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», пр. Ленина, 92, Тула, Россия, 300012
Аннотация. Рассмотрена актуальная задача разработки инструментальных методов исследования и диагностики состояния сонного апноэ, не требующих постоянного присутствия квалифицированного медицинского персонала и наличия дорогостоящей аппаратуры.
Предложен способ регистрации движений грудной клетки с использованием микромеханического акселерометра, обладающего сверхмалыми габаритными размерами, малой массой, энергопотреблением и себестоимостью, который наряду с датчиком контроля ороназального потока и пульсоксиметром позволяет произвести распознавание типа апноэ. При проведении экспериментальных исследований акселерометр размещался на грудной клетке, измеряя суммарный вектор ускорения, обусловленный движением грудной клетки и ускорением свободного падения. В результате проведенного математического моделирования обработки сигнала установлен оптимальный фильтр нижних частот Баттерворта 6-го порядка, обеспечивающий выделение полезного сигнала. В статье приведены результаты измерения ускорения по оси х и оси z при непрерывном дыхании и его временной остановке.
Результаты измерения ускорения по трем осям показали, что наиболее значимыми для регистрации являются оси х и z. Использование предложенного метода измерения движения грудной клетки с помощью акселерометров позволяет определить остановку дыхания, при этом запаздывание по времени составляет не более 0.5 секунд. Данный способ может быть использован в дополнение к датчикам пульсоксиметра и ороназального потока, что обеспечит регистрацию апноэ.
Ключевые слова: синдром сонного апноэ, акселерометр, фильтр, выделение сигнала.
METHOD FOR REGISTERING MOVEMENT OF THE CHEST AT THE DIAGNOSIS OF THE SLEEP APNEA
N.V. IVAKHNO, A.V. PROHORTSEV, E.N. SENINA, S.S. FEDOROV Tula State University, Lenin av, 92, Tula, Russia, 300012
Abstract. The paper considers the actual problem of the development of instrumental methods of examination and diagnostics of carotid apnea. These methods don't require the constant presence of health personnel and the expensive equipment.
The authors proposed a method of registering movement of the chest using a micromechanical accelerometer with extremely small dimensions, low weight, power consumption and cost, along with sensor control oro-nasal flow and pulse oximeter, it allows the recognition of the type of apnea. During experimental studies, the accelerometer was placed on the chest, measuring the total vector acceleration due to the movement of the chest and the acceleration of free fall. Mathematical modeling of signal processing has allowed the optimal lowpass filter Butterworth 6th order, ensuring the selection of the useful signal. The article presents the results of measuring the acceleration along the x-axis and z-axis with continuous breathing and temporary stop. The results of measuring acceleration along three axes showed that the most significant for registration are the x-axis and z-axis. The use of proposed method of measuring the motion of the thorax by means of accelerometers allows to detecting the cessation of breathing, the time lag isn't more than 0.5 seconds. This method can be used in addition to the pulse oximeter sensors and oro-nasal flow, which will provide registration apnea.
Key words: sleep apnea syndrome, accelerometer, filter selection signal.
Большая распространенность синдрома сонного апноэ (ССА) требует достоверных методов диагностики этого заболевания. Несмотря на то, что в некоторых случаях диагноз может быть поставлен с высокой степенью точности уже на основании клинической картины, он должен в обязательном порядке подтверждаться специальными инструментальными методами исследования [1].
Как показал обзор тематической литературы [13], в настоящее время используются различные методы диагностики ССА, представленные на рис. 1.
Рис. 1. Классификация современных методов диагностики ССА
В существующих методах традиционной диагностики состояния сонного апноэ используют контактные датчики и измеряют несколько параметров. Ряд вышеперечисленных методик являются косвенными и не позволяют достоверно установить наступают ли у пациента в течение сна остановки дыхания. Результаты этих методов исследования могут лишь насторожить лечащего врача и способствовать более детальному обследованию пациента. Кроме того, эти методики не дают достоверного ответа на вопрос, какой тип апноэ имел место - обструктивный, центральный
(ЦСА) или смешанный. Прямые методы диагностики позволяют дифференцировать апноэ по типам, но требуют постоянного присутствия квалифицированного медицинского персонала [3,4]. Кроме того, применение этих методов исследования (полисомногра-фия, кардиореспираторное мониторирование) зачастую ограничено из-за высокой стоимости аппаратуры. Большое количество электродов влияет на положение человека во время сна, в результате, некоторые люди плохо спят, что может привести к неправильной оценке тяжести заболевания.
Применение методов дистанционного обнаружения движений человека, основанных на законах радиолокации, а также использование то-ко-вихревых датчиков является перспективным направлением в медицине [5,7]. Однако, в настоящее время трудно оценить результат воздействия электромагнитных волн на организм пациента в ходе исследований, проводимых в течение нескольких часов сна и на протяжении нескольких ночей.
