Портативная система сбора данных о здоровье человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

1.3 Методики исследования состояния сердечно-сосудистой системы

1.3.1Запись ЭКГ

Электрокардиограмма - это метод исследования функционирования сердечно-сосудистой системы, который заключается в записи электрической активности, производимой в результате естественной работы сердца. Электрический сигнал образуется благодаря ионной поляризации(деполяризации)при сокращении мышцы, в ходе которого происходит резкое изменение электрического состояния клетки. можно обнаружить и использовать для определения нормальных и проблемных сигнатур сердечной волны.

С помощью ЭКГ возможно диагностировать различные виды заболеваний и патологии сердца человека. ЭКГ позволяет:

· определение частоты сердечных сокращений (ЧСС);

· выявление нарушений внутрисердечной проводимости;

· выявление нарушений ритма - внеочередных сердечных сокращений и др. заболеваний.

Запись электрокардиограммы представляет из себя процедуру, в процессе которой кчеловеку подсоединяют специальные электроды к различным участкам тела и записываютэлектрическиесигналы сердца. Полученнуюинформацию, выводят на экран или записывают на пленку. Сигнал ЭКГ представляетсяв виде графика, где по оси Y откладывается напряжение, а по оси X время.ОбычноЭКГ характеризуется шестью выделяющимися участками, помеченными буквами алфавита «P», «Q», «R», «S», «T» и «U», как показано на рис. 1.Форма, наличие или отсутствиекакого-либо участка свидетельствует о наличии отклонений в работе ССС.Комплекс «QRS» является наиболее важной частью ЭКГ для определения наличия аритмии.

Рисунок 1 - График ЭКГ здорового человека

ЭКГ сигнал является дифференциальным инаходится в диапазоне 100мкВ-5мВ. Полезный диапазон частот для диагностики и выявления нарушений в работе сердечной мышцы составляет от 0,05 Гц до 150 Гц, с максимальной энергией присутствующейна частотах 0,5-45 Гц (рис. 2). Волна «P» лежит в полосе от 0,67 до 5 Гц, комплекс «QRS» в 10 до 50 Гц и T-волна в полосе от 1 до 7 Гц. Различные источники шума вносят нежелательное содержимое в определенные диапазоны частот. На точность результатов измерения влияют следующие факторы:

· Мышечный шум - от 5 до 50 Гц;

· Шум, связанный с функцией дыхания - от 0,12 до 0,5 Гц;

· Внешние электрические шумы - 50 или 60 Гц;

Врежимемониторинга используется диапазон частот от 0,5 до 40 Гц. Значения и диапазон частот сигналаво многом зависит от мест присоединения электродов к телу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рисунок 2 - Стандартные значения различных биопотенциалов человека

В зависимости от необходимого исследования количество электродов может быть от 2-х до 12-ти. Базовое измерение ЭКГ может быть сделано при помощи двух электродов, например для измерения частоты сердечных сокращений. Чаще всего одновременно используется более двух электродов. Различная комбинация электродных пар, часто называемых проводами(отводы), позволяет наблюдать состояние сердцас различных сторон и лучше выявлять сердечно-сосудистые расстройства, например, знать, какая область сердца поражена каким-либо расстройством [6].

На данный момент чаще всего в практике применяются следующие виды электрокардиограмм:

· ЭКГ с использованием 1-го отвода

· ЭКГ с использованием 3-х отводов

· ЭКГ с использованием 12-ти отводов

Диагностика пациента обычно проводятся с помощью одноразовыхэлектродов, произведенных из серебра или хлорита серебра (Ag/AgCl). Данные электроды обеспечивают необходимое качество сигнала для требовательных измерений ЭКГ, но также имеют существенный недостаток -имеется необходимость подготавливать кожу перед прикреплением электродов, нанося гель, который может вызывать аллергические реакции.

Также существуют электроды, работающие без нанесения геля, которые называются сухими электродами. Они используются в исследованияхв течение длительного отрезка времени.

Сухие электроды могут изготавливаться из следующих материалов:

· Жесткие материалы(металлические или керамические пластины);

· Гибкие материалы(резина, ткани, пеноматериалы).

