RU2766756C1 - Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot - Google Patents

Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot Download PDF

Info

Publication number
RU2766756C1
RU2766756C1 RU2021111204A RU2021111204A RU2766756C1 RU 2766756 C1 RU2766756 C1 RU 2766756C1 RU 2021111204 A RU2021111204 A RU 2021111204A RU 2021111204 A RU2021111204 A RU 2021111204A RU 2766756 C1 RU2766756 C1 RU 2766756C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
unit
block
pilot
level
output
Prior art date
Application number
RU2021111204A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Ефимович Мухин
Станислав Леонидович Селезнев
Дмитрий Сергеевич Коптев
Original Assignee
Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова" filed Critical Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова"
Priority to RU2021111204A priority Critical patent/RU2766756C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2766756C1 publication Critical patent/RU2766756C1/en

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/49—Blood
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons

Abstract

FIELD: medical technology.
SUBSTANCE: digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot contains blocks of red and infrared emitters, a photodetector, an analog-to-digital converter, a synchronization unit, operational and permanent storage devices, a computer unit, the first and second comparison nodes, an indication and notification unit. The device contains an additional infrared emitter unit, a yellow-green emitter unit, barometer, accelerometer and altimeter units, as well as a memory unit. An increase in the level of control of the pilot’s tolerance to the effects of adverse factors during the flight is achieved by introducing the possibility of synchronous parallel recording of the current parameters of the pilot’s health: the level of blood saturation, and environmental factors, the values of atmospheric pressure, the magnitude of the experienced overloads caused by accelerations, flight altitude, which, with subsequent analysis, will provide corrective actions to be introduced into the pilot’s ground training aimed at increasing the level of resistance to the effects of overloads, as well as reduced (increased) atmospheric pressure and altitude. In addition, the study of all fractions of hemoglobin: methemoglobin (MetHb), oxyhemoglobin (HbO2), deoxyhemoglobin (Hb) and carboxyhemoglobin (COHb) is provided, which makes it possible to determine not only functional blood saturation, but also fractional.
EFFECT: increase in the level of control of the pilot’s tolerance to the effects of adverse factors during the flight is achieved.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной медицины, а именно к системе определения физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна и контроля его функционального состояния непосредственно в процессе полета, и может быть использовано для контроля операторской деятельности человека.The invention relates to the field of aviation medicine, namely to a system for determining the physiological indicators of the health of an aircraft pilot and monitoring his functional state directly during the flight, and can be used to control human operator activities.

Известна система оценки состояния пилота в летательном средстве (US 2019080802 А1), позволяющая контролировать переносимость пилотом воздействия перегрузок во время полета за счет введения синхронного параллельного фиксирования текущих параметров неблагоприятных факторов. Система направлена на контроль и своевременный анализ многочисленных собираемых параметров с целью реализации функции определения профпригодности пилота, анализируя такие данные о пилоте, как тип мышечного волокна, количество запасенной энергии в мышцах, предыдущие травмы пилота и другие. Устройство предполагает беспроводную передачу данных, что не является рациональным, особенно в самолетах, имеющих большое количество радиоэлектронной аппаратуры, работа которой будет дополнительным источником помех, а следовательно, ошибок, вносимых в передаваемые данные.A known system for assessing the state of the pilot in an aircraft (US 2019080802 A1), which allows you to control the tolerance of the pilot to the effects of overloads during flight by introducing synchronous parallel recording of the current parameters of adverse factors. The system is aimed at monitoring and timely analysis of numerous collected parameters in order to implement the function of determining the professional suitability of the pilot, analyzing such data about the pilot as the type of muscle fiber, the amount of stored energy in the muscles, the pilot's previous injuries and others. The device involves wireless data transmission, which is not rational, especially in aircraft with a large amount of electronic equipment, the operation of which will be an additional source of interference, and therefore errors introduced into the transmitted data.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является пульсовой оксиметр (Патент РФ №2496418), позволяющий информировать о тенденции снижения уровня насыщения крови кислородом за счет формирования двух сигналов оповещения - предварительного, когда уровень насыщения крови кислородом уменьшился до предела, при котором человек еще не потерял сознание, и основного, для информирования окружающих лиц с целью привлечения сторонней помощи. Недостатком данного устройства является отсутствие взаимосвязи текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота с текущими значениями перегрузок, давления и высоты полета, что не позволяет наиболее объективно проводить послеполетный медицинский анализ степени переносимости пилотом неблагоприятных внешних воздействий во время полета. Также недостатком устройства является низкая точность определения уровня насыщения крови кислородом, ввиду того, что данный пульсовой оксиметр, также как и рассмотренный выше, имеет в своем составе только два источника излучения, что не позволяет исследовать все фракции гемоглобина, присутствующие в составе крови. С помощью двух источников излучения можно исследовать только те фракции, которые отвечают за перенос кровью кислорода - оксигемоглобин (HbO2) и дезоксигемоглобин (Hb). Неучтенными в данной ситуации остаются фракции, не участвующие в транспортировке кислорода, однако влияющие на величину насыщения крови кислородом - карбоксигемоглобин (COHb) и метгемоглобин (MetHb). Необходимо отметить, что практика клинической медицины выделяет два вида сатурации крови: функциональную и фракционную, являющимися точными параметрами, в которых учитываются все фракции гемоглобина. Таким образом, действие данного устройства направлено на определение только функциональной сатурации крови.The closest in technical essence to the claimed device is a pulse oximeter (RF Patent No. 2496418), which allows you to inform about the trend of reducing the level of blood oxygen saturation due to the formation of two alert signals - preliminary, when the level of blood oxygen saturation has decreased to the limit at which the person has not yet lost consciousness, and the main, to inform the surrounding persons in order to attract third-party assistance. The disadvantage of this device is the lack of correlation between the current values of the pilot's peripheral blood saturation level and the current values of g-forces, pressure and flight altitude, which does not allow the most objective post-flight medical analysis of the pilot's tolerance to adverse external influences during the flight. Also, the disadvantage of the device is the low accuracy of determining the level of blood oxygen saturation, due to the fact that this pulse oximeter, as well as discussed above, has only two radiation sources, which does not allow examining all hemoglobin fractions present in the blood. With the help of two radiation sources, it is possible to investigate only those fractions that are responsible for the transport of oxygen in the blood - oxyhemoglobin (HbO 2 ) and deoxyhemoglobin (Hb). In this situation, the fractions that are not involved in the transport of oxygen, but affect the amount of blood oxygen saturation - carboxyhemoglobin (COHb) and methemoglobin (MetHb) remain unaccounted for. It should be noted that the practice of clinical medicine distinguishes two types of blood saturation: functional and fractional, which are precise parameters that take into account all hemoglobin fractions. Thus, the action of this device is aimed at determining only the functional blood saturation.

