Аппаратно–программный комплекс измерения артериального давления

Аппаратно-программный комплекс -- это продукт, в состав которого входят технические средства и программное обеспечение, совместно применяемые для решения задач определенного типа. В качестве аппаратно-программных комплексов могут рассматриваться интеллектуальные системы хранения данных, современные офисные АТС, комплексы пожарно-охранной сигнализации, контроля доступа, видеонаблюдения, всевозможные решения для промышленной автоматизации и многое другое.

С точки зрения документирования, аппаратно-программный комплекс занимает промежуточное положение между устройством или программным продуктом в чистом виде и автоматизированной системой. Как правило, производитель тиражируемого аппаратно-программного комплекса не знает заранее, где именно на основе последнего будет развернута система, и как именно она будет функционировать. Тем не менее, в большинстве случаев он исходит из одного или нескольких типовых сценариев применения комплекса в составе системы, что отражается и в устройстве комплекса.

Состоит, соответственно, из двух основных частей:

1. Аппаратная часть (Hardware) -- устройство сбора и/или обработки информации.

2. Программная часть (Software) -- специализированное программное обеспечение(как правило, написано компанией -- производителем аппаратной части), обрабатывающее и интерпретирующее данные, собранные аппаратной частью.

Блок схема аппаратно-программного комплекса измерения артериального давления в приложении 2.

3.1 Аппаратная часть

К аппаратной части комплекса, рассматриваемого в данной работе

относиться:

- тонометр Omron М10-IT

- персональный компьютер

3.1.1 Особенности тонометра ОМРОН М10-IT

Особенности тонометра ОМРОН M10-IT:

1. Подключение к компьютеру

В комплект поставки тонометра OMRON M10-IT входит необходимое программное обеспечение для обработки результатов измерений на ПК или ноутбуке. Прибор подключается к компьютеру посредством кабеля USB. Программные средства контроля артериального давления компании Omron, включенные в M10-IT OMRON Intellisense, позволяют просматривать, управлять и печатать данные об артериальном давлении, измеренном с помощью этого тонометра.

2. Режим автоматического измерения

Тонометр Омрон M10-IT может автоматически измерять давление 3 раза и

вычислять Ваше точное среднее давление. Интервал между измерениями можно установить равным 15, 30, 60 или 120 секундам. Результаты трех отдельных измерений при работе в автоматическом режиме не показываются. Однако по завершении всех измерений эти результаты можно вывести на дисплей.

3. Индикатор движения

Если во время проведения измерения Вы начнете двигаться, на экране появится индикатор движения.

4. Универсальна манжета Comfort Cuff

Разработанная компанией OMRON манжета Comfort Cuff дает возможность людям с самыми разными обхватами плеча измерять давление одним и тем же прибором. Входящая в комплект тонометра манжета рассчитана на обхват плеча от 21 до 42 см. Эта уникальная по своим характеристикам манжета очень легко и просто надевается и фиксируется одной рукой, что существенно облегчает самостоятельное измерение давления пациентами с ограниченными возможностями или преклонного возраста. Полная характеристика тонометра Омрон M10-IT в приложении 3.

3.1.2 Персональный компьютер

Персональный компьютер

В данном случае может использоваться как стационарный персональный

компьютер, так и мобильный персональный компьютер (ноутбук).

Основные составляющие стационарного персонального компьютера:

• Системный блок

• Монитор

• Клавиатура

• Манипулятор «мышь»

Периферийные устройства:

• Устройства ввода данных:

– клавиатура,

– мышь

• Устройство вывода данных:

– монитор,

– проектор,

– принтер

• Устройство хранения данных:

– стримеры,

– zip-накопители,

– магнитно оптические устройства и др.

• Сетевые аппаратные средства:

– сетевой адаптер,

– канал связи (витая пара, каоксиальный кабель, оптико-волоконный кабель, беспроводная связь),

– модем.

• Специальные аппаратные средства:

– датчики,

– АЦП,

– усилители,

– сканеры,

– цифровые фото и видео камеры.

