CZ29832U1 - Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení k monitorování základních vitálních funkcí člověka, kde jedna sonda monitoruje současně více veličin.

Dosavadní stav techniky

Monitorovací zařízení životních funkcí nebo také fyziologický monitor je zařízení sloužící ke sledování zdravotního stavu pacienta. Zařízení většinou sestává z jednoho nebo více senzorů, jednotky pro zpracování dat ze senzorů, případně zobrazovacího zařízení - monitoru. Zařízení dále může obsahovat komunikační rozhraní pro zaznamenávání, zpracování a zobrazování biometrických dat mimo samotný monitor. Konvenční zařízení zvaná Monitory životních funkcí se využívají ke snímání základních životních funkcí pacienta různé senzory. Mezi základní lze uvést senzory pro měření EKG, srdečního tepu, dechové frekvence či respiračních parametrů, senzory okysličení krve nebo senzor pro měření teploty. Jedná se přitom většinou o převodníky neelektrických veličin na veličiny elektrické, v případě EKG o elektrody snímající přímo napěťové potenciály. Součástí všech senzorů přitom musí být přívodní kabely a konektory pro připojení k monitoru.

Doposud je známo mnoho různých řešení těchto zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla, z nichž je možné jmenovat např. řešení podle CN užitného vzoru č. CN 201 389 015 (Y), které popisuje zařízení na monitorování kardiovaskulárního obrazu člověka obsahující 3 senzory a materiál použitý pro zapouzdření senzoru i jednotku k vyhodnocení dat. Užitný vzor se týká zařízení na bázi optických vláken, monitorování kardiovaskulární fluktuace obrazu a zdravotní diagnostiky, které obsahuje měřicí jednotku určenou pro snímání dat ze zápěstí, měřicí jednotku určenou pro snímání dat z hlavy a měřící jednotku určenou pro snímání dat z hrudníku. Měřící jednotky jsou spojeny s demodulačním zařízením optickými vlákny. Zařízení založené na optickém vlákně sbírá kardiovaskulární fluktuační signály, zachycuje charakteristické množství fluktuačních signálů, převádí signály do kardiovaskulárních dynamických obrazů a na základě analýzy kardiovaskulárního kolísání umožňuje určit dynamické změny a předvídat patologické změny v reálném čase.

Dalším známým řešením je patentová přihláška č. CN 104 856 656 (A), kde je popsáno zařízení obsahující pouze jeden senzor, přičemž tento senzor monitoruje pouze srdeční tep člověka. Řešení popisuje rovněž použitý materiál pro zapouzdření senzoru a metodu vyhodnocení dat.

Systém se skládá z vláken Braggovských mřížek sestavených do tří částí zařízení, které jsou uspořádané v prostoru tvořeném podpůrnou deskou a základnou. Optická metoda se používá pro extrakci pulzních signálů z částí Cun, Guan a Chi současně, měřicí zařízení má výhodu, že je jednoduché konstrukce, vysoké měřící přesnosti, dobré stability a podobně, a optická měřicí metoda je předkládána k překonání nedostatků elektrické měřicí metody a má vysoký obsah spolehlivosti a přesnosti.

Dalším ze známých řešení je uvedeno v KR patentové přihlášce č. KR 2009 0 027 270 (A), popisující zařízení obsahující pouze jeden senzor, který monitoruje srdeční tep člověka. Popsán je rovněž použitý materiál pro zapouzdření senzoru, vyhodnocení a implementace sondy v rámci zápěstí na člověka. Snímač pulsu přitom obsahuje senzory sestávající z Braggovské mřížky s definovaným množstvím vláken.

Systém pro měření pulsu je k dispozici pro měření dlouhého nebo krátkého pulsu pomocí snímače pulsu obsahujícího definované množství vláken Braggových mřížkových senzorů a spektrální analyzátor, obsahující laserový modul, lx N vazební člen, procesor, displej, databázi senzorových modulů N a spojku. Spektrální analyzátor měří množství změny vlnové délky odražené od Braggovské mřížky za použití širokopásmového zdroje světla na Braggových vláknech senzoru. Procesor zpracovává množství změn těchto vlnových délek. Výsledek měření je následně uložen v databázi.

