Устройство для передачи биофизиологических сигналов

Настоящая полезная модель относится к области электротехники, применяемой в медицине, и может быть использована для передачи электрических сигналов, снятых с тела биологического объекта (человека или животного), на регистрирующее устройство.
Известна проводниковая ЭКГ система [US 6891379 В2, «EKG WIRING SYSTEM», G01R 27/04, опубл. 10.05.2005 г.], в сущности, представляющая собой устройство для передачи биофизиологических сигналов, таких как электрокардиологический сигнал, состоящее из кабеля и разъема для соединения с регистрирующим устройством. Кабель содержит оболочку, внутри которой расположено множество коаксиальных проводников, электрически соединенных с разъемом. На внешней стороне оболочки на расстоянии друг от друга установлено множество контактов, выполненных с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта. Контакты на теле размещаются с помощью соединения с электродами, которые закреплены непосредственно на коже. Каждый контакт электрически соединен с соответствующим проводником.
Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели. Однако этот прототип имеет существенный недостаток, а именно низкая надежность, обусловленная влиянием вибрации электродов, и возможным провисанием или натягиванием участков кабеля между контактами во время движения биологического объекта. Вибрация электродов создает так называемый «дребезг» сигнала, т.е. повышенный уровень шума и посторонние артефакты в ЭКГ сигнале. Шум и артефакты, в свою очередь, могут привести к неправильной интерпретации ЭКГ сигнала, что может вызвать ошибки диагностики или необходимость отбраковать результат обследования и его повторить. Натяжение кабеля при движении тела может привести к отрыву электродов от тела или контактов кабеля от электродов. Провисание кабеля дает возможность ему зацепиться за одежду и при дальнейшем движении также приводит к обрыву электродов или контактов. Кроме того, необходимо подбирать размеры участков кабеля между контактами в зависимости от размеров тела пациента, что вызывает необходимость использования большого количества длин кабеля для биологических объектов разного размера (роста, веса). Стоит отметить и дискомфорт для пациента из-за необходимости ограничивать свободу движений при натяжении участков кабеля между электродами.
У разных пациентов тело имеет существенно различные размеры, в частности расстояния между местами размещения электродов у разных пациентов могут различаться в несколько раз. Идеальное решение использовать индивидуальный кабель для каждого пациента на практике не применяется в силу дороговизны. Поэтому приходится использовать кабель, имеющий избыточную длину между электродами. Но это решение имеет недостатки. Мониторирующий кабель используется для регистрации биофизиологических сигналов в процессе нормальной жизнедеятельности человека. Поэтому свободно свисающие участки кабеля при движении, во время сна, при физической нагрузке могут приводить к вибрации электродов, что приводит к ухудшению качества ЭКГ сигнала за счет появления шума и артефактов. Большое количество шума и артефактов ухудшает качество биофизиологических сигналов и может приводить к ошибкам и неточностям диагностики. С другой стороны, даже если выбрать кабель с длиной участков, в точности равной расстоянию между местами установки (кабель при этом устанавливается без провисания, что уменьшает количество шума и артефактов), то возникает другой недостаток. Движение грудной клетки изменяет ее геометрические размеры, что при натянутом кабеле может привести к срыву электродов и также вызывать дискомфорт пациента.
Задачей настоящей полезной модели является создание нового устройства для передачи биофизиологических сиганалов с достижением следующего технического результата: повышение надежности за счет уменьшения отрывающих усилий на контактах при движениях пациента.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве для передачи биофизиологических сигналов, содержащем кабель и контакты, соединенные с ним, причем кабель включает оболочку, внутри которой расположены проводники, а на ее внешней стороне на расстоянии друг от друга установлены контакты, выполненные с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта, каждый контакт электрически соединен с соответствующим проводником, согласно настоящей полезной модели участки кабеля, расположенные между контактами, выполнены с возможностью упруго деформироваться.
Возможны варианты развития основного технического решения, заключающиеся в том, что
кабель с одной стороны электрически соединен с разъемом для его соединения с регистрирующим устройством;
участки кабеля, расположенные между контактами, выполнены в виде «змейки»;
участки кабеля, расположенные между контактами, выполнены в виде колец, сдвинутых относительно друг друга;
участки кабеля, расположенные между контактами, выполнены в виде гибкой спирали.
