RU2018264C1 - Биотелеметрическое устройство - Google Patents

Abstract

Телеметрическое устройство относится к области медицинской техники и может быть использовано в медико-биологических, гигиенических исследованиях, в спортивной медицине для автоматической телерегистрации физиологических параметров свободно передвигающегося человека. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей биотелеметрической системы путем обеспечения сигнализации о функциональном состоянии пациента и техническом состоянии собственно биотелеметрической системы. Для достижения цели в систему введен канал обратной связи - автоматической сигнализации пациента об изменениях в состоянии физиологических показателей и о техническом состоянии системы, а управление работой узлов системы позволяет повысить ее автономность, увеличить время непрерывной работы и в целом расширить функциональные возможности биотелеметрической системы. Устройство состоит из трех частей: первой приемопередающей части, устанавливаемой на теле пациента, включающей в себя датчики физиологических параметров, соединенные с входом программно-управляемого коммутатора, управляющий вход которого соединен с выходом приемника, а выходы - с входами передатчика, второй приемопередающей части, включающей приемник, блок допускового контроля, блок обработки и управления, блок сигнализации, передатчик и регистратор, и блока перезаписи информации, ее отображения и обработки. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано в медико-биологических, гигиенических исследованиях, в спортивной медицине для автоматической телерегистрации физиологических параметров свободно передвигающегося человека.

Изобретение направлено на решение ряда проблем биотелеметрии, касающихся минимизации энергозатрат, увеличения дальности свободного перемещения пациента, а также получения самим пациентом информации о состоянии физиологических показателей в процессе жизнедеятельности.

Известны телеметрические системы передачи биоинформации, основанные на принципе, предусматривающем размещение датчиков и передающего устройства на пациенте и снабженные стационарной приемной частью.

В этих системах перемещение пациента ограничено дальностью канала связи. Увеличение дальности действия канала связи достигается обычно увеличением мощности передатчика и повышением чувствительности приемника. Это связано с увеличением энергопотребления передающей части и усложнением схемы приемника. Увеличение мощности передатчика, носимого пациентом, имеет предел, лимитируемый физическими возможностями пациента (переноска массы передатчика), а повышение чувствительности приемника ограничено достигнутым уровнем техники приема и обработки слабых сигналов. И даже при условии выполнения всех этих требований, без учета критерия стоимости, нет возможности снять ограничения, касающиеся свободы перемещения человека.

Известна телеметрическая система, в которой имеется приемник, носимый дежурной медсестрой, и набор телеизмерительных радиопередадчиков с датчиками температуры, располагаемыми непосредственно на пациенте, находящемся в палате. Несмотря на то, что обе части системы выполнены носимыми пациентом и медсестрой, функции управляющего канала между обеими частями сводятся лишь к включению заданного передатчика и носятся разными людьми, что ограничивает функциональные возможности системы.

Известна телеметрическая система получения информации об изменениях физиологических показателей путем автоматической телерегистрации. Система состоит из трех блоков: 1) устройство, носимое на теле пациента, состоящее из датчиков физиологических параметров, усилителя и радиопередатчика; 2) приемник, переносимый пациентом, снабженный узлом обработки и миниатюрным магнитографом; 3) стационарное устройство перезаписи и отображения зарегистрированной информации.

В системе по прототипу предусмотрен радиоканал протяженностью, обеспечивающей перемещение пациента в пределах ограниченного пространства (кабинет, квартира, салон автомобиля и т.д.) в определенный отрезок времени, когда перемещение носимой (в руках) части устройства не оправдано и не требуется. При этом реальная удаленность пациента от места установки второй части может варьироваться от долей метра до десятков метров.

Обеспечивание надежной передачи информации достигается расчетом системы на максимальный радиус перемещения, в то время как пациент большую часть времени находится на расстоянии, меньшем максимально возможного удаления от носимой (в руках) части системы. Комплекс "человек - система", рассматриваемый по прототипу в виде идеальной модели, обеспечивает передачу физиологической информации без потерь. Однако реальная работа этого комплекса показывает, что имеются существенные потери информации (порядка 15-20%), обусловленные поведенческими характеристиками человека (забывчивость, невнимательность, сиюминутность, недобросо- вестность). А это, естественно, вносит ограничения в функциональные возможности системы. Кроме того, приведенные системы, в том числе и система по прототипу, страдают таким существенным недостатком, как ее неадаптивность к различным состояниям человека, т. е. особую важность приобретает необходимость создания биотелеметрической системы, адаптивной естественным поведенческим реакциям человека и его функциональному состоянию.

