ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗДОРОВЬЯ ПИЛОТА ВОЗДУШНОГО СУДНА
DIGITAL DEVICE FOR MONITORING THE PHYSIOLOGICAL HEALTH INDICATORS OF AN AIRCRAFT PILOT

Изобретение относится к области авиационной медицины, а именно к системе определения физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна и контроля его функционального состояния непосредственно в процессе полета, и может быть использовано для контроля операторской деятельности человека.
Известна система оценки состояния пилота в летательном средстве (US 2019080802 А1), позволяющая контролировать переносимость пилотом воздействия перегрузок во время полета за счет введения синхронного параллельного фиксирования текущих параметров неблагоприятных факторов. Система направлена на контроль и своевременный анализ многочисленных собираемых параметров с целью реализации функции определения профпригодности пилота, анализируя такие данные о пилоте, как тип мышечного волокна, количество запасенной энергии в мышцах, предыдущие травмы пилота и другие. Устройство предполагает беспроводную передачу данных, что не является рациональным, особенно в самолетах, имеющих большое количество радиоэлектронной аппаратуры, работа которой будет дополнительным источником помех, а следовательно, ошибок, вносимых в передаваемые данные.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является пульсовой оксиметр (Патент РФ №2496418), позволяющий информировать о тенденции снижения уровня насыщения крови кислородом за счет формирования двух сигналов оповещения - предварительного, когда уровень насыщения крови кислородом уменьшился до предела, при котором человек еще не потерял сознание, и основного, для информирования окружающих лиц с целью привлечения сторонней помощи. Недостатком данного устройства является отсутствие взаимосвязи текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота с текущими значениями перегрузок, давления и высоты полета, что не позволяет наиболее объективно проводить послеполетный медицинский анализ степени переносимости пилотом неблагоприятных внешних воздействий во время полета. Также недостатком устройства является низкая точность определения уровня насыщения крови кислородом, ввиду того, что данный пульсовой оксиметр, также как и рассмотренный выше, имеет в своем составе только два источника излучения, что не позволяет исследовать все фракции гемоглобина, присутствующие в составе крови. С помощью двух источников излучения можно исследовать только те фракции, которые отвечают за перенос кровью кислорода - оксигемоглобин (HbO) и дезоксигемоглобин (Hb). Неучтенными в данной ситуации остаются фракции, не участвующие в транспортировке кислорода, однако влияющие на величину насыщения крови кислородом - карбоксигемоглобин (COHb) и метгемоглобин (MetHb). Необходимо отметить, что практика клинической медицины выделяет два вида сатурации крови: функциональную и фракционную, являющимися точными параметрами, в которых учитываются все фракции гемоглобина. Таким образом, действие данного устройства направлено на определение только функциональной сатурации крови.
Задача заявленного изобретения - повышение уровня контроля переносимости пилотом воздействия неблагоприятных факторов во время полета за счет введения возможности синхронного параллельного фиксирования текущих параметров здоровья пилота - уровня сатурации крови, и факторов окружающей среды - величины атмосферного давления, величины испытываемых перегрузок, вызванных ускорениями, высоты полета, что при последующем анализе позволит ввести корректирующие действия в наземную подготовку пилота, направленную на повышение уровня устойчивости к воздействию перегрузок, а также пониженного (повышенного) атмосферного давления и высоты полета.
