ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ВОДОЛАЗА

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для телеметрического контроля состояния водолаза.
Известно достаточно большое число различных систем и устройств для дистанционного мониторинга за состоянием физиологических параметров человека, в которых блок датчиков регистрации физиологических параметров и блок мониторинга находятся в одной среде, например, воздухе в условиях обычного атмосферного давления (п. РФ №2122344, п. РФ №53877 U1, WO 88/05282, п. США №4686998).
Однако при регистрации физиологических сигналов под водой возникает проблема передачи этих сигналов на поверхность с наименьшими искажениями. Кроме того, данные устройства позволяют измерять такие физиологические параметры как частоту сердечных сокращений (ЧСС), частоту дыхания (ЧД), температуру тела, артериальное давление, но они не предназначены для регистрации шумов системы дыхания человека, хотя выслушивание дыхательных звуков над легкими (аускультация легких) является одним из основных медицинских инструментов исследования системы дыхания человека
В то же время известно, что водолазная деятельность связана с воздействием на респираторную систему комплекса неблагоприятных факторов, в частности, увеличенного парциального давления кислорода, что ведет к кислородной интоксикации. Хотя для водолазов разработаны стандарты использования газовых сред для дыхания, проблема оценки состояния легочной функции водолаза во время работы все еще остается актуальной, поскольку чувствительность к токсическим эффектам кислорода варьируется не только между субъектами, но и у одного и того же субъекта в разные периоды времени.
Традиционно показателем изменения легочной функции служит изменение жизненной емкости легких (ЖЕЛ), однако существуют и другие простые, безвредные и информативные способы оценки состояния легочной функции, например, компьютерный анализ трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ) (Pochekutova IA, Korenbaum VI и др. Significance of spectral-time parameters of noise during forced exhalation in estimation of bronchi airways. Human Physiology 2001; 27; 441-445), которые можно применить для оценки состояния водолаза.
Известно устройство для мониторинга физиологических функций пациента в покое и движении и передачи измеренной информации по биотелеметрическому каналу на расстояние до 100 м (п. РФ №2200463, А61В 5/05). Устройство включает блоки измерения электрокардиограммы, импедансной пневмограммы (ИПГ), блок тревожной сигнализации.
Однако известное устройство позволяет следить за частотой сердечных сокращений, частотой и ритмом дыхания, продолжительностью фаз вдоха и выдоха, температурой тела, записать электрокардиограмму, но отсутствие блока акустической регистрации сигналов не позволяет зарегистрировать шумы дыхания, а отсутствие обратной связи с пациентом лишает возможности оперативного реагирования на полученную информацию.
Известна телеметрическая система для мониторинга физиологических параметров, включающая в том числе электрокардиограф, пульсоксиметр, сенсоры которых установлены на нательной одежде с возможностью контактирования с чувствительными участками тела, блок обработки первичных сигналов и блок информации, соединенные телекоммуникационным каналом (п. РФ №75293 U1, А61В 5/113). Данная система позволяет записать электрокардиограмму, показания плетизмографа, но отсутствие прочного механического контакта сенсоров с телом, а также невозможность записи шумов системы дыхания, отсутствие обратной связи с пациентом и невозможность слежения за несколькими пациентами одновременно, не позволяет использовать ее, например, для мониторинга состояния водолазов.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для дистанционного медицинского контроля за состоянием здоровья человека, работающего в экстремальных условиях, в том числе под водой (п. РФ №33320 U1, A61N 1/37). Устройство включает медицинский блок, подключенный через блок связи к центру мониторинга, представляющего собой сетевой компьютер с программой обработки физиологических данных, при этом медицинский блок и блок связи конструктивно выполнены единым блоком в одном корпусе. Медицинский блок включает блок регистрации физиологических сигналов, содержащий датчики для записи электрокардиограммы и частоты дыхания, цифровой блок преобразования сигналов и оперативное запоминающее устройство для хранения информации. Блок связи через беспроводной коммуникационный канал сети Интернет по базовому протоколу TCP/IP соединен с центром мониторинга. Для соединения с центром мониторинга предлагается использовать также и другие проводные или беспроводные коммуникационные сети и протоколы связи (телевидение, телефонные сети, радиосети, спутниковые каналы, оптоволоконные сети, протоколы RTP, GPRS, HSCSD, W-LAN, WAP).
