Методика построения автоматизированного тренажерного комплекса дыхательной мускулатуры

Раздел III.

РАЗРАБОТКА ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ И ИНСТРУМЕНТАРИЯ. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

УДК 615.8:612.2

МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА ДЫХАТЕЛЬНОЙ МУСКУЛАТУРЫ

О.В. МЕРКУЛОВА*

Предложена методика построения автоматизированного тренажерного комплекса дыхательной мускулатуры. Достоинство этого комплекса заключается в возможности индивидуального подбора величины тренирующего воздействия по величине давления в ротовой полости и высокой точности раздельного регулирования сопротивления дыханию на вдохе и выдохе. Приведены экспериментальные данные, полученные для одного из вариантов технической реализации предложенной методики.

Ключевые слова: дыхательная мускулатура, автоматизированный тренажерный комплекс, регулируемый дроссель.

По данным современной медицины важную роль в эффективной профилактике различных заболеваний и улучшении качества жизни играют дыхательные упражнения. В медицинской практике существует несколько систем дыхательных упражнений, в том числе дыхание с сопротивлением, которое применяется для увеличения силы и выносливости дыхательной мускулатуры (ДМ). Сопротивление может быть приложено во время вдоха, выдоха и всего дыхательного цикла. Различают резистивное сопротивление (сопротивление потоку воздуха с помощью ограничения воздушного потока), эластическое сопротивление (стягивание грудной клетки эластическими бинтами, манжетами и пр.) и инерционное (изменение направления воздушного потока). Наиболее широко применяется легко дозируемое резистивное сопротивление [1].

Одним из способов выполнения тренировок с сопротивлением дыханию является применение различных дыхательных тренажеров.

Анализ известных на сегодняшний день тренажеров, работающих на создание сопротивления дыханию, показал, что их недостатком является невозможность индивидуального дозирования резистивной нагрузки на дыхательную систему.

Цель исследования - повышение эффективности тренировок ДМ за счет индивидуального подбора величины тренирующего воздействия и высокой точности раздельного регулирования сопротивления дыханию на вдохе и выдохе.

Материалы и методы исследования. Для достижения указанной цели разработана методика построения автоматизированного тренажерного комплекса дыхательной мускулатуры (АТКДМ), алгоритм работы которого представлен на рис. 1.

Рис. 1 Алгоритм работы АТКДМ

Для АТКДМ выбрана конструкция дроссельного типа, применение которой обеспечит автоматизацию и точность регулирования резистивных дыхательных нагрузок, а при достаточной скорости изменения сечения дросселя позволит создавать нагрузки пиковой формы.

Тренировка ДМ при использовании конструкции дроссельного типа происходит за счет создания сопротивления дыханию на вдохе и/или выдохе. Величина сопротивления меняется при изменении площади пропускного отверстия регулируемого дросселя и контролируется программой или оператором.

Информация о давлении в ротовой полости и скорости ее изменения, объемном расходе, продолжительности вдоха и выдоха, частоте дыхания в процессе тренировки, а также о значении площади пропускного отверстия регулируемого дросселя отображается на мониторе персонального компьютера (ПК).

Работа АТКДМ, структурная схема которого приведена на рис. 2, происходит следующим образом. Для выбора оптимальной нагрузки на ДМ пациент дышит через тренажерный комплекс, работающий в различных режимах. В процессе дыхания через регулируемый дроссель 3 дыхательной трубки 2, соединенной с загубником 1, датчиком давления 4 измеряется давление в полости дыхательной трубки 2. Величина этого давления в виде электрического сигнала от датчика давления 4 пропускается через фильтр нижних частот 5 и преобразуется в цифровую форму с помощью микроконтроллера 7. Далее информация о давлении передается через приемопередатчик 8 в ПК 9, где происходит цифровая обработка исходного сигнала, расчет объемной скорости потока воздуха, продолжительности вдоха-выдоха и частоты дыхания, сохранение полученных данных и отображение графиков изменения давления в ротовой полости в течение тренировки на мониторе ПК 9.

