Базовая станция браслета безопасности

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике, а именно к биомедицинским измерениям в кардиологии, и может быть использована для диагностики аритмий, блокад, ишемии сердца с использованием передачи данных измерений на центральную станцию для предупреждения и реагирования на факторы риска и критические (жизнеугрожающие) ситуации.
Известно, например, из статьи Н.Н. Ломидзе и др. «Перспективы развития телемониторинга пациентов», «Вестник аритмологии», №83, 2016, с. 44-50 со ссылкой на данные научного центра РАМН им. Бакулева, что в структуре общей смертности населения России болезни системы кровообращения составляют 56,5%. Причиной более 50% смертности от этих болезней и 29,1% общей смертности в России служит ишемическая болезнь сердца. Одной из главных проблем кардиологии и кардиохирургии была и остается внезапная сердечная смерть (ВСС), от которой в России ежегодно умирают более 350 тыс. человек. ВСС - результат кумуляции различных патогенных факторов, однако ее непосредственной причиной чаще всего служит нарушение ритма сердца. При этом причиной ВСС почти в 80% случаев являются фатальные желудочковые тахиаритмии. Естественно поэтому, что борьбе с ВСС уделяется большое внимание как со стороны медицинской науки, так и со стороны технических наук, а приборы, позволяющие мониторировать сердечно-сосудистую систему человека и предупреждать критические ситуации, способствуют повышению качества его жизни.
В связи с этим, сравнительно недавно сформировалось новое направление в проектировании и производстве изделий медицинского назначения - носимых компактных приборов для постоянного контроля работы сердца и предупреждения ВСС (отдаленный аналог монитора Холтера). Не фитнес-браслетов, которыми заполнен рынок аксессуаров для занятий физкультурой и спортом, а средств мониторирования и оповещения при возникновении тревожных и критических ситуаций для вызова экстренной помощи. Такие устройства нужны маломобильным группам населения, пожилым людям, беременным женщинам, лицам с инвалидностью, вследствие патологии внутренних органов, людям опасных профессий, а также всем тем, кто заботится о своем здоровье.
Известен «Носимый телеметрический прибор для кардио-респираторного мониторирования», описанный в патенте на полезную модель №164155, А61В 5/0404, G08В 25/10. Согласно этому патенту, в моноблоке, носимом на теле или в элементах одежды пациента размещаются блок измерения электрокардиограммы (ЭКГ), выполненный с возможностью подключения, как минимум, трех электродов, энергонезависимая память, радиомодем мегагерцового (МГц) диапазона, клавиатура, дисплей, блок звукового оповещения и первый микроконтроллер, связанный с блоком измерения ЭКГ, а также второй микроконтроллер, измеритель подвижности на базе 3D-акселерометра, модуль позиционирования GPS/ГЛОНАСС, блок управления и контроля питания от аккумуляторной батареи, радиомодем гигагерцового (ГГц) диапазона, блок поддержки стандартной гарнитуры, а также многоканальный блок сопряжения, выполненный с возможностями приема биомедицинских сигналов от установленных на теле пациента электродов.
Данный носимый телеметрический прибор (телеметрон) предназначен для включения в больничную систему кардиомониторинга, использующую внутриобъектовую радиосеть для связи телеметронов с компьютерным центром контроля за состоянием пациентов, включающим в себя сервер, рабочее место администратора, и пульты лечащих врачей (Заключительный отчет по НИОКР "Разработка персональных телеметрических терминалов для контроля состояния сердца", ООО "Альтомедика", УДК: 615.47:616-072.7, Рег. №114072930008, Инв. №МТ-310314).
Внедрение указанной системы в больницах позволяет перенести принцип работы реанимационного отделения больницы на всю больничную и околобольничную территорию, что дает возможность существенно снизить уровень ВСС кардиобольных после перевода их из реанимационного отделения в обычную больничную палату и разрешения прогулок по околобольничной территории.
