УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам регистрации, мониторинга и передачи данных о кардиограмме, температуре, ориентации в пространстве и движении тела человека.
Известен носимый телекоммуникационный комплекс мониторинга функционального состояния человека, приведенный в описании полезной модели к патенту №91838 А61В 5/05, содержащий материнскую плату, процессор, карту памяти, интерфейсный модуль, и прочие модули, в том числе и измерительный модуль, включающий узлы съема физиологических сигналов и содержащее электроды для съема электрических биопотенциалов, излучатель и фотоприемник для определения количества кислорода в крови, акселерометр для мониторинга двигательной активности человека, термометр и прочие диагностические устройства.
Недостатками данного комплекса являются низкая надежность соединений узлов съема физиологических сигналов измерительного модуля при вибрациях и движении тела человека, а также сложность установки, переноски и эксплуатации на теле из-за наличия пространственно-распределенных сенсоров, таких как электроды для съема электрических биопотенциалов, излучатель и фотоприемник пульсоксиметра, из-за нарушения контакта электродов электрокардиографа с телом человека вследствие сильных ударов тела при ритмичных функциональных нагрузках, отсутствие сигнала с фотоприемника для определения количества кислорода в крови, который отражает изменение объема крови облучаемого излучаетелем участка тела, с помощью которого возможно оценить фазы сокращения сердца, из-за уменьшения микроциркуляций крови в поверхностных тканях тела при их переохлаждении, открытая блочно-модульная архитектура, к которой возможно подключать большое количество различных модулей и диагностических устройств, что приводит к увеличению массы и габаритов комплекса.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является телеметрическая система для мониторинга физиологических параметров, приведенная в описании полезной модели к патенту №75293 А61В 5/0205. В нательной одежде расположены электрокардиограф, пульсоксиметр, сенсоры которых установлены с возможностью контактирования с чувствительными участками тела человека, блок обработки первичных сигналов, блок информации, беспроводной информационный канал для обмена данными, термометр и акселерометр-инклинометр.
Недостатками прототипа является низкая надежность соединений элементов устройства при вибрациях и движении тела человека, а также сложность установки, переноски и эксплуатации на теле из-за наличия пространственно-распределенных сенсоров, таких как электроды для снятия электрокардиограммы, датчик пульсоксиметра, из-за нарушения контакта электродов электрокардиографа с телом человека вследствие сильных ударов тела при ритмичных функциональных нагрузках, отсутствие сигнала с датчика пульсоксиметра из-за уменьшения микроциркуляций крови в поверхностных тканях тела при их переохлаждении.
Основной технической задачей является создание устройства, устанавливаемого на тело человека, без пространственно-распределенных сенсоров, регистрирующего физиологические параметры при переохлаждении тела человека, а так же после сильных ударов тела, вызываемых ритмичными функциональными нагрузками.
Технический результат заключается в повышении надежности соединений элементов устройства при вибрациях и движении тела человека, уменьшении массы и габаритов, повышении удобства в установке и эксплуатации.
Основная техническая задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее блок обработки первичных сигналов, ко входу которого подключен выход термометра, и телекоммуникационный канал, вход которого связан с выходом блока обработки первичных сигналов, введены усилитель сигнала, электромагнитный сейсмический датчик, выход которого подключен ко входу усилителя сигнала, а выход усилителя сигнала подсоединен ко входу блока обработки первичных сигналов, цифровой потенциометр, выход которого соединен со входом усилителя сигнала, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, один выход которого подключен ко входу цифрового потенциометра, а другой выход подключен ко входу блока обработки первичных сигналов, дисплей, вход которого связан с выходом блока обработки первичных сигналов, кнопки управления, подключенные ко входу блока обработки первичных сигналов.
Основная техническая задача достигается также тем, что в известное устройство введены корпус устройства и схема управления, на которой размещены усилитель сигнала, цифровой потенциометр, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, блок обработки первичных сигналов и телекоммуникационный канал, причем схема управления, термометр и электромагнитный сейсмический датчик расположены внутри корпуса устройства и жестко прикреплены к его грани прижатия к телу человека, а дисплей и кнопки управления закреплены на корпусе снаружи, при этом электромагнитный сейсмический датчик расположен так, что его ось чувствительности перпендикулярна грани прижатия к телу человека.
Корпус устройства, электромагнитный сейсмический датчик, схема управления, на которой размещены усилитель сигнала, цифровой потенциометр, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, обеспечивают съем сигнала кардиограммы в виде сердечных толчков за счет регистрации механических проявлений деятельности сердца, амплитуда которых существенно не зависит от наличия переохлажденных участков поверхностных тканей тела человека.
