Устройство для контроля состояния водолаза по дыхательным шумам

Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к автоматизированным диагностическим устройствам регистрации и компьютерного анализа дыхательных сигналов, и может быть применена для мониторирования процесса дыхания при водолазных работах.
Известно, что водолазная деятельность связана с воздействием на респираторную систему комплекса неблагоприятных факторов таких, например, как повышенные уровни парциального давления кислорода, двуокиси углерода и азота, переохлаждение. Потеря контроля над дыханием может стать причиной панических состояний, потери сознания и остановки дыхания под водой, поэтому контроль дыхательной системы по таким физиологическим параметрам водолаза как дыхательный ритм и/или частота дыхания является необходимой составляющей, обеспечивающей безопасность жизнедеятельности человека при его нахождении под водой. При наличии связи персонал на слух может и, как правило, контролирует частоту дыхания водолаза по шумам дыхания [В.В. Смолин, Г.М. Соколов, Б.Н. Павлов. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. 2001, стр. 266]. Однако в автономных условиях, в которых, как правило, находятся легководолазы, субъективный контроль частоты дыхания затруднен.
Автономное устройство контроля состояния водолазов может предотвратить несчастные случаи, травмы и гибель людей, связанные с проблемами нарушения дыхания. Однако существует крайне ограниченное количество подобных систем мониторинга, тем более автономных, и в большинстве случаев они касаются мониторинга сердечной деятельности. Так в заявке Великобритании №2390903 А в системе для контроля водолаза (водолазном компьютере) используют только измерители частоты сердечных сокращений и насыщения крови кислородом.
Известны системы регистрации и компьютерного анализа дыхательных звуков, которые используются для обнаружения присутствия водолаза в акватории, включающие гидрофон для регистрации шумов вдоха пловца в подводном аппарате открытого цикла (Lennartsson R.K., Dalberg Е., Persson L. Passive acoustic detection and classification of divers in harbor environments // OCEANS, 2009, p. 1-7). Шумы вдоха устойчиво обнаруживаются за 25 м до приближения к гидрофону и после 5 м удаления от гидрофона. Записанный с гидрофона сигнал фильтруют в полосе от 30 до 35 кГц для улучшения отношения сигнал/шум, после преобразования Гильберта и взятия абсолютного значения получают огибающую сигнала, строят спектр огибающей с помощью преобразования Фурье, определяют энергию спектра в полосе частот дыхания водолаза от 0,3 до 0,7 Гц с помощью интегрирования. По значению энергии спектра огибающей в полосе принимается гипотеза о наличии водолаза около гидрофона.
Также экспериментальными исследованиями была подтверждена возможность обнаружения дыхательных шумов легководолазов и вычисления частоты дыхания в низкочастотной области спектра ниже 1 кГц гидрофонами, лежащими на дне акватории // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015, т. 8, №4. С. 67-71).
Известна телеметрическая система контроля состояния водолаза, содержащая блок регистрации физиологических сигналов, включающий датчик пульса, акустический датчик дыхания для регистрации шумов форсированного выдоха, 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 (п. РФ №95490 U1).
В качестве акустического датчика шумов дыхания в данном решении используют электретный микрофон со стетоскопической камерой или акселерометр. Блок цифрового преобразования каналов может быть оборудован системой записи и хранения информации, а блок связи и центр мониторинга соединены посредством радиосети.
Описана система, реализующая способ контроля физиологического состояния водолаза с подводным аппаратом открытого цикла (п. РФ №2625274 С1). Система включает датчик, который может быть как автономным, например диктофон, помещенный под водолазный костюм, сведения с которого затем переносятся на компьютер, либо гидрофон, сигналы с которого в реальном времени передаются на береговой компьютер, снабженный программой обработки LabChart 6 (ADInstruments, Австралия), в которой производят раздельную фильтрацию зарегистрированного шумового сигнала в полосе частот свыше 1 кГц для выделения шумов вдоха и в полосе частот до 500 Гц для выделения шумов выдоха. Для каждого из фильтрованных сигналов производят построение огибающей, для чего каждый сигнал детектируют, затем сглаживают с использованием любого из известных приемов, сравнивают уровень огибающей с фоном, и определяют длительность соответствующей фазы дыхания по интервалу между начальным и конечным моментом времени превышения уровня огибающей над фоном. Ритм дыхания определяют по интервалам между окончаниями вдохов или выдохов.
