Комплекс для синхронной регистрации физиологических параметров пациента и его положения в трёхмерном пространстве при динамических постуральных воздействиях
COMPLEX FOR SYNCHRONOUS REGISTRATION OF PATIENT'S PHYSIOLOGICAL PARAMETERS AND ITS POSITION IN THREE-DIMENSIONAL SPACE WITH DYNAMIC POSTURAL EFFECTS

Комплекс относится к медицинской технике, используемой в профилактической медицине, терапии, физиологии и валеологии. Он применим как в профилактической медицине и диагностике, так и для психофизиологической коррекции функционального состояния с использованием биологической обратной связи - кардиореспираторный тренинг.
При перемещениях пациента, пассивно расположенного на ложе, в пространстве создаются уникальные условия изменения и коррекции его гемодинамики, происходит улучшение кровоснабжения тканей. С помощью таких постуральных воздействий (ПВ) на организм пациента может быть оказано влияние, часто недостижимое другими средствами [Sheriff D.D., Nadland I-H., Toska K. Hemodynamic consequences of rapid changes in posture in humans // J. Appl. Physiol. 103: 452-458, 2007].
Постуральные воздействия целенаправленно влияют на центральную нервную систему, способствуют нормализации симпато-вагального баланса автономной нервной системы. Гемодинамические реакции на ортостатические и антиортостатические ПВ связаны также со значительным перераспределением крови в организме. Смена пассивных орто- и антиортостатических воздействий приводит к поочередному депонированию крови в сосудах нижней и верхней частей тела, сопровождающемуся вазоконстрикторными и вазодилятаторными сосудистыми реакциями [Морман Д., Хеллер Л. Физиология сердечно-сосудистой системы. - СПб: Издательство «Питер», 2000. (Серия «Физиология»); Гайтон А.К., Холл Дж.Э. Медицинская физиология / Пер. с англ. под ред. В.И. Кобрина. - М.: Логосфера, 2008. - 1296 с.]. Таким образом, возникает эффект тренировки сосудистого тонуса. Последовательно повторяющиеся и противоположно направленные ПВ оказывают периодическое влияние на резистивную, емкостную и обменную функцию сосудов. Благодаря этому при использовании пассивных динамических ПВ, т.е. воздействий с поочередной сменой ортостатических и антиортостатических положений пациента можно достигать положительных физиологических реакций его организма. Очевидно, что их выраженность зависит от траектории перемещения (углов наклона к горизонтальной плоскости, частоты колебаний, угловой скорости и продолжительности действия ПВ).
Известно устройство, предназначенное для лечения и профилактики заболеваний неврологического, кардиологического и терапевтического профилей» [патент РФ №2545444, дата приоритета 13.12.2013], представляющее собой горизонтально расположенный инверсионный стол, обеспечивающий возможность постепенного понижения головной части стола до достижения заданного угла наклона. Фиксация пациента осуществляется при помощи мягкого фиксирующего устройства за таз. Инверсионный стол состоит из опорного элемента с двумя двигателями, приводами, размещающимися внутри опорного элемента, блока управления и столешницы с бортами, опирающейся на металлическую опору через шарниры. Однако в упомянутом техническом средстве не предусмотрены возможности «инструментальной» оценки состояния пациентов, отсутствует объективный непрерывный контроль за перемещением и положением (координатами) тела пациента в пространстве, с которыми можно сопоставлять данные объективного физиологического контроля состояния в режиме реального времени.
Контроль физиологических характеристик пациента в статическом положении лежа на специальном матрасе описан в [System and process for non-invasive collection and analysis of physiological signals // US Patent US 7396331 B2 - 2008]. Для мониторинга и анализа физиологических параметров использованы встроенные в конструкцию матраса датчики (сенсоры) температуры, углекислого газа, влажности, света, движения, электромагнитные и вибрационные датчики. Система и способ предназначены для анализа характера сна, апноэ, а также для предотвращения пролежней. При этом физиологический контроль состояния кардиоваскулярной системы в описанном устройстве не предусмотрен.