Задача заявленного изобретения - повышение уровня контроля переносимости пилотом воздействия неблагоприятных факторов во время полета за счет введения возможности синхронного параллельного фиксирования текущих параметров здоровья пилота - уровня сатурации крови, и факторов окружающей среды - величины атмосферного давления, величины испытываемых перегрузок, вызванных ускорениями, высоты полета, что при последующем анализе позволит ввести корректирующие действия в наземную подготовку пилота, направленную на повышение уровня устойчивости к воздействию перегрузок, а также пониженного (повышенного) атмосферного давления и высоты полета.The objective of the claimed invention is to increase the level of control of the pilot's tolerance to the impact of adverse factors during flight by introducing the possibility of synchronous parallel recording of the current parameters of the pilot's health - the level of blood saturation, and environmental factors - the magnitude of atmospheric pressure, the magnitude of the experienced overloads caused by accelerations, flight altitude, which, in the subsequent analysis, will allow introducing corrective actions in the ground training of the pilot, aimed at increasing the level of resistance to the effects of overloads, as well as reduced (increased) atmospheric pressure and flight altitude.

Задача решается тем, что в заявленное устройство введены дополнительно второй блок инфракрасного излучателя и блок желто-зеленого излучателя, что позволяет исследовать все фракции гемоглобина - метгемоглобин (MetHb), оксигемоглобин (HbO2), дезоксигемоглобин (Hb), карбоксигемоглобин (COHb), а также позволяет определять не только функциональную сатурацию крови, но и фракционную сатурацию. Введение в устройство блока барометра, блока акселерометра, блока высотомера, блока памяти позволяют отслеживать влияние перегрузок, изменения атмосферного давления и высоты полета на физиологическое состояние здоровья пилота, что при последующем анализе позволит ввести корректирующие действия в наземную подготовку пилота, направленную на повышение уровня устойчивости к воздействию вышеперечисленных неблагоприятных факторов. Таким образом, предлагаемое устройство лишено недостатков, которыми обладают вышеуказанные аналоги.The problem is solved by the fact that the second block of the infrared emitter and the block of the yellow-green emitter are additionally introduced into the claimed device, which makes it possible to investigate all fractions of hemoglobin - methemoglobin (MetHb), oxyhemoglobin (HbO 2 ), deoxyhemoglobin (Hb), carboxyhemoglobin (COHb), and also allows you to determine not only the functional saturation of the blood, but also the fractional saturation. The introduction of a barometer unit, an accelerometer unit, an altimeter unit, a memory unit into the device make it possible to monitor the effect of overloads, changes in atmospheric pressure and flight altitude on the physiological state of the pilot's health, which, in the subsequent analysis, will allow introducing corrective actions in the ground training of the pilot, aimed at increasing the level of resistance to the impact of the above adverse factors. Thus, the proposed device is devoid of the disadvantages of the above analogues.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.The block diagram of the proposed device is shown in Fig. one.

