Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека

Известно утверждение, что «сердечно-сосудистая система может реагировать как индикатор адаптационных реакций всего организма» [1, 2], поэтому в качестве основы для радиоэлектронного устройства оценки состояния организма была взята методика, разработанная на базе анализа динамики сердечных сокращений геометрическими методами [3,4].

В частности, для её разработки производились электрокардиографические (ЭКГ) исследования у различных групп людей: спортсмены, студенты, руководители, пациенты больницы с различными патологиями и т.п. В том числе проводились выборочные тесты на нагрузку.

По данным ЭКГ вычислялись RR-интервалограммы, и производился анализ их фазовых портретов (ФП), используя количественный геометрический метод [1]. При этом оценивалась форма ФП по двум критериям: коэффициент эксцентриситета k (характеризует вытянутость) и площадь фигуры S (характеризует масштаб). Проведённые исследования показали, что ухудшение качества авторегуляции организма характеризуется стремлением коэффициента эксцентриситета к нулю, а нормальное состояние регуляторных систем – стремление к 1. Причём в некоторый переходной момент может произойти перегрузка организма и регуляция организма в этот момент временно нарушается, что можно зафиксировать повышенным значением площади S (более 600000 отн.ед.) [1,2].

При общем рассмотрении, устройство для снятия и обработки ЭКГ-информации должно состоит из блока усиления сигнала, исходящего от электродов, блока определения R-зубцов, блока выделения RR-интервалов, обработчика информации и вывода информации пользователю. Соединение блоков показано на рисунке:

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Структура системы

За основу устройства был выбран микроконтроллер MSP430F149 фирмы Texas Instruments по следующим параметрам:

– низкий ток потребления;

– 16-ти битная обработка данных;

– встроенный компаратор;

– достаточное количество портов ввода-вывода (6 портов по 8 бит каждый);

– два независимых таймера;

– возможность организации обработки прерываний.

Используя возможности выбранного микроконтроллера, создана блок-схема устройства регистрации, и обработки ЭКГ в режиме реального времени:

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Функциональная схема системы

Устройство состоит из двух частей: аналоговой и цифровой. В аналоговой части происходит снятие потенциала с кожи человека, его усиление, фильтрация, выделение и пометка R – зубцов импульсами логической «1». Эта часть конструктивно основана на четырёх усилителях, находящихся в одном корпусе. Дифференциальный усилитель ослабляет синфазные наводки и выделяет полезный сигнал. Он построен по стандартной схеме включения на операционном усилителе с коэффициентом усиления 18. Блок усиления совмещён с активным фильтром низких частот, построенным на операционном усилителе, и имеет коэффициент усиления 160. Детектор R-зубцов и выделитель RR-интервалов действуют по следующему принципу: активный полосовой фильтр усиливает в 9 раз сигнал в полосе частот 0.5… 12 Гц, выделяя тем самым R-зубец из остального электрокардиогафического сигнала, далее сигнал детектируется с помощью высокочастотных диодов и направляется на специальный блок сравнения, построенный на операционном усилителе. Причём сравнение происходит с пороговым значением равным среднему значению поступающего сигнала, хранящимся в аналоговом виде на конденсаторе. Это значение может подстраиваться при изменении сигнала. При обнаружении R-зубца на выходе операционного усилителя уровень напряжения резко возрастает и держится около 10 мс. Таким образом, поддерживается стабильность определения RR-интервалов. Импульсы ограничиваются по напряжению до 3 В.

Данные импульсы поступают на входной порт микропроцессора MSP430F140, где обрабатываются оригинальной программой. Здесь происходит накопление информации, расчёт параметров и вывод информации пользователю. Причём обработка информации здесь происходит в режиме реального времени, что исключает необходимость применения дополнительных схем памяти и сокращает время исследования.

В функции микропроцессора входят измерение длительностей R-R интервалов, вычисление числовых показателей работы сердца и управление выводом результата расчёта.

Результат выполнения программы выдаётся в 8-битовый порт и направляется на светодиодный индикатор уровня, который показывает состояние организма или качество процессов регулирования (коэффициент k) с другого порта направляется сигнал на светодиоды, показывающие присутствие перегрузки организма (результат сравнения величины S с пороговым значением).

Устройство работает от элемента питания 1.5 В размера AA. Для обеспечения необходимого напряжения питания активных элементов устройства используется повышающий преобразователь DC-DC (direct current – direct current) преобразующий постоянный ток в постоянный ток большего напряжения.

Также в устройстве предусмотрены входы для внешних электродов, а также выходы ЭКГ-сигнала и пульса для передачи, при необходимости, на персональный компьютер через последовательный аналого-цифровой интерфейс.

Выделение RR-интервалов происходит аналоговым путём для того, чтобы сократить на порядок необходимую тактовую частоту микроконтроллера и тем самым уменьшить энергопотребление.

 Программирование микропроцессора производится через последовательный интерфейс при помощи стандартного программатора на основе сектора начальной загрузки (bootstrap loader). С его помощью можно производить отладку и обновлять программное обеспечение микропроцессора.

На рисунке показан укрупнённый алгоритм программы микроконтроллера, необходимый для выполнения всех перечисленных функций:

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Алгоритм программы контроллера

В микроконтроллере MSP430F140 присутствует два независимых таймера (таймер А и таймер В).

Измерение длительности интервала производится путём дискретизации временного промежутка с использованием таймера В микроконтроллера. Таймер А применяется для осуществления антидребезговой задержки на 250 мс. На это время прерывания программы с порта не осуществляется.Это сделано из-за того, что при регистрации R-сигнала может проходить несколько импульсов, в том числе от непроизвольного дрожания рук при ударе сердца. Если после выполнения задержки на входной порт приходит сигнал логической «1» (метка R-зубца), то происходит прерывание и значение текущего RR-интервала считывается с таймера B.

Разработанное устройство тестировалось на виртуальной модели в среде Matlab и на опытном образце изделия, представляющим собой программно-аппаратный комплекс на основе персонального компьютера.

Опытный образец состоит из следующих частей:

Аналоговый блок

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Принципиальная схема аналогового блока
Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Корпус аналогового блока

Портативный цифровой обработчик 

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Цифровой блок в разборе

светодиоды показывают “уровень функционального состояния”

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Корпус цифрового блока

Аналого-цифровой преобразователь 12 бит для подключения к ПК при необходимости

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Реализация АЦП блока

Программатор на основе загрузочного сектора микроконтроллера MSP430F

Система для быстрой оценки функционального состояния организма человека
Программатор

Для работы в операционной среде Windows было разработано соответствующее программное обеспечение.

Результаты тестирования показали, что при достаточно небольшой себестоимости данного устройства достигается стабильное получение полезного сигнала, и адекватная оценка состояния организма испытуемого в данный момент времени.

Источники:

1. Парин В.В., Баев­ский Р.М. Кибернетика в медицине и физиологии. Медгиз. М.1963, с.50

2. Баевский Р.М., Берсенева А.П. Оценка адаптационных возможно­стей организма и риск раз­вития заболеваний М.: Медицина, 1997.- 235 с.

3. Исаков Р.В., Кузнецов А.А., Сушкова Л.Т. Оценка близости летальных аритмий методами нелинейной динамики.// Журнал «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника» №3, 2004, С.46-50

4. Исаков Р.В., Кузнецов А.А., Сушкова Л.Т. Методика исследования общего состояния организма. // «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» Доклады 6-й межд. науч.-техн. конф. Книга 1, Владимир, 2004, С.79-81

(с) Роман Исаков

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *