УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОУПРАВЛЯЕМОГО ТРЕНИНГА

Устройство для биоуправляемого тренинга
Устройство относится к области медицинской техники и предназначено для построения скаттерграммы межпульсового интервала и дыхательного столбика в качестве объектов биологической обратной связи. Устройство может использоваться в реабилитационной медицине для коррекции функциональных состояний человека путем изменения формы, предъявляемой на дисплее скаттерграммы межпульсового интервала и периода дыхательного цикла, предъявляемого одновременно на дисплее персонального компьютера.
Известно техническое устройство для построения скаттерграммы (корреляционной ритмограммы, или авторегрессионного облака), которое включает электрокардиограф, электронно-лучевой кардиоскоп, фотоаппарат для фиксирования скаттерграммы [1, 2, 3].
К недостаткам устройства следует отнести длительность процесса регистрации и обработки электрофизиологической информации для получения пригодной для диагностического заключения скаттерграммы, что является причиной того, что в настоящее время это устройство медицинской промышленностью не выпускается.
Известно техническое устройство для построения и расшифровки скаттерграммы, включающее электрокардиограф, программное средство и ЭВМ |4|. К недостаткам данного устройства относится то, что для регистрации пульса используется также электрокардиограф, который но условиям электробезопасности требует специального контура заземления, а ЭВМ относится к специализированным комплексам, настроенным только для решения диагностических задач классификации скаттерграмм.
Для обоих устройств присущ общий недостаток в виде невозможности их использования для целей тренинга в реабилитационной медицине, поскольку построенные скаттерграммы не используют в качестве предъявляемого объекта биологической обратной связи.
Известно техническое устройство в виде компьютерного игрового тренажера, разработанное в Новосибирском НИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ И БИОФИЗИКИ СО РАМН и реализующее биоуправляемое построение пирамиды из кубиков, соревнование аквалангистов, греблю на байдарках и автомобильные гонки [5, 6].
К общим недостаткам технической реализации рассматриваемых способов тренинга следует отнести то, что все они основаны на агрегации автономного датчика пульса и микроконтроллера с персональным компьютером, что приводит к реализации управления лишь одним параметром - частотой сердечных сокращений, что относится к некорректным способам биоуправления, поскольку не согласуется с фундаментальными принципами хронобиологии и хрономедицины [7,8,9].
Известно техническое решение с вводом и обработкой электрофизиологической информации в виде сигналов пульса и дыхания по патенту №2363506, зарегистрированному в госреестре 10.08.2009 |10, 11|.
К недостаткам устройства относится то, что суммарные значения пульса и дыхания используются для модуляции высокочастотных ЭЭГ - подобных сигналов в автономном портативном приборе физиотерапевтического предназначения.
Наиболее близким техническим решением заявляемой полезной модели по целевой функции является устройство в виде биоуправляемого игрового тренажера по патенту №2349256 и зарегистрированному в государственном реестре Российской Федерации 20 марта 2009 г. Устройство содержит датчики пульса и дыхания, средство отображения в виде дисплея, который позволяет реализовать ситуацию автомобильных гонок [12].
К недостаткам устройства следует отнести его сложность, так как оно включает цифровой микроконтроллер, управляющий микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь и микрокод с программным управлением сюжетами. Подобная конфигурация устройства относится к автономным биоуправляемым портативным гаджетам, которые не требуют персонального компьютера. В то время, как известно, что использование персонального компьютера позволяет существенно расширить сервисные функции системы.
Задача, на решение которой направлена полезная модель - создание технического устройства для проведения сеанса биоуправляемого тренинга на основе использования в качестве биологической обратной связи скаттерграммы межпульсового интервала и дыхательного столбика.
Задача решается за счет того, что в конфигурацию устройства, имеющего датчики пульса и дыхания, средство отображения, дополнительно включены следующие новые признаки:
- звуковая карта персонального компьютера, которая обеспечивает обработку аналоговых сигналов пульса и дыхания, перевод их в цифровую форму и передачу суммарного сигнала в область памяти персонального компьютера.