По полученным данным программа, представляющая собой математическую модель биомеханики дыхания, либо оператор в лице пациента или врача задает ответные команды управления, которые через приемопередатчик 8 передаются микроконтроллеру 7. Микроконтроллер 7 с помощью блока управления 6 осуществляют изменение площади пропускного отверстия регулируемого дросселя 3, что в свою очередь изменяет величину сопротивления дыханию на вдохе и/или выдохе и нагрузку на ДМ пациента.

Тульский государственный университет, 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92

Рис. 2 Структурная схема АТКДМ: 1 - загубник, 2 - дыхательная трубка,

3 - регулируемый дроссель, 4 - датчик давления, 5 - фильтр нижних частот, 6 - блок управления дросселем, 7 - микроконтроллер,

8 - приемопередатчик, 9 - ПК

Таким образом, по регистрируемым показателям программой или оператором производится контроль дыхательного процесса и точное регулирование индивидуально подобранной величины искусственного сопротивления дыханию на вдохе и/или выдохе.

Помимо указанных выше параметров дыхания можно рассчитать скорость потока и объемный расход воздуха в процессе дыхания пациента через АТКДМ. Расчет указанных величин производится с учетом потерь давления в дыхательной трубке, которые складывается из двух составляющих - потери на местные сопротивления (вихри, возникающие из-за резкого сужения площади пропускного отверстия трубки) и потери на трение воздуха о стенки трубки.

Результаты и их обсуждение. На основе разработанной структурной схемы создан макет АТКДМ, основным элементом конструкции которого является регулируемый дроссель кранового типа. Площадь пропускного отверстия такого дросселя равна площади перекрытия отверстий корпуса и вращаемой трубки, жестко закрепленной на выходном вале редуктора. Входной вал редуктора приводится во вращение шаговым двигателем. Шаговый двигатель с редуктором образуют блок управления. В каче-

стве датчика давления выбран датчик МРХ5010, измеряющий дифференциальное давление в диапазоне от 0 до 10кПа. Микроконтроллер представляет собой 8-разрядный микроконтроллер РГСшюго. Функцию приемопередатчика выполняет последовательный порт Я8-232С.

Результатом работы созданного макета являются графики изменения давления в ротовой полости при различных значениях площади пропускного отверстия 8 (рис. 3).

mfmS-I.MIO1*

/ __________I____________________________________________________________

1.4 I.H 2.2 2.6 J А 4 JJ tr

Рис. 3 Графики изменения давления в ротовой полости в процессе выдоха для различных режимов работы АТКДМ

Полученные результаты указывают на зависимость длительности вдоха и выдоха, пиковой величины и скорости изменения давления в ротовой полости от площади пропускного отверстия дросселя и таким образом не противоречат теоретическим представления о дыхании с резистивной нагрузкой.

Выводы. Предложена методика построения автоматизированного тренажерного комплекса дыхательной мускулатуры, которая позволит повысить эффективность тренировки дыхательной мускулатуры за счет индивидуального дозирования резистивной нагрузки на дыхательную систему. Создан тренажерный комплекс, характеризующийся простотой и удобством эксплуатации, точным регулированием сопротивления на вдохе и/или выдохе. Он позволяет измерять и регистрировать давление в ротовой полости пациента, по величине которого рассчитываются количественные показатели, характеризующие функциональное состояние дыхательной системы пациента во время тренировки. Дальнейшее совершенствование комплекса позволит автоматически оценивать результаты дыхательных тренировок и выбирать оптимальный режим его работы.

Литература

1. Щербаков Д.В. Механокоррекция бронхообструктивного синдрома пиковыми перепадами давления в дыхательных путях [Текст]: дис. ... канд. мед. наук: 14.00.51; 14.00.05 / Щербаков Денис Валериевич. Тула, 2006. 145 с.