-1 CZ 29832 UI

Neposledním známým řešením je monitorovací zařízení podle CN užitného vzoru č. CN 204 318 731 (U)), obsahující jeden senzor, který nemonitoruje teplotu lidského těla. Popsán je také použitý materiál pro zapouzdření senzoru, vyhodnocení a implementace sondy na člověka. Užitný vzor popisuje FBG (Fiber Bragg Grating snímací textilie pro měření pulsu, srdeční ozvy a dýchací detekci signálu. Snímací textilie FBG obsahuje pulzní snímací prvek, textilní vnitřní vrstvy a vnější vrstvy, tkaniny, vyznačující se tím, že pulzní snímací prvek, tvořený FBG a listovým polymerem obsahuje drážku ve tvaru písmene V vytvořenou z listového polymeru podél středové osy. FBG je pevně uspořádána ve V drážce listového polymeru, a elasticita tohoto polymeruje větší než elasticita FBG. Listový polymer je spojen s vnitřní vrstvou tkaniny, a drážkování povrchu listového polymeru směřuje k vnitřní vrstvě textilie. Elasticita vnitřní vrstvy tkaniny je větší, než vnější vrstvy tkaniny. Mezi tkaninou vnitřní vrstvy a vnější vrstvy je vytvořena kapsa, která je zcela vyplněna výplní, vyrobenou z tvrdého plastového materiálu a má obloukový vnější obrys, a plnivo je pevně uspořádána přímo nad listovým polymerem. Místní tlak FBG je zvýšen prostřednictvím struktury, jejíž dvě vrstvy textilie jsou vyplněny výplní, a celý tlak na zápěstí se snižuje, a komfort nošení se zvyšuje. Ve srovnání s čidlem elektrického pulsu se zvyšuje i citlivost detekce.

Nevýhodami většiny výše uvedených známých řešení je zejména použití jedné sondy či senzoru pro měření jedné veličiny a tedy nutnost implementace více senzorů či sond do jednotlivých zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla.

Mimo uvedená řešení chráněná užitnými vzory nebo patenty jsou také známa řešení popsaná v odborné literatuře a článcích.

Z těchto je možno uvést článek o názvu „Embedded fiber bragg grating based strain sensor as smart costume for vital signál sensing“ autorů Elsamagawy, T.a, Haueisen, J.b, Farrag, M.c, Ansari, S.G.d, Fouad, H.ef, zveřejněný v roce 2014 v časopise American Scientific Publishers. Článek se zabývá sledováním životních funkcí, jako dýchám, krevní tep a pohyb. Senzor ale nemonitoruje teplotu lidského těla. Typ zapouzdřovacího materiálu není v článku uveden.

Dalším ze článků, uvedených v literatuře je článek o názvu „ Monitoring respiration and cardia cactivity using fiber Bragg grating-based sensor“, autorů Dziuda, L„ Skibniewski, F. W„ Krej, M„ Lewandowski, J„ zveřejněn postupně vletech 1964 až 2012, podle něhož autoři vyvinuli zařízení, které umožňuje sledování vibrací lidského těla vyvolaných vitálními funkcemi - dýcháním a srdečním rytmem. Zařízení se skládá z Braggovské mřížky, optického vlákna, pracujícího na vlnové délce okolo 1550 nm. Optovláknová Braggovská mřížka (FBG) je uložena uvnitř pneumatického polštáře, který má být umístěn me pěradlem sedadla a zadní části sledované osoby. Deformace polštáře, zahrnující deformace FBG, jsou úměrné vibracím v těle opírajícího se na opěradle sedadla. Laboratorní studie ukázaly, že snímač umožňuje získat dynamické napětí na snímacím FBG v rozmezí 50-124 μ V způsobeného dýcháním a přibližně 8,3 μ napětí vyvolaného srdečním tepem, které jsou plně měřitelná dnešními dotazovacími systémy FBG. Maximální relativní chyba měření předloženého senzoru je 12%. Jednoduchý design senzoru umožňuje, aby byl snadno implementován do sedadel pilota nebo řidiče pro sledování fyziologického stavu pilotů a řidičů.

