НОСИМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕСПИРАТОРНОГО МОНИТОРИНГА

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для диагностики нарушений процесса дыхания во сне, и может быть использовано для диагностики эпизодов центрального и обструктивного апноэ.
Известно устройство для выделения дыхательного сигнала (WO 2011098944 А1, МПК А61В 5/113, дата подачи 11.02.2010, дата публикации 7.02.2011), которое позволяет определять нарушения дыхания пациента по характерным участкам выделенной кривой дыхательного процесса. Устройство содержит датчик на основе акселерометра с несколькими осями чувствительности, блок предварительной обработки, блок выделения дыхательного сигнала и индикаторный дисплей.
К существенным недостаткам этого устройства можно отнести: во-первых, невысокую помехоустойчивость к движениям тела, не относящимся к дыхательному процессу, во-вторых, трудность уверенной диагностики эпизодов обструктивного апноэ.
Известна система для измерения дыхательных и подвижных перемещений человеческого тела с использованием акселерометров, по совокупности существенных признаков являющаяся наиболее близкой к заявляемой полезной модели, и принятая за прототип (WO 2012018472 А2, МПК А61В 5/103, дата подачи 02.08.2010, дата публикации 5.07.2011). Система обладает возможностями выделения дыхательной кривой из данных, поступающий с акселерометра с несколькими осями чувствительности; фильтрации помех, вызванных внешними воздействиями. Система состоит из двух блоков: первый блок - индивидуальный прибор для мониторинга с встроенным радиопередатчиком, второй блок - сервер для сбора и анализа информации. Индивидуальный прибор для мониторинга состоит из акселерометра с несколькими осями чувствительности, процессора, памяти для сохранения данных при отсутствии контакта с сервером, радиопередатчика и элемента питания. Сервер состоит из процессора, памяти, радиопередатчика, источника питания и устройства ввода-вывода информации.
К существенным недостаткам этого устройства, так же как и в случае с первым приведенным аналогом можно отнести: неустойчивость к движениям тела, трудность детектирования обструктивного апноэ.
К причинам, препятствующим устранению описанных недостатков, относится отсутствие возможности измерения ускорения дыхательных движений относительно некоторой точки на теле пациента; невозможность фазового сопоставления дыхательных сигналов выделенных из акселерометрических данных с двух зон - грудной клетки и живота.
Задача, на которую направлено данная полезная модель, - обеспечение: возможности вычисления ускорения дыхательных движений относительно некоторой точки тела пациента; возможности фазового сопоставления дыхательных сигналов, выделенных для зон грудной клетки и живота.
Сущность заключается в том, что носимое устройство для респираторного мониторинга состоит из блока регистрации дыхания и блока мониторинга, соединенные через радиоинтерфейс, при этом блок регистрации дыхания содержит элемент питания, подключенный к датчику-инклинометру на основе акселерометра, микроконтроллеру и радиопередатчику, датчик-инклинометр и радиопередатчик соединены с микроконтроллером через периферийный интерфейс, при этом в блок регистрации дыхания введен дополнительный датчик-инклинометр на основе акселерометра, соединенный через периферийный интерфейс с микроконтроллером, а блок мониторинга содержит радиоприемник и персональный компьютер.
Указанная задача решается за счет введения второго датчика-инклинометра на основе трехосного акселерометра. Из показаний одного датчика вычитаются показания другого для получения относительного ускорения, вызванного дыхательным процессом. При движении всего тела (что при регистрации дыхательных движений классифицируется как помеха) оба датчика получат абсолютное ускорение помехи. Само же дыхательное движение будет выражаться в перемещении датчиков относительно друг друга. Следовательно, для выделения дыхательной кривой необходимо вычислить относительное ускорение одного из акселерометров.
Кроме того, при расположении вышеописанной системы из двух датчиков на груди и животе соответственно возможно проводить фазовый анализ выделенных дыхательных кривых для каждой из этих зон. Эта методика позволяет определять состояния обструктивного апноэ с очень высокой вероятностью.
Сущность полезной модели объясняют фигуры 1-3, где на Фиг.1 изображена структурная схема полезной модели для диагностики нарушения процесса дыхания во сне, на Фиг.2 и Фиг.3 - примеры дыхательных кривых для нормально дыхания и эпизода обструктивного апноэ.
