RU2064776C1

RU2064776C1 - Apparatus for adaptive monitoring of breathing and systoles

Info

Publication number: RU2064776C1
Application number: SU925056143A
Authority: RU
Inventors: В.В. Петраш
Original assignee: Кооператив "МЕТА" при Ленинградском государственном институте усовершенствования врачей им.С.М.Кирова
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: medical equipment. SUBSTANCE: the apparatus for monitoring of breathing and systoles has series-connected systole signal transducer 1, systole frequency signal separation unit 2, systole frequency parameters measurement unit 6, indicator, breathing cycle phase duration setter 10. Systole frequency parameters measurement unit 6 uses series-connected complement flip-flop 7, controlled oscillator 8 and reversible counter 9. Breathing cycle phase duration setter 10 uses master oscillator 11, switch 12, pulse counter 14, scaling factor setter 13. Indicator 15 uses a systole frequency current value indicating unit, inspiratory phase indicating unit 17, inspiratory pause indicating unit 17, inspiratory pause indicating unit 18, expiratory phase indicating unit 19 and expiratory pause indicating unit 20. EFFECT: improved design. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины, а именно к устройствам для лечения больных с нарушениями деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем и может быть использовано в клиниках, поликлиниках, санаториях и др. лечебно-профилактических учреждениях, а также на дому в качестве тренажера для коррекции вегетативных функций организма. The invention relates to medicine, namely to devices for treating patients with disorders of the respiratory and cardiovascular systems and can be used in clinics, clinics, sanatoriums and other medical institutions, as well as at home as a simulator for the correction of vegetative body functions.

Наиболее близким является устройство для контроля за дыханием и сердечными сокращениями по патенту США N 4580575, 1986. Это известное устройство, принятое за прототип настоящего изобретения, включает датчик сигнала сердечных сокращений, одновременно несущий информацию о дыхании, блок выделения сигнала частоты сердечных сокращений, блок измерения параметров частоты сердечных сокращений и индикатор. Недостатком прототипа является отсутствие возможности направленно задавать пациенту ритм дыхания или подстраивать ритм дыхания под внутренние физиологические потребности организма, управляющие функцией дыхания. У пациента отсутствует возможность самоконтроля за правильностью выполнения дыхательных упражнений и для адаптивного регулирования функции дыхания требуется присутствие врача или методиста. The closest is a device for monitoring breathing and heart rate according to US patent N 4580575, 1986. This known device, adopted as a prototype of the present invention, includes a heart rate signal sensor that simultaneously carries information about breathing, a unit for extracting a heart rate signal, a measurement unit heart rate parameters and indicator. The disadvantage of the prototype is the lack of the ability to directionally set the patient's breathing rhythm or adjust the breathing rhythm to the internal physiological needs of the body that control the breathing function. The patient does not have the possibility of self-monitoring of the correct performance of breathing exercises and the adaptive regulation of respiratory function requires the presence of a doctor or methodologist.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи обеспечения пациента информацией в реальном времени о требуемом ритме дыхания (длительность вдоха, выдоха, паузы) для самоконтроля при выполнении дыхательных упражнений по принципу БОС с целью повышения эффективности лечения и снижения нагрузки на медперсонал во время процедур. Согласно изобретению это достигается тем, что в устройство для контроля за дыханием и сердечными сокращениями, содержащее датчик сигнала сердечных сокращений, блок выделения сигнала частоты сердечных сокращений, блок измерения параметров частоты сердечных сокращений и индикатор, введен задатчик длительности фаз дыхательного цикла, выход которого соединен со вторым входом индикатора, а вход синхронизации с выходом блока выделения сигнала частоты сердечных сокращений. The present invention is based on the solution of the problem of providing the patient with real-time information about the required breathing rhythm (duration of inhalation, exhalation, pause) for self-monitoring when performing breathing exercises according to the BFB principle in order to increase the effectiveness of treatment and reduce the load on the medical staff during the procedures. According to the invention, this is achieved by the fact that in the device for monitoring breathing and heart rate, comprising a heart rate signal sensor, a heart rate signal extraction unit, a heart rate parameter measuring unit and an indicator, a respiratory cycle phase duration adjuster is introduced, the output of which is connected to the second indicator input, and the synchronization input with the output of the heart rate signal extraction unit.

Блок измерения параметров частоты сердечных сокращений может быть выполнен в виде последовательно соединенных счетного триггера, управляемого генератора и реверсивного счетчика. The unit for measuring heart rate parameters can be made in the form of a series-connected counting trigger, a controlled generator and a reversible counter.

Задатчик длительности фаз дыхательного цикла содержит задающий генератор, соединенный через коммутатор с первым входом счетчика импульсов, ко второму входу которого подключен задатчик коэффициента пересчета, причем второй вход коммутатора соединен с входом синхронизации задатчика длительности фаз дыхательного цикла. The respirator for the duration of the phases of the respiratory cycle contains a master oscillator connected through the switch to the first input of the pulse counter, to the second input of which the switch of the conversion factor is connected, the second input of the switch connected to the synchronization input of the regulator of the duration of the phases of the respiratory cycle.