- программный модуль для считывания и декодирования данных из области памяти информации о частоте пульса и периоде дыхания;
- программный модуль построения скаттерграммы;
- программный модуль построения дыхательного столбика.
Новой является также структура устройства для построения скаттерграммы межпульсового интервала и дыхательного столбика в качестве объектов биологической обратной связи. Датчик пульса и датчик дыхания включены на вход сумматора, выход которого соединен со схемой сопряжения. Выход схемы сопряжения связан с микшерным входом звуковой карты области памяти персонального компьютера, а выход последней включен на интерфейс передачи цифровых данных и соединен последовательно с входом области памяти персонального компьютера для хранения оцифрованного значения амплитуды суммарного сигнала, поступившего с датчиков, и входом  дом модуля для считывания и декодирования данных из области памяти, первый выход которого включен на вход программного модуля для обработки данных о частоте пульса и расчета параметров скаттерграммы, а второй выход модуля включен на вход программного модуля для обработки данных о состоянии дыхательной системы, выход каждого программного модуля последовательно соединен с модулем Direct Draw, затем с видеокартой, которая выводит сформированную скаттерграмму на средство отображения - монитор персонального компьютера.
Полезную модель характеризуют следующие графические материалы:
Фигура 1. - Структура устройства для построения скаттерграммы межпульсового интервала и дыхательного столбика в качестве объектов биологической обратной связи;
Фигура 2. - Скаттерграмма в виде вытянутого узкого овала. Неуспешный тренинг.
Фигура 3. - Скаттерграмма в виде симметричного тина (широкий овал). Успешный тренинг.
Фигура 4. - Скаттерграмма инвертированного тина (широкий овал). Успешный тренинг.
Фигура 5. - Скаттерграмма асимметричного тина. Успешный тренинг.
Фигура 6. - Скаттерграмма в форме веретена. Успешный тренинг.
Фигура 7. - Скаттерграмма в форме эллипса. Успешный тренинг.
Предлагаемое устройство для для биоуправляемого тренинга на основе использования в качестве биологической обратной связи скаттерграммы межпульсового интервала и дыхательного столбика   содержит датчик пульса 1 и датчик дыхания 2, которые включены на вход сумматора 3, соединенный последовательно со схемой сопряжения 4.
Выход схемы сопряжения 4 связан с микшерным входом звуковой карты 5 персонального компьютера, а выход последней включен на интерфейс 6 передачи цифровых данных, соединенный с входом области памяти 7 персонального компьютера для хранения оцифрованного значения амплитуды суммарного сигнала, поступившего с датчиков 1 и 2, а выход области памяти 7 включен на вход модуля 8 для считывания и декодирования данных из области памяти 7. При этом, первый выход модуля 8 подключен ко входу программного модуля 9 для обработки данных о частоте пульса и расчета параметров скаттерграммы, а второй выход модуля 8 подключен ко входу программного модуля 10 для обработки данных о состоянии дыхательной системы. Выход модуля 9 и выход модуля 10 соединены соответственно с первым и вторым входом модуля 11 Direct Draw, первый и второй выходы которого соответственно соединены с первым и вторым входом видеокарты 12, выход который соединен с входом средства отображения информации - монитором 13.
Пример работы устройства
Датчик пульса 1 с оптопарой и усилителем-интегратором надевается на любой палец руки человека. Импульсы, поступившие на вход усилителя-интегратора, формируют на его выходе напряжение, пропорциональное времени между двумя смежными ударами пульса. Датчик дыхания 2 надевают при помощи манжетки на грудную клетку у женщин или на живот у мужчин, при дыхании изменяется объем грудной клетки и в процессе изменения его периметра происходят замыкания и размыкания контактов герконового переключателя, что дает возможность формирования электрических импульсов в соответствии с дыханием человека. Аналоговые сигналы с датчика 1 и датчика 2 поступают на сумматор 3, который позволяет получить выходное напряжение системы датчиков, с помощью которого закодированы два сигнала: сигнал с датчика дыхания, передающий 0 (выдох) и 1 (вдох), а также сигнал с датчика пульса с закодированным значением межпульсового интервала.
