6
1
ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова
Портативная система сбора данных о здоровье человека
Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация
по направлению 11.04.04 Электроника и наноэлектроника
студента образовательной программы магистратуры
«Материалы. Приборы. Нанотехнологии»
Орлов Дмитрий Геннадьевич
Студент
Рецензент
к.т.н, доцент МИЭМ
И. А. Иванов
Научный руководитель
к. ф.-м. н., доцент МИЭМ Р. В. Ожегов
Москва 2020
Аннотация
В данной выпускной квалификационной работе выполнена разработка портативного устройства для мониторинга сердечно-сосудистых заболеваний посредством анализа электрокардиограммы и фотоплетизмограммы. Рассмотрены основы теории измерения электрокардиограммы и фотоплетизмограммы, исследованы проблемы, связанные с измерением биологических параметров сердечно-сосудистой системы, и предложены методы их решения. Производен выбор датчиков и сопутствующих электронных компонентов для построения полностью функционирующей системы сбора биоданных. Проанализированы результаты измерения в математической среде МATLAB.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, 3 основных разделов, заключения, приложения, выполнена на 60 страницах, содержит 29 рисунков, 2 таблицы, перечень литературы из 29 наименований.
Abstract
In thisgraduation work, a portable device for monitoring cardiovascular diseases was developed by analyzing an electrocardiogram and a photoplethysmogram. The basics of the theory of measurement of electrocardiogram and photoplethysmogram are considered, problems related to the measurement of biological parameters of the cardiovascular system are investigated, and methods for their solution are proposed. A selection of sensors and related electronic components is made to build a fully functioning biodata collection system. The results of measurement in the MATLAB mathematical environment are analyzed.
The graduation workconsists of an introduction, 3 main sections, conclusions, appendices, made on 60 pages, contains 29 figures, 2 tables, a list of literature of 29 titles.
Оглавление
Введение
1 Общие сведения о сердечно-сосудистой системе
1.1 Заболевания сердечно-сосудистой системы
1.2 Диагностика заболеваний сердечно-сосудистой системы
1.3 Методики исследования состояния сердечно-сосудистой системы
1.3.1 Запись ЭКГ
1.3.2 Запись фотоплетизмограммы
1.3.3 Измерение ЧСС и SpO2
1.3.4 Измерение артериального давления
1.4 Обоснование необходимости дистанционного мониторинга здоровья
1.5 Выводы к главе
2 Разработка портативного устройства
2.1 Описание типовой схемы портативного устройства
2.2 Описание типовых схем измерения ЭКГ и ФПГ
2.3 Выбор электронно-компонентой базы
2.3.1 Датчик ЭКГ и ФПГ
2.3.2 Выбор контроллера системы управления
2.3.3 Выбор системы питания портативного устройства
2.4 Алгоритм работы устройства
2.5 Выводы к главе
3 Математическое моделирование расчетов параметров здоровья
3.1 Запись ЭКГ и ФПГ с использованием отладочной платы
3.2 Расчет и анализ данных в пакете MATLAB
3.3 Выводы к главе
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Согласно исследованиям всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной инвалидности и смертности во всем мире[1]. По меньшей мере 17 млн людейкаждый год умирают от заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой(ССС). А ВОЗ сообщается, что 80 % случаев преждевременных инфарктов и инсультов может быть предотвращено.
Однако лечение пациентов с ССЗ начинается после появления явных симптомов, что приводит к усложнению процесса выздоровления. По мимо этого людям, имеющим хронические заболевания также необходим контроль за параметрами своего здоровья.Решением данных проблем может быть осуществление медицинской помощи на расстоянии. Этим вопросом занимается телемедицина, под которой подразумевается использование телекоммуникационных и информационных технологий для диагностики и осуществления клинической медицинской помощи на расстоянии[3,4]. Для предоставления медицинских услуг используются современные технологии такие как консультации по видеоконференцсвязи и обследование при помощи портативных устройств. Применение данных технологий поспособствует устранению дистанционных барьеров и расширить доступ к медицинским услугам, которые не могут быть доступны на постоянной основе в удаленных и труднодоступных местностях. Использование портативного устройства для удаленного мониторинга здоровья позволит своевременно контролировать процесс протекания заболевания, предотвратить нежелательное развитие и, при необходимости, вызвать необходимую помощь.
В настоящее время многие производители полупроводниковой электроники занимаются разработкой специализированных микросхем для применения в портативных устройствах. Развитие принципиально новых интегральных технологий, позволяющих улучшить характеристики энергопотребления, точность измерений и минитюаризоровать электроннные компонентыспособствует расширенею области примененения подобных устройств. Одной из таких наиболее активно развивающихся сфер является медицина. К данным системам предъявляются достаточно жесткие требования, главными из которых являются точность измерения характеристик, срок службы и, соответственно, стоимость самого прибора.
Также немаловажным для данных систем телемедицинских технологий является производительность и объемы хранения и передачи биомедицинской информации. Персональные устройства должны взаимодействовать со смартфоном пациента, сохранять большее количество данных и иметь большую пропускную способность. Для того чтобы справиться с растущим количеством биоданных, необходимо применять оптимальные методы сжатия данных и улучшенные алгоритмы их обработки.
Объектом исследования данной работы заключается изучение принципов и методик выявления сердечно-сосудистых заболевания.
Предметом исследования в работе является создание подходящих для применения в портативных устройствах способов диагностики здоровья, пригодных для анализа работы сердечно-сосудистой системы.