Однако, после выписки больного и возвращения его домой это достоинство системы теряется, поскольку по экономическим соображениям и из-за организационных проблем подобную компьютерную систему вряд ли возможно развернуть в шаговой доступности от места проживания больного - ни в многоквартирном доме, ни даже в масштабах городского микрорайона. Соответственно, в критической ситуации, например, при появлении у находящегося в домашних условиях больного жизнеугрожающей аритмии, приводящей в считанные минуты к ВСС, он может остаться без необходимой ему экстренной медицинской помощи.
Особенно остро этот недостаток проявляется при больших удалениях места проживания пациента от больницы. В городах-миллионниках (Москва, Ст-Петербург и др.) и без того непростая ситуация с оказанием своевременной кардиологической помощи пациенту, находящемуся в критическом состоянии под угрозой ВСС усугубляется сложностью передвижения машин скорой помощи из-за уличных пробок.
Соответственно, даже имея исчерпывающую биомедицинскую информацию о критическом состоянии больного, врач в таких ситуациях практически лишен возможности спасти ему жизнь.
Указанная проблема могла бы быть решена, если бы на территории микрорайона, в котором проживает кардиобольной, например, в одном из многоквартирных домов или в отдельно стоящем строении был размещен медицину-кий колл-центр, на постоянном дежурстве в котором находился бы дежурный персонал, в любое время суток готовый принять от больного тревожное сообщение об угрозе ВСС и оказать ему первую медицинскую помощь, одновременно оповестив об этом врача-кардиолога в больнице, к которой прикреплен данный больной.
Поскольку указанный колл-центр находился бы на расстоянии шаговой доступности от пациента, то дежурный имел бы возможность своевременно - в течение 4-5 минут прибыть к больному и оказать ему экстренную медицинскую помощь, не дожидаясь прибытия машины скорой помощи.
Однако, при таком внебольничном варианте применения телеметрона его эффективное использование вряд ли возможно, поскольку в условиях крайнего дефицита времени, характерного для жизнеугрожающих ситуаций, носимый прибор должен принимать решение автоматически без вмешательства человека в триггерном режиме, т.е. - путем сравнения показаний датчиков с порогами критического состояния пациента. Кроме того, конструктивное выполнение прибора в виде моноблока, носимого в элементах одежды пациента, с проводами, тянущимися к электродам, находящимся на теле пациента, также нельзя признать рациональным решением для повседневной жизни. Кроме того, измерение избыточного числа биомедицинских параметров неизбежно приводит к возрастанию ложных тревог, а следовательно - к снижению функциональной надежности прибора. Избыточными в указанной ситуации становятся в телеметроне блоки измерения ЭКГ, параметров дыхания, сатурации, артериального давления. В тоже время крайне востребованным остается датчик подвижности пациента на базе 3D-акселерометра. То есть, очевидной становится необходимость упрощения телеметрона с сохранением наиболее важных для реагирования в критических ситуациях функций.
В связи с этим, предприятием-заявителем был предложен и защищен патентом на полезную модель "упрощенный" телеметрон - "Носимый медицинский телеметрический прибор" по патенту №177468, А61В 5/0404, G08В 25/10. Этот прибор, выбранный в качесте в качестве ближайшего аналога предлагаемой полезной модели, содержит, как общие с телеметроном компоненты: блок измерения биомедицинских параметров (в упрощенном варианте) и измеритель подвижности на базе 3D-акселерометра, а также микроконтроллер, связанный с блоком контроля питания от аккумуляторной батареи, радиомодем "малого радиуса действия" и блок световой индикации, входы которых подключены к соответствующим выходам микроконтроллера, а также вновь введенные элементы - тревожную кнопку и вибромотор. Конструктивно предложенное устройство может представлять собой моноблок, например, все вышеупомянутые конструктивные элементы могут быть встроены в корпус браслета, одеваемого на запястье руки пациента-пользователя, либо может быть выполнен в виде двух узлов, один из которых - браслет, с встроенными датчиками, размещается на запястье рук пользователя, а остальные блоки могут расположены в отдельном носимом моноблоке, располагаемом на теле либо в элементах одежды пользователя и играющем роль базовой станции, связанной кабелем с браслетом.
