Розробка моделі цифрового фатального пульсометру

И.И. Сили, А.Ю. Азархов Приазовский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЦИФРОВОГО ФЕТАЛЬНОГО ПУЛЬСОМЕТРА

В научной работе представлено разработку недорогой, неинвазивной, управляемой пользователем и микроконтроллером ATMEga 328 автономной системы мониторинга сердцебиения плода, которая может использоваться как в больничных, так и в домашних условиях. Тоны сердца плода регистрируются с помощью конденсаторного микрофона и предварительно обрабатываются низкочастотным фильтром, который устраняет ненужные шумы и ограничивает пропускную способность сигнала. Кроме того, разработан алгоритм обнаружения пика для выявления пика с задержкой 300 мс. Это обеспечивает сердце плода значительным диагностическим и клиническим значением. Результат показывает, что предложенный прототип демонстрирует достаточно хорошую точность. Таким образом, исследование показало, что конденсаторный микрофон является рабочей моделью и может эффективно использоваться при разработке коммерческих фетальных пульсометров для использования в качестве системы домашнего мониторинга беременных. Однако прототип устройства еще нужно протестировать на большем количестве беременных женщин, чтобы обобщить и улучшить работу устройства.

Ключевые слова: пульсометр, плод, беременная женщина, микроконтроллер, конденсаторный микрофон, плата Ардуино, датчик.

Постановка проблеми

Серце і система кровообігу - це одні із ранніх органів, які розвиваються у плода. Перший удар серця у плода спостерігаються на 3-му тижні життя як з'ясував у своїй роботі R. A. Sameni[1]. Існують відмінності в анатомії та фізіології серця плода та серця новонародженого. Під час вагітності кровообіг серця плода відрізняється від кровообігу серця новонароджених. Кисень надходить до плоду лише через плаценту, тому серце виконує функцію лише перекачування кисневої крові по всьому тілу, включаючи легені [2]. Однак легені забезпечують киснем серце новонародженого так само, як і у дорослих.

Частота серцевих скорочень плода - це дуже важливий параметр, який можна контролювати, і який виступає в якості показника для оцінки стану плода стверджує О. Carlotta [3]. Під час вагітності іншим способом дізнатись про самопочуття плода є використання контролю за рухом плода. Однак даний метод має багато недоліків. В будь якому випадку важливо проводити моніторинг плоду, оскільки на цьому етапі можна вжити превентивні заходи, у тому випадку, коли будуть виявлені порушення серцевого ритму плода, що можуть призводити до недозрівання або викидня. Інший важливий аспект це спостереження за тими майбутніми матерями, які перебувають у групі високого ризику або раніше вже перенесли викидень.

Коли серце б'ється, воно перекачує кисневу кров по всьому тілу організму. Адекватність оксигенації плода важлива для запобігання гіпоксії, яка впливає на все тіло. Як з'ясував M. Nageotte [4], якщо виникає гіпоксія, це може призвести до зменшення мозкового кровотоку плода. Отже, моніторинг серцебиття здатний розпізнати асфіксію плода. Асфіксія плода це досить тяжкий стан, що може призвести до неврологічних пошкоджень або навіть загибелі дитини. Крім того, моніторинг серцебиття дитини може вирішити дві проблеми, які слугують скринінговим тестом на важку асфіксію і дозволяють розпізнати ранню асфіксію, щоб своєчасне акушерське втручання допомогло уникнути пошкодження мозку або смерті новонародженого, спричиненого асфіксією.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Проведений аналіз останніх досліджень свідчить, що спроби визначити серцебиття плоду в утробі матері є в більшості випадків досить успішні. В даний час основним методом оцінки стану плода під час пологів, є кардіотокографія (КТГ), детально про це описано Ю. І. Барашневим [5]. Безперервний моніторинг серцевої діяльності плоду за допомогою розроблених в кінці 1960-х рр. скальпелектродів, які можна прикладати на голівку плоду, привів до величезної кількості досліджень по вивченню взаємовідносин між зміною частоти серцевих скорочень плода (ЧСС) і характером перебігу пологів. В. І. Орлов та ін.[6] встановили, що ультразвукова доплерографія судин плода, артерії пуповини і маткових артерій недостатньо специфічна щодо гіпоксичного стану плода.