Однако известные устройства обеспечивают контроль за состоянием водолазов только с аппаратами открытого типа.
Наиболее близкой к заявляемому является устройство контроля дыхания водолаза, состоящее из двух датчиков давления, встроенных в регулятор автономного водолазного дыхательного аппарата открытого типа, и соединенных с вычислителем сигналов вдоха водолаза, снабженным программой со специальным алгоритмом, предназначенным для выделения вдохов водолаза посредством анализа изменения промежуточного давления регулятора акваланга, поступающих сигналов промежуточного давления в вычислитель из блока памяти. Устройство также снабжено средством для подачи сигналов, срабатывающим по сигналу, поступающему с усилителя в случаях отсутствия дыхания, слишком высокой или слишком низкой частоты дыхания (С.Altepe, S.M. Egi, Т. Ozyigit [et al.] «Design and validation of a breathing detection system for scuba divers» // Sensors. - 2017. - Vol. 17, №6. - P. 1349).
Однако, также как и у известных аналогов, данное устройство пригодно только для водолазов с аппаратом открытого типа, кроме того, внедрение его в аттестованную газовую систему дыхания дыхательного снаряжения водолаза может быть осуществлено только с разрешения фирмы-производителя водолазного снаряжения.
Проблема, требующая решения - расширение ассортимента устройств, используемых для контроля дыхания водолаза в интересах обеспечения безопасности водолазных погружений и работ.
Технический результат - расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства контроля дыхания водолаза за счет реализации конструкции устройства, позволяющей использовать заявляемое устройство как в дыхательных аппаратах замкнутого, так и открытого типов.
Поставленная проблема решается устройством для контроля состояния водолаза, включающим датчик, соединенный с вычислителем частоты дыхания (ЧД), блок памяти, формирователь и излучатель сигнала тревоги, при этом устройство дополнительно снабжено компаратором, один из входов которого соединен с вычислителем частоты дыхания, а в качестве датчика установлен гидрофон, снабженный усилителем и фильтром, выполненными с возможностью регулировки полосы частот пропускания и коэффициента усиления в зависимости от типа дыхательного аппарата, вычислитель частоты дыхания снабжен программой вычисления частоты дыхания по огибающей шумов дыхания, а блок памяти снабжен индивидуальными данными о минимальных и максимальных значениях частот дыхания водолаза по прежним миссиям в водолазном снаряжении одного и того же типа, и соединен со вторым входом компаратора, а выход компаратора последовательно соединен с формирователем и с излучателем сигнала тревоги.
На фиг. представлена схема заявляемого устройства, где а - датчик, 1 - гидрофон, 2 - усилитель, 3 - фильтр; 4 - вычислитель частоты дыхания, 5 - компаратор, 6 - блок памяти, 7 - формирователь сигнала тревоги, 8 - излучатель.
Устройство выполнено в едином герметичном корпусе и работает следующим образом.