С одной стороны, такое конструктивное построение прибора обеспечивает большее, чем у аналога - телеметрона, удобство применения в домашних условиях, в частности, при выполнении физических упражнений и процедур с использованием спортивных тренажеров (www/medUniver.com). Но с другой стороны, подобное конструктивное решение накладывает принципиальные массогабаритные ограничения на носимые устройства. Это приводит к технической сложности разработки и совершенствования таких устройств и снижению эффективности решения основной задачи - улучшения с помощью браслета безопасности качества жизни человека. Этот принципиальный недостаток отмечается, в частности, в статье "Сложности разработки медицинского браслета в России", опубликованной на сайте habrahabr.ru от 10 июня 2014 года.
Настоящая полезная модель направлена на устранение указанного недостатка с целью получения возможности улучшения эргономических показателей и технических характеристик прибора. С этой целью компоненты браслета безопасности, не требующие обязательного контакта с телом человека, предлагается разместить в отдельно расположенной базовой станции, связав ее с датчиками биомедицинских параметров и измерителем подвижности беспроводной связью типа Bluetooth. Предметом полезной модели является, базовая станция, которая могла бы обеспечить привычное и комфортное ношение медицинского браслета на запястье руки пользователя и, одновременно, обладала бы широкими информационно-коммуникационными возможностями по предупреждению риска ВСС, благодаря использованию возможностей внешних беспроводных сетей типа Wi-Fi и глобальной сети Интернет.
Ожидаемый технический результат от применения настоящей полезной модели заключается в расширении арсенала средств определенного назначения. В данном случае расширение арсенала базовых станций.
Указанный технический результат планируется достичь благодаря тому, что в устройство, содержащее радиомодем "малого радиуса действия" и блок управления питанием от аккумуляторной батареи, связанные с микроконтроллером, третий выход которого подключен к световому тревожному сигнализатору, введены дисплей, блок управления режимами и отображением, а также Wi-Fi и Bluetooth модули, при этом микроконтроллер выполнен с дополнительным управляющим входом, который подключен к выходу блока управления режимами и отображением, а также с видеовыходом, который подключен ко входу дисплея, и с двумя дополнительным коммуникационными входами/выходами, первые из которых связаны с Wi-Fi модулем, выполненным с возможностью приема и передачи данных по Wi-Fi сети, а вторые - с Bluetooth модулем, выполненным с возможностью обмена данными между базовой станцией и приписанными к ней браслетами, надеваемыми на запястья рук пользователей.
В предпочтительном варианте реализации устройства блок управления режимами и отображением выполнен с возможностями включения и выключения базовой станции, подключения/отключения Wi-Fi сети, а также подключения и отключения Bluetooth канала обмена данными с браслетом, находящимся на запястье руки пользователя, и с возможностями индикации на экране дисплея текущих последних сообщений и последних тревожных сообщений, а также стирания последнего принятого сообщения, увеличения/уменьшения яркости подсветки экрана и цвета ее свечения.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 - фиг. 3.
Фиг. 1 иллюстрирует роль и место предлагаемой базовой станции для браслета безопасности в общей системе дистанционной диагностики и наблюдения за маломобильными группами населения, пожилыми, лицами с инвалидностью, вследствие патологии внутренних органов.
На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемой базовой станции.
На фиг. 3 показан вид лицевой панели устройства, на которой расположены экран дисплея и кнопки управления режимами и отображением.
На фиг. 4 представлен набор символов, которые могут быть выведены на экран дисплея.
На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 1 - микроконтроллер; 2 - Bluetooth модуль; 3 - блок управления питанием от аккумуляторной батареи; 4 - световой тревожный сигнализатор; 5 - дисплей; 6 - Wi-Fi модуль; 7 - радиомодем "малого радиуса действия"; 8 - блок управления режимами и отображением.