Устройство состоит из блока красного излучателя 1 (с длиной волны излучения 660 нм), блока инфракрасного излучателя 2 (длина волны излучения 940 нм), блока желто-зеленого излучателя 3 (длина волны излучения 565 нм), блока инфракрасного излучателя 4 (длина волны волны 880 нм), фотоприемника 5, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, блока синхронизации 7, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8, блока вычислителя 9, первого узла сравнения 101, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11, второго узла сравнения 102, блока индикации и оповещения 12, блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15, блока памяти 16. Выход блока красного излучателя 1 соединен с первым входом фотоприемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 2 соединен со вторым входом фотоприемника 5, выход блока желто-зеленого излучателя 3 соединен с третьим входом фото приемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 4 соединен с четвертым входом фотоприемника 5. Выход фотоприемника 5 соединен с первым входом АЦП 6. Выход АЦП 6 соединен с первым входом ОЗУ 8. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ОЗУ 8 соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока вычислителя 9. Выход блока вычислителя 9 соединен с первым входом блока памяти 16. Выход блока барометра 13 соединен со вторым входом блока памяти 16. Выход блока акселерометра 14 соединен с третьим входом блока памяти 16. Выход блока высотомера 15 соединен с четвертым входом блока памяти 16. Выход блока вычислителя 9 также соединен с первым входом блока индикации и оповещения 12, со вторым входом второго узла сравнения 102, с первым входом первого узла сравнения 101. Выход узла сравнения 101 соединен с третьим входом блока индикации и оповещения 12. Выход второго узла сравнения 102 соединен со вторым входом блока индикации и оповещения 12. Первый выход ПЗУ 11 соединен со вторым входом первого узла сравнения 101, а второй выход ПЗУ 11 соединен с первым входом второго узла сравнения 102. Первый выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока красного излучателя 1, второй выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока инфракрасного излучателя 2, третий выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока желто-зеленого излучателя 3, четвертый выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока инфракрасного излучателя 4, пятый выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом АЦП 6, шестой выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом ОЗУ 8, седьмой выход блока синхронизации 7 соединен с шестым входом блока вычислителя 9, восьмой выход блока синхронизации 7 соединен со входами блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15 и пятым входом блока памяти 16.The device consists of a red emitter unit 1 (with an emission wavelength of 660 nm), an infrared emitter unit 2 (an emission wavelength of 940 nm), a yellow-green emitter unit 3 (an emission wavelength of 565 nm), an infrared emitter unit 4 (a wavelength 880 nm), photodetector 5, analog-to-digital converter (ADC) 6, synchronization unit 7, random access memory (RAM) 8, calculator unit 9, first comparison node 10 1 , read-only memory (ROM) 11, second comparison node 10 2 , indication and warning block 12, barometer block 13, accelerometer block 14, altimeter block 15, memory block 16. The output of the red emitter block 1 is connected to the first input of the photodetector 5, the output of the infrared emitter block 2 is connected to the second input of the photodetector 5, the output of the block yellow-green emitter 3 is connected to the third input of the photodetector 5, the output of the infrared emitter unit 4 is connected to the fourth input of the photodetector 5. The output of the photodetector 5 is united with the first input of the ADC 6. The output of the ADC 6 is connected to the first input of the RAM 8. The first, second, third, fourth and fifth outputs of the RAM 8 are connected respectively to the first, second, third, fourth and fifth inputs of the calculator block 9. The output of the calculator block 9 connected to the first input of the memory block 16. The output of the barometer block 13 is connected to the second input of the memory block 16. The output of the accelerometer block 14 is connected to the third input of the memory block 16. The output of the altimeter block 15 is connected to the fourth input of the memory block 16. The output of the calculator block 9 is also connected with the first input of the indication and alert block 12, with the second input of the second comparison node 10 2 , with the first input of the first comparison node 10 1 . The output of the comparison node 10 1 is connected to the third input of the display and alert block 12. The output of the second comparison node 10 2 is connected to the second input of the display and alert block 12. The first output of the ROM 11 is connected to the second input of the first comparison node 10 1 , and the second output of the ROM 11 connected to the first input of the second comparison node 10 2 . The first output of the synchronization block 7 is connected to the input of the red emitter block 1, the second output of the synchronization block 7 is connected to the input of the infrared emitter block 2, the third output of the synchronization block 7 is connected to the input of the yellow-green emitter block 3, the fourth output of the synchronization block 7 is connected to the input of the block infrared emitter 4, the fifth output of the synchronization unit 7 is connected to the second input of the ADC 6, the sixth output of the synchronization unit 7 is connected to the second input of the RAM 8, the seventh output of the synchronization unit 7 is connected to the sixth input of the calculator unit 9, the eighth output of the synchronization unit 7 is connected to the inputs of the unit barometer 13, accelerometer block 14, altimeter block 15 and the fifth input of the memory block 16.

Предлагаемое цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна работает следующим образом.The proposed digital device for monitoring the physiological health of the pilot of the aircraft operates as follows.

Блок синхронизации 7 содержит генератор тактовых импульсов, который формирует восемь импульсных последовательностей, запускающих отдельные узлы. Импульс включения блока красного излучателя 1 поступает с первого выхода блока синхронизации 7. Блок инфракрасного излучателя 2 запускается импульсом со второго выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока красного излучателя 1. Блок желто-зеленого излучателя 3 запускается импульсом с третьего выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока инфракрасного излучателя 2. Блок инфракрасного излучателя 4 запускается импульсом с четвертого выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока желто-зеленого излучателя 3.Synchronization block 7 contains a clock pulse generator, which generates eight pulse sequences that trigger individual nodes. The activation pulse of the red emitter block 1 comes from the first output of the synchronization block 7. The infrared emitter block 2 is triggered by a pulse from the second output of the synchronization block 7, but with a time delay relative to the trigger pulse of the red emitter block 1. The yellow-green emitter block 3 is triggered by a pulse from the third the output of the synchronization block 7, but with a time delay relative to the trigger pulse of the infrared emitter block 2. The infrared emitter block 4 is triggered by a pulse from the fourth output of the synchronization block 7, but with a time delay relative to the trigger pulse of the yellow-green emitter block 3.