3.2 Программное обеспечение

Программное обеспечение - это программа, которая управляет работой компьютера или выполняет какие либо расчеты или действия. Это могут быть внутренние команды, управляющие оборудованием или программа, выполняющая какие либо действия в ответ на вводимые с клавиатуры команды. Программное обеспечение ПК может быть с открытым исходным кодом или являться собственностью компании разработчика.

В рассматриваемом аппаратно - программном комплексе измерения артериального давления методом Я-оценки необходимо иметь следующее программное обеспечение:

1. Операционная система: UNIX (включая Linux), Windows.

2. Пакет Scilab

3. Microsoft Office Excel 1997-2003

Операционная система решает 4 задачи:

• связь человека с ПК.

• взаимодействие блоков ПК.

• обеспечение доступа других программ к устройствам ввода/вывода

• управление выполнением одной или нескольких одновременно запущенных программ.

3.2.1 Scilab

Scilab (читается Сайлэб) -- пакет прикладных математических программ, предоставляющий мощное открытое окружение для инженерных (технических) и научных расчётов.

С 1994 года распространяется вместе с исходным кодом через Интернет. В 2003 году для поддержки Scilab был создан консорциум Scilab Consortium. Сейчас в него входят 25 участников, в том числе Mandriva, INRIA и ENPC (Франция).

Scilab содержит сотни математических функций, и есть возможность добавления новых, написанных на различных языках (C, C++, Fortran и т. д.). Также имеются разнообразные структуры данных (списки, полиномы, рациональные функции, линейные системы), интерпретатор и язык высокого уровня.

Scilab был спроектирован как открытая система, и пользователи могут добавлять в него свои типы данных и операции путём перегрузки.

В системе доступно множество инструментов:

· 2D и 3D графики, анимация

· Линейная алгебра, разреженные матрицы (sparse matrices)

· Полиномиальные и рациональные функции

· Интерполяция, аппроксимация

· Симуляция: решение ОДУ и ДУ

· Scicos: гибрид системы моделирования динамических систем и симуляции

· Дифференциальные и не дифференциальные оптимизации

· Обработка сигналов

· Параллельная работа

· Статистика

· Работа с компьютерной алгеброй

· Интерфейс к Fortran, Tcl/Tk, C, C++, Java, LabVIEW

Scilab имеет схожий с MATLAB язык программирования. В состав пакета входит утилита, позволяющая конвертировать документы Matlab в Scilab.

Scilab позволяет работать с элементарными и большим числом специальных функций (Бесселя, Неймана, интегральные функции), имеет мощные средства работы с матрицами, полиномами (в том числе и символьно), производить численные вычисления (например, численное интегрирование) и решение задач линейной алгебры, оптимизации и симуляции, мощные статистические функции, а также средство для построения и работы с графиками.

Для численных расчётов используются библиотеки Lapack, LINPACK, ODEPACK , Atlas и другие.

В состав пакета также входит Scicos -- инструмент для редактирования блочных диаграмм и симуляции (аналог simulink в пакете MATLAB). Имеется возможность совместной работы Scilab с программой LabVIEW.

Программа доступна для различных операционных систем, включая Linux и Microsoft Windows. Возможности Scilab могут быть расширены внешними программами и модулями, написанными на разных языках программирования. Программа имеет открытый исходный код, что позволяет как свободное коммерческое использование и распространение неизменённых версий, так и некоммерческое распространение измененных версий, которые должны включать в себя исходный код. Для коммерческого распространения измёненных версий необходимо согласование с INRIA[11].

Начиная с версии 5.0 программа распространяется под совместимой с GNU GPL 2 лицензией CeCILL.

Преимущества и недостатки Scilab

Отличия от некоторых коммерческих программ:

· Бесплатность.

· Свободность (с версии 5.0).

· Маленький размер -- дистрибутив 4 версии занимал менее 20 МБ против более чем двухгигабайтного пакета MATLAB. Инсталлятор 5 версии (5.4.1) увеличился в объёме до 117 МБ.

· Возможность запуска в консоли без использования графического интерфейса, в том числе в версии под Windows (в UNIX и Windows версиях MatLab-а эта возможность присутствует тоже). Это позволяет производить автоматизированные вычисления, есть пакетный режим.