Предлагаемая базовая станция для браслета безопасности содержит микроконтроллер 1, связанный с Bluetooth модулем 2, Wi-Fi модулем 6, радиомодемом 7 "малого радиуса действия" и блоком управления питанием от аккумуляторной батареи, а также световой тревожный сигнализатор и дисплей, входы которых подключены к соответствующим выходам микроконтроллера 1, один из входов которого подключен к выходу блока 8 управления режимами и отображением.
В настоящее время на предприятии-заявителе разработана опытная партия изделия "Браслет безопасности", в состав которого входит заявленная базовая станция для браслета безопасности. При производстве и испытаниях этой продукции использовались следующие серийно выпускаемые и доступные на рынке электронных компонентов комплектующие изделия:
Микроконтроллер 1 с встроенным Bluetooth модулем 2 и блоком 8 управления режимами и отображением - контроллер NRF52832-QFAA-R;
Блок 3 управления питанием от аккумуляторной батареи - TPS82084SIL;
Световой тревожный сигнализатор 4 - светодиоды KPT-1608SURC;
Дисплей 5 светодиодный MGSF14015Z;
Wi-Fi модуль 6 на модеме CC3200MODR1M2AMOB с антенной АН316М245001;
Радиомодем "малого радиуса действия "АХ5243".
Программное обеспечение (ПО) прибора может быть реализовано на базе ПО телеметрона по патенту №164155.
Таким образом, возможность программно-аппаратной реализации прибора не вызывает сомнений.
Рассматриваемая базовая станция для браслета безопасности работает следующим образом.
Роль и место объекта полезной модели (выделен серым цветом) в общей системе дистанционной диагностики и наблюдения за маломобильными группами населения, пожилыми, лицами и инвалидами, для применения в которой он, в основном, предназначен, иллюстрируется на фиг. 1.
Как показано на этом рисунке, в зоне действия указанной системы, например, на территории многоквартирного дома или микрорайона или города размещены от 1 до N браслетов безопасности, каждый из которых включает в себя базовую станцию, к которой "привязаны" (радиоканалом Bluetooth) от 1 до М браслетов, носимых пользователями на руке. Эти базовые станции находятся в поле действия сети Wi-Fi и могут рассматриваться как точки доступа (hot spot) этой сети. Через указанные точки доступа базовые станции могут связываться с информационно-коммуникционными устройствами (телефонами, планшетами, ПК и пр.) других клиентов сети Wi-Fi, а также с облачными хранилищам данных (облако 1, …облако N), при этом часть из них имеет доступ в глобальную сеть Интернет. Базовые станции могут, кроме того, работать в качестве так называемых устройств "малого радиуса действия", использующих нелицензируемые частоты в диапазонах 433 и 868 МГц, определенные Решением ГКРЧ от 7.05.2007 №07-20-03-001. Дальность действия таких устройств составляет в городских условиях примерно 2 км, что позволяет пользователям браслетов безопасности связываться через них с точками доступа Wi-Fi, информационно-коммуникационными устройствами внешних клиентов, с глобальной сетью Интернет и серверами облачных хранилищ данных, расположенными в пределах зоны действия указанной радиосети "малого радиуса действия".
Информационно-управляющим ядром каждой базовой станции (фиг. 2) является микроконтроллер 1. По каналу Bluetooth через модуль 2 Bluetooth в него поступают в цифровом виде тревожные и служебные сообщения от "своего" браслета, находящегося в непосредственной близости от данной базовой станции. Тревожные сообщения формируются в результате пороговой обработки измеренных датчиками браслета медицинских показателей (частота пульса, температуры тела и др.) и показателей подвижности пациента. Программный модуль расчета параметров подвижности позволяет установить по информации, поступающей от измерителя подвижности на базе 3D-акселерометра (на фиг. 2 не показан, поскольку не входит в состав заявленного устройства), находится ли пациент в движении и не произошло ли какое-то подозрительное изменение его состояния движения, например, падение и полное прекращение движения. В этом случае значение ускорения движения тела пациента выходит за допустимые границы и срабатывает тревожное оповещение. Это же относится и к частоте пульса и другим возможным медицинским показателям, измеряемым датчиками браслета.