Световой поток от блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желто-зеленого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4, проходя через исследуемый биологический объект (мочку уха) пилота (фиг. 1) изменяет свою интенсивность, что вызывает изменение уровня сигнала на выходе фотоприемника 5. Сигнал с выхода фотоприемника 5 пропорционален величине поглощения света тканями и кровью, и включает в себя две составляющие: пульсирующую компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении, и постоянную «базовую» составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка.The light flux from the red emitter block 1, the infrared emitter block 2, the yellow-green emitter block 3 and the infrared emitter block 4, passing through the biological object under study (earlobe) of the pilot (Fig. 1) changes its intensity, which causes a change in the signal level by the output of photodetector 5. The signal from the output of photodetector 5 is proportional to the amount of light absorption by tissues and blood, and includes two components: a pulsating component due to a change in arterial blood volume with each heartbeat, and a constant "basic" component determined by the optical properties of the skin, venous and capillary blood and other tissues of the examined area.

Клинические исследования оптических свойств крови с целью определения степени ее оксигенации (насыщения кислородом) показали, что каждая форма гемоглобина имеет свой собственный спектр поглощения. На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента молярной экстинкции от длины волны излучения для различных форм гемоглобина, где 1 - метгемоглобин (MetHb), 2 - оксигемоглобин (HbO2), 3 - дезоксигемоглобин (Hb), 4 - карбоксигемоглобин (COHb).Clinical studies of the optical properties of blood in order to determine the degree of its oxygenation (oxygen saturation) have shown that each form of hemoglobin has its own absorption spectrum. In FIG. Figure 2 shows the dependence of the molar extinction coefficient on the radiation wavelength for various forms of hemoglobin, where 1 is methemoglobin (MetHb), 2 is oxyhemoglobin (HbO 2 ), 3 is deoxyhemoglobin (Hb), 4 is carboxyhemoglobin (COHb).

Анализ зависимостей (фиг. 2) показывает, что оксигемоглобин (HbO2) имеет минимум поглощения в красной части спектра (слева), где поглощение дезоксигемоглобина (Hb) выше. В инфракрасной части спектра (справа) поглощение оксигемоглобина (HbO2) становится несколько выше поглощения дезоксигемоглобина (Hb). Карбоксигемоглобин (COHb) имеет резко падающую зависимость поглощения, и в инфракрасной области его поглощение незначительно. Метгемоглобин (MetHb) имеет более сложную зависимость поглощения от длины волны излучения, однако можно выделить характерные участки спектра, где оптические свойства метгемоглобина (MetHb) существенно отличаются от свойств других форм гемоглобина.The analysis of dependencies (Fig. 2) shows that oxyhemoglobin (HbO 2 ) has an absorption minimum in the red part of the spectrum (left), where the absorption of deoxyhemoglobin (Hb) is higher. In the infrared part of the spectrum (right), the absorption of oxyhemoglobin (HbO 2 ) becomes slightly higher than the absorption of deoxyhemoglobin (Hb). Carboxyhemoglobin (COHb) has a sharply decreasing absorption curve, and its absorption is negligible in the infrared region. Methemoglobin (MetHb) has a more complex dependence of absorption on the wavelength of radiation, however, it is possible to distinguish characteristic regions of the spectrum where the optical properties of methemoglobin (MetHb) differ significantly from the properties of other forms of hemoglobin.

Для измерения концентрации всех четырех форм гемоглобина необходимо проводить измерения поглощения света, по крайней мере, на четырех длинах волн.To measure the concentration of all four forms of hemoglobin, it is necessary to measure the absorption of light at least at four wavelengths.

Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода необходимо выбирать длины волн источников излучения в тех участках спектра, в которых разность между коэффициентами поглощения максимальна и различна по знаку для оксигемоглобина и дезоксигемоглобина, а также для карбоксигемоглобина и метгемоглобина (Крепе Е.М. Оксигемометрия. - М.: «Медицина», 1959. - 212 с.).To obtain the greatest sensitivity for determining oxygen saturation, it is necessary to choose the wavelengths of radiation sources in those parts of the spectrum in which the difference between the absorption coefficients is maximum and different in sign for oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, as well as for carboxyhemoglobin and methemoglobin (Krepe E.M. Oxygemometry. - M .: "Medicine", 1959. - 212 p.).