Устройство для косвенной оценки жестов, позы или движения части тела человека описано в [Method and apparatus for sensing body gesture, posture and movement // US Patent US 6984208 B2. - 2006]. Устройство включает в себя ультразвуковой передатчик и приемник, процессор сигналов и процессор для хранения справочной информации для определения информации о жесте, положении или движении части тела. Физиологический контроль состояния человека в этом устройстве также не предусмотрен.
Известны технические средства тренировки, способствующие выполнению должного движения во время физической активности [Training and safety device, system and method to aid in proper movement during physical activity // US Patent US 6059576. - 2000]. В системе используется электронное устройство, которое отслеживает и контролирует движение человека с помощью акселерометра, способного измерять параметры движения человека. В устройстве имеются: программируемый пользователем микропроцессор, который принимает, интерпретирует, хранит данные, относящиеся к параметрам движения. Устройство можно носить в различных положениях вдоль туловища, при этом определяется скорость движений во время ношения устройства. Однако и в этом устройстве физиологический контроль состояния кардиоваскулярной системы во время движения в устройстве и способе не предусмотрен.
Известно также устройство, позволяющее перемещать пациента по сложной траектории в трехмерном пространстве и оказывающее на него пассивное постуральное воздействие [Механургический стол для массажа и мануальной терапии // Патент РФ 2391084. - 2010]. В состав устройства входят: основание, лежак, устройство соединения лежака с основанием, средство крепления пациента к лежаку, механизм вертикального подъема лежака, механизм изменения углового положения лежака относительно горизонтальной оси, механизм поворота лежака вокруг вертикальной оси.
Очевидно, что кроме массажа и мануальной терапии сложные динамические постуральные воздействия (ПВ), обеспечиваемые указанным устройством, целесообразно использовать для реабилитации и тренировки кардиоваскулярной системы, коррекции гемодинамики, диагностики состояния благодаря увеличению системного и органного кровотока, а также росту интенсивности транскапиллярного перемещения жидкости. Реакции на сложные постуральные воздействия способны вызывать долговременный тренирующий эффект. Все это способствует лучшему выполнению одной из главных задач системы кровообращения - ее транспортной (обменной) функции.
Недостатком данного описываемого устройства является отсутствие электронных устройств контроля физиологических функций пациента, автоматического контроля положения его тела при перемещении в трехмерном пространстве в режиме реального времени, контроля угла наклона стола в сторону орто- или антиортостаза по отношению к горизонтальной плоскости, соответственно отсутствует возможность принятия решения о временной остановке или прекращении постурального воздействия на пациента при выходе его физиологических параметров за пределы физиологической нормы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению прототипом является компьютеризированная система для пассивно-динамической ориентации организма человека [Т.В. Сергеев, Н.Б. Суворов, П.И. Толкачев. Влияние сложных постуральных нагрузок на сердечный ритм человека // Клин, информатика и телемедицина, - 2015. - Т. 11. - Вып. 12. - С. 50-56].
Прототип включает в себя механургический стол, обеспечивающий динамическую ориентацию человека с различной скоростью относительно трех ортогональных осей [Механургический стол для массажа и мануальной терапии // Патент РФ 2391084. - 2010], а также аппаратно-программный комплекс для регистрации и отображения в режиме реального времени электрокардиограмм, кардиоритмограмм, положения ложа в трехмерном пространстве и расчета показателей вариаций сердечного ритма [Suvorov N.B., Tolkachev P.I., Sergeev T.V, Belov A.V., Anisimov A.A., Pulikov D.G. Hardware and software for transient studies in cardiovascular system during antiorthostatic tests, Proc. Conf. X the Russian-German conference on Biomedical engineering, June 2014, pp. 196-198.]. Прототип имеет возможность одновременной регистрации и обработки данных как о положении ложа в трех координатах, а значит и пациента, так и о биоэлектрической активности его сердца, позволяя таким образом осуществлять непрерывный контроль положения и состояния сердечно-сосудистой системы пациента во время постуральных воздействий, а также анализировать вызванные ими переходные процессы в сердечном ритме.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности принятия решения об автоматическом прекращении постурального воздействия на пациента при выходе его физиологических параметров за пределы физиологической нормы.
