Дипломная работа: Портативная система сбора данных о здоровье человека

Рисунок6 - Типовая диаграмма изменения артериального давления

Помимо колебаний, связанных непосредственно деятельностью ССС, в спектре значений АД могут быть выявлены низкочастотный колебания, которые отражают[10]:

· колебания с частотой 0.2 - 0.35 Гц - частота при нормальной дыхательной активности;

· колебания с частотой 0.1 - 0.15 Гц - частота, связанная с симпатической модуляцией сосудистого тонуса(упругость стенок сосудов).

С физиологической точки зрения на АД в основном влияют четыре фактора:

· артериальная ригидность,

· сердечный выброс,

· периферическое сопротивление;

· объем крови.

На значение артериального давления также могут влиять эмоциональное состояние(наличие внешних раздражителей, стресс), физические нагрузки и пр. [11,16].

Артериальное давление имеет прогностическое значение для ССЗ, поэтому непрерывное измерение АД имеет важное значение для ранней профилактики, выявления, оценки и лечения различных ССЗ [12].

Методы измерения АД делятся на два типа: инвазивные и неинвазивные.

Для измерения АД портативными устройствами используются неинвазивные методы:

· аускультация артерии методом тонов Короткова;

· осциллографический метод регистрации,основанный на анализе пульсаций давления;

Однако данные способы измерения АД предполагают наличие сдавливающего манжета, который в свою очередь вносит определённые неудобства.

Недавние исследования представили перспективные методы косвенного измерения АД без манжеты, основанный на принципах фотоплетизмографии (ФПГ) [12]. Данные методы базируются на соотношениях между скоростью движения крови в сосудах и соответствующих параметрах участков ФПГ и ЭКГ, например время прохождения пульсовой волны от сердечной аорты к участку на теле, где производилось измерение ФПГ.

Главным параметром при неинвазивном методе измерения АД на основании параметров ФПГ является время прохождения пульсовой волны (ВПВ), котороеопределяется как временной интервал между R-зубцом ЭКГ и определенным значением на графике ФПГ на одном периоде сердечного цикла.

ФПГ позволяет отследить высокочастотные изменения АД, но недостаточна для отслеживания колебаний в НЧ. Для получения точных параметра артериального давления прибегают более глубокому аналаизу составляющих ФПГ, одним из которых является коэффициент интенсивности ФПГ (КИ), благодаря чему возможно отследить изменение АД в области НЧ. Для повышения точности в [13] предложен коэффициент интенсивности первой производной ФПЧ - 1^stdКИ.

На Рис. 7 представлены графики расчета ВПВ и КИ, где ВПВ определяется как временной интервал между R-зубцом ЭКГ и пиком первой производной ФПГ. КИ представляет собой отношение интенсивности пика ФПГ (I_max) к интенсивности в плато ФПГ (I_c) Аналогичным образом рассчитывается 1^st dКИ, уравнение (1).

(8)

где 1^stdКИ - значение коэффициента интенсивности первой производной ФПГ.

6

1

Рисунок7 -График анализа прохождения пульсовой волны

На рис. 8 показаны параметры для расчета коэффициента интенсивности ФПГ (КИ) -I_max(значение систолического пика ФПГ), I_с(значение постоянной составляющей ФПГ, 1^stdФПГ-первая производная ФПГ.

6

1

Рисунок8 -График первой производной ФПГ(1^stdФПГ)

С помощью ВПВ можно оценить ригидность артерий. КИ позволяет оценить периферическое сопротивление и объем крови. Следовательно, КИ и ВПВ могут косвенно фиксировать вариации АД [16].

САД рассчитывается по формуле (9)

(9)

где a, b, c - постоянные коэффициенты, откалиброванные с помощью линейной регрессии с использованием нескольких выборок ВПВ, КИ и эталонного АД.

ДАД рассчитывается по формуле (3).

(10)

где d, e, f - постоянные коэффициенты, откалиброванные с помощью линейной регрессии с использованием нескольких выборок ВПВ, КИ и эталонного АД [13].

Также в некоторых работах формулы (9) и (10) могут иметь большее числопараметров и иметь дополнительные коэффициенты при расчете АД [9,12].

1.4 Обоснование необходимости дистанционного мониторинга здоровья

Несмотря на высокий уровень развития современного здравоохранения доступность предоставления медицинских услуг варьируется в зависимости от объективных факторов и может ограничиваться даже в развитых странах. На качество и степень доступности медицинского обследования может влиять удаленность определенных учреждений здравоохранения и их загруженность, качество предоставления услуг, возможности пациентов (экономические, временные, состояние здоровья) и многое другое. Решением данных проблем, с которыми сталкиваются как развитые, так и развивающиеся страны в предоставлении доступных, экономически эффективных и высококачественных медицинских услуг, могут послужить информационные и коммуникационные технологии (ИКТ), с помощью которых можно преодолеть географические барьеры и расширить доступ качественной медицины. Это особенно полезно для сельских и удаленных местностей, которые в большей степени страдают от нехватки квалифицированного персонала медучреждений и специализированных приборов для обследования здоровья. Данным вопросом занимается отрасль науки именуемая - телемедицина. Cпомощью ИКТ дистанционно оказывается консультации медицинскими специалистами, а также проводится удаленное наблюдение за состоянием здоровья с использованием портативных медицинских приборов [4].

Однако при внедрении технологий для осуществления дистанционного консультирования и обследования могут возникнуть определенные проблемы:

· отсутствие доступа к вычислительной технике;

· некачественное соединение к интернету или его полное отсутствие;

· экономические проблемы (стоимость консультации, обследования, оборудования);

· специфичность обследования (трудоемкость его выполнения).