Выходной сигнал сумматора 3 подастся на вход микшерного входа звуковой карты 5 через схему сопряжения 4. Использование схемы сопряжения 4 обусловлено необходимостью защиты линейного входа микшерного входа звуковой карты (5) от сгорания из-за превышения допустимого уровня амплитуды напряжения. Кроме того, схема сопряжения используется для представления сигнала в форме, пригодной для обработки звуковой картой, т.е. в виде волновых колебаний подобных звуку. С ее помощью происходит уменьшение максимального для входа карты предела уровня (1,25 В) и обеспечивается модуляция сигнала в виде волн с частотой 3 Гц, а также выполняется калибровка звуковой карты (установление уровня громкости на микшере линейного входа).
Суммарный аналоговый сигнал, поступивший на вход микшерного входа звуковой карты 5 преобразуется в ней в цифровой код. Оцифрованный сигнал в виде значения амплитуды напряжения, зарегистрированного на линейном входе, передается посредством интерфейса 6 передачи цифровых данных в область памяти 7 компьютера для временного хранения оцифрованного значения амплитуды поступивших сигналов.
result
result
Цифровое значение амплитуды напряжения U, поступающее в режиме реального времени в память персонального компьютера, считывается специальным программным модулем 8 для считывания и декодирования данных из области памяти 7, разработанным в среде Borland Delphi с использованием функций по работе с данными, поступившими от устройств мультимедиа. Считывание значения амплитуды U осуществляется циклично с минимально возможным периодом - 1 мс, в специально организованном потоке. В зависимости от того, в какой диапазон амплитуд попадает сигнал, поступивший на вход компьютера, переменной-флагу дыхания - присваивается одно из двух возможных значений: если амплитуда находится в диапазоне от 0,57 до 1,25 В, то флаг становится равным 0 (выдох), диапазону от 0,19 до 0,417 В соответствует 1 (вдох). Найденное значение переменной записывается в программный модуль 10 для обработки данных о состоянии дыхательной системы для хранения значения флага дыхания вместо предыдущего.
вдох
вдох
выдох
Если флаг дыхания стал равным единице, значение амплитуды умножается на 3 и округляется с точностью до четырех тысячных. Каждое новое значение амплитуды, получаемое с периодичностью 1 мс, сохраняется в массиве данных об амплитуде сигнала в программном модуле 10 для обработки данных о состоянии дыхательной системы. С помощью программного модуля 10 для обработки данных о состоянии дыхательной системы вычисляется длительность вдоха и выдоха. В момент первого появления на входе модуля значения 1 (вдох) переменной t присваивается значение 0 (начало отсчета) и при помощи постоянно работающего с периодом 100 мс таймера начинается отсчет времени: после каждого срабатывания таймера значение t увеличивается на 0,1 с до тех пор, пока на входе модуля не появится значение 0, которое станет сигналом начала отсчета для переменной t (вычисляется аналогично). Найденные значения длительности вдоха и выдоха передаются посредством модуля 11 Direct Draw видеокарте 12 компьютера в качестве параметров запроса на построение графика дыхания в виде столбика. Столбик дыхания разделен на две области, высота которых зависит от длительности вдоха и выдоха соответственно.
Программный модуль 9 для обработки данных о частоте пульса и расчета параметров скаттерграммы производит считывание с периодичностью один раз в секунду значений массива данных, собранных в течение последних двух секунд, из области памяти 7, вычисляет два значения межпульсового интервала с учетом данных за последнюю и предпоследнюю секунды и отправляет запрос через модуль 11 Direct Draw видеокарте 12 компьютера сформировать изображение скаттерграммы межпульсовых интервалов путем добавления точки, координаты которой соответствуют вычисленным значениям межпульсовых интервалов.
