СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ

Группа полезных моделей относится к медицинской технике и может быть использована для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы.
Известен электрокардиограф [1]. Этот электрокардиограф содержит электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей пациента, многоканальный усилитель биопотенциалов, блок фильтров нижних частот, последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, устройство обработки и регистрации.
Электрокардиограф [1] обеспечивает съем потенциалов электрокардиограмм (ЭКГ), которые используются для формирования двенадцати общепринятых отведении ЭКГ. Известный электрокардиограф [1] не позволяет производить измерения биопотенциалов в течение длительного времени.
3
Известно устройство для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы "Кардиометр" [2], являющееся наиболее близким к предлагаемой системе и выбранное в качестве прототипа. Устройство для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы содержат электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей пациента, блок фильтров нижних частот, многоканальный усилитель биопотенциалов, последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и регистрации. Устройство содержит также первый и второй генераторы пачек синхронных импульсов зондирующего тока частотой (10-100)·10 Гц, период следования пачек которых по меньшей мере, в десять раз превышает длительность пачек синхронных импульсов зондирующего тока. Первый и второй электроды для подведения зондирующего тока к верхним конечностям пациента, электрически соединены с первыми выводами соответственно первого и второго генераторов пачек синхронных импульсов зондирующего тока, первый и второй электроды для подведения зондирующего тока к нижним конечностям пациента подключены к электрически соединенным между собой вторым выводам первого и второго генераторов пачек импульсов зондирующего тока. Кроме этого устройство содержит также первый и второй дифференциальные усилители переменного тока, первые входы которых соединены с электродами
для съема биопотенциалов с верхних конечностей пациента, а их вторые входы электрически соединены между собой и электродами для съема биопотенциалов с нижних конечностей пациента, сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциальных усилителей переменного тока, детектор, вход которого соединен с выходом сумматора, фильтр нижних частот и полосовой фильтр, входы которых электрически соединены между собой и подключены к выходу детектора, при этом входы блока фильтра нижних частот соединены с электродами для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электродами для съема биопотенциалов с верхних конечностей пациента и электрически соединенными между собой электродами для съема биопотенциалов с нижних конечностей пациента. Выходы блока фильтров нижних частот соединены с соответствующими входами многоканального усилителя биопотенциалов, входы мультиплексора соединены с выходами многоканального усилителя биопотенциалов, выходом фильтра нижних частот и выходом полосового фильтра.
Недостатком прототипа предлагаемых вариантов системы для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека является отсутствие возможности сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени.
Известно устройство для диагностики функционального состояния трехглавой мышцы голени [3], которое является прототипом устройства для измерения и регистрации параметров движения, используемого в предлагаемых вариантах системы. Устройство-прототип содержит приспособление для фиксации конечности в средне-физиологическом положении в тазобедренном и коленном суставах и опорную площадку для фиксации стопы, динамометрический датчик, датчик в виде приемника-акселерометра и поворотный механизм. Устройство позволяет придавать конечности различные углы в голеностопном суставе при фиксированном средне-физиологическом положении в тазобедренном и коленном суставах и проводить исследования во время регистрируемой статической нагрузки на сгибатели стопы и вибрационного воздействия и снятия информации о резонансном состоянии непосредственно с изучаемого участка сегмента конечности. Недостатком известного устройства является невозможность определения параметров физической активности человека в целом.
Задачей, решаемой полезной моделью, представляющей собой варианты системы, является обеспечение возможности сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени.
Сущность полезной модели по первому варианту системы заключается в том, что система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы содержит устройство анализа данных, устройство измерения и регистрации параметров движения, устройство измерения и регистрации биопотенциалов, при этом устройство измерения и регистрации параметров движения имеет вход-выход внешнего интерфейса для подключения к устройству анализа данных при помощи первого канала передачи данных, устройство измерения и регистрации биопотенциалов имеет вход-выход внешнего интерфейса для подключения к устройству анализа данных при помощи второго канала передачи данных.
При этом система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по первому варианту может дополнительно содержать:
пульсовой оксиметр, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
измеритель артериального давления, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
по меньшей мере, один датчик температуры, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
датчик дыхания, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
измеритель сопротивления тела, подключенный своим выходом к устройству анализа данных.
Сущность полезной модели по второму варианту системы заключается в том, что система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы содержит устройство анализа данных, устройство измерения и регистрации параметров движения, устройство измерения и регистрации биопотенциалов, при этом устройство измерения и регистрации параметров движения имеет вход-выход внешнего интерфейса для подключения к устройству анализа данных при помощи первого канала передачи данных, устройство измерения и регистрации биопотенциалов подключено к входу дополнительных данных устройства измерения и регистрации параметров движения.
При этом система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по второму варианту может дополнительно содержать:
пульсовой оксиметр, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
измеритель артериального давления, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
по меньшей мере, один датчик температуры, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
датчик дыхания, подключенный своим выходом к устройству анализа данных;
измеритель сопротивления тела, подключенный своим выходом к устройству анализа данных.
Задачей, решаемой полезной моделью, представляющей собой предлагаемое устройство, является обеспечение возможности определения параметров движения человека для оценки уровня его физической активности.