Корпус устройства, электромагнитный сейсмический датчик, схема управления, на которой размещены усилитель сигнала, цифровой потенциометр, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, обеспечивают съем сигнала кардиограммы без использования пространственно-распределенных сенсоров, что, в совокупности с использованием современной элементной базой, снижает массу и габариты устройства.
Корпус устройства, электромагнитный сейсмический датчик, схема управления, на которой размещены усилитель сигнала, цифровой потенциометр, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, обеспечивают съем сигнала кардиограммы без непосредственного контакта с поверхностными тканями тела человека при размещении устройства в прекардиальной области грудной клетки поверх неплотной легкой верхней одежды, такой как хлопковая майка, что облегчает доступ к нагрудным ремням при установке устройства на тело, снижает фрикционное травмирование устройством поверхностных тканей в процессе эксплуатации.
Корпус устройства, электромагнитный сейсмический датчик, схема управления, на которой размещены усилитель сигнала, цифровой потенциометр, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра, обеспечивают регистрацию механических проявлений деятельности сердца, что позволяет проводить съем сигнала кардиограммы при незначительных смещениях устройства в прекардиальной области грудной клетки относительно изначальной установки, вызываемых ударами тела при ритмичных функциональных нагрузках.
Корпус устройства и термометр обеспечивают регистрацию температуры поверхности тела человека в прекардиальной области грудной клетки за счет теплообмена между телом человека и термометром посредством корпуса устройства.
Корпус устройства и модуль трехосевого акселерометра-инклинометра обеспечивают регистрацию ориентации тела человека в пространстве за счет регистрации модулем трехосевого акселерометра-инклинометра ориентации в пространстве корпуса устройства, закрепленного на теле человека нагрудными ремнями.
Температура поверхности тела человека в прекардиальной области грудной клетки передается с помощью корпуса устройства 1 за счет теплообмена, где температура корпуса регистрируется термометром
На фиг.1 приведена конструкция устройства, на фиг.2 - функциональная схема устройства.
Устройство для мониторинга физиологических параметров человека состоит из (фиг.1, фиг.2) корпуса 1, дисплея 2, кнопок управления 3, схемы управления 4, усилителя сигналов 4-1, цифрового потенциометра 4-2, модуля трехосевого акселерометра-инклинометра 4-3, блока обработки первичных сигналов 4-4, телекоммуникационного канала 4-5, электромагнитного сейсмического датчика 5, термометра 6.
Устройство содержит блок обработки первичных сигналов 4-4, ко входу которого подключен выход термометра 6, и телекоммуникационный канал 4-5, вход которого связан с выходом блока обработки первичных сигналов 4-4, усилитель сигнала 4-1, электромагнитный сейсмический датчик 5, выход которого подключен ко входу усилителя сигнала 4-1, а выход усилителя сигнала 4-1 подсоединен ко входу блока обработки первичных сигналов 4-4, цифровой потенциометр 4-2, выход которого соединен со входом усилителя сигнала 4-1, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра 4-3, один выход которого подключен ко входу цифрового потенциометра 4-2, а другой выход подключен ко входу блока обработки первичных сигналов 4-4, дисплей 2, вход которого связан с выходом блока обработки первичных сигналов 4-4, кнопки управления 3, подключенные ко входу блока обработки первичных сигналов 4-4.
Устройство содержит корпус 1 и схему управления 4, на которой размещены усилитель сигнала 4-1, цифровой потенциометр 4-2, модуль трехосевого акселерометра-инклинометра 4-3, блок обработки первичных сигналов 4-4 и телекоммуникационный канал 4-5, причем схема управления 4, термометр 6 и электромагнитный сейсмический датчик 5 расположены внутри корпуса 1 устройства и жестко прикреплены к его грани прижатия к телу человека 7, а дисплей 2 и кнопки управления 3 закреплены на корпусе 1 снаружи, при этом электромагнитный сейсмический датчик 5 расположен так, что его ось чувствительности перпендикулярна грани прижатия к телу человека 7.
Устройство работает следующим образом.
Корпус 1 устройства для мониторинга физиологических параметров человека крепится в прекардиальной области грудной клетки человека с помощью нагрудных ремней, которые позволяют установить необходимую надежность крепления грани прижатия к телу человека 7 устройства.