Dalším článkem z této oblasti techniky, který je možné uvést, je také článek „Simultaneous cardiac respirátory frequency measurement based on a single fiber Bragg grating sensor“, autorů Silva, A.F., Carmo, J.P., Mendes, P.M., Correia, J.H. z roku 2011, zveřejněného IOP Publishing Ltd, který se zabývá měřením frekvence dýchání a krevního tepu. Senzor neumí měřit teplotu lidského těla.

Jako další ze zveřejněných článků lze uvést např. také článek o názvu „Fiber bragg grating sensor based device for simultaneous measurement of respirátory and cardiac activities“, autorů K. Chethana, A. S. Guru Prasad, S. N. Omkarand a S. Asokan, zveřejněný v databázi Wiley Online Library, v němž je popisován nový senzor pro monitorování srdeční činnosti a dýchání.

-2CZ 29832 Ul

Podstata technické řešení

Cílem technického řešení je zjednodušení a zefektivnění monitorování základních vitálních funkcí lidského těla oproti doposud známým zařízením pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla.

Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla sestávající z měřící části, vyhodnocovací jednotky, počítače a přenosového optického vlákna opatřeného připojovacími koncovými prvky, jehož podstata spočívá vtom, že měřící část zařízení sestává alespoň z jedné neinvazivní měřící sondy, tvořené dvěma Braggovskými senzory, uloženými v měřící sondě v přesně definované vzdálenosti a propojenými optickým vláknem, zapouzdřenými do polymeru polydimethylsiloxan (PDMS), když měřící sonda je k vyhodnocovací jednotce připojena optickým vláknem vybaveným dvěma konektory, přičemž zapojené Braggovské senzory tvoří Braggovské mřížky rozdílné citlivosti na deformaci a teplotu, uložené od sebe v měřící sondě ve vzdálenosti 50 mm a zapouzdřené do polymeru PDMS, když v definovaném provedení má zapouzdření objem 20 ml a tvar komolého čtyřbokého jehlanu o rozměrech 80 x 40x 10x 5 mm, orientovaného užším rozměrem k prvnímu konektoru nebo k druhému konektoru, přičemž jeden z konektorů je vjednom z dalších možných řešení použit pro připojení další sondy pro multiplexování - zapojení více měřících sond do série, (reálně až 32 sond) když zapouzdřená měřící sonda je pro praktické použití připojena k elastickému pásu připojitelnému k hrudi monitorované osoby, a že vyhodnocovací jednotka, připojená k měřící části pomocí optického vlákna a konektorů, sestává ze širokospektrálního zdroje světla SLED, optického cirkulátoru, řídící jednotky a optického spektrálního analyzátoru, a dále je toto zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla vybaveno zařízením pro zpracování dat tvořeným počítačem s možností připojení zobrazovací jednotky.

Zařízení podle tohoto technického řešení využívá vláknově optické technologie v rámci neinvazivní měřící sondy založené na principu měření deformací - pohybu hrudního koše monitorované osoby a schopnosti monitorovat více vitálních funkcí lidského těla současně jedinou měřící sondou, zejména pak tepovou frekvenci, dechovou frekvenci, teplotu, a formou adaptivního filtru rovněž zvukový záznam tlukotu srdce. Nutná je přitom adaptivní filtrace signálu pro oddělení superponované tepové frekvence na dechovou frekvenci pacienta. Teplotní senzor pak sleduje teplotu člověka a adaptivní filtr umožňuje získat zvukový záznam srdce. Vláknově optický senzorový systém přitom pracuje pouze s optickými vlákny.