Сформированная картинка в режиме реального времени выводится на экран монитора 13, что позволяет реализовать сенсорную обратную связь с человеком по зрительному каналу. Все измерения и построения в программе выполняются в течение пяти минут, после чего процесс может быть запущен заново. Тренинг необходим, пока на экране изображение скаттерграммы выглядит как на фигуре 1. Результаты тренинга будут считаться успешными, если на экране монитора скаттерграмма будет выглядеть примерно так, как показано на фигурах 2-7.
Таким образом, задача полезной модели решена.
Список литературы
1. Сидоренко Г.И., Афанасьев Г.К., Никитин Я.Г. Анализ сердечного ритма и его нарушений с помощью попарного распределения интервалов RR ЭКГ//Здравоохранение Белоруссии, 1974. - №12. - с.7-11.
2. Тамаркин М.З., Барановский А.Л., Мейзеров И.В. Ритмокардиометр РКМ-01 .- В сб.: «Теория и практика автоматизации электрокардиологических исследований». - Пущино, 1976 г. - С.61-62.
3. Чирейкин И.И., Шурыгин Д.Я., Лабутин В.К. Автоматический анализ электрокардиограмм. - Л., Медицина. - 1977. - 248 с.
4. Недоступ А.В., Богданов Э.А., Михновский Е.И. Анализ структуры сердечного ритма при мерцании предсердий с помощью специализированной ЭВМ. // Кардиология. - 1975. - №1. - С.64-69.
5. Джафарова О.А. Игровое биоуправление как технология профилактики стресс-зависимых состояний. / Джафарова О.А., Донская О.Г., Зубков А.А., Штарк М.Б. // Биоуправление-4. Теория и практика. - Новосибирск, 2002. - С.86-96.
6. Штарк М.Б.. Компьютерное игровое биоуправление (семейный и сетевой вариант). / Штарк М.Б., Джафарова О.А., Зубков А.А. // Материалы 1-го Российского научного форума «МедКомТех 2003». Москва, ЦЦХ, 25-28 февраля 2003. РАМН «Мораг Экспо». М. «Авиаиздат», 2003. - С.242-245.
7. Макконен, К.Ф. Игровой модуль с реализацией стратегии, направленной на избегание неудачи. [Текст] / К.Ф.Макконен, Ф.А.Пятакович, А.С.Новоченко. // Фундаментальные исследования. №1,2007 - С.70-72.
8. Пятакович Ф.А. Оценка клинической эффективности биоуправляемого игрового тренинга при помощи таблиц принятия решений. / Ф.А.Пятакович, Т.И.Якунченко // Системный анализ и управление в биомедицинских системах: журнал практической и теоретической биологии и медицины. - М., 2010. - Т.9. - №1. - С.83-86.
9. Пятакович Ф.А. Мультипараметрическая одноканальпая система управления в игровом модуле «XONIX» с биологической обратной связью / Ф.А.Пятакович, М.А.Суруткин // Фундаментальные исследования. - 2011.-№4. - С.139-144.
10. Пятакович Ф.А. Биоциклические модели паттернов электрических сигналов подобных форме веретен электроэнцефалограммы человека для модуля электрической стимуляции мозга. / Ф.А.Пятакович, К.Ф.Макконен // Фундаментальные исследования. - 2008. - №2. - С.51-54.
11. Пятакович Ф.А., Макконен К.Ф. Патент №2363506 на «Биоуправляемое устройство для генерации сигналов, подобных ЭЭГ», дата регистрации в госреестре - 10.08.2009. Заявка №2002149373, приоритет от 26.12.07.
12. Пятакович Ф.А., Макконен К.Ф., Новоченко А.С. Патент №2349156 Биоуправляемый игровой тренажер и способ коррекции функционального состояния человека. Зарегистрированный в государственном реестре Российской Федерации 20 марта 2009 г. Заявка N2007117796, приоритет 14 мая 2007 г.