Если иметь в виду более широкий диапазон применения постуральных воздействий, то указанный недостаток становится решающим при использовании ПВ в целях реабилитации, диагностики, тренировки кардиоваскулярной системы.
Задачей изобретения является комплексный в режиме реального времени физиологический контроль состояния пациента, синхронизированный с положением его тела (координатами) в трехмерном пространстве в реальном времени. Такой контроль повышает безопасность во время лечебных и реабилитационных процедур, проводимых с использованием известной компьютеризированной системы для пассивно-динамической ориентации организма пациента, и позволяет своевременно принять автоматическое или обоснованное врачом решение о временной остановке или прекращении постурального воздействия на пациента с возвратом его в исходное горизонтальное положение.
В заявляемом комплексе технический результат достигается за счет введения в его структурную схему узлов и блоков, реализующих непрерывный физиологический контроль функционального состояния пациента в зависимости от его положения в трехмерном пространстве, что обеспечивает:
- принятие решения об автоматическом прекращении процедуры постурального воздействия на пациента на основе сравнения текущих значений физиологических параметров пациента с их нормативными значениями и положения его в пространстве;
- формирование и передачу сигнала о прекращении процедуры воздействия на пациента в систему управления механургического стола с минимальной задержкой.
Эти дополнительные возможности устраняют указанный недостаток прототипа.
Структурная схема комплекса приведена на фиг. 1, где
1 - механургический стол по патенту RU 2391084;
2 - врач;
3 - пациент;
4 - узел аппаратно-программного комплекса регистрации физиологических параметров пациента и положения его в пространстве, включающий в себя:
5 - усилитель электрокардиосигналов пациента с соответствующими датчиками;
6 - блок акселерометра и контроля угла наклона лежака к горизонтальной плоскости;
7 - блок предварительной обработки электрокардиосигналов и данных о положении пациента в пространстве и угле наклона лежака;
8 - узел контроля физиологического состояния пациента и принятия решения об остановке или прекращении процедуры постуральных воздействий, включающий:
9 - блок передачи данных по радиоканалу;
10 - блок приема сигнала радиоканала;
11- блок анализа и формирования текущих физиологических параметров пациента;
12 - персональный компьютер отображения результатов исследования;
13 - блок запоминающего устройства для хранения параметров пациента, динамической базы индивидуальных данных его состояний во время постуральных воздействий и базы нормативных физиологических параметров;
14 - блок автоматического принятия решения о прекращении ПВ и возврата стола в исходное горизонтальное положение;
15 - блок формирования управляющих сигналов остановки механургического стола;
16 - компьютер управления движениями и остановки механургического стола.
На фиг. 2 представлено изображение экрана монитора, отображающее синхронную регистрацию кардиоритмограммы пациента и его положения в пространстве, где 17 -кардиоритмограммы пациента, 18,19, 20 - графики колебаний механургического стола, на ложе которого находится пациент, относительно трех осей.
На фиг. 3 представлена таблица основных параметров вариабельности сердечного ритма, гемодинамики, вегетативного баланса, спектральных составляющих кардиоритмограммы, регистрируемых комплексом, и график колебаний ложа 21 в условных единицах по ординате.
Комплекс для синхронной регистрации физиологических параметров пациента работает следующим образом.
Узел аппаратно-программного комплекса 4 регистрации физиологических параметров пациента и положения его в пространстве расположен на головном торце ложа, датчики электрокардиосигнала фиксируют на груди пациента 1, находящегося на ложе механургического стола 3. До проведения пробы с постуральным воздействием регистрируют данные об исходном состоянии пациента, находящегося в течение 5-10 минут в горизонтальном положении и фиксированного средствами крепления на ложе стола 1. В узел аппаратно-программного комплекса 4 поступают сигналы от всех датчиков. Электрокардиосигналы от датчиков, расположенных на пациенте 3, поступают в блок усилителей электрокардиосигналов 5, а от датчиков положения пациента в пространстве - в блок акселерометра и угла наклона лежака к горизонтальной плоскости 6.