Použitý materiál pro zapouzdření sondy, polymer PDMS, je v rámci medicínské oblasti inertní vůči lidské kůži, mechanicky odolný a nabízí až 4násobné zvýšení teplotní citlivosti senzoru na teplotu lidského těla.

Měřící sonda tohoto zařízení je přitom přizpůsobena plně pasivnímu režimu provozu, odpadá nutnost elektrického napájení sondy v místě monitorování, a přitom je tato sonda charakteristická svou elektromagnetickou imunitou, nepodléhá rušení z napájecí sítě, ze zařízení produkujícího elektromagnetické pole, apod. Tato vlastnost umožňuje sledování vitálních funkcí pacienta např. při magnetické rezonanci a jiných vyšetřeních využívajících elektromagnetické pole. Zařízení dále umožňuje oddělení místa monitorování pacienta od místa zpracování dat v řádu stovek metrů podle použitého typu přívodního optického vlákna. Měřící sonda implementovaná do elastického pásu, výhodně o rozměrech 2000^x 75x 2 mm, se jednoduše upíná na hruď pacienta výhodně pomocí kontaktní přezky

Základní charakteristikou a výhodou zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle tohoto technické řešení je využití čistě vláknově optické technologie v rámci neinvazivní měřící sondy zapouzdřené do polymeru PDMS a schopnosti monitorovat více vitálních funkcí lidského těla současně jedinou měřící sondou spolu s elektromagnetickou imunitou měřící části zařízení proti rušení z napájecí sítě nebo rušení zařízením produkujícím elektromagnetické pole, pasivita z hlediska napájení měřící sondy elektrickou energií a oddělení místa monitorování pacienta od místa zpracování dat v řádu stovek metrů, přičemž toto zařízení lze použít i pro monitorování pohybu pacientů na lůžku z krátkodobého i dlouhodobého časového hlediska.

-3CZ 29832 Ul

Objasnění výkresů

Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle tohoto technického řešení bude blíže vysvětleno pomocí výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje model měřící sondy se dvěma senzory zapouzdřenými v polymeru PDMS s Braggovským senzorem 1 umístěným u větší základny jehlanového tvaru sondy, obr. 2 znázorňuje model měřící sondy se dvěma senzory zapouzdřenými v polymeru PDMS s Braggovkým senzorem 1 umístěným u menší základny jehlanového tvaru sondy, obr. 3 znázorňuje blokové schéma zapojení zařízení, obr. 4 znázorňuje schéma praktického zapojení zařízení, obr 5 a 6 pak znázorňují získané záznamy vitálních funkcí lidského těla, a to obr. 5 průběh frekvence dechu a obr 6 průběh tepové frekvence.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle Obr. 1 a Obr. 3 až Obr. 6 sestává z měřící části, vyhodnocovací jednotky 11, počítače 12 a přenosového optického vlákna 5 opatřeného konektory 1 a 6. Měřící část zařízení sestává z jedné měřící sondy 2, tvořené Braggovskými senzory 3 a 4, uloženými v neinvazivní měřící sondě 2 v přesně definované vzdálenosti 50 mm a propojenými optickým vláknem 5, společně zapouzdřenými do polymeru polydimethylsiloxan (PDMS). Neinvazivní měřící sonda 2 je k vyhodnocovací jednotce Π. připojena optickým vláknem 5 vybaveným konektory 1 a 6, přičemž pro připojení neinvazivní měřící sondy 2 slouží konektor 1 a konektor 6 je volný. Zapojené Braggovské senzory 3 a 4 tvoří Braggovské mřížky rozdílné citlivosti na deformaci a teplotu. Zapouzdřená sonda s uloženými Braggovskými senzory 3 a 4 má tvar komolého čtyřbokého jehlanu o objemu 20 ml a rozměru 80x 40x 10x 5 mm, orientovaného užším rozměrem ke konektoru 6. Zapouzdřená neinvazivní měřící sonda 2 je pro praktické použití připojena k elastickému pásu 13 připojitelnému k hrudi monitorované osoby pomocí kontaktní přezky. Vyhodnocovací jednotka 11, připojená k měřící části pomocí optického vlákna 5 a konektoru 1, kde propojovací optické vlákno 5 pro neinvazivní měřící sondu 2 z pohledu vstupního a výstupního rozhraní reprezentuje konvenční jedno vidové optické vlákno standardu G.652.D o délce volené v rozmezí 2 až 500 m, sestává ze širokospektrálního zdroje světla SLED 7, který musí pracovat s hodnotami výstupního výkonu v rozmezí 1 až 10 mW při dostatečné stabilitě zajištěné teplotním a proudovým kontrolérem a spektrální šířkou výstupního světla v rozmezí 1510 až 1580 nm, optického cirkulátoru 8, který je optickým pasivním zařízením sloužícím ke směrování světla od jednoho portu ke druhému, řídící jednotky 9 a optického spektrálního analyzátoru 10 a využívá adaptivní filtry pro filtraci superponovaných signálů. Vyhodnocovací jednotka H je dále připojena k zařízení 12 pro zpracování dat tvořeným počítačem, jehož software pracuje se signálem ve spektrální oblasti, ze které se vyhodnocují měřené parametry s možností připojení zobrazovací jednotky, na níž pak lze sledovat výstupy měření. Pomocí PC je prováděna správa vyhodnocovací jednotky Π. USB připojením nebo přes webové rozhraní.