При длине волны излучения 660 нм дезоксигемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин. На длине волны 940 нм поглощение оксигемоглобином достигает максимального значения по сравнению с поглощением дезоксигемоглобином. Максимальное поглощение карбоксигемоглобином по сравнению с поглощением метгемоглобином наблюдается на длине волны 565 нм. Как видно из фиг. 2, поглощение метгемоглобином практически на всем участке спектра длин волн больше, чем карбоксигемоглобином и достигает своего максимума на длине волны 950 нм. Однако ближняя к указанной длина волны 940 нм уже используется. Поэтому необходимо выбрать другую длину волны, чтобы обеспечить отсутствие спектрального перекрытия между источниками излучения. Разнос по длине волны должен составлять от 50 до 80 нм (удвоенное значение стандартной ширины спектра излучения светодиодов (25-40 нм)). На длине волны 880 нм наблюдается существенное превалирование в поглощении между метгемоглобином и карбоксигемоглобином, близкое к длине волны 950 нм, а также обеспечивается условие спектрального разноса.At a wavelength of 660 nm, deoxyhemoglobin absorbs about 10 times more light than oxyhemoglobin. At a wavelength of 940 nm, the absorption by oxyhemoglobin reaches its maximum value compared to the absorption by deoxyhemoglobin. The maximum absorption by carboxyhemoglobin compared with the absorption by methemoglobin is observed at a wavelength of 565 nm. As can be seen from FIG. 2, absorption by methemoglobin in almost the entire region of the wavelength spectrum is greater than by carboxyhemoglobin and reaches its maximum at a wavelength of 950 nm. However, the wavelength closest to this, 940 nm, is already in use. Therefore, a different wavelength must be chosen to ensure that there is no spectral overlap between the radiation sources. The wavelength spacing should be between 50 and 80 nm (twice the standard LED emission spectrum width (25-40 nm)). At a wavelength of 880 nm, there is a significant predominance in absorption between methemoglobin and carboxyhemoglobin, close to a wavelength of 950 nm, and the spectral separation condition is also provided.

Разновременное кратковременное включение блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желто-зеленого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4 обеспечивает раздельное измерение величины поглощения излучения всеми четырьмя формами гемоглобина (дезоксигемоглобин (Hb), оксигемоглобин (HbO2), карбоксигемоглобин (COHb), метгемоглобина (MetHb)) на различных длинах волн, которые соответствуют максимальным значениям поглощения для указанных веществ, определенных в клинико-лабораторных условиях, а именно дезоксигемоглобин (Hb) - 660 нм, оксигемоглобин (HbO2) - 940 нм, карбоксигемоглобин (COHb) - 580 нм, метгемоглобин (metHb) - 880 нм (фиг. 2).Multi-time short-term activation of the red emitter unit 1, the infrared emitter unit 2, the yellow-green emitter unit 3 and the infrared emitter unit 4 provides separate measurement of the amount of radiation absorption by all four forms of hemoglobin (deoxyhemoglobin (Hb), oxyhemoglobin (HbO 2 ), carboxyhemoglobin (COHb) , methemoglobin (MetHb)) at various wavelengths that correspond to the maximum absorption values for the indicated substances determined in clinical laboratory conditions, namely deoxyhemoglobin (Hb) - 660 nm, oxyhemoglobin (HbO 2 ) - 940 nm, carboxyhemoglobin (COHb) - 580 nm, methemoglobin (metHb) - 880 nm (Fig. 2).

Сигналы с выхода фотоприемника 5, полученные при работе блока красного излучателя 1, блока инфракрасного излучателя 2, блока желтого излучателя 3 и блока инфракрасного излучателя 4, поступают на аналого-цифровой преобразователь 6, откуда полученные цифровые отсчеты записываются в соответствующие области памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8. Помимо этого, в память ОЗУ 8 записывается цифровой отсчет сигнала фоновой засветки при выключенных блоках излучателей 1, 2, 3 и 4. Указанная мера позволяет компенсировать влияния внешней засветки фотоприемника 5 посредством вычитания в блоке вычислителя 9 отсчетов фоновой засветки из отсчетов, зафиксированных при работе блоков излучателей 1, 2, 3 и 4.The signals from the output of the photodetector 5, obtained during the operation of the red emitter unit 1, the infrared emitter unit 2, the yellow emitter unit 3 and the infrared emitter unit 4, are fed to the analog-to-digital converter 6, from where the obtained digital readings are recorded in the corresponding memory areas of the random access memory ( RAM) 8. In addition, the digital reading of the background illumination signal is recorded in the memory of the RAM 8 when the blocks of emitters 1, 2, 3 and 4 are turned off. emitters 1, 2, 3 and 4 fixed during operation.

Импульсы запуска АЦП 6 с пятого выхода блока синхронизации 7 поступают с частотой 1000 Гц, необходимой для получения заданной точности определения параметров пульсовой волны. После проведения ряда измерений сигналов с фотоприемника 5 и записи их в соответствующие области ОЗУ 8 с седьмого выхода блока синхронизации 7 на шестой вход блока вычислителя 9 подается сигнал готовности.The start pulses of the ADC 6 from the fifth output of the synchronization unit 7 arrive at a frequency of 1000 Hz, necessary to obtain the specified accuracy in determining the parameters of the pulse wave. After a series of measurements of the signals from the photodetector 5 and recording them in the corresponding area of the RAM 8 from the seventh output of the synchronization unit 7 to the sixth input of the calculator unit 9 is ready signal.

В блоке вычислителя 8 производится определение постоянных и переменных составляющих сигналов с фотоприемника 5, зафиксированных при работе блоков излучателей 1, 2, 3, 4. Проведение подобных измерений необходимо для увеличения точности определения сатурации SpO2 путем нормирования сигналов поглощения света. Необходимо отметить, что нормированная величина поглощения не зависит от интенсивности излучения излучателей, а определяется только оптическими свойствами живой ткани.In the calculator unit 8, the constant and variable components of the signals from the photodetector 5, recorded during the operation of the emitter units 1, 2, 3, 4, are determined. Such measurements are necessary to increase the accuracy of determining the saturation of SpO 2 by normalizing the light absorption signals. It should be noted that the normalized absorption value does not depend on the radiation intensity of the emitters, but is determined only by the optical properties of the living tissue.