Однако данное устройство также не позволяет регистрировать акустические шумы системы дыхания и обеспечивать оперативное слежение за состоянием водолаза.
Задача полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей заявляемой системы и обеспечении оперативного контроля состояния водолаза во время погружения за счет организации новой комбинированной системы связи с водолазом и возможности записи и анализа шумов дыхания водолаза.
Поставленная задача решается телеметрической системой контроля состояния водолаза, содержащей блок регистрации физиологических сигналов, включающий датчик пульса, акустический датчик дыхания, систему обратной связи с водолазом и соединенный с ними цифровой блок преобразования сигналов, оборудованный каналом обратной связи, при этом блок регистрации и блок связи выполнены раздельно и соединены кабельной линией, снабженной буем, в котором установлен блок связи, соединенный по беспроводной сети с центром мониторинга, включающим сетевой компьютер с программой обработки физиологических данных.
В качестве датчика пульса используют, например, оптический датчик пульса с контроллером для управления свечением излучающих диодов и их синхронизацию с фотоприемником, или три ЭКГ-электрода с аналоговым усилителем электрокардиографических сигналов.
В качестве акустического датчика дыхания возможно использовать, например, электретный микрофон со стетоскопической камерой или акселерометр, обладающие соответствующими параметрами для записи шумов дыхания.
Система обратной связи с водолазом может быть выполнена либо в виде головных телефонов либо световых индикаторов либо дисплея.
Схема блока цифрового преобразования сигналов зависит от используемых датчиков физиологических параметров и содержит многоканальный АЦП и блок, обеспечивающий систему обратной связи. Блок цифрового преобразования сигналов может быть дополнительно оборудован устройством для записи и хранения поступающей информации.
Блок связи выполнен на базе компьютера первичной обработки с возможностью обеспечения беспроводной связи с центром мониторинга, например, путем введения платы радиосети с антенной.
Блок связи и центр мониторинга могут быть оборудованы средствами шифрования передаваемой информации.
Известные современные системы связи с водолазами по кабелю или гидроакустическому каналу основаны на наличии надводного модуля наблюдения, который обеспечивает функции передачи и приема информации, и подводного блока, размещаемого на снаряжении водолаза, при этом для осуществления бескабельной дистанционной связи при использовании гидроакустического канала устанавливают соответствующие излучающие и приемные антенны. Связь по гидроакустическому каналу не ограничивает водолаза при его перемещении, в отличие от кабельной связи, но имеет низкую скорость передачи данных, что ограничивает ее применение для целей оперативного мониторинга.
В заявляемой системе предлагается комбинированная связь, а именно, связь водолаз - блок связи по кабелю (не ограничивает передвижение водолаза), а блок связи - центр мониторинга - по беспроводному каналу, например, радиоканалу на основе применения сетевой технологии передачи данных Wireless Fidelity (WiFi) или другой.
Оборудование заявляемой телеметрической системы акустическим датчиком и системой обратной связи с водолазом, а также предлагаемая двухступенчатая схема связи между водолазом и центром мониторинга, позволяет увеличить скорость передачи данных относительно гидроакустического канала связи, разместить часть элементов системы, например, элементы питания, в корпусе буя, а не в регистрационном блоке водолаза, обеспечить возможность обратной связи с водолазом, а также возможность независимого обмена информацией с большим количеством водолазов через их блоки связи; дает возможность ретрансляции сигналов блоками связи, возможность шифрования передаваемой информации, что позволяет говорить о достижении технического результата.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемой телеметрической системы с использованием радиосети, где 1 - датчик пульса, 2 - акустический датчик дыхания, 3 - система обратной связи, 4 - цифровой блок преобразования сигналов с датчиков, 5 - кабельная линия, 6 - блок связи и 7 - центр мониторинга, включающий сетевой компьютер с программой обработки физиологических данных (на фиг.1 не показан). Связь между блоком (6) связи и центром (7) мониторинга осуществляется по беспроводному каналу.