Микроконтроллер 1 выполняет функции управления тревожной сигнализацией и беспроводной передачей данных во внешние сети. Тревожная сигнализация активируется в случаях указанного превышения пороговых значений медицинских показателей и показателей подвижности пациента, а также в случаях уменьшения до недопустимых значений напряжения заряда аккумуляторной батареи, фиксируемого блоком 3 управления питанием от аккумуляторной батареи, а также при использовании пациентом тревожной кнопки, встроенной в браслет (на рисунке не показана). О наличии связи с внешними сетями свидетельствует свечение белым светом светового тревожного сигнализатора 4, например, светодиода, расположенного сверху от экрана дисплея 5(фиг. 3): 1 - символ экрана, который мигает, если браслет не «привязан» к "своей" базовой станции, либо горит постоянно, когда браслет и база "привязаны" друг к другу;
2 - символ аккумулятора, который мигает при зарядке аккумулятора базовой станции либо отображает текущий уровень заряда аккумулятора;
3 - цифра, отображающая номер подключенного с помощью Wi-Fi сети другого браслета безопасности. После «привязки» к базовой станции каждому подключенному браслету присваивается порядковый номер от 0 до 7;
4 - символ, отображающий наличие информации о последнем соединении базовой станции с браслетом. При индикации последнего принятого тревожного сообщения этот символ гаснет:
5 - индикатор уровня заряда аккумулятора браслета, который мигает при зарядке и гаснет после полной зарядки аккумулятора;
6 - индикатор подключения базовой станции к Wi-Fi сети (мигает) или к серверу (горит постоянно);
7 - индикатор работы базы в режиме ТОЧКА ДОСТУПА (мигает) и подключения к ней клиента (горит постоянно);
8 - индикатор времени (часы и минуты), прошедшего с момента последнего принятого сообщения от браслета, а в режиме индикации тревог - времени, прошедшего с момента приема последнего тревожного сообщения;
9 - символ измерения браслетом температуры тела пациента (в градусах Цельсия);
10 - символ измерения браслетом частоты пульса;
11 - измеренное браслетом значение температуры тела до десятых долей градуса Цельсия;
12 - измеренное браслетом значение частоты пульса - количество ударов в минуту;
13 - символ индикации браслетом степени энергичности движений пациента;
14 - измеренное значение степени энергичности движений, от 0 до 2G;
15 - индикатор опасного удара или падения пациента;
16 - индикатор нажатия пациентом на кнопку тревоги.
В автономном режиме (NW) связь с сетью Wi-Fi отключена и базовая станция работает только с радиомодемом 7 "малого радиуса действия". Если "свой" браслет находится в зоне действия Bluetooth модуля 2, то базовая станция обеспечивает отображение на экране дисплея всех символов и значений измеряемых параметров, показанных на фиг. 4. При этом она может принимать и ретранслировать на другие базовые станции и клиентские информационно-коммуникационные средства (телефон, планшет, ПК) с помощью радиомодема 7 "малого радиуса действия" информацию от других базовых станций, однако не может отображать эту информацию на дисплее 5
В сетевом режиме ТОЧКА ДОСТУПА (АР) базовая станция с помощью Wi-Fi модуля 6 создает "свой" сегмент Wi-fi сети, в зоне действия которого к ней можно подключить другую базовую станцию или клиентское информационно-коммуникационные средство для просмотра на дисплее 5 передаваемых ими данных. В этом режиме сеть Интернет не доступна.