Поэтому, установка инструментальных методов исследования и диагностики ССА является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы - теоретико-экспериментальное обоснование возможности регистрации движения грудной клетки для повышения эффективности диагностики состояния сонного апноэ.
Материалы и методы исследования. Способ диагностики состояния ССА заключается в регистрации движений грудной клетки с использованием микромеханического акселерометра, так как он обладает сверхмалыми габаритными размерами, малой массой, энергопотреблением и себестоимостью, который наряду с датчиком контроля ороназального потока и пульсоксиметром, рассмотренными в работе [2], позволяет произвести распознавание типа апноэ (рис. 2).
На рис. 3 изображен человек, на грудную клетку которого помещен многофункциональный модуль с элементами измерения параметров движения. Перемещение грудной клетки регистрируется относительно трех осей х, у, z [6]. В зависимости от цели исследования, указанный многофункциональный модуль может быть помещен и на живот.
Рис.2. Функциональная схема информационно-измерительной системы диагно
стики ССА
Рис. 3. Размещение акселерометра на человеке
Ребра образуют подвижные соединения с телами и поперечными отростками позвонков. Через эти две точки проходит ось, вокруг которой вращаются ребра. Когда, в результате сокращения мышц, ребра поднимаются, размеры грудной клетки увеличиваются как в боковом, так и в передне-заднем направлении [4]. При вдохе верхние отделы грудной клетки увеличиваются в основном в передне-заднем, а нижние - в боковых направлениях.
При размещении акселерометра на грудной клетке, будет измеряться ускорение, которое состоит из ускорений, обусловленных движением грудной клетки и ускорением свободного падения [6]. Показания, снимаемые по 3-м осям акселерометра, обозначим ах , ау , аъ . Вследствие того, что сложно вычислить проекции ускорения свободного падения на измерительные оси акселерометра и вычесть их из показаний акселерометра, будем определять суммарный вектор ускорения перемещения грудной —-:-г
-9 3.
клетки [7]: Л = +
+ ¡г;
В результате моделирования предложенного способа в среде Mathcad при различных исходных данных о дыхании человека получены графики изменения ускорения при движении грудной клетки. При этом задавалась частота дыхания от 0,1 до 1 Гц, перемещение грудной клетки в среднем бралось хо=2см=0,02 м. Диапазон изменения ускорения составил от 0,008-1 м/с2. Таким образом, можно предъявить требования к акселерометру используемому для реализации предлагаемого метода: диапазон измерений до 2 g порог чувствительности на уровне 10-3 м/с2, полоса пропускания 100 Гц.
Результаты и их обсуждение. Во время эксперимента трехосный измерительный блок АИСТ-350Т
[8], в состав которого входят недорогие микромеханические акселерометры, помещенный на грудную клетку и живот пациента, снимал показания ускорения при непрерывном дыхании и при его временной остановке. Данные при помощи программы аistWin записывались в компьютер (частота дискретизации составила 250 Гц) и обрабатывались в программе Ма^САБ.
Вследствие того, что при проведении эксперимента использовались недорогие, а, следовательно, и довольно грубые акселерометры их показания необходимо было отфильтровать. В результате проведенного математического моделирования обработки сигнала установлен оптимальный фильтр, обеспечивающий выделение полезного сигнала - фильтр нижних частот Бат-терворта, 6-го порядка.
Матрица коэффициентов для фильтра: 1.5П&кг* 1 1.за1»ю-* I 1.:гт I
к = 1Г1 -149; 5.киж1а-*-4.ам югз«1г4 -1.К.1
1.век иг* ъш 1.з&1хкг*и1б 1.542x1аг* паза'
Рис. 4. Измерение ускорения по осям х и ъ при перемещении грудной клетки при непрерывном дыхании (а-без фильтрации, б - с фильтрацией выходного сигнала)
Рис. 5. Измерение ускорения по трем осям при перемещении грудной клетки при временной остановке дыхания (а - без фильтрации, б - с фильтрацией выходного сигнала)
В результате проведенных экспериментальных исследований получены следующие графики (рис. 4-5), показывающие изменение ускорения по трем осям при разных видах дыхания с фильтрацией и без фильтрации выходного сигнала. Период времени перемещения грудной клетки и живота равен 4 секундам.
Остановка дыхания зарегистрирована с 19 по 26 сек., продолжительностью 7 сек. Наиболее информативные результаты регистрации ускорения обнаружены по оси х и по оси z.
Период времени перемещения грудной клетки равен 4 секундам. Остановка дыхания зарегистрирована с 20 по 26 сек., продолжительностью 6 секунд.