Таким образом, с помощью всей совокупности заявленных признаков удается повысить надежность устройства для передачи биофизиологических сигналов за счет отсутствия отрывающих усилий на контактах при движениях пациента благодаря одинаковому натяжению провода между контактами за счет придания участкам кабеля между контактами свойства упругой деформации. За счет организации кабеля в упругие формы (змейка, спираль и др.) уменьшается количество свободно свисающих участков кабеля. Это уменьшает риск зацепления свободных участков одеждой, руками пациента, уменьшается вероятность отрывания электродов, тем самым повышается надежность мониторирования. Универсальность кабеля - расстояние между контактами подстраивается автоматически в большом диапазоне размеров туловищ пациентов, поэтому установка кабеля на пациента удобнее и быстрее и больше комфортность для пациента благодаря свободе движений за счет растяжимости участков кабеля между контактами.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На фиг. 1 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде «змейки».
На фиг. 2 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде колец, смещенных относительно друг друга.
На фиг. 3 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов, участки кабеля которого выполнены в виде спирали.
На фиг. 4 показан поперечный разрез.
На фиг. 5 показано устройство для передачи биофизиологических сигналов с микроконтроллерным блоком.
Устройство (фиг. 1-5) для передачи биофизиологических сигналов содержит кабель 1 и контакты 2, соединенные с ним. Кабель 1 включает оболочку 3, внутри которой расположены проводники 4, а на ее внешней стороне на расстоянии друг от друга установлены контакты 2, выполненные с возможностью размещения на поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано), каждый контакт 2 электрически соединен с соответствующим проводником 4. Контакты на теле размещаются с помощью соединения с электродами (на чертеже не показаны), которые закрепляются непосредственно на коже.
Устройство для передачи биофизиологических сигналов может подключаться к регистрирующему устройству (на чертеже не показано) посредством кабеля 1 напрямую или с помощью разъема 5, с которым электрически соединен кабель 1 с одной своей стороны.
При этом участки кабеля 1, расположенные между контактами 2, выполнены с возможностью упруго деформироваться и могут представлять собой «змейку» (фиг. 1), кольца, смещенные относительно друг друга (фиг. 2) или спирали (фиг. 3). Величина данной упругой деформации участков кабеля 1 определяется в зависимости от параметров расположения контактов на теле биологического объекта (на чертеже не показано), а именно расстояния между точками на теле, на которых должны быть закреплены контакты 2 для корректного съема и передачи биофизиологических сигналов. При этом длина проводников 4 выполнена такой, чтобы необходимая упругая деформация кабеля 1 не приводила к чрезмерным отрывающим усилиям на электродах.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде «змейки», процесс изготовления включает укладку кабеля 1 в форму, которая имеет канавки, соответствующие конечной форме «змейки», нагрев кабеля 1, например с помощью фена, до состояния термопластичности оболочки, и остывание кабеля 1. После остывания участки кабеля 1 сохраняют форму «змейки». Количество волн «змейки» и их высота на участке между контактами 2 определяется диаметром кабеля 1 и номинальным расстоянием между контактами 2. Например, для участка кабеля 1 диаметром 3 мм и номинальным расстоянием между контактами 2 30 см количество волн змейки может составлять 7-8 шт., высота волны змейки может быть 4-5 см.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде гибкой спирали, процесс изготовления спирали включает наматывание кабеля 1 на стержень с канавками, нагрев, например, феном, до состояния термопластичности, остывание кабеля 1, после чего участки кабеля 1 сохраняют форму спирали. Диаметр спирали и количество колец выбираются в зависимости от диаметра кабеля 1 и номинального расстояния между контактами 2. Например, для кабеля 1 диаметром 3 мм и номинального расстояния между контактами 2 30 см диаметр спирали может быть 2 см, количество витков - 15 шт.