В сетевом режиме КЛИЕНТ WI-FI СЕТИ (STA) базовая станция подключается к имеющейся Wi-fi сети. Если в этой Wi-fi сети есть выход в Интернет, то базовая станция сможет передать сообщения, полученные с браслетов, на другие базовые станции и в облачные хранилища либо получить с них требуемую информацию для отображения на экране "своего" дисплея 5 соответствующими символами, показанными на фиг. 4.
В общем случае базовая станция выполняет следующие функции:
- принимает информацию, передаваемую любым браслетом;
- при наличии подключения к Интернету - передает информацию, полученную от браслетов, на сервер облачного хранилища;
- при наличии связи с другой базовой станцией передает ей информацию, полученную от браслетов;
- осуществляет подзарядку аккумуляторной батареи браслета;
- отображает на экране данные, полученные от «своего» браслета.
В варианте конструктивного выполнения базовой станции, реализованном на предприятии-заявителе, управление базовой станцией осуществляется с помощью кнопок 1-4 блока 8 управления режимами и отображением, расположенных слева и справа от дисплея 5 на лицевой панели базовой станции (фиг. 4). Возможны следующие варианты управляющих воздействий:
- при одновременном нажатии и удерживании кнопок 2 и 4 более 3-х секунд осуществляется включение/выключение базовой станции.
- при нажатии кнопки 1 происходит переключение режима индикации текущих последних сообщений (отображаются белым цветом) в режим индикации последних тревожных сообщений (отображаются красным цветом).
- нажатие кнопки 3 при нажатой кнопке 1 приводит к увеличению яркости подсветки экрана.
- нажатие кнопки 4 при нажатой кнопке 1 приводит к уменьшению яркости подсветки экрана.
- нажатие и удержание более 3-х секунд кнопки 2 вызывает стирание последнего принятого сообщения в режиме просмотра сообщений, включая тревожные сообщения.
- при одновременном нажатии и удержании кнопок 3 и 4 происходит последовательное переключение режимов ТОЧКА ДОСТУПА - КЛИЕНТ WI-FI СЕТИ - WI-FI ВЫКЛ - ТОЧКА ДОСТУПА и т.д.
Каждый браслет имеет уникальный номер (идентификатор), который всегда присутствует в передаваемых сообщениях. Энергопитание браслета осуществляет встроенный аккумулятор с беспроводной зарядкой. Если базовая станция находится рядом с пользователем (например, в одной комнате с ним), то прием сообщений от браслета осуществляется по каналу Bluetooth. Если базовая станция расположена вне зоны действия Bluetooth модуля 2, например, в соседней от пользователя комнате, то прием сообщений от этого браслета происходит по сети Wi-Fi. Базовая станция может находиться в колл-центре микрорайона, в котором проживают пользователи браслетов, привязанных к данной базовой станции. В этом случае их связь со "своей" базовой станцией осуществляется с помощью Wi-Fi модуля 6 либо при нахождении браслета вне зоны действия базовой станции - с помощью радиомодема 7 "малого радиуса действия". С помощью указанных сетей базовая станция имеет возможность связываться с информационно-коммуникационными устройствами (телефонами, планшетами, ПК) других клиентов, обмениваться сообщениями с облачными хранилищами данных, а при наличии соответствующего доступа - выходить в глобальную сеть Интернет и через нее подключаться к облачным хранилищам и клиентам, находящимся на расстояниях, превышающих дальность действия сети Wi-Fi и радиосети "малого радиуса действия". Благодаря этому, родственники пациента и его лечащий врач (в режиме STA) могут оперативно и дистанционно с больших расстояний оповещаться об изменениях состояния здоровья
Проведенные испытания опытных образцов заявленной базовой станции в составе браслета безопасности с использованием сети Wi-Fi и сервера с программным обеспечением для обмена с этой станцией облачной информацией и выхода в Интернет, показали, что совокупность описанных выше общих с ближайшим аналогом и отличительных признаков заявленной полезной модели позволяет получить ожидаемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала средств определенного назначения, в данном случае – расширение арсенала базовых станций.