Volný konektor 6 lze v případě potřeby použít pro připojení další neinvazivní měřící sondy pro multiplexování - zapojení více sond do série, když je reálné připojení až 32 měřicích sond.

Příklad 2

Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle Obr. 1 a Obr. 3 až Obr. 6 sestává z měřící části, vyhodnocovací jednotky 11, počítače 12 a přenosového optického vlákna 5 opatřeného konektory 1 a 6. Měřící část zařízení sestává z jedné neinvazivní měřící sondy 2, tvořené Braggovskými senzory 3 a 4, uloženými v neinvazivní měřící sondě 2 v přesně definované vzdálenosti 50 mm a propojenými optickým vláknem 5, společně zapouzdřenými do polymeru polydimethylsiloxan (PDMS). Neinvazivní měřící sonda 2 je k vyhodnocovací jednotce ϋ připojena optickým vláknem 5 vybaveným konektory i a 6, přičemž pro připojení neinvazivní měřící sondy 2 slouží konektor 1 a konektor 6 je volný. Zapojené Braggovské senzory 3 a 4 tvoří Braggovské mřížky rozdílné citlivosti na deformaci a teplotu. Zapouzdřená sonda s uloženými Braggovskými senzory 3 a 4 má tvar komolého čtyřbokého jehlanu o objemu 20 ml a rozměru 80χ 40^x 10x 5 mm, orientovaného užším rozměrem ke konektoru i. Zapouzdřená

-4CZ 29832 Ul neinvazivní měřící sonda 2 je pro praktické použití připojena k elastickému pásu £3, připojitelnému k hrudi monitorované osoby pomocí kontaktní přezky. Vyhodnocovací jednotka 11, připojená k měřící části pomocí optického vlákna 5 a konektoru £, kde propojovací optické vlákno 5 pro neinvazivní měřící sondu 2 z pohledu vstupního a výstupního rozhraní reprezentuje konvenční jednovidové optické vlákno standardu G.652.D o délce volené v rozmezí 2 až 500 m, sestává ze širokospektrálního zdroje světla SLED 7, který musí pracovat s hodnotami výstupního výkonu v rozmezí 1 až 10 mW při dostatečné stabilitě zajištěné teplotním a proudovým kontrolérem a spektrální šířkou výstupního světla v rozmezí 1510 až 1580 nm, optického cirkulátoru 8, který je optickým pasivním zařízením sloužícím ke směrování světla od jednoho portu ke druhému, na stejné vlnové délce, řídící jednotky 9 a optického spektrálního analyzátoru £0 a využívá adaptivní filtry pro filtraci superponovaných signálů. Vyhodnocovací jednotka ££ je dále připojena k zařízení 12 pro zpracování dat tvořeným počítačem, jehož software pracuje se signálem ve spektrální oblasti, ze které se vyhodnocují měřené parametry s možností připojení zobrazovací jednotky, na níž pak lze sledovat výstupy měření. Pomocí PC je prováděna správa vyhodnocovací jednotky 11 USB připojením nebo přes webové rozhraní.