2
Задача решается тем, что в заявленное устройство введены дополнительно второй блок инфракрасного излучателя и блок желто-зеленого излучателя, что позволяет исследовать все фракции гемоглобина - метгемоглобин (MetHb), оксигемоглобин (HbO), дезоксигемоглобин (Hb), карбоксигемоглобин (COHb), а также позволяет определять не только функциональную сатурацию крови, но и фракционную сатурацию. Введение в устройство блока барометра, блока акселерометра, блока высотомера, блока памяти позволяют отслеживать влияние перегрузок, изменения атмосферного давления и высоты полета на физиологическое состояние здоровья пилота, что при последующем анализе позволит ввести корректирующие действия в наземную подготовку пилота, направленную на повышение уровня устойчивости к воздействию вышеперечисленных неблагоприятных факторов. Таким образом, предлагаемое устройство лишено недостатков, которыми обладают вышеуказанные аналоги.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
1
2
2
1
1
2
1
2
Устройство состоит из блока красного излучателя 1 (с длиной волны излучения 660 нм), блока инфракрасного излучателя 2 (длина волны излучения 940 нм), блока желто-зеленого излучателя 3 (длина волны излучения 565 нм), блока инфракрасного излучателя 4 (длина волны волны 880 нм), фотоприемника 5, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, блока синхронизации 7, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8, блока вычислителя 9, первого узла сравнения 10, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11, второго узла сравнения 10, блока индикации и оповещения 12, блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15, блока памяти 16. Выход блока красного излучателя 1 соединен с первым входом фотоприемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 2 соединен со вторым входом фотоприемника 5, выход блока желто-зеленого излучателя 3 соединен с третьим входом фото приемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 4 соединен с четвертым входом фотоприемника 5. Выход фотоприемника 5 соединен с первым входом АЦП 6. Выход АЦП 6 соединен с первым входом ОЗУ 8. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ОЗУ 8 соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока вычислителя 9. Выход блока вычислителя 9 соединен с первым входом блока памяти 16. Выход блока барометра 13 соединен со вторым входом блока памяти 16. Выход блока акселерометра 14 соединен с третьим входом блока памяти 16. Выход блока высотомера 15 соединен с четвертым входом блока памяти 16. Выход блока вычислителя 9 также соединен с первым входом блока индикации и оповещения 12, со вторым входом второго узла сравнения 10, с первым входом первого узла сравнения 10. Выход узла сравнения 10 соединен с третьим входом блока индикации и оповещения 12. Выход второго узла сравнения 10 соединен со вторым входом блока индикации и оповещения 12. Первый выход ПЗУ 11 соединен со вторым входом первого узла сравнения 10, а второй выход ПЗУ 11 соединен с первым входом второго узла сравнения 10. Первый выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока красного излучателя 1, второй выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока инфракрасного излучателя 2, третий выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока желто-зеленого излучателя 3, четвертый выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока инфракрасного излучателя 4, пятый выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом АЦП 6, шестой выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом ОЗУ 8, седьмой выход блока синхронизации 7 соединен с шестым входом блока вычислителя 9, восьмой выход блока синхронизации 7 соединен со входами блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15 и пятым входом блока памяти 16.
Предлагаемое цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна работает следующим образом.
Блок синхронизации 7 содержит генератор тактовых импульсов, который формирует восемь импульсных последовательностей, запускающих отдельные узлы. Импульс включения блока красного излучателя 1 поступает с первого выхода блока синхронизации 7. Блок инфракрасного излучателя 2 запускается импульсом со второго выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока красного излучателя 1. Блок желто-зеленого излучателя 3 запускается импульсом с третьего выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока инфракрасного излучателя 2. Блок инфракрасного излучателя 4 запускается импульсом с четвертого выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока желто-зеленого излучателя 3.
Световой поток от блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желто-зеленого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4, проходя через исследуемый биологический объект (мочку уха) пилота (фиг. 1) изменяет свою интенсивность, что вызывает изменение уровня сигнала на выходе фотоприемника 5. Сигнал с выхода фотоприемника 5 пропорционален величине поглощения света тканями и кровью, и включает в себя две составляющие: пульсирующую компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную «базовую» составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка.
2
Клинические исследования оптических свойств крови с целью определения степени ее оксигенации (насыщения кислородом) показали, что каждая форма гемоглобина имеет свой собственный спектр поглощения. На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента молярной экстинкции от длины волны излучения для различных форм гемоглобина, где 1 - метгемоглобин (MetHb), 2 - оксигемоглобин (HbO), 3 - дезоксигемоглобин (Hb), 4 - карбоксигемоглобин (COHb).
2
2
Анализ зависимостей (фиг. 2) показывает, что оксигемоглобин (HbO) имеет минимум поглощения в красной части спектра (слева), где поглощение дезоксигемоглобина (Hb) выше. В инфракрасной части спектра (справа) поглощение оксигемоглобина (HbO) становится несколько выше поглощения дезоксигемоглобина (Hb). Карбоксигемоглобин (COHb) имеет резко падающую зависимость поглощения, и в инфракрасной области его поглощение незначительно. Метгемоглобин (MetHb) имеет более сложную зависимость поглощения от длины волны излучения, однако можно выделить характерные участки спектра, где оптические свойства метгемоглобина (MetHb) существенно отличаются от свойств других форм гемоглобина.