В случае, когда участки кабеля 1 между контактами (электродами) 2 выполнены в виде одного или нескольких колец, расположенных примерно в одной плоскости параллельно друг другу со сдвигом, процесс изготовления аналогичен изготовлению «змейки», при этом форма имеет канавки в виде колец. Диаметр колец и их количество выбираются в зависимости от диаметра кабеля 1 и номинального расстояния между контактами 2. Например, для участка кабеля 1 диаметром 3 мм и номинальным расстоянием между контактами 30 см диаметр колец может составить 5-8 см, количество колец 1-3 шт. Подобные «плоские» кольца меньше мешают пациенту под одеждой и могут быть с помощью пластыря прикреплены к телу в отдельных точках.
Пример. При движении человеческое тело изменяет геометрические размеры. Например, при вдохе объем грудной клетки увеличивается, при выдохе - уменьшается. При выполнении различных физических упражнений отдельные мышцы напрягаются и соответственно утолщаются, при расслаблении уменьшаются в объеме. Часть контактов 2 устанавливается на грудной клетке, которая при вдохе/выдохе существенно меняет линейные размеры. Если длина кабеля 1 между контактами в точности равна расстоянию между точками установки на теле, то при изменении этих размеров тела излишнее напряжение может привести к срыву контактов 2, что может сделать бракованной длительную (суточную) запись. Выполненный в виде «змейки» кабель 1 позволяет изменяться расстоянию между установленными контактами, при этом за счет эластичности «змейки» не возникают сильных усилий в местах крепления контактов. При уменьшении расстояния (например, при выдохе) за счет пружинящих свойств «змейка» уменьшает длину участка кабеля 1, тем самым предотвращается провисание кабеля 1 между контактами 2 и возникающий из-за этого «дребезг» сигнала, что приводит к повышению точности измерений.
Контакты 2 могут быть выполнены в виде электродов для съема электрических потенциалов с поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано) или в виде контактных устройств крепления и электрического соединения к электродам для съема электрических потенциалов с поверхности тела биологического объекта (на чертеже не показано). Электроды могут крепиться на пневматических присосках (на чертеже не показано) или с помощью самоклеющегося слоя (на чертеже не показано). Контактные устройства крепления имеют пружинный элемент (на чертеже не показано), который надевается на металлическую часть электрода.
Между оболочкой 3 и проводниками 4 может быть помещен общий экран 6, а каждый проводник 4 может быть помещен в индивидуальный экран 7 (фиг. 4). При этом часть или все экраны 7 могут быть выполнены из проводящего пластического материала, например углеродосодержащий полипропилен, углеродосодержащий полиэтилен, углеродосодержащий полиуретан. Индивидуальный экран 7 шунтирует токи от электризации, возникающие от механических воздействий на кабель 1. В отличие от применяемых металлических экранов проводящий пластиковый экран 7 уменьшает вес кабеля 1 и металлоемкость, повышает гибкость, уменьшает минимальный радиус изгиба кабеля. Металлические экраны выполняются поверх изоляции проводника, как правило, в виде спиральной ленточной обмотки или в виде плетеной сетки из цветных металлов (например, луженая медь). Применение проводящего пластика устраняет необходимость использования цветных металлов, тем самым уменьшается металлоемкость кабеля. Имея сопоставимую толщину, вес пластикового экрана также меньше, чем металлического, что уменьшает общий вес кабеля. Выполненный в виде трубочки пластиковый экран имеет меньшую жесткость на изгиб, чем выполненные из металла спиральные и плетеные экраны, что обеспечивает повышенную гибкость кабеля, в целом, и соответственно способность кабеля изгибаться без повреждения с меньшим радиусом, т.е. уменьшается минимально допустимый радиус изгиба кабеля.