Можливість застосування фетальної пульсоксиметрії також вивчається протягом останніх 10 років, проте її потенційне клінічне значення як і раніше є неоднозначним. Зберігаються суперечки щодо того, наскільки точно результати пульсоксиметрії відображають рівень ацидемії. Таким чином, в даний час немає чітких критеріїв оцінки стану плода в пологах. Кожен з перерахованих методів фетального моніторингу не забезпечує окремо адекватної оцінки стану плода в пологах, що диктує необхідність комплексного обліку даних основних взаємодоповнюючих методів фетального моніторингу. Завдяки постійному прогресу технічних, діагностичних і лікувальних можливостей сучасної медицини методи оцінки стану плода в пологах будуть завжди залишатися розвиваючою областю перінаталогіі, а широкий спектр недорогих електронних компонентів дозволяє створити прості, зручні, автономні та досить прецензійні прилади для виміру серцевих скорочень малюка. Апарати на базі сучасних мікроконтролерів AVR в біоінженерії знаходить все більше застосування, так нами в попередніх дослідженнях було представлено модель підігрівання імплантантів з використанням сучасних мікроконтролерів [7-10]. Відомий мікропроцесор ATMega 328 в платах Ардуіно свого часу здійснив революцію в цифровій електроніці, а платформа Ардуіно все частіше застосовується при розробці нових біомедичних приладів [11,12]. До переваг слід віднести простоту програмування, невисока вартість, маленькі габарити, достатню кількість цифрових та аналогових входів-виходів. Саме цю платформу ми будемо використовувати в нашій моделі.

Формулювання мети статті

У цьому дослідженні ми представляємо нашу конструкцію нового компактного та недорогого фетального пульсометра (ФЕП) на основі конденсаторного мікрофона та мікроконтролера Arduino. Результатом ФЕП є середній пульс плода, який може відображатися на LCD-дисплеї.

Основна частина

На рис. 1 показано загальну блок-схему всієї системи для апаратної реалізації. Вона складається з п'яти етапів: збір даних, попередня обробка даних, подача на мікроконтролер, цифрова обробка та відображення. Етап збору даних складається з одного конденсаторного мікрофона, який діє як датчик для виявлення та отримання серцевого звуку дитини. Звук, який виробляє серце плода, не чути людським слухом. Отже, для отримання сигналу потрібен носій. Конденсаторний мікрофон, здатний реагувати на звуки всіх частот у широкому частотному діапазоні до 20 кГц. Отримані результати дослідником D. Santoso [13] показують, що частота серцевого звуку плода коливається в межах до 200 Гц, тому була обрана гранична частота 200 Гц.

Рисунок 1 Блок-схема роботи фетального пульсометра

Попередня обробка даних складається з підсилювача та фільтра. Операційний підсилювач, який використовується для посилення - NE5532. Імітація схеми попереднього підсилення та фільтрації

проводилася за допомогою програмного забезпечення Multisim окремо. Схему було зроблено на основі ескізу із використанням програмного забезпечення, результат моделювання показаний на рис. 2.

Рисунок 2 Схема попереднього підсилення

Для усунення шумів нами використано низькочастотний фільтр. За допомогою програмного забезпечення Filter Lab 2.0 було створено низькочастотний фільтр Баттерворта четвертого порядку. Схема фільтрації показана на рис. 3, а результати моделювання - на рис. 4.

Рисунок 3 Схема низькочастотного фільтра Баттерворта

Рисунок 4 Осцилограма низькочастотного фільтра Баттерворта четвертого порядку (200 Гц)

Ідея використання четвертого порядку є досить ефективною, тому що чим більша кількість сумарних каскадів, тим ближче фільтр до ідеальної реакції і використовує менше живлення компонентів порівняно з фільтром 8-го порядку. Операційним підсилювачем, що використовується для фільтрації, є LM741. Оскільки частота відсічки становить 200 Гц, вихід нижче частоти відсікання дасть те саме, що і вхід. Однак у практичному випадку графік покаже максимум від 60 до 70 Гц, а вихідна потужність почне зменшуватися після 70 Гц. Поріг використовується при програмуванні для усунення ефектів від цих частот. В проекті ми використали Arduino Uno R3, який має вбудований мікроконтролер ATMega 328 для обробки даних. Сигнал, отриманий після етапу попередньої обробки даних, надходить у Arduino Uno R3 як вхід для подальшої обробки. Вхід сигналу має аналогову форму, тому його можна підключити до аналогового входу на Arduino Uno (в нашому випадку А0). Комп'ютер не може прочитати аналогову форму сигналу. Отже, мікроконтролер також діє як 10 бітний АЦП, який може перетворювати аналогову форму в цифрову. Розроблена програма завантажується в Arduino Uno за допомогою програмного забезпечення Arduino IDE для подальшого процесу.

Для того, щоб отримати показники серцебиття плода, у роботі використовується постійний поріг. У цьому дослідженні було обрано поріг який дорівнює 10. Для введення цього вимірювання був наданий відфільтрований сигнал і алгоритм виявлення піків був використаний для виявлення піку від сигналу. Після виявлення піку було додано ще одну затримку в 300 мс (рис. 5).