Для измерения концентрации всех четырех форм гемоглобина необходимо проводить измерения поглощения света, по крайней мере, на четырех длинах волн.
Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода необходимо выбирать длины волн источников излучения в тех участках спектра, в которых разность между коэффициентами поглощения максимальна и различна по знаку для оксигемоглобина и дезоксигемоглобина, а также для карбоксигемоглобина и метгемоглобина (Крепе Е.М. Оксигемометрия. - М.: «Медицина», 1959. - 212 с.).
При длине волны излучения 660 нм дезоксигемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин. На длине волны 940 нм поглощение оксигемоглобином достигает максимального значения по сравнению с поглощением дезоксигемоглобином. Максимальное поглощение карбоксигемоглобином по сравнению с поглощением метгемоглобином наблюдается на длине волны 565 нм. Как видно из фиг. 2, поглощение метгемоглобином практически на всем участке спектра длин волн больше, чем карбоксигемоглобином и достигает своего максимума на длине волны 950 нм. Однако ближняя к указанной длина волны 940 нм уже используется. Поэтому необходимо выбрать другую длину волны, чтобы обеспечить отсутствие спектрального перекрытия между источниками излучения. Разнос по длине волны должен составлять от 50 до 80 нм (удвоенное значение стандартной ширины спектра излучения светодиодов (25-40 нм)). На длине волны 880 нм наблюдается существенное превалирование в поглощении между метгемоглобином и карбоксигемоглобином, близкое к длине волны 950 нм, а также обеспечивается условие спектрального разноса.
2
2
Разновременное кратковременное включение блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желто-зеленого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4 обеспечивает раздельное измерение величины поглощения излучения всеми четырьмя формами гемоглобина (дезоксигемоглобин (Hb), оксигемоглобин (HbO), карбоксигемоглобин (COHb), метгемоглобина (MetHb)) на различных длинах волн, которые соответствуют максимальным значениям поглощения для указанных веществ, определенных в клинико-лабораторных условиях, а именно дезоксигемоглобин (Hb) - 660 нм, оксигемоглобин (HbO) - 940 нм, карбоксигемоглобин (COHb) - 580 нм, метгемоглобин (metHb) - 880 нм (фиг. 2).
Сигналы с выхода фотоприемника 5, полученные при работе блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желтого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4, поступают на аналого-цифровой преобразователь 6, откуда полученные цифровые отсчеты записываются в соответствующие области памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8. Помимо этого, в память ОЗУ 8 записывается цифровой отсчет сигнала фоновой засветки при выключенных блоках излучателей 1, 2, 3 и 4. Указанная мера позволяет компенсировать влияния внешней засветки фотоприемника 5 посредством вычитания в блоке вычислителя 9 отсчетов фоновой засветки из отсчетов, зафиксированных при работе блоков излучателей 1, 2, 3 и 4.
Импульсы запуска АЦП 6 с пятого выхода блока синхронизации 7 поступают с частотой 1000 Гц, необходимой для получения заданной точности определения параметров пульсовой волны. После проведения ряда измерений сигналов с фотоприемника 5 и записи их в соответствующие области ОЗУ 8 с седьмого выхода блока синхронизации 7 на шестой вход блока вычислителя 9 подается сигнал готовности.
2
В блоке вычислителя 8 производится определение постоянных и переменных составляющих сигналов с фотоприемника 5, зафиксированных при работе блоков излучателей 1, 2, 3, 4. Проведение подобных измерений необходимо для увеличения точности определения сатурации SpO путем нормирования сигналов поглощения света. Необходимо отметить, что нормированная величина поглощения не зависит от интенсивности излучения излучателей, а определяется только оптическими свойствами живой ткани.
Значение уровня фракционной сатурации крови Sp02 определяется в соответствии с формулой (1):
где , , ,  - концентрации указанных выше фракций гемоглобина.
Данные концентрации определяются из системы уравнений Фирордта, которая для случая использования количества аналитических длин волн равного количеству исследуемых компонентов запишется в виде системы линейных уравнений, имеющей следующий вид:
где  - нормированные значения концентрации фракций гемоглобина для каждой из длин волн, рассчитанные по формуле (1);
- значения коэффициентов молярной экстинкции для каждой из исследуемых форм гемоглобина в зависимости от длины волны излучения (фиг. 2), заложенные в память блока вычислителя 9.