· открытость;

· функциональность;

· большое количество справочной информации;

· программирование алгоритмов через встроенный процедурный язык;

· поддержка языков высокого уровня (Си, Фортран), т.е. программирование без жёсткой привязки к языку;

· работа в режиме интерпретатора;

· малый объём, занимаемый на жёстком диске.

Недостатки окружения:

· кажущееся неудобство командной строки. Тем, кто привык к Mathcad и его стилю, будет сложно мигрировать на командную строку, так как она поначалу кажется очень неудобной, что не сказать про пользователей Matlab;

· привязка модулей к среде.

Несомненно основным преимуществом данного продукта является его открытость. По функциональности среда ничуть не уступает таким коммерческим собратьям, как Matlab, идеями которого вдохновлялись разработчики Scilab, и Mathcad. Привыкание к командной строке происходит достаточно быстро, особенно, если постоянно использовать среду по поводу и без повода.

Scilab - это язык высокого уровня для выполнения математических расчетов. Пакет включает в себя набор инструментов и интерактивную документацию. В первом приближении пакет является некоммерческим аналогом пакета Matlab. Для освоения пакета Scilab и использования данной документации знание Matlab не является обязательным. Свободно распространяемую версию пакета вместе с полной документацией на английском языке в формате pdf можно получить по адресу http://www-rocq.inria.fr/scilab.

Продолжением пакета Scilab является пакет Scilab//, обеспечивающий возможность параллельных вычислений и интерфейс для использования параллельных библиотек PBLAS (Parallel Basic Linear Algebra Subprograms) и ScaLAPACK(Scalable Linear Algebra PACKage)[11].

Основные характеристики пакета Scilab

* Распространение: Scilab свободно распространяется вместе с исходными кодами. Использование, копирование, изменение, распространение - свободные. Пакет защищен специальной лицензией, основное отличие которой от стандартной GNU лицензии, по утверждению авторов, определяется стремлением избежать появления клонов.

* Платформы: UNIX (включая Linux), Windows. Включен в стандартную поставку SuSE. Исходные тексты, рабочая версия для Windows и документация доступны в локальной сети.

* Имеется интерфейс и система помощи.

* Имеются алгоритмы базовой математики.

* Имеется возможность программирования.

* Имеется возможность работать не только в численном виде, но и в формульном варианте.

* Имеется возможность работы с графикой.

* Интерфейс с прикладными программами: имеется возможность использовать откомпилированные функции языков Си и Фортран.

Scilab состоит из 3-х частей:

1. интерпретатор

2. библиотека функций (Scilab-процедуры)

3. библиотека Fortran и С процедур

3.2.2 Описание программы

Программа для оценки рисков сердечных патологий, связанных с повышенным систолическим давлением. Полный текст программы в приложении 4.

В качестве исходной информации используется электронная таблица, в которой начиная со второго столбца записываются в строку последовательно систолическое, диастолическое давления и частота пульса

Программа строит ядерную оценку плотностей вероятностей систолического и диастолического давлений, а затем с использованием систолического давления рассчитывается относительный риск патологии.

В основе лежит экспоненциальная шкала роста риска в зависимости от роста давления.

Шкала характеризуется интервалом удвоения риска [tau2], базовым нормальным давлением, при котором величина риска считается нормальной для данного возраста [tNorm].

kmin, kmax - коэффициенты, определяющие минимальное и максимальное значения абсциссы при построении ядерной оценки плотности вероятностей,

k - параметр ядерной оценки, равный отношению дисперсии ядерной оценки к выборочной дисперсии и определяющий степень сглаживания.

kF=0;номер фигуры

1.Чтение данных из электронной таблицы.

Таблица задается в Microsoft Office Excel 1997-2003. Именно этот формат возможно обрабатывать в программе.

[fd1,SST1,Sheetnames1,Sheetpos1] = xls_open(SX1);// - открытие электронной таблицы;

[Value1,TextInd1] = xls_read(fd1,Sheetpos1(1));// - чтение первого листа данных;

mclose(fd1)// - закрываем поток электронной таблицы

x1=Value1(2:size(Value1,1),2:size(Value1,2));// - преобразование прочтенного листа эл. таблицы в матрицу наблюдений.