Целью изобретения является минимизация энергозатрат носимой части и сокращение потерь физиологической информации путем дозированного по мощности и лимитированного по времени регулирования дальности радиоканала, а также расширение функциональных возможностей биотелеметрической системы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из трех частей: первой приемопередающей части с возможностью установки на теле пациента, включающей датчики физиологических параметров с блоками усиления, первый радиопередатчик, управляемый коммутатор, соединенный с датчиками физиологических параметров и первым радиопередатчиком, второй приемопередающей части с возможностью переноса пациентом, включающем в себя первый приемник, блок обработки, блок регистрации, и стационарной части, включающей блок перезаписи информации, ее отображения и дополнительной обработки, согласно изобретению, первый радиоприемник выполнен с программным управлением уровня выходной мощности, причем в первую приемопередающую часть введены второй приемник радиосигналов, соединенный с входом управления коммутатора, включающего в себя цепь управления выходной мощностью и цепь перевода второго приемника в режим звуковой сигнализации, во вторую приемопередающую часть введены второй радиопередатчик, блок допускового контроля уровня принимаемых радиосигналов, вход которого соединен с выходом первого приемника, а выходы - с входами устройства обработки, включающего в себя элементы управления, которое своими выходами соединено с входами второго радиопередатчика, блок сигнализации и блока регистрации.

Такая структура устройства обеспечивает наряду с использованным по прототипу радиоканалом передачи физиологической информации передачу сигналов управления из второй части в первую по результатам измерения уровня принимаемых сигналов и обработки результатов измерений физиологической информации.

Идея приемопередающей части, которую может носить с собой пациент (например, в дипломате), позволяет реализовать радиоканал малой протяженности (единицы, десятки метров). При выходе пациента за пределы номинальной удаленности, что происходит в непредсказуемых ситуациях (вызов к телефону, по личной надобности), он, покидая рабочее место или место обследования, забывает взять с собой вторую часть системы (дипломат). В этой ситуации передача информации по радиоканалу прерывается - технические возможности системы исчерпаны. Традиционное решение этой задачи - увеличение дальности действия радиоканала - требует увеличения мощности радиопередатчика и повышения чувствительности первого приемника, что для обычных штатных ситуаций является избыточным, т.е. система должна постоянно работать в избыточном режиме,обеспечивая передачу информации в некоторых нештатных ситуациях. Кроме того, при нахождении пациента на расстоянии, меньшем максимально предусмотренного системой, также имеет место избыточное по мощности радиоизлучение и связанный с этим дополнительный расход энергии.

Устройство по прототипу построено как структура без обратной связи, поэтому она не может автоматически перестраиваться в зависимости от динамики поступающей физиологической информации.

В предложенном устройстве ближней биотелеметрии за счет введения дополнительного радиоканала обратной связи, размещения наиболее энергоемкой части радиоканала в дипломате достигается управление мощностью первого радиопередатчика носимой части и благодаря этому снижение энергозатрат и уменьшение потерь физиологической информации.

Введение радиоканала обратной связи наряду с устранением этого недостатка обеспечивает более экономное и рациональное в энергетическом плане использование системы датчиков за счет целесообразности их включения в зависимости от динамики поступающей физиологической информации.

Таким образом, исходя из принципиальных изменений, внесенных в систему ближней биотелеметрии, предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена структурная схема биотелеметрического устройства.

Устройство состоит из трех частей. Первая приемопередающая часть размещена на пациенте и включает в себя датчик (Д) 1 физиологических параметров (например, ЧСС, двигательной активности, температуры и т.д.) с блоками усиления, управляемый коммутатор (УК) 2, первый радиопередатчик 3 сигналов датчиков 1 с возможностью регулировки уровня мощности излучения, первый приемник 4 сигналов управления с коммутацией воспроизведения звукового сигнала (вкл.сигн.); при этом выходы датчиков 1 подключены к входам управляемого коммутатора 2, выходы которого соединены с входом первого радиопередатчика 3, а управляющие входы коммутатора 2 соединены с выходом первого приемника 4.

Вторая приемопередающая часть устройства (пациент носит ее с собой, например, в дипломате) содержит второй приемник 5 сигналов первого радиопередатчика 3, блок 6 допускового контроля уровня принимаемых сигналов, второй радиопередатчик сигналов управления 7, блок 8 обработки, включающий в себя элементы управления, блок 9 сигнализации и блок 10 регистрации принимаемой информации. При этом выход второго приемника 5 соединен с входом блока 6, выходы которого соединены с входом блока 8, а выходы блока 8 с входом блока 9 сигнализации, с входом второго радиопередатчика 7 и входом блока 10 регистрации информации. Третья часть системы - стационарная, включающая блок 11 перезаписи информации, ее от отображения и дополнительной обработки (микроЭВМ).