В момент разряда дефибриллятора разные электроды, расположенные в разных точках тела пациента, могут иметь разный потенциал, что создает электрический ток через кабель и через регистрирующее устройство (регистратор). А поскольку напряжение и сила тока разряда дефибриллятора велики, то ток разряда может привести к выходу регистрирующего устройства из строя. Поэтому могут быть введены элементы 8 защиты от перенапряжения, например от разряда дефибриллятора, каждый из которых электрически расположен между соответствующим проводником 4 и общим экраном 6 или между соответствующим проводником 4 и его индивидуальным экраном 7. В качестве элементов 8 защиты от перенапряжения могут быть применены варисторы, супрессоры, разрядники, стабилитроны и т.п. Соединение проводов всех каналов ЭКГ с одним общим экраном 6 или с индивидуальным экранам 7 защищает регистратор ЭКГ от разрядов дефибриллятора следующим образом. При разряде дефибриллятора путь тока между электродами с разным потенциалом проходит от одного электрода через элемент 8 защиты на экран 6 кабеля 1, затем проходит ограниченный отрезок экрана 6 на удалении от регистратора до другого электрода и через другой элемент 8 защиты замыкается на другой электрод. При этом ток не проходит через регистрирующее устройство. Высокое напряжение также не поступает на вход регистрирующего устройства. Имеет место быть повышение надежности измерительного устройства за счет того, что при разряде дефибриллятора присоединенный к нему регистратор не подвергается воздействию высокого напряжения, которое может привести к выходу из строя peгистратора.
Заявляемый кабель может содержать по меньшей мере один цифровой сигнальный канал 9 (фиг. 4), соединенный с разъемом 5 для передачи данных, который позволяет подключить к кабелю 1 по меньшей мере один внешний цифровой блок (на чертеже не показано) или встроенный цифровой блок 10 (фиг. 5), соединенный с цифровым сигнальным каналом 9. Это позволяет повысить функциональность кабеля 1, поскольку внешний цифровой блок (на чертеже не показано) и встроенный цифровой блок 10 представляют собой источник цифрового сигнала и в качестве него может быть применен датчик движения/положения, датчик температуры, миографический, окулографический, пневмографический датчик, запоминающий блок. При этом встроенный цифровой блок 10 может быть расположен в разъеме 5, в корпусе контакта 2, отдельно на проводнике, присоединенном к кабелю 1. Причем к одному цифровому сигнальному каналу 9 может быть подключено несколько цифровых блоков. Наличие датчиков позволяет повысить и точность диагностики за счет добавления дополнительных информационных параметров оценки состояния биологического объекта. А запоминающее устройство позволяет дополнительно повысить эксплуатационные свойства кабеля, поскольку запоминающее устройство может содержать индивидуальный номер кабеля 1, что позволяет регистрирующему устройству автоматически поместить этот номер в результирующую запись результатов мониторирования. При обработке записи наличие индивидуального номера позволит судить о качестве работы данного кабеля 1, определять необходимость его ремонта или замены. Также запоминающий блок может содержать информацию о количестве циклов мониторирования, которые были выполнены данным кабелем 1. Это число автоматически модифицируется регистратором при каждом последующем цикле. Количество циклов позволяет оценить состояние кабеля 1 и степень его износа, а также сделать прогноз оставшегося ресурса его работы. Поскольку износ кабеля 1 и соответственно ухудшение качества сигнала происходят постепенно, этот процесс не всегда может быть очевиден для врача. Прогноз ресурса кабеля 1 по числу постановок позволяет избежать ситуаций критического выхода кабеля из строя во время мониторирования и, тем самым, потери длительной (суточной, многосуточной) записи. Наличие в запоминающем блоке такой информации дает возможность автоматически переносить ее в результирующую мониторограмму, и в дальнейшем автоматически обрабатывать эти данные в информационных системах.
Заявляемый кабель применяют следующим образом.
На теле пациента размещаются электроды для съема биофизиологических сигналов. Это могут быть ЭКГ-электроды, реографические электроды, держатели датчика движения/положения тела, датчика температуры и др. Схема размещения контактов 2 может быть различной в зависимости от целей обследования (мониторирования), как правило, схема размещения определяется применяемой медицинской методикой. Размещенные электроды через контакты 2 соединяются между собой кабелем 1, кабель 1 соединяется с входом регистратора через коннекторы или через разъем 5, тем самым размещенные на теле электроды и датчики оказываются электрически соединенными с регистратором. После начала регистрации пациент может оставаться в лечебном учреждении либо вести нормальную жизнедеятельность в обычных бытовых условиях в течение заданного периода мониторирования (от нескольких часов до нескольких суток). По окончании мониторирования электроды и датчики удаляются с тела пациента. Накопленная за время мониторирования информация (записанные биофизиологические сигналы, номер кабеля 1, число циклов его использования) передается в информационную систему для дальнейшей обработки с целью получения диагностически значимых признаков.