2.Ввод параметров

txt = ['Коэффициент, задающий левую границу ';'Коэффициент, задающий правую границу ';'Параметр сглаживания Я-оценки'; 'Интервал удвоения';'Нормальное систолическое давление';'Номер первого отсчета выборки';'Номер последнего отсчета выборки'] - ввод значений (параметры обработки).

Рисунок 11 - Ввод значений

1. Обработка данных

Обработка в данной программе происходит с помощью метода Я-оценки плотности вероятностей (описанного выше).

В итоге программа выдаёт графики:

· Произведение частоты пульса на разность между систолическим и диастолическим давлениями. Это косвенная энергетическая характеристика деятельности сердца, так называемый коэффициент экономизации кровообращения, определяемый как произведение пульсового АД (разница между систолическим и диастолическим АД) и частоты сердечных сокращений. В норме этот показатель колеблется в довольно широких пределах (от 2000 до 6000), составляя в среднем около 2800 (рисунок 12);

· Разность между систолическим и диастолическим давлением. Пульсовое давление (Pulse Blood Pressure, PP) - показатель деятельности сердечно-сосудистой системы. Пульсовое давление крови вычисляется как разница между систолическим и диастолическим давлением (рисунок 13);

· Систолическое давление (рисунок 14);

· Диастолическое давление (рисунок 15).

Рисунки 12-15 в приложении 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе был рассмотрен аппаратно-программный комплекс измерения артериального давления с использованием метода ядерных оценок.

Как сама артериальная гипертензия, так и её осложнения являются огромной проблемой для современного общества. Поэтому необходимо вводить новые методы для мониторинга артериального давления и оценки риска возникновения данных осложнений.

Комплекс, представленный в данной работе, даёт возможность произвести измерение артериального давления, сохранить данные измерения, обработать эти данные с помощью программного обеспечения, написанного с помощью пакета Scilab. Обработанные данные представляются в виде графиков, с помощью которых можно оценить артериальное давление за любой период времени, оценить риск возникновения осложнений. Визуализация данных дает возможность более наглядно и ярко оценить состояние и начать своевременное и правильное лечение.

Данный комплекс может быть как в использован как в домашних условиях, так и в условиях лечебно-профилактических учреждений. Он не требует больших затрат и для его реализации необходим минимальный набор аппаратного и программного обеспечения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Окороков А.Н. Диагностика болезней внутренних органов, т.7. Москва,2004.

2. пр. Люсов В.А., к.м.н. Волов Н.А., к.м.н. Кокорин В.А. Проблемы и достижения в области измерения артериального давления. Москва, Российский государственный медицинский университет,2005.

3. П. Л. Андриященко, В. М. Большое, В. А. Клочков, В. Т. Яковлев. К выбору метода измерения артериального давления в мониторных комплексах. Москва, 2003.

4. Эман А.А. Биофизические основы измерения артериального давления. - Л.: Медицина, 1983.

5. http://www.findpatent.ru/patent/226/2262886.html

6. Шулутко Б.И., Макаренко С.В. Стандарты диагностики и лечения внутренних болезней. 3-е изд. СПб.: «Элби-СПБ», 2005.

7. http://www.mql5.com/ru/articles/396

8. Миддлтон Д. Очерки теории связи, М.: Сов радио, 1966

9. Исакевич В.В., Исакевич Д.В. «Моделирование биологических процессов и систем». Лекция по ядерным оценкам плотности вероятностей.

10. Д. Миддлтон. Введение в статистическую теорию связи. Т. 1-Т.2. Сов. радио,1961-1962.

11. Е. Р. Алексеев, Е. А. Чеснокова, Е. А. Рудченко. Scilab: Решение инженерных и математических задач. Бином. Лаборатория знаний, 2008.

12. Чурилов А.Н., Гессен А.В. Исследование линейных матричных неравенств. Путеводитель по программным пакетам. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2004.

13. http://www.ibm.com/developerworks/ru/library/l-scilab1/

Размещено на Allbest.ru