Обобщенная структура комплексов интеллектуального тренажерного воздействия на дыхательную систему

УДК 615.8:612.2, 681.518.5

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА КОМПЛЕКСОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ТРЕНАЖЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ

Н.В. Ивахно

Рассмотрены основные схемные и конструктивные решения аппаратуры интеллектуального тренажерного воздействия с учетом взаимодействия компонентов биотехнической системы «дыхательный тренажер - пациент».

Ключевые слова: дыхательный тренажер, регулируемый дроссель, контур самодиагностики, корректировка работы.

Одной из первостепенных задач отечественного и мирового здравоохранения является поиск эффективных немедикаментозных методов лечения заболеваний дыхательной системы. Поэтому возрастает значимость реабилитационных программ, компонентом которых являются дыхательные упражнения, реализуемые с помощью специальной аппаратуры - дыхательных тренажеров (ДТ), которые делятся на три основных типа: дроссельный, с водяным затвором и с кратковременным пиковым сопротивлением в начале вдоха и выдоха (релейный) [1].

Анализ показывает, что существующие модели дыхательных тренажеров не учитывают изменение состояния человека, а также процессы взаимодействия, происходящие в биотехнической системе «тренажер - пациент». Большинство медицинских показаний требует высокой точности настройки исходных параметров и синхронизации работы аппаратуры и пациента. Несоответствие этим требованиям значительно ограничивает область применения дыхательных тренажеров в спортивной и лечебно-профилактической медицине.

Также, в процессе функционирования с человеком, комплексы тренажерного воздействия должны обеспечивать своевременную оценку и корректировку работы основных составляющих блоков тренажера, отказоустойчивость функционирования с сохранением и восстановлением способности к выполнению основных функции в требуемом объеме в течение заданной наработки при наличии определенного количества отказов, что обеспечивает исключение возможности появления баротравмы пациента и негативного воздействия на дыхательную систему.

В результате анализа медицинских и технических требований, установлены закономерности построения дыхательных тренажеров [2], схемные решения которых с учетом взаимодействия компонентов биотехнической системы «дыхательный тренажер - пациент» представлены на рисунке в виде обобщенной структурно-функциональной схемы.

Для выбора оптимальной нагрузки на дыхательную мускулатуру пациент дышит через тренажер, работающий в различных режимах. В процессе дыхания через регулируемый дроссель дыхательной трубки, соединенной с загубником, датчиками давления измеряется давление в полости дыхательной трубки Р@), которое через блок аналоговой обработки сигналов передается в устройство управления.

Обобщенная структурно-функциональная схема комплексов интеллектуального тренажерного воздействия

В результате анализа кривой давления происходит определение параметров дыхания и состояния дыхательной мускулатуры (время вдоха 1вд., выдоха 1выд, угол наклона кривой давления а, частота дыхания /), на основании чего, с использованием методов распознавания, происходит автоматическое формирование типа тренирующего воздействия, начальные условия которого корректируются врачом (оператором) в зависимости от задачи. Одновременно происходит настройка входных параметров обнаружения (амплитуда полезного сигнала а8, дисперсия о2 и среднее значения шума а0) для реализации модели обработки сигнала с целью своевременного распознавания дыхательной активности и обеспечения высокой степени синхронизации дыхания и тренажера [3]. С использованием указанных входных данных происходит формирование управляющего воздействия на исполнительное устройство, осуществляющее изменение площади отверстия регулируемого дросселя по заданному закону с учетом индиви-

дуального состояния пациента.

В дыхательные тренажеры всех типов воздействия должен обязательно включаться контур самодиагностики, который необходим для обеспечения своевременной оценки и корректировки работы основных составляющих блоков тренажера [4].

Разработанная модель процесса диагностирования, определяющая необходимое и достаточное условие для оценки текущего технического состояния элементов или подсистем образца (без учета ошибок различного рода), в общем виде записывается как: к N т р(с1)р(с1/ Ау]) N

I I Р

2=11=1 ]=1 р\С1) 7=1

гдер(с¡)- априорная вероятность появления с^ -го состояния объекта (/ = ); N - число возможных состояний; р(Аyj / с^) - вероятность появления значения параметра в Ау^ -ом интервале при условии, что объект находится в сI -ом состоянии; к - число точек съема диагностической информации; т - число диагностических подинтервалов возможных значений параметра у; р(с¡/ Аyj) - вероятность нахождения объекта в с} состоянии при условии, что параметр у принял одно из значений интервала Ауj .