Устройство устанавливают у шлема или под мокрым водолазным комбинезоном. Предварительно в зависимости от типа дыхательного аппарата устанавливают режим работы датчика, регулируя режимы фильтра и усилителя датчика: для дыхательных аппаратов замкнутого типа (ребризеров) режимы фильтра 4 составляют 200-600 Гц (Костив А.Е., Коренбаум В.И. Акустические эффекты легководолазного дыхательного снаряжения различных типов // Труды XIV Всероссийской конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. 23-25 мая 2018 г. Санкт-Петербург, С-Петербургский центр РАН. 2018. С. 631-632.), а для дыхательных аппаратов открытого типа (аквалангов) 50-1000 Гц (Vladimir I. Korenbaum, Sergey V. Gorovoy, Anatoly E. Kostiv, Anton D. Shiryaev, Aleksey E. Borodin. An attempt at hydroacoustic localization of an open-circuit scuba diver using low-frequency respiratory-associated noise emitted into water // J. Acoust. Soc. Am. 2019. 146, 4507-4513 https://doi.Org/10.1121/l.5133738). Коэффициенты усиления усилителя 2 при работе с ребризером примерно в 10 раз выше, чем при работе с аквалангом, поскольку шумы ребризеров существенно ниже, чем шумы аквалангов. Принятые гидрофоном 1 шумы дыхания водолаза после усилителя 2 и фильтра 3 поступают в вычислитель 4, где производят детектирование дыхательных шумов и по огибающей выделяют максимумы энергии шумов. По временному интервалу между максимумами энергии шумов вычисляют периоды между циклами дыхания. Величины периодов осредняют за некоторый интервал времени, как правило, от 30 до 60 сек. Частота дыхания рассчитывается как количество дыхательных движений (средних периодов) в 1 минуту или 1 деленная на средний период в Герцах, например, как предложено в п. РФ №2625274 С1.
Рассчитанная в блоке 4 частота дыхания записывается и может подаваться для сведения водолаза на водолазный компьютер (на фиг. не приведен), одновременно, рассчитанная в вычислителе 4 частота, подается на первый вход компаратора 5. На второй вход компаратора 5 с блока памяти 6 подается информация о минимальных и максимальных частотах дыхания этого водолаза по прежним миссиям в том же водолазном снаряжении. Компаратор 5 срабатывает и запускает подключенный к его выходу формирователь сигнала тревоги 7, если величина частоты дыхания на входе компаратора 5 от вычислителя не менее, например, чем в 3 раза меньше минимального значения частоты дыхания этого водолаза по прежним миссиям в аналогичном водолазном снаряжении или не менее чем в 1,5 раза больше максимального значения частоты дыхания этого водолаза по прежним миссиям в аналогичном водолазном снаряжении, полученная от запоминающего устройства 6. Пороговые значения могут быть вычислены дополнительно известными способами по индивидуальным показателям вариабельности частоты дыхания водолаза, как индивидуальным, так и групповым. Например, на выборке из 22 легководолазов, совершавших погружения в дыхательных аппаратах замкнутого и открытого типов (глубины до 10 м), при осреднении по 52 фрагментам записей оценены средние значения частоты дыхания, которые составили 12-14 дыхательных движений в минуту, и гипотетические групповые верхний (21-22,8 дыхательных движений в минуту) и нижний (2,7-3,8 дыхательных движений в минуту) пределы в виде среднее ±1,65* стандартного отклонения, обеспечивающие пороги принятия диагностического решения об одностороннем выходе за пределы физиологической нормы со статистической значимостью р<0,05. При этом наиболее важна гипотетическая групповая оценка нижнего порога, падение частоты дыхания легководолаза, ниже которого может рассматриваться как диагностический признак патологического урежения дыхания, чреватый его остановкой.
Сформированный сигнал тревоги с формирователя сигнала 7 может быть подан на водолазный компьютер для сведения водолаза и запоминания (в случае необходимости последующих расследований инцидентов) или излучается излучателем 8 по радио каналу через страховочный буй водолаза или по гидроакустическому каналу связи на пульт управления водолазными спусками. По полученному сигналу тревоги разворачиваются спасательные мероприятия по эвакуации водолаза из-под воды на поверхность.
В качестве примера осуществления.