На качество измерения ЭКГ влияет множество различных факторов, такие как:

· Электромагнитные излучения (особенно частота сети питания 50-60 Гц);

· Качество контакта кожи с электродами (особенное для сухих электродов);

· Удаленность контакта электрода от сердечной мышцы;

· Артефакты движений (работа других мышц тела).

1.3.2 Записьфотоплетизмограммы

Фотоплетизмография является одной из самых популярных технологий в последнее десятилетие для мониторинга физиологических состояний пациента, и, поскольку это неинвазивный метод, он в значительной степени применяется к персональным портативным устройствам и пульсовой оксиметрии. Кроме того, сигнал может предоставить информацию как о сердечно-сосудистой, так и дыхательной системах[7]. Этот метод характеризует и простота сбора физиологических данных пациента по сравнению с сигналом электрокардиограммы.

Фотоплетизмография основывается на снятии и анализефотоплетизмограммы (ФПГ), которая отражает изменение объема крови в сосудах при работе ССС (рис. 3).В систолической фазе артериальная кровь перекачивается в аорту из левого желудочка, затем протекает через периферические артерии, количество поглощенных фотонов увеличивается во время этого процесса из-за увеличения объема крови в периферической артерии, что, в свою очередь, приводит к уменьшение обнаруженной интенсивности света. В диастолической фазе кровь возвращается к сердцу по венам, обнаруженная интенсивность света увеличивается. Вследствие это происходит пульсирующий процесс изменения коэффициента поглощения света различными тканями(«AC» или переменная составляющая графика). Полезная составляющая переменной компоненты ФПГ для мониторинга здоровья находится в пределах 0,5 до 5 Гц.

Другим компонентом сигнала ФПГ является медленно изменяющаяся базовая линия («DC», постоянный компонент) из-за постоянного поглощения света неизмененной тканью(кости, кожа и т.д.), слегка изменяющейся венозной крови и эффекта дыхания.

График ФПГ представляет из себя отложенная по оси Yизменяющаяся интенсивность пройденного или отраженного излучения с течением времени (ось Х) (рис. 3). Измерения могут проводиться для различных участков тела, таких как кончики пальцев рук и ног,мочка уха, лоб и т. д.



Рис. 3-Типовой график ФПГ

Для получения сигнала ФПГ обычно используется монохроматический свет, излучаемый в биологическую ткань, и фотоприемник для приема возникающего света.

Измерение ФПГ может осуществляться в двух режимах, в зависимости от взаимного расположения источников света - светодиода (СД) и фотодиода (ФД) (рис.4):

· На отражение;

· На прохождение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рисунок4 - Способы измерения ФПГ

С помощью фотомлетизмограммы можно оценивать:

· значение ЧСС и ее вариабельность;

· значение содержание кислорода в крови(сатурация кислорода SpO2);

· значение артериального давления(неинвазивный метод измерения).

Преимуществом анализа деятельности ССС по сравнению с ЭКГявляется отсутствие влияния электромагнитных помех, однако на корректное измерение ФПГ могут влиять, внешние источники света, движения тела, а также наполненность сосудов кровяным потоком [8].

Фотоплетизмография является недорогой оптической неинвазивной техникой, которая играет важную роль в клинических применениях, включая клинический физиологический мониторинг, оценку сосудов и функцию вегетативных нервов.Устройство для снятия сигналаФПГ не имеет сложной аппаратной части из оптических датчиков, также не нуждается в опорном сигнале. Использование этих систем становится более доступным, чем существующие системы мониторинга ЭКГ, для которых необходимо прикреплять электроды к определенным участкам тела пациента.

1.3.3 Измерение ЧСС и SpO2.

Частота сердечных сокращений (ЧСС) - физиологический показатель, характеризующий количество сокращений сердечный мышцы на интервале в одну минуту. В среднем данный показатель равен приблизительно 50-80 ударов при нормальной работе сердечно-сосудистой системы (ССС) и изменяется в зависимости от состояния организма. В дневное время показатель ЧСС больше, чем в ночное время в период сна (70-80 против 50-60 ударов в минуту). Для анализа различия ЧСС в различное время суток используется такой показатель как «циркадный индекс», который вычисляется как отношение среднесуточного значения ЧСС в дневное время к ЧСС в ночное время и в среднем составляет 1,33 ± 0,05 для здорового человека.