Значение уровня фракционной сатурации крови Sp02 определяется в соответствии с формулой (1):The value of the level of fractional blood saturation Sp02 is determined in accordance with the formula (1):

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
,
Figure 00000003
,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
- концентрации указанных выше фракций гемоглобина.where
Figure 00000002
,
Figure 00000003
,
Figure 00000004
,
Figure 00000005
- concentrations of the above hemoglobin fractions.

Данные концентрации определяются из системы уравнений Фирордта, которая для случая использования количества аналитических длин волн равного количеству исследуемых компонентов запишется в виде системы линейных уравнений, имеющей следующий вид:These concentrations are determined from the system of Fierordt equations, which, for the case of using the number of analytical wavelengths equal to the number of components under study, will be written as a system of linear equations having the following form:

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
- нормированные значения концентрации фракций гемоглобина для каждой из длин волн, рассчитанные по формуле (1);where
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
- normalized values of the concentration of hemoglobin fractions for each of the wavelengths, calculated by formula (1);

Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
- значения коэффициентов молярной экстинкции для каждой из исследуемых форм гемоглобина в зависимости от длины волны излучения (фиг. 2), заложенные в память блока вычислителя 9.
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
- the values of the molar extinction coefficients for each of the studied forms of hemoglobin depending on the wavelength of radiation (Fig. 2), embedded in the memory of the calculator unit 9.

Данная система линейных уравнений (2) имеет однозначные решения по методу Крамера, в соответствии с которым искомые концентрации определятся в следующем виде:This system of linear equations (2) has unique solutions according to the Cramer method, according to which the desired concentrations are determined in the following form:

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

полученной на основе исходной системы линейных уравнений и составленной из коэффициентов молярной экстинкции исследуемых компонентов.obtained on the basis of the initial system of linear equations and composed of the molar extinction coefficients of the studied components.

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

где Δ - определитель матрицы системы, где вместо; i-го столбца стоит столбец левых частей.where Δ is the determinant of the matrix of the system, where instead of; The i-th column is the column of left parts.

Таким образом, становится возможным определить значение фракционной сатурации крови пилота в текущий момент времени i по формуле (1).Thus, it becomes possible to determine the fractional saturation of the pilot's blood at the current time i according to formula (1).

В узле сравнения 101 и узле сравнения 102 производится сравнение значений SpO2(i), где i - номер текущего определения уровня периферической сатурации крови, со значениями Y и Z соответственно на первом и втором выходах постоянного запоминающего устройства 11. Под Y понимается порог насыщения крови кислородом, соответствующий допустимому уровню сатурации. Под Z понимается порог значения насыщения крови кислородом, соответствующий критическому уровню, то есть наступлению у пилота состояния гипоксии (кислородной недостаточности). Важно отметить, что значения Y и Z индивидуальны и зависят от особенностей организма пилота. Поэтому запись значений Y и Z в память ПЗУ 11 производится только на основании медицинских рекомендаций после проведения необходимых клинико-лабораторных испытаний.Comparison node 10 1 and comparison node 10 2 compare the SpO 2 (i) values, where i is the number of the current determination of the level of peripheral blood saturation, with the values of Y and Z, respectively, at the first and second outputs of the read-only memory device 11. Under Y is the threshold blood oxygen saturation, corresponding to the acceptable level of saturation. Under Z is understood the threshold value of blood oxygen saturation corresponding to the critical level, that is, the onset of hypoxia (oxygen deficiency) in the pilot. It is important to note that the values of Y and Z are individual and depend on the characteristics of the pilot's body. Therefore, the Y and Z values are recorded in the ROM memory 11 only on the basis of medical recommendations after the necessary clinical and laboratory tests have been carried out.

Рассмотрим случай, когда гипоксия наступает достаточно медленно. Пока величина SpO2(i) больше порогового значения Y, сигналы с выходов узлов сравнения 101 и 102 не поступают, сигнал тревоги не подается. В случае, когда величина SpO2(i) становится меньше значения Y, сигнал с выхода первого узла сравнения 101 поступит на третий вход блока индикации и оповещения 12, в котором сформируются акустический и визуальный сигналы предварительного оповещения. Если за этот промежуток времени будут приняты необходимые меры и уровень кислородного насыщения будет восстановлен, то есть значение SpO2(i) вновь превысит значение Y, то сигнал оповещения прекратится.Consider the case when hypoxia occurs rather slowly. While the value of SpO 2 (i) is greater than the threshold value Y, the signals from the outputs of the comparison nodes 10 1 and 10 2 are not received, the alarm is not given. In the case when the value of SpO 2 (i) becomes less than the Y value, the signal from the output of the first comparison node 10 1 will go to the third input of the indication and warning block 12, in which acoustic and visual warning signals will be generated. If during this period of time the necessary measures are taken and the level of oxygen saturation is restored, that is, the SpO 2 (i) value again exceeds the Y value, then the alarm signal will stop.