Устройство работает следующим образом.

Физиологическая информация пациента, передаваемая первым радиопередатчиком 3, принимается вторым приемником 5, выходной уровень сигнала которого контролируется блоком 6 допускового контроля. При снижении уровня сигнала ниже установленной нормы (уход пациента за пределы зоны радиоканала) с блока 6 допускового контроля, поступает сигнал на блок 8 обработки с элементами управления. Блок обработки с элементами управления переводит второй радиопередатчик 7 в режим повышения мощности и через радиопередатчик 7 отправляет управляющую информацию на повышение мощности первого радиопередатчика 3. Принятая первым приемником 4 информация поступает на вход коммутатора управления режимами работы первого радиопередатчика и коммутации физиологических датчиков пациента, работающего в соответствии с сигналами управления, поступающими с выхода первого приемника 4 по введенному каналу радиоуправления. Выходы коммутатора 2 переводят первый радиопередатчик 3 в режим повышенной мощности излучения. После выполнения перевода в режим повышенной мощности коммутатор 2 переводится в состояние коммутации ранее контролируемого физиологического параметра. Переданная первым радиопередатчиком 3 физиологическая информация в режиме повышенной мощности поступает на вход второго приемника 5 и с выхода приемника 5 поступает на блок 6 допускового контроля. Если уровень сигнала ниже установленной нормы, блок 6 выдает следующий сигнал на блок 8 обработки с элементами управления, который через описанный канал управления делает следующий шаг повышения мощности до обеспечения уровня сигнала на выходе второго приемника 5 выше установленной нормы или исчерпания пределов возможностей повышения излучаемой мощности передатчиков 7 и 3. При удалении пациента на расстояние, превышающее максимальный предел, с блока обработки с элементами управления 8 через радиопередатчик 7 и приемник 4 подается команда на коммутатор 2 для включения звукового сигнала, после чего с блока 8 через радиопередатчик 7 на приемник 4 поступает с определенной периодичностью и тональностью сигнал, извещающий пациента о нахождении его на предельном расстоянии от второй части устройства.

При возвращении пациента в зону, предусмотренную штатным режимом эксплуатации устройства, сигнал на выходе приемника 5 увеличивается и начинает превышать верхний допустимый уровень, предусмотренный блоком 6 допускового контроля. Блок допускового контроля выдает сигнал на блок 8 обработки, который через передатчик 7, приемник 4 и управляемый коммутатор 2 переводит передатчик 3 в режим более низкого уровня излучаемой мощности, а затем переводится на этот уровень передатчик 7. Таким образом, поддерживается необходимый уровень излучаемой мощности в канале передачи физиологической информации. Изменение работы устройства в зависимости от результатов контроля физиологических параметров происходит следующим образом.

Устройство имеет несколько режимов работы, связанных с функциональным состоянием пациента. Непрерывно поступает информация от базовых датчиков 1, характеризующих работу наиболее динамично изменяющихся физиологических параметров, например сердечный ритм (частота пульса). Эта информация в виде последовательности импульсов, каждый из которых соответствует R, зубцу ЭКГ, поступает через управляемый коммутатор 2 на вход передатчика 3, работающего на частоте излучений f₁. Сигналы передатчика 3 принимаются приемником 5 с частотой приема f₁ и с выхода приемника 5 поступают на блок 6 допускового контроля. Блок допускового контроля оценивает уровень принимаемых сигналов на соответствие верхней и нижней границ. Если выходной сигнал приемника 5 соответствует по уровню установленным допускам, то он с выхода блока 6 допускового контроля поступает на вход блока 8 обработки. Блок обработки проводит оценку сердечного ритма.

Если сердечный ритм находится в пределах естественной его девиации, дальнейшая обработка принимаемой информации прекращается. Если частота сердечного ритма превышает уровень естественной девиации, то полученная информация запоминается в регистраторе 10 вместе с временем поступления информации об этом изменении сердечного ритма, а с блока 8 обработки подается управляющая информация на передатчик 7, которая предусматривает получение дополнительной физиологической информации, например, на включение датчика двигательной активности. Сигнал с передатчика 7 поступает на приемник 4 и с выхода приемника 4 поступает на управляемый коммутатор 2, что обеспечивает поступление физиологической информации о двигательной активности пациента на вход передатчика 3. Поступившая с передатчика 3 информация о двигательной активности поступает в блок 8 обработки через приемник 5. Блок обработки считывает с регистратора 10 ранее записанное значение сердечного ритма и сравнивает его с уровнем двигательной активности. Если эти величины соответствуют друг другу, то с блока 8 обработки через передатчик 7, приемник 4 в управляемый коммутатор 2 дается команда на продолжение наблюдения сердечного ритма, а записанная в регистратора 10 информация стирается.