Модуль трехосевого акселерометра-инклинометра 4-3 регистрирует ориентацию корпуса 1 устройства в пространстве, в зависимости от чего производит подстройку цифрового потенциометра 4-2, задающего коэффициент передачи усилителя сигнала 4-1. Под влиянием вибраций, обусловленных сокращениями сердца, передающихся через грудную клетку и корпус устройства 1, механические проявления деятельности сердца в виде сердечных толчков регистрируются электромагнитным сейсмическим датчиком 5, сигнал с которого поступает на усилитель сигнала 4-1, а затем на блок обработки первичных сигналов 4-4.
Температура поверхности тела человека в прекардиальной области грудной клетки передается с помощью корпуса устройства 1 за счет теплообмена, где температура корпуса регистрируется термометром 6, показания с которого поступают на блок обработки первичных сигналов 4-4. Данные об ориентации в пространстве и ускорения движения тела человека с модуля трехосевого акселерометра-инклинометра 4-3 поступают на блок обработки первичных сигналов 4-4.
Устройство для мониторинга физиологических параметров человека рассчитано на работу совместно с внешним устройством, в качестве которого выступает ПЭВМ. С помощью кнопок управления 3 устанавливаются следующие режимы работы устройства: режим вывода данных на дисплей 2, вывод данных на ПЭВМ через телекоммуникационный канал 4-5.
На основе предлагаемой полезной модели был создан опытный образец устройства для мониторинга физиологических параметров человека (УМФПЧ), испытания которого проводились в период с 17 по 28 января 2011 года. Были проведены оценки температурного диапазона работы, масса и габариты, удобство установки и эксплуатации опытного образца.
В результате испытаний было установлено, что опытный образец УМФПЧ позволяет регистрировать механические проявления деятельности сердца в виде сердечных толчков при отрицательных температурах окружающей среды и наличии переохлажденных участков поверхностных тканей тела человека, при незначительных смещениях устройства в прекардиальной области грудной клетки относительно изначальной установки, вызываемых ударами тела при ритмичных функциональных нагрузках, конструкция опытного образца УМФПЧ обладает небольшими массой и габаритами, позволяет быстро установить устройство под зимнюю верхнюю одежду и не вызывает дискомфорт при длительном ношении на теле. По результатам испытаний был составлен протокол №1 испытаний опытного образца устройства для мониторинга физиологических параметров человека (УМФГТЧ) от 28.01.2011, в котором отражены исследуемые характеристики и полученные результаты.
Предложенная полезная модель обладает расширенным температурным диапазоном работы, небольшими массой и габаритами, удобством в установке и эксплуатации.
Блок обработки первичных сигналов выполнен на основе микросхем Atmegal281 и НМ62256. Термометр выполнен на микросхеме ТМР112. В качестве электромагнитного сейсмического датчика используется преобразователь ДСВ-1. Усилитель сигналов выполнен на микросхеме INA333. Телекоммуникационный канал выполнен на основе Bluetooth-модуля АМВ2300 BlueNiceCom 4. Модуль трехосевого акселерометра-инклинометра выполнен на основе микросхем ATmega32 и ADXL345. В качестве дисплея используется LCD-модуль MI12864GO. Цифровой потенциометр выполнен на основе микросхемы МРС42100. Корпус устройства выполнен из ударопрочного, легкого материала с высокой теплопроводностью, например из АБС-пластика стандарта UL-94-HB.
1 ЦЕЛИ ИСПЫТАНИЙ
1.1 Оценка массы и габаритов опытного образца УМФПЧ.
1.2 Оценка возможности регистрации температуры и ориентации в пространстве тела.
1.3 Оценка возможности регистрации механических проявлений деятельности после ритмичных функциональных нагрузок.
1.4 Оценка температурного диапазона работы опытного образца УМФПЧ.
1.5 Оценка удобства установки и эксплуатации опытного образца УМФПЧ.
2 ОБЪЕКТ ИСПЫТАНИЙ
Опытный образец устройства для мониторинга физиологических параметров человека (рис.1).
3 ВРЕМЯ И МЕСТО ИСПЫТАНИЙ
Испытания проводились в период с 17 по 28 января 2011 года на лабораторно-испытательной базе ФГУП «Курский НИИ» МО РФ.
4.2 Для достижения цели согласно п.1.2 испытания проводились при комнатных условиях и на полигоне в зимнее время года при отрицательных температурах окружающей среды. Опытный образец УМФПЧ устанавливался на волонтеров поверх легкой одежды в прекардиальной области грудной клетки (рис.2). На протяжении 20 минут с помощью опытного образца, находящегося под зимней верхней одеждой, фиксировались температура и ориентация в пространстве.