В частном случае, когда условие (1) выполняется, т.е. полученная информация ¡к полностью снимает априори существовавшую неопределенность Н(с) (на практике это соответствует условиям, когда отказы явные или по всем неисправностям имеется полная исходная диагностическая информация Н( с) = ¡к), задача диагностирования будет решена однозначно. Однако в общем случае, когда ¡к < Н(с), в результате обработки информации, «снимаемой» с соответствующих точек, локализованная область блоков будет включать, кроме отказавших, и исправные элементы. Следовательно, решить задачу оценки реального технического состояния и определения области отказа без дополнительных проверок элементов структуры объекта технического диагностирования - тренажера дыхательной мускулатуры с разборкой отдельных подсистем не представляется возможным. В этом случае выход состоит в последовательном поэтапном снятии неопределенности состояния отказавшего объекта [5]. Для этого разработана структурно-логическая схема процесса выработки решения на проведение контрольно-проверочных операций с использованием диагностической информации, оценку количества которой формализует разработанная модель. Результаты практической реализации модели при разработке диагностических структур подсистем интеллектуальных тренажеров дыхательной мускулатуры показывают, что построенная модель адекватно и с контролируемой точностью отображает информацион-

ную сущность процесса диагностирования.

В данной структуре контур самодиагностики реализует защиту исполнительного устройства от перегрузки, анализируя температуру (t) и ток (I) электродвигателя в его составе, и позволяет экстраполировать отказ, осуществляя корректировку управляющего воздействия. Одновременно происходит анализ давления в дыхательной трубке при функционировании, как в дроссельном режиме, так и в пиковом, что предотвращает возможность появления баротравмы. Блок оценки питания опережающего оповещения, аппаратно представленный преобразователями напряжения и компараторами, а также часами реального времени, позволяет спрогнозировать снижение или сбой уровня питающего напряжения, своевременно сохранить текущие данные и обеспечить перезапуск и восстановление системы.

Рассмотренная структура позволяет реализовывать интеллектуальное сочетание двух типов воздействия дыхательных тренажеров - дроссельного и пикового с учетом изменения индивидуального состояния пациента и высокой степенью синхронизации взаимодействия, обладает повышенной надежностью и безопасностью за счет введения контура самодиагностики и может быть использована как основа комплексов тренажерного воздействия для повышения эффективности подготовки спортсменов, а также проведения лечебно-профилактических и реабилитационных мероприятий.

Список литературы

1. Федоров С.Ю., Цкипури Ю.И., Хадарцев В.А. Тренировка дыхательной аппаратуры // Вестник новых медицинских технологий. Тула: 2009. Т.ХУ1. С.154 -156.

2. Патент РФ 115668 на полезную модель. МПК А61М 16/00 Дыхательный тренажер. Н.В. Ивахно, О.В. Меркулова Опубл. 10.05.2012 Бюл. №13

3. Ивахно Н.В. Использование сглаживающих сплайнов при обработке сигналов биотехнической системы «тренажер дыхательной мускулатуры - пациент». // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. С. 98-101.

4. Ivakhno N. У. An automated complex for respiratory apparatus training. 4th Russian-Bavarian Conference of Biomedical Engineering - Moscow, 2008, p.229-232

5. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения.

Ивахно Наталия Валериевна, канд. техн. наук, доц., natalia iv a list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

GENERALIZED STRUCTURE OF THE COMPLEX INTELLECTUAL TRAINING OF

RESPIRATORY EFFECTS

N. V. Ivakhno

The basic circuit design solutions and intellectual fitness equipment, taking into account the impact of the interaction of components biotechnical system "breathing simulator -the patient."

Key words: breathing simulator, adjustable throttle, contour self, the adjustment

work.

Ivakhno Natalia Valerievna, candidat of technical science, docent, nata-lia_iv@list.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 681.518.3

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА В МАЛОГАБАРИТНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ

В.С. Ивахно С. А. Войтицкий

Рассмотрен пример реализации цифровой системы компенсационной типа цифрового преобразователя угла для двухотсчетного датчика углового положения антенны малогабаритной РЛС. Выполнено моделирование и синтез цифровой системы аналого-цифрового преобразователя угла на основе DSP-микроконтроллера.

Ключевые слова: синусно-косинусный датчик угла, система компенсации, цифровая система управления.

До последнего времени для осуществления перемещения луча антенны в малогабаритных РЛС применялось перемещение антенны с помощью антенного привода, к которому предъявлялись высокие требования к динамическим и точностным перемещениям. В настоящее время в малогабаритных РЛС широкое применение получило электронное сканирование луча антенны, что позволяет избежать высоких требований к приводу антенны и обладает большой гибкостью. Общеизвестно, что в точности определении азимутальных координат объекта значительную роль играет точность определения азимута биссектрисы поиска малогабаритной РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР) на которую действуют дестабилизирующие факторы. Это обстоятельство позволяет считать, что для достижения поставленной цели и обеспечения высокой точности определения координат объекта при снижении требований к приводу ФАР к цифровому преобразователю угла, построенному по принципу "угол-параметр-код" на