В том случае, когда принятых мер окажется недостаточно для восстановления оптимального кислородного насыщения, и величина сатурации крови SpO2(i) станет меньше порога Z, то сигнал со второго узла сравнения 102 поступит на второй вход блока индикации и оповещения 12, где сформируются акустический и визуальный сигналы оповещения, отличающиеся от сигналов предварительного оповещения.In the event that the measures taken are not enough to restore optimal oxygen saturation, and the value of blood saturation SpO 2 (i) becomes less than the threshold Z, then the signal from the second comparison node 10 2 will go to the second input of the display and alert block 12, where an acoustic signal will be generated. and visual alerts other than pre-warnings.

Первый сигнал оповещения является предупредительным, когда уровень периферической сатурации крови снижается до такого уровня, при котором человек не теряет сознание и может выполнять необходимые компенсаторные процедуры. Второй сигнал оповещения - основной, когда гипоксия наступила. Второй сигнал предназначен для информирования наземных служб. Рассчитанное в блоке вычислителя 9 текущее значение сатурации крови в цифровом виде передается на первый вход блока индикации и оповещения 12.The first alert signal is a warning when the level of peripheral blood saturation drops to a level at which a person does not lose consciousness and can perform the necessary compensatory procedures. The second alert signal is the main one when hypoxia has set in. The second signal is intended to inform ground services. The current value of blood saturation calculated in the calculator block 9 is digitally transmitted to the first input of the indication and notification block 12.

Синхронизацию во времени текущих параметров полета (барометрического давления, значения перегрузок ускорения, высоты полета) и текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота осуществляют блок барометра 13, блок акселерометра 14, блок высотомера 15 и блок памяти 16. Значение уровня периферической сатурации крови SpO2(i) передается с выхода блока вычислителя 9 на первый вход блока памяти 16, на второй, третий и четвертый его входы подаются выходные сигналы блоков барометра 13, акселерометра 14, высотомера 15, соответственно. Блоки барометра 13, акселерометра 14, высотомера 15 и блок памяти 16 запускаются импульсами, поступающими с восьмого выхода блока синхронизации 7 на вход барометра 13, вход акселерометра 14, вход высотомера 15, пятый вход блока памяти 16. Выходная информация снимается с выхода блока памяти 16. Таким образом, в блоке памяти 16 синхронно во времени формируется массив текущих значений уровня периферической сатурации крови пилота, текущих значений барометрического давления в кабине пилота, текущего значения перегрузок, испытываемых пилотом, а также высоты полета.Synchronization in time of the current flight parameters (barometric pressure, values of acceleration overloads, flight altitude) and the current values of the level of peripheral blood saturation of the pilot is carried out by the barometer unit 13, the accelerometer unit 14, the altimeter unit 15 and the memory unit 16. The value of the level of peripheral blood saturation SpO 2 ( i) is transmitted from the output of the calculator block 9 to the first input of the memory block 16, the output signals of the blocks of barometer 13, accelerometer 14, altimeter 15, respectively, are fed to its second, third and fourth inputs. Blocks of barometer 13, accelerometer 14, altimeter 15 and memory block 16 are triggered by pulses coming from the eighth output of synchronization block 7 to the input of barometer 13, accelerometer input 14, altimeter input 15, fifth input of memory block 16. The output information is taken from the output of memory block 16. Thus, in the memory block 16, an array of current values of the pilot's peripheral blood saturation level, current values of barometric pressure in the cockpit, the current value of the overloads experienced by the pilot, and also the flight altitude are formed synchronously in time.

Использование изобретения в авиационной технике позволит расширить и существенно повысить безопасность полетов во время их выполнения за счет информирования пилота о критическом состоянии организма, а также позволит проводить послеполетный анализ уровня переносимости пилотом стрессовых ситуаций (воздействие неблагоприятных факторов) и обеспечить рекомендации для наземной подготовки пилотов по улучшению физической и психической устойчивости к перегрузкам и стрессовым ситуациям, вызванных пониженным или повышенным атмосферным давлением и высотой полета.The use of the invention in aviation technology will expand and significantly improve the safety of flights during their performance by informing the pilot about the critical state of the body, and will also allow for a post-flight analysis of the level of tolerance by the pilot of stressful situations (the impact of adverse factors) and provide recommendations for ground training of pilots to improve physical and mental resistance to overloads and stressful situations caused by low or high atmospheric pressure and flight altitude.

Claims (1)