Носимое устройство для респираторного мониторинга состоит из двух блоков - блока регистрации дыхания 1 и блока мониторинга 2. Блок регистрации дыхания 1 включающий два датчика-инклинометра 3 и 4 на основе трехосевых акселерометров, соединенные с микроконтроллером 5 через периферийный интерфейс, радиопередатчик 7, подключенный к микроконтроллеру 5 через периферийный интерфейс, и элемент питания 6, подключенный к двум датчикам 3 и 4, микроконтроллеру 5 и радиопередатчику 7, блок мониторинга (сервер), включающий в себя радиоприемник 8 и персональный компьютер 9, соединенные через интерфейс USB.
Полезная модель носимого устройства респираторного мониторинга для диагностики нарушения процесса дыхания во сне работает следующим образом. Датчик-инклинометр 3 закреплен на теле пациента при помощи эластичных ремней-креплений на грудной клетке в области середины грудины. Датчик-инклинометр 4 закреплен в области солнечного сплетения при помощи подобного крепления. Рядом с датчиком 3 расположен микроконтроллер 5 с пониженным энергопотреблением. Датчики 3 и 4 связаны с микроконтроллером 5 с помощью периферийного интерфейса. Рядом с датчиком 3 и микроконтроллером 5 расположен радиопередатчик 7, связанный с микроконтроллером 5 по одному из периферийных интерфейсов. Микроконтроллер 5 производит опрос датчиков с фиксированной частотой (порядка 100 Гц). Показания каждого датчика 3 и 4 используются для вычисления угла наклона акселерометра. Предварительно показания датчиков фильтруются. Зависимость изменения угла наклона от времени преобразуется в дыхательную кривую для каждого датчика. При превышении максимальной скорости изменения угла наклона для любого датчика микроконтроллер 5 входит в состояние "помеха", в котором сигналы об ускорении по осям с датчика на груди 3 корректируется вычитанием сигналов об ускорении по осям для датчика на животе 4 для получения относительного ускорения. Скорректированный сигнал фильтруется и используется для построения дыхательной кривой. При отсутствии внешних помех микроконтроллер 5 производит мониторинг состояния обструктивного апноэ посредством анализа фазовых соотношений выделенных дыхательных кривых с датчиков 3 и 4. При нормальном дыхании сигналы с датчиков синфазны и имеют некую среднюю для нормального дыхания амплитуду. При начале эпизода обструктивного апноэ между сигналами начинается фазовый дрейф, который доходит до предельной величины в 3.14 радиан при установившемся состоянии обструктивного апноэ. Дыхательные кривые, выделенные для каждого датчика 3 и 4 поступают через радиопередатчик 7 и радиоприемник 8 на персональный компьютер 9, где могут записываться или передаваться через Интернет на централизованный пункт наблюдения. Вместе с кривыми на ПК поступают основные сигналы мониторинга - дыхание нормальное, эпизод центрального апноэ, эпизод обструктивного апноэ. На фигуре 2 приведен пример сигнала с двух датчиков при нормальном дыхании. Обе кривые синфазны (с периодическими незначительными отклонениями). Некоторые синфазные точки кривых соединены вертикальными линиями для большей наглядности. На фигуре 3 приведен эпизод начинающегося обструктивного апноэ (ближе к правому краю фигуры). При этом фазовая разница между сигналами с датчиков становится равной П радиан (сигналы в противофазе). Вертикальными линиями выделены точки кривых во время начала эпизода апноэ.
Пример конкретного исполнения.
Датчики 3 и 4 реализованы на трехосных акселерометрах MMA8451Q с пониженным энергопотреблением от компании FREESCALE. Разрешающая способность до 0.25 mg. Микроконтроллер 5 с пониженным энергопотреблением - STM32L151RB. Радиопередатчик и радиоприемник 7 и 8 - Bluetooth-модуль с пониженным энергопотреблением QLP425. Радиопередатчик 7 и микроконтроллер 5 связаны по периферийному интерфейсу SPI. Персональный компьютер собран на процессоре AMD Phenom II Х4 3 GHz с 3 Gb ОЗУ. Датчик 3 и микроконтроллер 5 соединены проводами (с введением дополнительных проводов "земли" для уменьшения наводок).
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает создание устройства для диагностики нарушений процесса дыхания во сне, а именно эпизодов центрального и обструктивного апноэ.