Классическим способом измерения ЧСС является расчет периода осцилляций сигнала электрокардиограммы или фотоплетизмограммы, рис.5 [14]. В портативных приборах чаще применяется расчет на основе ФПГ.



Рисунок 5 -Измерение частоты сердечных сокращений на основании периода повторяемости сигнала ЭКГ или ФПГ.

Промежутки сердечных сокращений имеют свойство изменчивости, отличаясь друг от другапо времени. Данная особенность сердцебиения является естественным физиологическим процессом и обозначается как вариабельностьсердечного ритма (ВСР), которая напрямую связана с биологическими особенностями функционирования организма. В связи с этим рассчитывают ЧСС для промежутка времени большего T_cокр, (2):

,(1)

(2)

где время пиковыхзначений ЭКГ или ФПГ, N- количество интервалов сердцебиения, t_startи t_stop - время начала и конца измерения.

На основании вариабельности сердечного ритма можно также делать выводы о некотором состоянии ССС[15].

Для измерения параметра SpO2 применяются принципы фотоплетизмографии.

Для измерения уровня насыщенности кислорода в крови или SpO2 используются устройство, состоящее из двух источников и приёмников света, в котором один источник работает в инфракрасном диапазоне, а другой в диапазоне видимого излучения красного света[16]. Исследования показали, что окси и дезоксигемоглобин(HbO и Hbсоответственно) имеют различные характеристики оптического ослабления. Для достижения наилучшего результата длины волн должны выбираться так, чтобы на одной длине волны ослабление Hb и HbO было различным, насколько это возможно, а на второй длине волны они почти одинаковы. Основываясь на соотношении изменения поглощения красного и инфракрасного света, вызванного различием в цвете между связанным с кислородом (ярко-красным) и не связанным с кислородом (темно-красным или синим, в тяжелых случаях) гемоглобином крови, показателем оксигенации (процент молекул гемоглобина, связанных с молекулами кислорода) могут быть получены как[7]:

(3)

где HbO₂ - относительное значение оксигенированного гемоглобина,

HbO₂ - относительное значение деоксигенированного гемоглобина в крови.

Измерение SpO₂ основано на законеБера-Ламберта, согласно которому концентрацию поглощённого вещества в растворе можно определить по интенсивности света, прошедшего через него. Здесь интенсивность света проходящего света (??₀) связана с интенсивностью света падающего света (????) как:

(4)

где ?? - коэффициент экстинкции, зависящий от длины волны, с - концентрация поглотителя и L - длина оптического пути (см). Следовательно, закон Бера-Ламберта позволяет нам определять неизвестную концентрацию, если измеряется поглощение света и известны коэффициенты затухания на длине волны и длине оптического пути.

В общем случае алгоритм вычисления сатурации кислорода является следующим:

1. Записываются ФПГ в диапазоне красного и инфракрасного излучений.

2. Вычисляется коэффициент отражения для каждого датчика.

(5)

где значение амплитуды переменной и постоянной составляющей для каждого типа излучений соответственно.

3. Рассчитывается отношение коэффициентов поглощения красного датчика к инфракрасному:

(6)

4. Окончательно рассчитывается значение SpO2 согласно следующему выражению:

(7)

Параметры «А» и «B» являются эмпирическими константами, полученными в результате калибровки датчика, и предоставляются производителями систем дляпульсоксиметрии [14].Типовое значение сатураци кислорода у здорового взрослого человека составляет 96% и более.



1.3.4Измерение артериального давления

Одним из наиболее важных клинических показателей для контроля сердечно-сосудистых заболеваний является кровяное давление, образующееся в артериальной системе организма при сердечных сокращениях. Артериальное давление (АД)измеряется в мм. рт. ст., не является постоянной величиной. На его уровень АД влияют величина и скорость сердечного выброса, частота и ритм сердечных сокращений, периферическое сопротивление стенок артерий. Артериальное давление, возникающее в артериях в момент максимального подъема пульсовой волны, в момент сокращения сердечной мышцы, после систолы желудочков, называется систолическим (САД). Давление, которое поддерживается в артериальных сосудах в диастолу благодаря их тонусу, в момент расслабления, называется диастолическим (ДАД) (Рис. 6). Разница между систолическим и диастолическим давлением образует пульсовое давление [9]. Нормальные показатели САД колеблются в пределах 100-120 мм рт. ст., ДАД - 60-80 мм рт. ст. В определенной мере показатели артериального давления зависят от человека и биологических особенностей его организма. Обычно измерение артериального давления осуществляют плечевой артерии, в которой оно оказывается близким к давлению в аорте, однако оно может быть определено в бедренной, подколенной и других периферических артериях.