Гидрофон 1 выполнен в виде стандартной сборки цилиндрических пьезопреобразователей диаметром 18 мм, герметизированных единой резиновой оболочкой (Богородский В.В., Зубарев Л.А., Корепин Е.А., Якушев В.И. Подводные электроакустические преобразователи. Санкт-Петербург: Судостроение 1983. С. 91). К гидрофону 1 подключены регулируемые усилитель 2 и фильтр 3, выполненные на операционных усилителях по стандартным схемам. Причем в зависимости от типа дыхательного аппарата, как указано выше, режимы фильтра 4 составляют - 200-600 Гц для дыхательных аппаратов замкнутого типа (ребризеров), 50-1000 Гц для дыхательных аппаратов открытого типа (аквалангов). Коэффициенты усиления усилителя 2 при работе с ребризером примерно в 10 раз выше, чем при работе с аквалангом, поскольку шумы ребризеров существенно ниже, чем шумы аквалангов.
Блоки 4-7 реализованы программно.
Сигнал с датчика подается на АЦП вычислителя частоты дыхания, например, Powerlab (ADInstruments) и обрабатывается штатной программой LabChart 6 (модуль Cyclic Measurements), в которой производится детектирование дыхательных шумов, по огибающей выделяются максимумы энергии шумов, соответствующие дыхательным движениям. Частота дыхания (ЧД) рассчитывается как количество периодов дыхательных движений в 1 минуту (с задаваемым оператором осреднением по времени).
Компаратор 5 реализован в программе Excel (Microsoft). В первую колонку электронной таблицы вносится рассчитанная ЧД. Во вторую колонку помещаются ранее сохраненные и находящиеся в запоминающем устройстве 6 данные о ЧД этого водолаза в аналогичном снаряжении по прежним миссиям. Производят построчное сравнение колонок. Если в части строк выполняется условие, что величина рассчитанного ЧД не менее чем в 3 раза меньше минимального значения ЧД этого водолаза по прежним миссиям в аналогичном водолазном снаряжении или не менее чем в 1,5 раза больше максимального значения ЧД этого водолаза по прежним миссиям в аналогичном водолазном снаряжении, активируется программа формирования сигнала тревоги 7 (например, повторяющегося тонального радиоимпульса частотой 1000 Гц), реализуемая программой LabChart. Сигнал через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) поступает через стандартный усилитель на вход излучателя 8 сигнала тревоги. Излучатель 8 для гидроакустического тракта может быть выполнен в виде герметичного цилиндрического пьезопреобразователя диаметром 33 мм, установленного на плече или у основания шеи водолаза, снаружи водолазного костюма. Дальность действия такого сигнала тревоги будет составлять первые сотни метров. Альтернативный вариант - излучение сигнала тревоги по радиоканалу, устанавливаемому на страховочном буйке водолаза. В этом случае сигнал с формирователя 7 подается по кабельной линии на страховочный буек, где устанавливается излучатель 8. В зависимости от стандарта используемого радиоканала дальность передачи сигнала тревоги в этом случае может составить от 100 до 1000 м.
Блоки 4-7 могут быть выполнены на базе микроконтроллере.
Таким образом, предложенное решение позволяет расширить функциональные возможности автономного контроля состояния водолаза, путем оперативной оценки наличия дыхательной патологии в процессе водолазного погружения и/или работы, причем в дыхательных аппаратах как замкнутого, так и открытого типов за счет переключения режимов усилителей и фильтров. При этом устройство реализовано без внедрения в аттестованные газовые тракты водолазной дыхательной аппаратуры, что запрещено делать без разрешения производителя. За счет обнаружения признаков урежения дыхания (существенного снижения ЧД), предшествующих такой опасной водолазной патологии как остановка дыхания, или выявления признаков учащения дыхания, что может предшествовать физическому переутомлению и/или нарушению психоэмоционального состояния (например, паника), использование заявляемого устройства обеспечивает необходимую информацию руководителю спусков (и в копии самому водолазу) о необходимости прекращения миссии во избежание несчастных случаев.