Volný konektor 6 lze v případě potřeby použít pro připojení další neinvazivní měřící sondy 2 pro multiplexování - zapojení více sond do série, když je reálné připojení až 32 měřicích sond. Průmyslová využitelnost

Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle tohoto technického řešení je použitelné zejména ve zdravotnictví pro monitorování velkého počtu, až 32 pacientů a to jak pro monitorování základních vitálních funkcí pacientů na lůžkách intenzivní péče, tak i pro monitorování pohybu a základních vitálních funkcí pacientů na běžných lůžkách z krátkodobého i dlouhodobého časového hlediska.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla sestávající z měřící části, vyhodnocovací jednotky (11), zařízení pro zpracování dat a přenosového optického vlákna (5) opatřeného připojovacími koncovými prvky, vyznačující se tím, že měřící část zařízení sestává alespoň z jedné neinvazivní měřící sondy (2), tvořené dvěma Braggovskými senzory (3 a 4), uloženými v sondě (2) ve vzdálenosti 50 mm a propojenými optickým vláknem (5), společně zapouzdřenými do polymeru polydimethylsiloxan (PDMS), kdy sonda (2) je k vyhodnocovací jednotce (11) připojena optickým vláknem (5) vybaveným dvěma připojovacími koncovými prvky, konektory (1) a (6), přičemž pro připojení sondy (2) slouží konektor (1) a konektor (6) je volný, a že vyhodnocovací jednotka (11), připojená k měřící části pomocí optického vlákna (5) a konektoru (1), sestává ze širokospektrálního zdroje (7) světla SLED, optického cirkulátoru (8), řídící jednotky (9) a optického spektrálního analyzátoru (10), a tato vyhodnocovací jednotka (11) je dále připojena k zařízení pro zpracování dat tvořeného počítačem (12) s možností připojení zobrazovací jednotky.

2. Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle nároku 1, vyznačující se tím, že zapouzdřená neinvazivní měřící sonda (2) suloženými Braggovskými senzory (3 a 4) má tvar komolého čtyřbokého jehlanu o objemu 20 ml a rozměru 80*40* 10* 5 mm, orientovaného užším rozměrem ke konektoru (6), přičemž pro praktické použití je tato měřící sonda (2) připojena k elastickému pásu (13) připojitelnému k hrudi monitorované osoby pomocí kontaktní přezky.

3. Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle nároku 1, vyznačující se tím, že zapouzdřená neinvazivní měřící sonda (2) suloženými Braggovskými senzory (3 a 4) má tvar komolého čtyřbokého jehlanu o objemu 20 ml a rozměru 80* 40x 10* 5 mm, orientovaného užším rozměrem ke konektoru (1), přičemž pro praktické

-5CZ 29832 Ul použití je tato měřící sonda (2) připojena k elastickému pásu (13) připojitelnému k hrudi monitorované osoby pomocí kontaktní přezky.

4. Zařízení pro monitorování základních vitálních funkcí lidského těla podle nároku 1 a nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že Braggovské senzory (3 a 4) jsou tvořeny

5 Braggovskými mřížkami rozdílné citlivosti na deformaci a teplotu.