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Электрический параметр	Мин. значение	Макс. значение	Тип. значение	Ед. измерения
Напряжение питания, UDD	1,7	2	1,8	В
Напряжения питания светодиодов, ULED	3,1	5	3,3	В
Ток потребления, IDD	400	750	-	мкА
Ток потребления светодиодов, ILED	50	750	-	мкА
Ток потребления в спящем режиме, ISHDN	-	12	0,5	мкА
Ток потребления светодиодов в спящем режиме, ISHDN	-	1	0,5	мкА

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 для ФПГ отсчетов в секунду и 200-3200 для ЭКГ.

Обмен данными между MAX86150 и внешним управляющим контроллером осуществляется с помощью интерфейса I2C. Вместе с этим с целью снижения потребления MAX86150 снабжен 32-размерным FIFO-буфером, благодаря чему микроконтроллер может считывать данные блоками, при этом находясь большую часть времени в режиме сна.

MAX86150 использует напряжение питания U_DD= 1,7-2,0 В (VDD_ANA и VDD_DIG) и U_LED= 3,3 В для питания светодиодов. Типовое потребление MAX86150 составляет около I_DD= 400 мкА. Питание светодиодов также находится на уровне около I_LED= 400 мкА.

Для снижения уровня потребления можно уменьшать частоту измерений, снижать длительность и амплитуду токовых импульсов питания светодиодов. Амплитуда импульсов питания программируется в диапазоне 0-100 мА, а длительность в диапазоне 50-400 мкс. Кроме того, для минимизации потребления микросхема MAX86150 снабжена встроенным датчиком близости. Если сигнал пользователя не обнаружен, то схема автоматически отключается и перестает подавать питание на красный светодиод видимого спектра. Иначе еслиисследуемый предмет обнаружен, MAX86150 автоматически включается и переходит в активный режим измерения.

Для получения наиболее низкого уровня потребления энергии следует использовать режим «Shutdown», при котором типовое значение тока потребления уменьшается до I_SHDN= 0,5-12 мкА).

Рисунок12 - Структурная схема MAX86150

Схема подключения устройства является достаточно простой и представлена рис. 13.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рисунок13 - Принципиальная электрическая схема подключенияMAX86150

Основными компонентами в данной схеме являются подтягивающие резисторы (pull-upрезисторы), являющиеся частью схемы для организации интерфейса «I2C», развязывающие конденсаторы, осуществляющие фильтрацию входов питания микросхемы и фильтр высоких частот на базе RC-цепочки для фильтрации входных сигналов с электродов.

2.3.2 Выбор контроллера системы управления

В качестве системы управления был выбран микроконтроллер СС2541 от компании TexasInstruments[21]. Данная микросхема специально разработана для применения в портативных устройствах с низким энергопотреблением.Преимуществами данной микросхемы являются:

· низкое энергопотребление (около 14 мА в режиме приёма и передачи);

· низкое энергопотребление в спящем режиме (около 1 мкА);

· малые габариты (6х6 мм) и небольшое количество вспомогательных электронных компонентов.

· встроенная система беспроводной передачи данных BluetoothLowEnergy.

Принципиальную электрическую схему подключения, выбор антенны для bluetoothlowenergy (BLE) можно найти в соответствующей технической документации [22-23].

2.3.3 Выбор системы питания портативного устройства

Впортативных системахна базе аккумуляторных источников постоянного напряженияприменяют интегральныечипы управления питанием - PMIC-контроллеры. Такие микросхемы представляют из себя DC/DC преобразователиc многоканальными выходами питающего напряжения. Для работы разрабатываемого устройства необходимо иметь два типа питающего напряжения: 1,8 В для питания микросхемы MAX86150 и 3,3 В для питания светодиодов и микроконтроллера СС2541, рис. 14.