Сущность полезной модели, представляющей собой устройство для измерения и регистрации параметров движения, заключается в том, что устройство содержит первый акселерометр, второй акселерометр, третий акселерометр, первый измерительный усилитель, второй измерительный усилитель, третий измерительный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, долговременное запоминающее устройство, адаптер внешнего интерфейса, таймер.
При этом первый, второй и третий акселерометры соответственно через первый, второй и третий измерительные усилители подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, который подключен к микроконтроллеру, к микроконтроллеру также подключены долговременное запоминающее устройство, адаптер внешнего интерфейса и таймер, вход-выход адаптера внешнего интерфейса является входом-выходом внешнего интерфейса устройства измерения и регистрации параметров движения.
Микроконтроллер может иметь дополнительный вход, который образует вход дополнительных данных устройства измерения и регистрации параметров движения.
Устройство измерения и регистрации параметров движения может дополнительно содержать трехосный датчик угловой скорости, который соединен через блок измерительных усилителей с многоканальным аналого-цифровым преобразователем.
Сущность предлагаемой группы полезных моделей поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - функциональная схема предлагаемой системы (первый вариант);
на фиг.2 - функциональная схема предлагаемой системы (второй вариант);
на фиг.3 - функциональная схема устройства измерения и регистрации параметров движения.
На чертежах обозначено:
1 - устройство анализа данных;
2 - устройство измерения и регистрации параметров движения;
3 - устройство измерения и регистрации биопотенциалов;
4 - первый канал передачи данных;
5 - второй канал передачи данных;
6 - первый акселерометр;
7 - второй акселерометр;
8 - третий акселерометр;
9 - первый измерительный усилитель;
10 - второй измерительный усилитель;
11 - третий измерительный усилитель;
12 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь;
13 - микроконтроллер;
14 - долговременное запоминающее устройство;
15 - адаптер внешнего интерфейса;
16 - таймер;
17 - вход-выход внешнего интерфейса;
18 - пульсовой оксиметр,
19 - измеритель артериального давления;
20 - датчик температуры;
21 - датчик дыхания;
22 - измеритель сопротивления тела;
23 - трехосный датчик угловой скорости;
24 - блок измерительных усилителей.
Устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов в системе по первому варианту содержит набор электродов, закрепляемых на теле человека, многоканальное устройство ввода аналоговых сигналов, микропроцессор (микроконтроллер), запоминающее устройство и адаптер внешнего интерфейса. Устройство ввода аналоговых сигналов содержит измерительные усилители и аналого-цифровые преобразователи. Устройство ввода аналоговых сигналов может быть выполнено аналогично устройствам ввода аналоговых сигналов, применяемых в электрокардиографах. Микропроцессор (микроконтроллер) выполнен с возможностью получения данных от аналого-цифровых преобразователей устройства ввода аналоговых сигналов и записи этих данных в запоминающее устройство, а также с возможностью управления выдачей данных из запоминающего устройства через адаптер внешнего интерфейса.
Устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов в системе по второму варианту содержит набор электродов, закрепляемых на теле человека и многоканальное
устройство ввода аналоговых сигналов. Выход многоканального устройства ввода аналоговых сигналов является выходом устройства 3. При этом микропроцессор 13 устройства 2 выполнен с возможностью приема данных через вход дополнительных данных, а запоминающее устройство 14 выполнено с возможностью хранения и данных о параметрах движения, и данных о биопотенциалах, измеренных устройством 3.
Первый, второй и третий акселерометры 6, 7 и 8 производят измерение составляющих ускорения человека по трем взаимно перпендикулярным осям. Первый, второй и третий измерительные усилители 9, 10 и 11 предназначены для усиления и нормализации сигналы акселерометров.
Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 12 может быть выполнен на основе устройств временного хранения, мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя. В этом случае сигналы с выходов усилителей поступают на входы устройств временного хранения, выходы которых мультиплексор поочередно подключает к входу аналого-цифрового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь производит преобразование поочередно для каждого канала.
Микроконтроллер 13 получает данные акселерометров в цифровом виде. Микроконтроллер 13 выполнен с возможностью предварительной обработки получаемых данных. Предварительная обработка данных акселерометров заключается в их цифровой фильтрации, которая может представлять собой вычисление средних значений для заданного количества отсчетов. Полученные в результате этой обработки данные записываются в долговременное запоминающее устройство 14. В долговременное запоминающее устройство 14 также записываются данные о текущем времени, которые поступают от таймера 16.
В качестве долговременного запоминающего устройства 14 может быть использовано устройство энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти (flash-памяти).
Одновременно устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов осуществляет запись в свое запоминающее устройство данных о биопотенциалах человека, получаемых на основании сигналов, поступающих от закрепленных на теле человека электродов.
По окончании наблюдения в устройство 1 анализа данных осуществляется передача данных об ускорениях человека из устройства 2 измерения и регистрации параметров движения по первому каналу 4 передачи данных и данных об измеренных биопотенциалах
из устройства 3 измерения и регистрации биопотенциалов по второму каналу 5 передачи данных.