Рис. 6. Измерения ускорения по оси х при перемещении живота при непрерывном дыхании (верхние графики), при остановке дыхания (нижние графики) (a - без фильтрации, б - с фильтрацией выходного сигнала)
Выводы. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что использование предложенного метода измерения движения грудной клетки с помощью акселерометров позволяет определить остановку дыхания, при этом запаздывание по времени составляет не более 0,5 секунд. Данный способ может быть использован в дополнение к датчикам пульсоксиметра и ороназального потока, что обеспечит регистрацию апноэ, распознавание его типа, и при реализации в виде прибора даст возможность проводить диагностику на уровне поликлинических учреждений.
Литература
1. Бузунов Р.В., Легейда И.В., Царева Е.В. Храп и синдром обструктивного апноэ сна у взрослых и детей. Практическое руководство для врачей. Москва, 2012. 121 с.
2. Ивахно Н.В., Савельев В.В., Мизарев А.М. Аппаратная реализация комплекса диагностики остановки дыхания во время сна. Известия ТулГУ: технические науки. 2013. №9. часть 2. С. 293-298.
3. Восстановительная медицина. Монография. Под редакцией Хадарцева А.А., Гонтарева С.Н., Ага-сарова Л.Г. Тула: Издательство ТулГУ- Белгород, 2011. Том IV. 204 с.
4. Ivakhno N.V., Merkulova O.V. Mathematical model of apnea diagnostics data-measuring system. 4th Russian-Bavarian Conference of Biomedical Engineering. Moscow, 2008. P. 324-328.
5. Мокров Е.А., Папко А. А. Акселерометры физических измерений - элементы микросхемотехники // Нано- и микросистемная техника. 2002. №1. С. 3-9.
6. Тимошенков С.П. Элементы микроэлектромеханических систем, реализуемых на составных структурах // Микросистемная техника. 2002. №4. С. 3-6.
7. Еськов В.М., Хадарцев А.А., Троицкий М.С. Методы регистрации различных видов движения, как основа разработки механотренажеров // Вестник новых медицинских технологий. Электронный журнал. 2014. №1. URL: http://www.medtsu.tula.ru/ VNMT/Bulletin/E2014-1/4957.pdf.
8. Хадарцев А.А., Борисова О.Н., Киреев С.С., Еськов В.М. Реабилитационно-восстановительные медицинские технологии в медико-биологических исследованиях ученых Тульской области (обзор литературы) // Вестник новых медицинских технологий. Электронный журнал. 2014. №1. URL: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2014-1/4972.pdf.
References
1. Buzunov RV, Legeyda IV, Tsareva EV. Khrap i sindrom obstruktivnogo apnoe sna u vzroslykh i detey. Prakticheskoe rukovodstvo dlya vrachey. Moscow; 2012. Russian.
2. Ivakhno NV, Savel'ev VV, Mizarev AM. Appa-ratnaya realizatsiya kompleksa diagnostiki ostanov-ki dykhaniya vo vremya sna. Izvestiya TulGU: tekhniche-skie nauki. 2013;9(2):293-8. Russian.
3. Vosstanovitel'naya meditsina. Monografiya. Pod redaktsiey Khadartseva A.A., Gontareva S.N., Aga-sarova L.G. Tula: Izdatel'stvo TulGU- Belgorod; 2011. Russian.
4. Ivakhno NV, Merkulova OV. Mathematical model of apnea diagnostics data-measuring system. 4th Russian-Bavarian Conference of Biomedical Engineering. Moscow; 2008.
5. Mokrov EA, Papko AA. Akselerometry fizi-cheskikh izmereniy - elementy mikroskhemotekhniki // Nano- i mikrosistemnaya tekhnika. 2002;1:3-9. Russian.
6. Timoshenkov SP. Elementy mikroelektrome-khanicheskikh sistem, realizuemykh na sostavnykh struk-turakh. Mikrosistemnaya tekhnika. 2002;4:3-6. Russian.
7. Es'kov VM, Khadartsev AA, Troitskiy MS. Me-tody registratsii razlichnykh vidov dvizheniya, kak os-nova razrabotki mekhanotrenazherov [Registration methods of different types of motion as a basis for the development of mechanical simulators]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. Elektronnyy zhurnal [Internet]. 2014 [cited 2014 Oct 24];1: [about 7 p.]. Russian. Available from: http://www.medtsu.tula.ru /VNMT/Bulletin/E2014-1/4957.pdf.
8. Khadartsev AA, Borisova ON, Kireev SS, Es'-kov VM. Reabilitatsionno-vosstanovitel'nye medi-tsinskie tekhnologii v mediko-biologicheskikh issle-dovaniyakh uchenykh Tul'skoy oblasti (obzor literatu-ry) [Registration methods of different types of motion as a basis for the development of mechanical simulators]. Vestnik novykh meditsinskikh tekhnologiy. Elektronnyy zhur-nal. [Internet]. 2014 [cited 2014 Oct 24];1: [about 9 p.]. Russian. Available from: http://www.medtsu.tula.ru /VNMT/Bulletin/E2014-1/4972.pdf.