Рис. 14. Структурная схема системы питания

В качестве управляющего питанием драйвера было решено выбрать микросхему MAX14690, рис. 15 [24].

Основными модулями микросхемы MAX14690 являются два импульсных понижающих стабилизатора напряжения (ИПП) с выходным током до 200 мА. Выходное напряжение программируется в пределах от 0,8 до 1,8 В и от 1,5 до 3,3 В, собственный потребляемый ток оставляет - 0,9 мкА. Также имеются три линейных стабилизатора (ЛСН) с выходным током в пиковые режимы до 100 мА. Выходное напряжение программируется в пределах 0,8-3,6 В, собственный потребляемый ток составляется 0,6 мкА, входное напряжение составляет 2,7-5,5 B (возможна подача питания с отдельного вывода). Каждый стабилизатор возможно подключать отдельно.

Рис. 15. Структурная схема MAX14690

Преимуществом данной микросхемы является простая в реализации зарядка литиевой батареи, высокая степень интеграции, способствующая экономии занимаемой площади, оптимизированная система управления (через I²C), встроенный мультиплексор контроля напряжения.

Недостатками являются возможные сильные пульсации выходных токов, однако с помощью регулирования пиковых значений тока катушки для каждого выхода можно оптимизировать баланс между КПД, выходными пульсациями, электромагнитными помехами (EMI), конструкцией печатной платы и нагрузочной способностью[25].Использование линейного стабилизатора напряжения позволяет существенно снизить выходные шумы, что дает возможность применения его для питания чувствительных к помехам устройств.

В качестве батареи можно использовать литий-ионные элементы питания в виде «таблеток»(также именуются «Coin»), которые обладают малыми габаритами и возможностью перезарядки, рис. 16.В качестве используемой батареи можно выбрать «RJD2450ST1» с напряжением питания от 4,2 В до 3,0 В и током разряда до 280 мА в пиковые моменты потребления[26]. Диаметр батареи составляет 24,5 мм.

Рисунок 16 - Внешний вид батареи

2.4 Алгоритм работы устройства

Алгоритм работы устройства представлен на рис. 17.

Работа устройства начинается с инициализации параметров устройства - настройки работы микроконтроллера и периферии,проверки уровня заряда батареи, выдается сообщение о готовности устройства к работе. Далее пользователем выбирается режим исследования. Возможными режимами исследования являются:

1. Запись ЭКГ и ФПГ.

2. Суточный мониторинг ЧССи на основе ФПГ.

3. Измерение ЧСС,ВСР, SpO2 (короткий промежуток времени).

4. Измерение АД.

Во время проведения исследования устройство сохраняет данные и передает информацию на смартфон пользователя. В случае обнаружения ошибки измерения останавливает работу и выдает сообщение об ошибке. В качестве ошибок выступают: потеря контакта датчика с телом, потеря связи с принимающим устройством. После успешно проведенного теста результаты можно наблюдать в приложении на смартфоне.

Рисунок 17- Блок-схема работы устройства



2.5 Выводы к главе

Выбранные компоненты для реализации устройства позволят создать компактное устройство для мониторинга состояния ССС. Минимальное количество использованных электронных компонентов снизит стоимость устройства и трудозатраты на его разработку. Основные компоненты, из которых будет выполнено устройство представлены в таблице 2.

Таблица 2

Функциональный блок	Электронный компонент
Система управления	Микроконтроллер СС2541 со встроенной системой беспроводной передачи данных BLE
Система питания	PMIC-контроллер MAX14690 с аккумуляторной батареей RJD2450ST1
Датчик ЭКГ и ФПГ	Микросхема MAX86150
Беспроводная технология передачи данных	Система беспроводной передачи данныхBluetoothLowEnergy
Устройство вывода	Смартфон пользователя

3Математическое моделирование расчетов параметров здоровья

3.1 Запись ЭКГ и ФПГ с использованием отладочной платы

Исследования работы микросхемы MAX86150 было выполнено с помощью отладочной платы «MAX86150evkit», которая представлена на рис.18. Данная отладочная плата состоит из платы управления «MAX32630FTHR» на базе микроконтроллера MAX32630 ARM Cortex-M4F, Литий-ионной (Li-ion) батареи (U_пит=3,7 В, I_пит=0,5 А) и платы с микросхемой MAX86150[27].