Рисунок 5 Приклад програмного коду на мові C++ для роботи фетального датчика з виводом результатів на LCD екран

На останньому етапі показники частоти серцевих скорочень плода відображатимуться на LCD-дисплеї 16x2 з вбудованим модулем I2C. LCD-дисплей підключений до мікроконтролера і повинен бути запрограмований. Результат також можна контролювати через послідовний монітор (рис. 6).

Рисунок 6 Загальний вигляд прототипу фетального пульсометру

На LCD-дисплеї він відображатиме середній пульс плода. Частоту плоду усереднювали протягом 1 хвилини, а оптимізований час усереднення класифікують у подальших дослідженнях. Живлення пристрою передбачено від акумулятора напругою 9В. Це дозволить побудувати прилад на умовах автономності та портативності.

Висновки

У науковій роботі представлено розробку недорогої, неінвазивної, керованої користувачем та мікроконтролером ATMEga 328 автономної системи моніторингу серцебиття плода, яка може використовуватися як в лікарняних так і в домашніх умовах. Тони серця плода реєструються за допомогою конденсаторного мікрофона та попередньо обробляються низькочастотним фільтром, який усуває непотрібні шуми та обмежує пропускну здатність сигналу. Крім того, розроблено алгоритм виявлення піку із затримкою 300 мс. Це забезпечує серце плода значним діагностичним та клінічним значенням. Результат показує, що запропонований прототип демонструє досить добру точність. Отже, дослідження показало, що конденсаторний мікрофон є робочою моделлю і може ефективно використовуватися при розробці комерційних ФЕП для використання в якості системи моніторингу домашнього догляду вагітних. Однак прототип пристрою потрібно протестувати на більшій кількості вагітних жінок, щоб узагальнити та покращити роботу пристрою.

Список використаних джерел

1. Sameni R., Clifford G. D. A Review of Fetal ECG Signal Processing. Issues and Promising Directions. The open pacing, electrophysiology & therapy journal. 2010. Vol. 3. P. 4-20. DOI: 10.2174/1876536X01003010004.

2. Holloway B. Health Encyclopedia. Rochester: University of Rochester Medical Center, 2015. p. 342.

3. Intraoperative fetal heart monitoring for non-obstetric surgery: A systematic review / G. Po et al. European Journal of Obstetrics & Gynecology and Reproductive Biology. 2019. Vol. 238. P. 12-19. DOI: 10.1016/j.ejogrb.2019.04.033.

4. Nageotte M. P. Fetal heart rate monitoring. Seminars in Fetal and Neonatal Medicine. 2015. Vol. 20. P. 144-148. DOI: 10.1016/j.siny.2015.02.002.

5. Барашнев Ю. И. Гипоксическая энцефалопатия: гипотезы патогенеза церебральных расстройств и поиск методов лекарственной терапии. Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2002. № 1. С. 6-9.

6. Кардиотокография и допплерометрия в современном акушерстве / В. И. Орлов и др. Ростов -на-Дону: ЮНЦ РАН, 2007. 288 с.

7. Сілі І. І., Азархов О. Ю. Модель безструмового апарату підігрівання імплантантів Технічне забезпечення інноваційних технологій в агропромисловому комплексі: матеріали І Міжнар. наук.- практ. конф. Мелітополь: ТДАТУ, 2020. С. 417-419.

8. Manita I. Application of nanotechnology in technological processes of animal husbandry in Ukraine. Інженерія природокористування., 2020. №2(16). С. 33-37.

9. Manita I., Podashevskaya Н. Areas of application of nanotechnologies in animal husbandry. Технічне забезпечення інноваційних технологій в агропромисловому комплексі: матеріали ІІ Міжнар. наук.-практ. конф. Мелітополь: ТДАТУ, 2020. С. 357-361.

10. Sklar R. Directions of increasing the efficiency of energy use in livestock. Current issues of science and education: Abstracts of XIV International Scientific and Practical Conference. Rome, 2021. Pp. 171-176.

11. Skliar O. Measures to improve energy efficiency of agricultural production. Social function of science, teaching and learning: Abstracts of XIII International Scientific and Practical Conference. Bordeaux, 2020. P. 478-480.

12. Волошин В. С., Азархов О.Ю., Сілі І.І. Осушувач повітря на базі елемента Пельтьє та Ардуіно. Медична інформатика та інженерія, 2020. Вип. (2). с. 90-95. https://doi.org/10.11603/mie.1996- 1960.2020.2.11180.

13. Santoso D., Setiaji F.D. Design and Implementation of Capnograph for Laparoscopic Surgery. International Journal of Information and Electronics Engineering. September 2013. Vol. 3. P. 55 - 67.

Размещено на Allbest.ru