Данная система линейных уравнений (2) имеет однозначные решения по методу Крамера, в соответствии с которым искомые концентрации определятся в следующем виде:
полученной на основе исходной системы линейных уравнений и составленной из коэффициентов молярной экстинкции исследуемых компонентов.
где Δ - определитель матрицы системы, где вместо; i-го столбца стоит столбец левых частей.
Таким образом, становится возможным определить значение фракционной сатурации крови пилота в текущий момент времени i по формуле (1).
1
2
2
В узле сравнения 10 и узле сравнения 10 производится сравнение значений SpO(i), где i - номер текущего определения уровня периферической сатурации крови, со значениями Y и Z соответственно на первом и втором выходах постоянного запоминающего устройства 11. Под Y понимается порог насыщения крови кислородом, соответствующий допустимому уровню сатурации. Под Z понимается порог значения насыщения крови кислородом, соответствующий критическому уровню, то есть наступлению у пилота состояния гипоксии (кислородной недостаточности). Важно отметить, что значения Y и Z индивидуальны и зависят от особенностей организма пилота. Поэтому запись значений Y и Z в память ПЗУ 11 производится только на основании медицинских рекомендаций после проведения необходимых клинико-лабораторных испытаний.
2
1
2
2
1
2
Рассмотрим случай, когда гипоксия наступает достаточно медленно. Пока величина SpO(i) больше порогового значения Y, сигналы с выходов узлов сравнения 10 и 10 не поступают, сигнал тревоги не подается. В случае, когда величина SpO(i) становится меньше значения Y, сигнал с выхода первого узла сравнения 10 поступит на третий вход блока индикации и оповещения 12, в котором сформируются акустический и визуальный сигналы предварительного оповещения. Если за этот промежуток времени будут приняты необходимые меры и уровень кислородного насыщения будет восстановлен, то есть значение SpO(i) вновь превысит значение Y, то сигнал оповещения прекратится.
2
2
В том случае, когда принятых мер окажется недостаточно для восстановления оптимального кислородного насыщения, и величина сатурации крови SpO(i) станет меньше порога Z, то сигнал со второго узла сравнения 10 поступит на второй вход блока индикации и оповещения 12, где сформируются акустический и визуальный сигналы оповещения, отличающиеся от сигналов предварительного оповещения.
Первый сигнал оповещения является предупредительным, когда уровень периферической сатурации крови снижается до такого уровня, при котором человек не теряет сознание и может выполнять необходимые компенсаторные процедуры. Второй сигнал оповещения - основной, когда гипоксия наступила. Второй сигнал предназначен для информирования наземных служб. Рассчитанное в блоке вычислителя 9 текущее значение сатурации крови в цифровом виде передается на первый вход блока индикации и оповещения 12.
2
Синхронизацию во времени текущих параметров полета (барометрического давления, значения перегрузок ускорения, высоты полета) и текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота осуществляют блок барометра 13, блок акселерометра 14, блок высотомера 15 и блок памяти 16. Значение уровня периферической сатурации крови SpO(i) передается с выхода блока вычислителя 9 на первый вход блока памяти 16, на второй, третий и четвертый его входы подаются выходные сигналы блоков барометра 13, акселерометра 14, высотомера 15, соответственно. Блоки барометра 13, акселерометра 14, высотомера 15 и блок памяти 16 запускаются импульсами, поступающими с восьмого выхода блока синхронизации 7 на вход барометра 13, вход акселерометра 14, вход высотомера 15, пятый вход блока памяти 16. Выходная информация снимается с выхода блока памяти 16. Таким образом, в блоке памяти 16 синхронно во времени формируется массив текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота, текущих значений барометрического давления в кабине пилота, текущего значения перегрузок, испытываемых пилотом, а также высоты полета.
Использование изобретения в авиационной технике позволит расширить и существенно повысить безопасность полетов во время их выполнения за счет информирования пилота о критическом состоянии организма, а также позволит проводить послеполетный анализ уровня переносимости пилотом стрессовых ситуаций (воздействие неблагоприятных факторов) и обеспечить рекомендации для наземной подготовки пилотов по улучшению физической и психической устойчивости к перегрузкам и стрессовым ситуациям, вызванных пониженным или повышенным атмосферным давлением и высотой полета.