Рисунок18 - Отладочная плата «MAX86150evkit»

При помощи данной отладочной платы были записаны сигналы ЭКГ и ФПГ для красного и инфракрасного светодиода.

Для считывания сигналов использовалось программное обеспечение «DeviceStudio5», графический интерфейс которого представлен на рис. 19.



Рисунок 19 - Графический интерфейс программного обеспечения для установки соединения с отладочной платой

После установки соединения с устройством можно перейти в окно демонстрации результатов измерения сигналов с датчика, рис. 20.

Рисунок 20 -Окно демонстрации работы отладочной платы MAX86150evkit

Данное ПО предназначено для тестирования работы MAX86150 и позволяет:

· демонстрировать работу устройства в реальном времени в виде графиков ЭКГ и ФПГ;

· управлять настройками регистров микросхемы MAX86150 для изменения режимов её работы;

· применять встроенные фильтры для избавления от шумов;

· записывать считанные сигналы и настройки регистров в файл с расширением «.csv».

3.2Расчет и анализ данных в пакете MATLAB

Для анализа данных, измеряемых датчиком MAX86150, запишем в файл сигналы ЭКГ и ФПГ. Сигнал ЭКГ, измеренный датчиком MAX86150 представлен на рис. 21.

Рисунок 21 - Сигнал ЭКГ после фильтрации

Из рисунка видно, что сигнал сильно зашумлен.Наизмерение биопотенциалов сильно влияет фликкер-шум(шум электронных компонентов), белый шум, а также шум сети электропитания. То есть для реализации точной системы измерения ЭКГ необходима качественная фильтрация сигнала, полученного с датчиков. Для фильтрации шумов используют различные виды цифровых фильтров, например такие как: фильтры Баттерворта, Чебышева, эллиптические и Бесселя[28].

В общем случае передаточная функция цифрового фильтра описывается как:

(11)

где b_nи a_m- коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции.

Фильтрации в микропроцессорных устройствах осуществляется посредством вычисления разностного уравнения.При равенстве всех коэффициентовa, кроме а₀, то мы имеем фильтр с конечной импульсной характеристикой(КИХ-фильтр), иначе разностное уравнение будет описывать фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр), выражение (12).

12

где x(k) и y(k) - k-й входной и выходной отсчет.

Для получений наилучших характеристик фильтрации необходимо использовать фильтры больших порядков. Однако использование такихфильтров для достижения качественных результатов не всегда целесообразно, так как вычисление большого количества операций сложения и умножения не всегда возможно. Поэтому в режиме мониторинга используется низкая скорость работы АЦПи применяются фильтры 2-7 порядков для определения основных составляющих сигналов.

Рассчитаем передаточную функцию полосового фильтра дляфильтрации сигнала ЭКГ. Диапазон рабочих частот в режиме мониторинга составляет 0.5-40 Гц. Частота дискретизации f_д=200 Гц.

Так как частоты основных шумов составляют f₁=0-0,5 Гц и f₂=50Гц и имеют узкую полосу пропускания, то можно разработать простой полосовой фильтр высокого порядка с целыми коэффициентами передаточной функции [29].

Передаточная функция фильтра имеет следующий вид:

(13)

Данный оптимальный фильтр позволяет убрать низкочастотную составляющую ЭКГ сигнала («baseline», базовая линия, несущая ЭКГ) и шум сети 50 Гц, а также его субгармоники (100 Гц и 150 ГЦ). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показана на рис. 22.

Рисунок 22 -АЧХ оптимального фильтра

Из АЧХ видно, что фильтр обладает высокой степенью избирательности, благодаря чему не происходит потери информации о самом сигнале ЭКГ.

Главным преимуществом данного фильтра является небольшое количество коэффициентов, что позволит уменьшить вычислительную нагрузку.

Для улучшенной нейтрализации шума воспользуемся фильтрами, которые имеют улучшенные характеристики, полученным при помощи среды MATLAB (скрипт программы представлен в приложении). Фильтр низких частот имеют меньшую частоту среза f_ср=40 Гц. Режекторный фильтр на 50 Гц имеет больший диапазон частот подавления.