На фиг. 2 приведены графики сигналов 18, 19, 20 с блока 6 и сигнала 17 с блока 5, которые передаются в блок предварительной обработки сигналов 7. Сигналы с выхода блока 7 через блок передачи данных по радиоканалу 9 поступают в узел контроля физиологического состояния пациента 8, включающего также блок приема сигнала радиоканала 10, который соединен с блоком анализа и формирования текущих физиологических параметров пациента 11, один из выходов которого соединен с входом персонального компьютера 12 для синхронного отображения результатов исследования постуральных воздействий (пример отображения результатов обработки приведен на фиг. 2 и 3), отражающих состояние пациента в каждый момент времени и информирующих об этом врача 2 для принятия решения, второй выход соединен со входом блока запоминающего устройства 13, в котором формируется и накапливается база множества физиологических результатов всех проведенных ПВ всех пациентов, с третьего выхода блока 11 на первый вход блока 14 поступает сигнал о текущих значений физиологических параметров конкретного пациента и его положения в пространстве, где происходит их сравнение с нормативными физиологическими параметрами пациента, поступающими на его второй вход с выхода блока 13, на основе результатов этого сравнения в блоке 14 принимается решение об автоматическом прекращении ПВ и возвращении в исходное горизонтальное положение, а также подается соответствующий сигнал на вход блока 15, формирующего управляющие сигналы остановки механургического стола 1, с возвращением ложа в исходное горизонтальное положение и прекращением ПВ. Кроме того врач 2 вносит необходимые данные о пациенте на запоминающее устройство 13. При этом сохранена возможность принятия врачом решения о полном прекращении ПВ путем непосредственного воздействия на стол 1 через компьютер управления движениями и остановки механургического стола 16 и приведения ложа в исходное горизонтальное положение.
Предлагаемый комплекс дает возможность предварительной диагностики состояния кардиоваскулярной системы на основании результатов, автоматически записанных в реальном времени в блок динамической многомерной базы индивидуальных данных состояний пациента.
Это позволяет существенно расширить область применения и эффективность ПВ за счет компоновки узлов, электронных блоков и связей между ними, которые в реальном времени обеспечивают автоматический непрерывный контроль функционального состояния, не допускающий ни при каких условиях выход состояния пациента за пределы физиологической нормы, а также статистический и спектральный анализ физиологических функций пациента (всего более 30 измеряемых и расчетных показателей). С помощью комплекса организуется воздействие на биоритмологически значимые для конкретного индивида активационные и тормозные механизмы саморегуляции при орто- и антиортостатических воздействиях.
Использование сведений, представленных в материалах заявки, дает возможность придти к заключению, что предлагаемый комплекс для регистрации физиологических параметров пациента и траектории его перемещения в трехмерном пространстве при сложных динамических постуральных воздействиях может быть практически реализован в любых современных учреждениях по разработке медицинской техники, что характеризует предлагаемый комплекс как повсеместно широко применимый.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что технический эффект предлагаемого комплекса достоверен, результаты его использования лишь в малой степени зависят от квалификации обслуживающего персонала и личных качеств пациента (уровень внимания, образования, эмоциональности, мотивации, адаптации, профессия, пол, возраст и т.п.).
Многофакторный характер влияния динамических ПВ на гемодинамику человека, возможность изменения интенсивности этого влияния за счет варьирования углов, скорости, ускорений, длительности, порядка воздействий определили целесообразность исследования и практического применения комплекса в области реабилитационной и, возможно, профилактической медицины. Комплекс может быть использован для коррекции функционального состояния человека, а также для общего оздоровления, для контролируемой коррекции и тренировки вестибулярного аппарата и параметров гемодинамики, профессионального отбора и прогноза для лиц, находящихся в экстремальных условиях деятельности.