Если частота сердечного ритма вышла за границы допусков, установленных экспериментатором, но соответствует уровню физической активности, то блок 8 управления подает сигнал на устройство сигнализации. Пациент, приняв сигнал тревоги, предпринимает действия по корректировке своего функционального состояния, например снижает уровень физической активности и проверяет эффективность принятых мер по выключению 9 сигнализации.

Если частота сердечного ритма и уровень двигательной активности не соответствуют друг другу, то блок 8 обработки через передатчик 7, приемник 4, управляемый коммутатор 2 выдает команду для более углубленной физиологической оценки, например на подключение датчика температуры.

Если повышение сердечного ритма объясняется дополнительной информацией, например повышением температуры, то блок 8 управления подает соответствующий сигнал на блок 9 сигнализации, в соответствии с которым пациент должен обратиться за посторонней помощью. Вместе с подачей сигнала тревоги блок 8 обработки переводит систему в режим непрерывной регистрации основных физиологических параметров, например, R-R интервалов. Прибывший по вызову пациента экспериментатор имеет возможность снять регистратор 10 и перенести его для подключения в третью часть аппаратуры, где представляется возможность обработать записанную физиологическую информацию, например значения R-R интервалов, построить гистограмму распределения R-R интервалов и вывести ее на блок перезаписи информации, ее отображения и дополнительной обработки, входящее в состав микроЭВМ 11 (третьей части аппаратуры).

Передатчик 3 и приемник 4 первой части, передатчик 7 и приемник 5 второй части могут быть реализованы на малогабаритном, автономном, с батарейным питанием приемопередатчике, например "Полет Н", работающем на частоте 100-150 мГц и имеющем возможность перестройки на 100-150 литер.частот, габариты и масса которых позволяют их располагать на пациенте. Дальность действия радиоканала приемопередатчика может регулироваться от нескольких километров до единиц метров. При обеспечении максимальной дальности радиоканала одного комплекса батарей хватает на 24 ч непрерывной работы, а при дальности действия канала в несколько метров один комплект батарей обеспечивает непрерывную работу приемопередатчика в течение 500 ч и более.

Усилитель R зубцов реализован в размерах 75х25х10 мм, массе 30 г и обеспечивает его непрерывную работу в течение 500 ч.

Датчик температуры реализован в нескольких вариантах, обеспечивающих его длительную эксплуатацию и носимое исполнение.

В качестве блока обработки с элементами управления могут быть использованы выпускаемые промышленностью микропроцессоры БК-10-13 или 1821-ВМ-85, выполненные по К-МОП технологии и обеспечивающие малое энергопотребление. Блок регистрации может быть реализован на К-МОП памяти типа 537 РУ 10, три корпуса которых могут регистрировать сердечный ритм в течение ≈30 мин из расчета частоты пульса 180 уд,/мин либо вести регистрацию частоты пульса в течение времени более 100 ч.

Claims (1)

1. БИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, состоящее из первой приемопередающей части с возможностью установки на теле пациента, включающей в себя датчики физиологических параметров с блоками усиления, первый радиопередатчик, коммутатор, соединенный с датчиками физиологических параметров и первым радиопередатчиком, второй приемопередающей части с возможностью переноса пациентом, включающей в себя первый приемник, блок обработки, блок регистрации, и стационарной части, включающей блок перезаписи информации, ее отображения и дополнительной обработки, отличающееся тем, что, с целью минимизации энергозатрат носимой части, сокращения потерь физиологической информации и расширения функциональных возможностей системы, первый радиопередатчик выполнен с программным управлением уровня выходной мощности, причем в первую приемопередающую часть введены второй приемник радиосигналов, соединенный с входом управления коммутатора, включающего в себя цепь управления выходной мощностью и цепь перевода второго приемника в режим звуковой сигнализации, во вторую приемопередающую часть введены второй радиопередатчик, блок допускового контроля уровня принимаемых радиосигналов, вход которого соединен с выходом первого приемника, а выходы - с входами устройства обработки, включающего в себя элементы управления, которое своими выходами соединено с входами второго радиопередатчика, блока сигнализации и блока регистрации.

Images