На фиг.2 приведены записи сигналов шумов дыхания (А) и электрокардиограмма (Б), полученные в результате модельного эксперимента заявляемой системы под водой.
Система работает следующим образом. Сигналы с датчиков (1) и (2) поступают в цифровой блок (4) преобразования сигналов. Затем в цифровом виде передаются по кабельной линии (5) в блок (6) связи. Далее идет обмен данными по стандартным сетевым протоколам между блоком (6) связи и центром (7) мониторинга, где сигнал принимается и передается на сетевой компьютер, который после обработки полученных данных информирует руководителя спусков о состоянии водолаза и в случае превышения пороговых значений показателей подает тревожный сигнал.
При использовании в качестве системы (3) обратной связи голосовых телефонов связь с водолазом осуществляется по радиосети с помощью гарнитуры центра мониторинга. Сигнал с центра (7) преобразуется в аналоговую форму в блоке (4) цифрового преобразователя и поступает на головные телефоны (система (3) обратной связи) водолаза. Голос водолаза (если конструкция акваланга позволяет ему говорить) передается вместе с шумами дыхания с помощью акустического датчика (2) шумов дыхания.
Заявляемая система была реализована с использованием в качестве датчика пульса ЭКГ-датчика, состоящего из трех электродов и электрокардиографического усилителя. Использовали электроды (фирма Fiab SpA, модель F9070) диаметром 50 мм из непроницаемого для жидкости пенопласта на полиэтиленовой основе закрепляемых на теле прочным клеем. Токосъемный элемент электродов реализован на основе хлорсеребряного геля.
В качестве акустического датчика дыхания был установлен датчик МКЭ-3 со стетоскопической камерой, который позволяет записать шумы дыхания в области 200-2000 Гц.
Многоканальный АЦП блока цифрового преобразования сигналов был реализован на базе устройства TransitUSB фирмы M-Audio, имеет аналогово-цифро-аналоговый преобразователь АКМ АК4584, динамический диапазон которого 100 дБ. Поддерживает цифровой сигнал разрядностью - 16 и 24 бит с минимальной частотой дискретизации - 8 кГц. Аудиоинтерфейс имеет аналоговый стерео вход, один из которых обеспечен питанием для акустического датчика дыхания - электретного микрофона, и аналоговый выход с возможностью подключения головных стереотелефонов.
Блока связи был выполнен на базе компьютера первичной обработки Pentium II1, 500 МГц, 128Мб оперативной памяти.
Блок регистрации физиологических сигналов водолаза был помещен в гидрокомбинезон на область живота водолаза. Связь между блоком регистрации и блоком связи, расположенном в поверхностном буе, осуществлялась с помощью USB удлинителей.
Питание блока регистрации осуществлялось напряжением 5 вольт через интерфейс USB 1.1.
Запись и обработку сигналов в центре мониторинга реализовывали на базе соответствующих программ.
Проведенные модельные испытания системы под водой позволили записать электрокардиографическую кривую (Б) и шумы дыхания водолаза (А) (фиг.2). Одновременно производилась обработка записей электрокрдиографической кривой и трахеальных шумов форсированного выдоха (ФВ), автоматически рассчитывались продолжительность шумов ФВ и проводился анализ полученных данных, позволяющий делать вывод о состоянии водолаза. Полученные результаты подтверждают работоспособность заявляемой телеметрической системы дистанционного измерения физиологических параметров водолаза при его нахождении под водой.
Таким образом, за счет предложенной комбинированной двухступенчатой системы связи водолаза с центром мониторинга, установки датчика акустических шумов дыхания и системы обратной связи удалось решить поставленную задачу. Система позволяет увеличить скорость передачи данных относительно гидроакустического канала связи, не вносит существенных изменений в объем и массу водолаза, обеспечивает возможность обратной связи с водолазом, а также возможность независимого обмена информацией с большим количеством водолазов через их блоки связи; а также имеет возможность шифрования передаваемой по радиоканалу информации.