Цифровое устройство контроля физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна, состоящее из блока красного излучателя, блока инфракрасного излучателя, фотоприемника, аналого-цифрового преобразователя, блока синхронизации, оперативного запоминающего устройства, блока вычислителя, первого и второго узла сравнения, постоянного запоминающего устройства, блока индикации и оповещения, отличающееся тем, что в устройство введен дополнительный блок инфракрасного излучателя, блок желто-зеленого излучателя, блок барометра, блок акселерометра, блок высотомера, блок памяти, где входы блока желто-зеленого излучателя и дополнительного блока инфракрасного излучателя соединены с третьим и четвертым выходом блока синхронизации соответственно, а выходы блока желто-зеленого излучателя и дополнительного блока инфракрасного излучателя соединены с третьим и четвертым входом фотоприемника соответственно, входы блоков барометра, акселерометра, высотомера и пятый вход блока памяти соединены с восьмым выходом блока синхронизации, первый вход блока памяти соединен с выходом блока вычислителя, выходы блоков барометра, акселерометра и высотомера соединены со вторым, третьим и четвертым входом блока памяти соответственно.Digital device for monitoring the physiological indicators of the health of an aircraft pilot, consisting of a red emitter unit, an infrared emitter unit, a photodetector, an analog-to-digital converter, a synchronization unit, a random access memory, a calculator unit, the first and second comparison nodes, a read-only memory device, an indication unit and notification, characterized in that the device has an additional infrared emitter unit, a yellow-green emitter unit, a barometer unit, an accelerometer unit, an altimeter unit, a memory unit, where the inputs of the yellow-green emitter unit and the additional infrared emitter unit are connected to the third and fourth outputs synchronization block, respectively, and the outputs of the yellow-green emitter block and the additional infrared emitter block are connected to the third and fourth inputs of the photodetector, respectively, the inputs of the barometer, accelerometer, altimeter blocks and the fifth input of the memory block are connected to the eighth m output of the synchronization block, the first input of the memory block is connected to the output of the calculator block, the outputs of the barometer, accelerometer and altimeter blocks are connected to the second, third and fourth inputs of the memory block, respectively.
RU2021111204A 2021-04-19 2021-04-19 Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot RU2766756C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111204A RU2766756C1 (en) 2021-04-19 2021-04-19 Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111204A RU2766756C1 (en) 2021-04-19 2021-04-19 Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2766756C1 true RU2766756C1 (en) 2022-03-15

Family

ID=80736644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021111204A RU2766756C1 (en) 2021-04-19 2021-04-19 Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2766756C1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2259161C1 (en) * 2003-12-26 2005-08-27 Винокуров Дмитрий Сергеевич Pulsating oxymeter
RU2285442C2 (en) * 2001-02-08 2006-10-20 Инвернесс Медикал Лимитед Personal system for controlling health state
US20110237911A1 (en) * 2004-07-07 2011-09-29 Masimo Laboratories, Inc. Multiple-wavelength physiological monitor
RU2496418C1 (en) * 2012-06-08 2013-10-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) Pulse oximeter
CN203524681U (en) * 2013-09-29 2014-04-09 无锡科之乾科技有限公司 Human health monitoring system based on outdoor sports
RU2537050C1 (en) * 2013-07-15 2014-12-27 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Pilot in-flight biomechanical control system
WO2018106367A1 (en) * 2016-12-09 2018-06-14 Basil Leaf Technologies, Llc Non-invasive hemoglobin and white blood cell sensors
CN109044366A (en) * 2018-07-25 2018-12-21 广东海尔斯激光医疗科技有限公司 The detection method and optics finger tip detection instrument of glycosylated hemoglobin and blood oxygen saturation

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2285442C2 (en) * 2001-02-08 2006-10-20 Инвернесс Медикал Лимитед Personal system for controlling health state
RU2259161C1 (en) * 2003-12-26 2005-08-27 Винокуров Дмитрий Сергеевич Pulsating oxymeter
US20110237911A1 (en) * 2004-07-07 2011-09-29 Masimo Laboratories, Inc. Multiple-wavelength physiological monitor
RU2496418C1 (en) * 2012-06-08 2013-10-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) Pulse oximeter
RU2537050C1 (en) * 2013-07-15 2014-12-27 Открытое акционерное общество "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" Pilot in-flight biomechanical control system
CN203524681U (en) * 2013-09-29 2014-04-09 无锡科之乾科技有限公司 Human health monitoring system based on outdoor sports
WO2018106367A1 (en) * 2016-12-09 2018-06-14 Basil Leaf Technologies, Llc Non-invasive hemoglobin and white blood cell sensors
CN109044366A (en) * 2018-07-25 2018-12-21 广东海尔斯激光医疗科技有限公司 The detection method and optics finger tip detection instrument of glycosylated hemoglobin and blood oxygen saturation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11647923B2 (en) Tissue profile wellness monitor
US11224363B2 (en) Active-pulse blood analysis system
US8208983B2 (en) Clinical applications of StO2 analysis
US20190167206A1 (en) System and method for a biosensor integrated in a vehicle
US10918321B2 (en) Method for spectrophotometric blood oxygenation monitoring
US20080004513A1 (en) VCSEL Tissue Spectrometer
Dresher Wearable forehead pulse oximetry: Minimization of motion and pressure artifacts
EP2762074B1 (en) Biological signal measuring system and biological signal measuring apparatus
Severinghaus History and recent developments in pulse oximetry
US11478171B2 (en) Autoregulation system and method using tissue oximetry and blood pressure
EP3790467B1 (en) Abnormal blood oxygenation level monitoring system and self-monitoring oxygenation system
Nirupa et al. Non-invasive measurement of hemoglobin content in blood
RU2766756C1 (en) Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot
US11454589B2 (en) Method and apparatus for non-invasively measuring circulatory hemoglobin
JP5077326B2 (en) Biological information measuring device, control method therefor, and control program
Muralidharan et al. Detecting the Oxygen Saturation level and Heart Rate using MAX30100 Sensor
Mark et al. Comparison of the Effects of Motion and Environment Conditions on Accuracy of Handheld and Finger-Based Pulse Oximeters
Samuel et al. Embedded Based Low Cost Pulse Oximeter
Cysewska-Sobusiak Problems with evaluating readings of pulse oximeters used at home during the ongoing COVID-19 pandemic