Соответственно организация дистанционного мониторинга должна учитывать возможности пациента для организации соответствующих медицинских программ.

1.5 Выводы к главе

Удаленный мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы может быть основан назаписи ЭКГ, ФПГ и измерение косвенных параметров (например АД).Форма сигналов и соответствующие параметры позволит определить наличие отклонений в здоровье. В качестве измеряемых параметров могут выступать:график ЭКГ и ФПГ, ЧСС, ВСР, SpO2, АД.

В качестве системы мониторинга будет выступать портативное устройство, подключенное по беспроводной связи к смартфону, благодаря чему исследование здоровья можно будет осуществлять любое время и любом месте (например, сразу после физических нагрузок) и вести круглосуточный мониторинг состояния здоровья ССС.

2 Разработка портативного устройства

2.1 Описание типовой схемы портативного устройства

Структурная схема современных портативных устройств для мониторинга здоровья человека представлено на рис. 9[18]. Основными составляющими подобных устройств являются:

· Измерительный модуль;

· Система управления устройством;

· Система питания;

· Система беспроводной передачи данных;

· Устройство вывода информации(опционально);

Рисунок9 - Типовая схема устройства

В данной схеме измерительный датчик осуществляет преобразование и фильтрацию входного измерения в электрический сигнал и производит его оцифровку. Цифровая система управления координирует работу устройства,выполняет обработку оцифрованного сигнала и передачу информацию на персональное устройство пользователя или устройство вывода, которые демонстрируют полученные результат измерений.В качестве системы управления обычно выступает микроконтроллер, а в качестве устройства вывода LCD экран. Снабжение системы энергией осуществляет система питания, которая обычно строится на базе батарейных аккумуляторови специальных драйверов для контроля заряда.

Основными требованиями, предъявляемыми кпортативнымустройствам, являются:

· Точность измеряемых характеристик;

· Массогабаритные параметры (компактность, эргономичность);

· Автономность (срок службы без подзарядки);

· Простота в использовании.

2.2 Описание типовых схем измерения ЭКГ и ФПГ

Для построенияпортативной системы мониторинга здоровья сердечно-сосудистой системы необходимо иметь информацию в виде ЭКГ и ФПГ для расчета ЧСС, сатурации кислорода в крови и значения АД.

Следовательно устройство должно иметь два датчика: датчик ЭКГ и датчик пульсоксиметрии.

Типовая структурная модель устройств, предназначенных для измерения ЭКГ приведена на рис.10 [19].

Рисунок 10 - Структурная схема устройства для измерения ЭКГ

Входной сигнал в виде разности потенциалов на электродахпоступает на вход дифференциального усилителя через RC-цепочку. Функция RC-цепочки заключается в ограничении входного тока и снижении уровня входных шумов. Иногда обходятся только наличием токоограничительного резистора. Дифференциальный усилитель позволяет увеличить значение входного сигнала до уровня, корректного для аналого-цифрового преобразования. Далее усиленный сигнал может поступать на вход дополнительной системы фильтрации, построенной на базе операционных усилителей. Однако, в связи с высокой производительностью систем управления, фильтрация осуществляется программным способом, что способствует уменьшению количества используемых электронных компонентов и упрощению схемотехнического решения.Далее отфильтрованный сигнал обрабатывается микропроцессорной системой.

Датчик пульсоксиметрии представляет из себя специализированную микросхему, в которую встроены источник монохроматического света и фотоприемник, так как их взаимное расположение играют решающую роль в измерении. Построение систем на базе дискретных компонентов является трудоемкой задачей, поэтому современные производители предлагают специализированные микросхемы для измерения биосигналов. Такие устройства называются "analogfront-end(AFE)" микросхемы, которые представляют из себя интегрированные в едином чипе аналоговые измерительные устройства со встроенными и настраиваемыми системами усиления и фильтрации. Также в них присутствуют высоко разрядныеаналого-цифровые преобразователи с последовательными интерфейсами для передачи информации такими как: I2C, SPI UART и т. д. Примером может служить микросхема MAX30003 для применения в портативных устройства для спорта и медицины.

2.3Выбор электронно-компонентой базы

2.3.1 Датчик ЭКГ и ФПГ

Для реализации устройства мониторинга ЧСС, SpO2 и артериального давления было решено выбрать микросхему MAX86150 компании MaximIntegrated, которая изображена на рис. 11 [20].

Выбор данной микросхемы был сделан по следующим причинам:

1. Микросхема представляет собой датчик с интегрированными в едином корпусе модулями для измерения ЭКГ и ФПГ и минимальными количеством электронных компонентов для функционирования, что позволит минимизировать размеры устройства на печатной плате.

2. Способность записывать ЭКГ и ФПГ синхронно во времени, что позволить уменьшить ошибки вычисления алгоритмов расчета параметров здоровья.

3. Электрические характеристики микросхемы позволят создать устройство с минимальным энергопотреблением, при достаточно высокой точности измерения сигналов (таблица1).

4.

Рисунок 11 - Внешний вид микросхемы MAX86150

Функциональная схема устройства представлена на рис. 12. В микросхемувстроен 18-ти разрядный АЦП для оцифровывания ЭКГ сигнала и 19-ти разрядный АЦП для записи сигналов ФПГ. Входной сигнал усиливается при помощи встроенных аналоговых усилителей с программируемым коэффициентом. Частотыдискретизации АЦП датчика MAX86150, программируются пользователем и составляет:10-3200 выборок в секунду для ФПГ и 200-3200 выборок в секунду для ЭКГ.

Таблица1