CONSTRUCTING METHOD OF AUTOMATED TRAINING COMPLEX FOR RESPIRATORY MUSCLES

O.V. MERKULOVA

Tula State University

The article describes a new method of constructing an automated training complex for respiratory muscles. The advantage of this complex is in the opportunity to select the training effect value according to the value of the oral cavity pressure individually for each patient and regulating separate resistance to breathing while inspiration and expiration and with high accuracy. Experimental data for one of such kind of technical realization of this method are presented.

Key words: respiratory muscles, automated training complex, regulated throttle.

УДК 351.77

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЛАЧНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

В.Г. ВОЛКОВ, И.Ю. КОПЫРИН, К.А. ХАДАРЦЕВА*

В работе показаны возможности использования сервиса облачных вычислений при реализации государственных программ информатизации и модернизации здравоохранения. На примере Тульского областного перинатального центра представлена возможная структура

облачной архитектуры, которая может быть использована для повышения эффективности работы учреждений здравоохранения Тульской области. Приведены основные функциональные возможности разделов оперативной структуры облака, с учётом особенностей деятельности лечебных учреждений.

Ключевые слова: информатизация, облачные вычисления, электронная медицинская документация, поддержка принятия клинических решений.

В соответсвии с принципами концепции информатизации здравоохранения, для создания единого информационного пространства здравоохранения могут быть активно использованы технологии облачных вычислений. Они позволят улучшить качество предоставляемых услуг и уход за больными, прежде всего, за счет более оперативной системы обмена информации между медиками [1,2,3]. Модули обработки информации позволят принимать решения по постановке диагноза, используя в качестве помощи аналитические ресурсы облака [3,4]. Благодаря управлению всеми медицинскими данными и информационнотехнологическими ресурсами в среде облачных вычислений, система сможет обеспечивать координацию обслуживания пациентов между всеми вовлеченными сторонами [5]. Лечащие врачи, средний и младший медицинский персонал, врачи-консультанты и фармацевты смогут получать и совместно использовать данные о пациентах из единого информационного источника. Решение также позволит отслеживать и отображать статистику и тенденции того, как пациенты реагируют, на назначенные курсы лечения, как они придерживаются графика приема лекарств, и автоматически уведомлять медицинский персонал о нарушениях соответствующих предписаний [5,6].

Все это позволит сделать оказание медицинской помощи более эффективным и действенным, а также - более экономным.

Ограничения распространения, разглашения и хранения медицинской информации определённые законодательством РФ ограничивают возможности использования в здравоохранении действующих крупнейших платформ облачных вычислений: Amazone Web Services, Microsoft Azure, Rackspace, Oracle. В связи с этим целесообразна разработка локальной специализированной облачной структуры с возможностью дальнейшей интеграции с другими платформами и портированием на национальную облачную платформу.

Так, для оптимизации работы Тульского областного перинатального центра целесообразно использовать решение на базе облачных технологий следующей структуры. (Рис. 1).

При формировании основы облака заложить следующие функциональные области:

1. Область, обеспечивающая вычислительные мощности поддержки принятия решений и обработки заявок.

2. Область хранения базы данных системы

3. Область обеспечивающая отражение защищённого вебинтерфейса пользователя.

В своей совокупности предполагается функционирование областей облака с целью обеспечения работы 5 основных оперативных разделов системы с учётом возможности запроса или освобождения мощностей каждой из подсистем - в зависимости от текущей нагрузки.

Оперативная структура представляется в совокупности 4 взаимодействующих разделов:

1. Раздел электронной регистратуры. Данный раздел позволит автоматизировать процесс записи пациентов на приём в медицинских учреждениях в целях уменьшения очередей в регистратурах лечебных учреждений. Будет способствовать более быстрой и продуктивной маршрутизации медицинской информации на этапах оказания медицинской помощи.

Предлагаемые функциональные возможности:

- позволяет осуществлять просмотр расписания врачей медицинского учреждения. Выбор врача может осуществляться как по специальности так и пофамильно.

- позволяет посмотреть место и время приёма интересующего врача

- просмотреть количество доступных талонов на приём к врачу на заданный период времени

- самостоятельно в режиме он-лайн записаться на приём к врачу из дома.

* ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92