4.3 Для достижения цели согласно п.1.3 опытный образец УМФПЧ устанавливался на волонтерах поверх легкой верхней одежды в прекардиальной области грудной клетки. В комнатных условиях измерялось значение амплитуды сигнала с электромагнитного сейсмического датчика для каждого волонтера в положении лежа на спине. Затем после пятиминутной ритмичной функциональной нагрузки в положении волонтеров лежа на спине фиксировалось максимальное изменение амплитуды сигнала с электромагнитного сейсмического датчика.
4.4 Для достижения цели согласно п.1.4 опытный образец УМФПЧ устанавливался на волонтерах поверх легкой верхней одежды в прекардиальной области грудной клетки. В комнатных условиях измерялось значение амплитуды сигнала с электромагнитного сейсмического датчика для каждого волонтера в положении лежа на спине. Далее измерения проводились на полигоне в зимнее время года при отрицательных температурах окружающей среды, при этом на протяжении 20 минут фиксировалось максимальное изменение амплитуды сигнала с электромагнитного сейсмического датчика относительно измерений в комнатных условиях.
4.5 Для достижения цели согласно п.1.5 оценивались время, затрачиваемое на установку на тело опытного образца УМФПЧ поверх легкой одежды под зимнюю верхнюю одежду в прекардиальной области грудной клетки с помощью нагрудных ремней, и наличие дискомфорта при ношении на теле в течение 20 минут.
5 МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
5.1 Весы общего назначения ВР-04 №039060
5.2 Штангель-циркуль №41904
5.3 Осциллограф DS05052A №МУ48260101
5.4 Секундомер
5.5 ПЭВМ uK 8690 №13408750
6 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИИ
3
6.1 Масса опытного образца УМФПЧ m=200 г. Габаритные размеры опытного образца УМФПЧ: длина l=120 мм, w=80 мм высота h=25 мм, объем V=240 см.
6.2 При комнатных условиях и при отрицательных температурах окружающей среды на протяжении 20 минут с помощью опытного образца УМФПЧ, для каждого волонтера фиксировались температура и ориентация в пространстве устройства, отражающие температуру в прекардиальной области грудной клетки и ориентацию в пространстве верхней части тела.
6.3 Результаты измерений по п.4.3 приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Исследование работы опытного образца УМФПЧ после ударов тела, вызываемых ритмичными функциональными нагрузками.
Изменение амплитуды сигнала, дБ
Волонтер №1
Волонтер №2
Волонтер №3
Волонтер №4
До функциональной нагрузки нагр.
0
0
0
0
После 1-ой функциональной нагрузки
0
+0,1
+0,2
-0,1
После 2-ой функциональной нагрузки
-0,2
+0,1
+0,1
+0,2
6.4 Результаты измерений по п.4.4 приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Исследование работы опытного образца УМФПЧ при различных температурах окружающей среды
Температура окружающей среды, °С
Изменение амплитуды сигнала, дБ
Волонтер №1
Волонтер №2
Волонтер №3
Волонтер №4
20
0
0
0
0
-4
+0,4
+0,8
-0,2
+0,2
-13
-0,8
-0,8
-0,2
0
6.5 Результаты измерений по п.4.5 приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Исследование удобства установки опытного образца УМФПЧ на тело
№ п/п
Время установки, с
Волонтер №1
24
Волонтер №2
41
Волонтер №3
35
Волонтер №4
29
В результате эксплуатации опытного образца УМФПЧ на теле под верхней одеждой в течение 20 минут ни у одного из волонтеров не было обнаружено травм поверхностных тканей в прекардиальной области грудной клетки.
7 ВЫВОДЫ
7.1 Конструкция опытного образца УМФПЧ обладает небольшими массой и габаритами.
7.2 Опытный образец УМФПЧ позволяет регистрировать температуру и ориентацию в пространстве тела.
7.3 Опытный образец УМФПЧ позволяет регистрировать механические проявления деятельности сердца после ударов тела, вызываемых ритмичными функциональными нагрузками.
7.4 Опытный образец УМФПЧ позволяет регистрировать механические проявления деятельности сердца в виде сердечных толчков с переохлажденных участков поверхностных тканей тела человека при отрицательных температурах окружающей среды и наличии.
7.5 Конструкция позволяет быстро установить устройство под верхнюю одежду и не вызывает травмирование поверхностных тканей в месте крепления опытного образца УМФПЧ на теле.