Первый и второй каналы 4 и 5 передачи данных могут быть выполнены в виде, например, последовательных интерфейсов RS-232, RS-422, USB или в виде беспроводных каналов передачи данных Bluetooth, WLAN и т.д.
Устройство 1 анализа данных может быть выполненной в виде электронно-вычислительной машины, например, персонального компьютера.
В качестве трехосного датчика 23 угловой скорости может быть использован гироскоп.
Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы работает следующим образом.
При настройке системы осуществляется калибровка устройства 2 измерения и регистрации параметров движения. Для этого устройство 2 или отдельно блок акселерометров (состоящий из первого, второго и третьего акселерометров 6, 7 и 8) размещается на калибровочном столе. После этого снимаются показания акселерометров для девяти различных положений калибровочного стола. По данных этих измерений составляется система уравнений, решая которую находят 9 элементов матрицы, описывающей неортогональность установки акселерометров и трех элементов матрицы поворота калибровочного стола, а также для каждого акселерометра масштабный коэффициент и величину смещения нуля.
Перед началом диагностики сердечно-сосудистой системы человека устройство 2 измерения и регистрации параметров движения и устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов закрепляются на теле человека. Электроды устройства 3 измерения и регистрации биопотенциалов закрепляются на теле человека в местах, определяемых видом проводимого электрокардиографического исследования.
В течение заданного времени производится запись данных о биопотенциалах и данных об ускорениях человека, а также данные об угловых скоростях, получаемые от трехосного датчика 23 угловой скорости. По окончании записи, данные передаются по первому и второму каналам 4 и 5 связи в устройство 1 анализа данных.
Анализ данных о параметрах движения человека производится следующим образом.
x
y
z
По данным акселерометров с учетом данных, полученных при калибровка системы вычисляются составляющие вектора кажущегося ускорения b, b, b и модуль кажущегося ускорения . Данные акселерометров уточняются путем
их комплексирования известными методами с данными трехосного датчика 23 угловой скорости.
η
1
1
1
η
Далее вычисляется вертикальная составляющая ускорения относительно земной системы координат: а=b-b, где b - значение модуля вектора кажущегося ускорения в момент, когда человек находиться в покое (b≈g, где g - ускорение свободного падения). Интегрируя величину вертикальной составляющей ускорения а, получают значения вертикальной скорости и перемещения человека в вертикальной плоскости.
1
η
Начальное значение модуля вектора кажущегося ускорения b вычисляется как среднее на интервале усреднения сигналов акселерометров. Кроме этого, ошибки определения модуля вектора вертикального ускорения компенсируются при применении метода наименьших квадратов, исходя из того, что при нахождении в покое скорость и ускорение в вертикальной плоскости (первый и второй интегралы от величины вертикальной составляющей ускорения а) равны нулю.
Вначале наблюдения могут быть записаны показания акселерометров для типовых движения человека, в частности, для:
- состояния покоя;
- наклонов вниз/вверх;
- приседания;
- движения сидел/встал/сел;
- движения стоял/сел/сидел/лег на бок/лежал/повернулся на спину/лежал;
- подъем по лестнице;
- спуск по лестнице;
- ходьба.
x
y
z
При анализе данных графики изменения сглаженных составляющих кажущегося ускорения b, b, b, модуля вектора кажущегося ускорения b, вертикальных (в земной системе координат) скорости и пути сравниваются с графиками для этих величин, полученных при типовых движениях человека. При этом производиться идентификация движений, совершенных человеком.
Графики ускорений, скорости и пройденного пути выводятся совместно с графиками биопотенциалов, причем графики совмещены по времени. Это позволяет сопоставлять данные о физической активности человека с параметрами функционирования сердечно-сосудистой системы.
В результате, предлагаемая система (ее варианты) позволяет осуществлять кроме получения данных о биоэлектрических потенциалах в течение длительного времени наблюдения, также и данные о параметрах движения человека, то есть о его физической активности, что позволяет осуществить более точную оценку функционального состояния сердечно-сосудистой системы.
Предлагаемое устройство 2 для измерения и регистрации параметров движения обеспечивает возможность определения параметров движения и может быть использовано в составе других систем.
Введение в систему пульсового оксиметра, измерителя артериального давления, датчика температуры, датчика дыхания, измерителя сопротивления тела позволяет расширить функциональные возможности системы и повысить точность диагностики состояния организма человека.
Таким образом, предлагаемые варианты системы для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека обеспечивают возможность сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени, а устройство для измерения и регистрации параметров движения обеспечивает возможность определения параметров движения человека для оценки уровня его физической активности.
Представленные чертежи и описание позволяют изготовить систему (варианты) и устройство для измерения и регистрации параметров движения из известных компонентов и использовать для диагностики сердечно-сосудистой системы человека определения параметров движения человека, что характеризует полезные модели как промышленно применимые.
1. Mike Curtin. Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends. Analog dialoge 28-2, 1994, pp.6-7.
2. Патент РФ №2138982, МПК А 61 В 5/02. опубл. 10.10.1999.
3. Патент РФ №2123803, МПК А 61 В 5/11, опубл. 12.27.1998.