Целью данной работы является разработка устройства исследования состояния сердечно-сосудистой системы человека и алгоритмов его работы.
Задачами исследовательской работы являются:
1. Исследование методов диагностики ССС.
2. Разработка алгоритмов исследования состояния ССС, подходящих к применению в портативных устройствах.
3. Разработка портативного устройства для мониторинга здоровья и выбор электронно-компонентной базы.
4. Анализ полученных характеристик и предложение способов их улучшения.
Резюмируя вышесказанное, актуальность данной работы заключается в необходимости разработки портативных устройств мониторинга состояния здоровья человека для облегчения диагностики и контроля заболеваний сердца и сосудов, а также предотвращения их развития.
Проблемами производства подобных устройств являются трудоёмкость в достижение необходимой точности измерения и разработке алгоритмов, позволяющих определить возникающие отклонения в здоровье.
В первой главе рассматриваются особенности работы сердечно-сосудистой системы, методы диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, а также проблемы в их исследовании. Во второй главе описывается вопрос разработки портативных систем мониторинга и производится выбор электронно-компонентной базы. В третьей главе производится анализ работы выбранного датчика и анализируется пригодность разработанных алгоритмов.
портативное устройство биологические параметры электрокардиограмма
1 Общие сведения о сердечно-сосудистой системе
1.1 Заболевания сердечно-сосудистой системы
Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) - это группа болезней сердца и кровеносных сосудов, в которую входят следующие [1]:
· кардиомиопатии.
· ишемическая болезнь сердца (инфаркт);
· нарушения мозгового кровообращения (инсульт);
· гипертония (высокое кровяное давление);
· сердечная недостаточность;
· ревматические заболевания сердца;
· врожденные пороки сердца;
· заболевания периферических сосудов;
Наличии сердечно-сосудистых заболеваний у человека может проявляться в следующих симптомах:
· Одышка;
· Утомляемость;
· Обморок;
· Определенные типы боли (боль в груди, головные боли и т.д.);
· Ощущение сердцебиения (ощущение медленных, быстрых или нерегулярных сердечных сокращений);
· Предобморочное состояние (головокружение или предобморочное состояние при вставании);
· Опухание ног, лодыжек или стоп.
Данные симптомы имеют выраженный характер, однако они не являться характерными только для заболеваний сердечно-сосудистой системы.
Первые симптомы наличия отклонений в здоровье чаще всего не заметны для человека и не вызывают недомогания. Для их выявления необходимо проводить исследования инструментальными методами при помощи специализированного медицинского оборудования под наблюдением квалифицированных специалистов. К данным симптомам можно отнести следующие:
· Аритмия;
· Гипоксия;
Аритмия является одним из главных симптомов наличия ССЗ. Она заключается в нарушении частоты, ритмичности и последовательности сердцебиения, которая может выражаться в ускорении частоты сердечных сокращений(тахикардия) или наоборот в замедлении (брадикардия). В результате нарушения функционирования работы сердечно-сосудистой системы может возникнуть гипоксия - пониженное содержание кислорода в тканях и органах, вследствие чего человек может испытывать слабость вплоть до обморока.
Основными причинами развития сердечно-сосудистых заболеваний являются употребление табака, отсутствие физической активности и нездоровое питание.
1.2Диагностика заболеванийсердечно-сосудистой системы
Современные методы диагностики заболеваний можно разделить на две категории - объективные и инструментальные. Под объективными методами подразумевается медицинское обследование, проводимое специалистом непосредственно при личном контакте с пациентом.
Для выявления причин недомогания пациента, связанных с сердечно-сосудистой системой, применяется следующие объективные методы обследования:
· Измерение артериального давления.
· Перкуссия;
· Аускультация;
· Пальпация;
Последние три метода подразумевают прямого участия лечащего врача в исследовании здоровья пациента. Измерение артериального давления возможно при использовании мобильных автоматических тонометров, не прибегая к помощи специалиста.
К инструментальным методам тестирования можно отнести следующие:
· Электрокардиограмма (ЭКГ);
· Холтер-мониторинг;
· Тредмил-тест;
· Велоэргометрия;
· Ультразвуковое исследование(эхокардия);
· Магниторезонансная томография;
· Рентгенологическое исследование;
· Электрофизиологическое исследование;
· Диагностика при помощи радиоизотопов.
Также существуют методы диагностики, являющиеся комбинацией вышеупомянутых способов, а также специфически подобранных индивидуально для каждого пациента (например измерение содержания кислорода в крови методом пульсоксиметрии).
Обследование пациента начинается с первичного осмотра, в ходе которого и применяются объективные методы для выявления предположительных причин недомогания и постановки предварительного диагноза [3]. Далее применяются более узконаправленные методы для детализирования особенностей отклонения параметров здоровья.
В результате первичного обследования можно определить симптомы на раннем этапе развития ССЗ и предотвратить возможные осложнения.
Основным и самым информативным на начальном этапе диагностики здоровья являются регистрация ЭКГ и измерение артериального давления. Обследование может проводиться приусловии, что пациентнаходится в состоянии покоя, так и при физической нагрузке (например при велоэргометрии). В последствии, при необходимости, может проводитьсяхолтеровское мониторирование, которое заключается в записи ЭКГв течение продолжительногоотрезка времени (обычно около суток). По форме сигнала ЭКГ можно делать предположения о наличии тех или иных ССЗ, выбирать дальнейший курс исследования и оценивать эффективность проводимого лечения.