Индикатор содержит блок индикации текущих значений частоты сердечных сокращений, подключенный к первому входу индикатора, а также блок индикации фазы вдоха, блок индикации паузы после вдоха, блок индикации фазы выдоха и блок индикации паузы после выдоха, входы которых соединены со вторым входом индикатора. The indicator contains a block for displaying the current values of the heart rate connected to the first input of the indicator, as well as a block for indicating a phase of inspiration, a block for indicating a pause after inhaling, a block for indicating a phase of exhalation, and a block for indicating a pause after exhaling, the inputs of which are connected to the second input of the indicator.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена блок-схема варианта реализации устройства. Блок-схема включает: датчик 1 сигнала сердечных сокращений, блок 2 выделения сигнала частоты сердечных сокращений, содержащий блок 3 усилителей, пороговое устройство 4 и формирователь 5 импульсов, блок 6 измерения параметров частоты сердечных сокращений, содержащий счетный триггер 7, управляемый генератор 8 и реверсивный счетчик 9, задатчик 10 длительности фаз дыхательного цикла, содержащий задающий генератор 11, коммутатор 12, задатчик 13 коэффициента пересчета, счетчик 14 импульсов, включающий 4 разряда (С1-С4), индикатор 15, содержащий блок 16 индикации текущих значений частоты сердечных сокращений, блок 17 индикации фазы вдоха, блок 18 индикации паузы после вдоха, блок 19 индикации фазы выдоха и блок 20 индикации паузы после выдоха. The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of an embodiment of the device. The block diagram includes: a heartbeat signal sensor 1, a heart rate signal isolating unit 2, comprising an amplifier unit 3, a threshold device 4 and a pulse shaper 5, a heart rate measuring unit 6, comprising a counting trigger 7, a controlled oscillator 8, and a reverse counter 9, adjuster 10 of the duration of the phases of the respiratory cycle, containing the master oscillator 11, the switch 12, the adjuster 13 of the conversion factor, the counter 14 pulses, including 4 bits (C1-C4), indicator 15, containing block 16 indicator of the current values of the heart rate, the inhalation phase display unit 17, the pause after inhalation display unit 18, the exhalation phase display unit 19 and the pause after exhalation display unit 20.

Устройство работает следующим образом. Сигнал сердечных сокращений от датчика 1, установленного на теле пациента, поступает на блок 2 выделения сигнала частоты сердечных сокращений, где в блоке 3 усилителей происходит его усиление, затем при помощи порогового устройства 4 (например, триггер Шмитта) полезный сигнал отделяется от помех и запускает формирователь импульсов 5, например, одновибратор. Таким образом, на выходе блока 2 выделения сигнала частоты сердечных сокращений появляются импульсы с частотой следования, равной частоте сердечных сокращений пациента. Эти импульсы поступают на вход блока 6 измерения параметров частоты сердечных сокращений, где каждый очередной импульс меняет состояние выхода счетного триггера 7 на противоположное, вызывая появление пачек тактовых импульсов на выходе управляемого генератора 8. Частота тактовых импульсов подобрана таким образом, что к моменту окончания каждой пачки состояние реверсивного счетчика 9 соответствует текущей частоте сердечных сокращений пациента. Перед началом каждой очередной пачки в реверсивном счетчике 9 записывается число N F x 60, где F тактовая частота управляемого генератора 8, соответствующая верхнему пределу измеряемой частоты сердечных сокращений пациента. Так, например, при F 5 Гц N 300 имп/мин. Текущее значение частоты сердечных сокращений непрерывно отображается в числовой и аналоговой форме на индикаторе 15 через блок 16 индикации этого параметра. С помощью блоков 17, 18, 19 и 20 индикации фаз дыхательного цикла в форме, удобной для зрительного или слухового восприятия, последовательно отображаются фазы дыхания, причем длительность каждой фазы устанавливается пропорционально числу сердечных сокращений пациента. Это обеспечивается тем, что сигнал частоты сердечных сокращений поступает с выхода блока 2 на вход синхронизации задатчика 10, в котором далее через коммутатор 12 подается на счетчик 14 импульсов, где и формируется с помощью задатчика 13 коэффициента пересчета в сигнал, пропорциональный дыхательным вариациям частоты сердечных сокращений, отражающим физиологически обусловленный дыхательный ритм. При необходимости отображаемые на блоках 17, 18, 19 и 20 индикации длительности фаз дыхательного цикла устанавливаются в секундах независимо от частоты сердечных сокращений. Для этого связь между блоком 2 выделения сигнала частоты сердечных сокращений и задатчиком 10 длительности фаз дыхательного цикла может быть прервана при помощи коммутатора 12, в этом случае начинает работать задающий генератор 11, частоту колебаний которого можно регулировать от 0 до Г. The device operates as follows. The heartbeat signal from the sensor 1 mounted on the patient’s body is fed to the heartbeat signal isolation unit 2, where it is amplified in the amplifier unit 3, then using the threshold device 4 (for example, Schmitt trigger) the useful signal is separated from the noise and triggers pulse shaper 5, for example, a single vibrator. Thus, at the output of the heart rate signal extraction unit 2, pulses appear with a repetition rate equal to the patient's heart rate. These pulses are fed to the input of the heart rate parameter measuring unit 6, where each next pulse changes the output state of the counting trigger 7 to the opposite, causing the appearance of bursts of clock pulses at the output of the controlled generator 8. The frequency of the clock pulses is selected in such a way that by the end of each burst the state of the reverse counter 9 corresponds to the patient’s current heart rate. Before the beginning of each regular burst, the number N F x 60 is written in the counter 9, where F is the clock frequency of the controlled generator 8, which corresponds to the upper limit of the measured heart rate of the patient. So, for example, at F 5 Hz N 300 pulse / min. The current value of the heart rate is continuously displayed in numerical and analog form on the indicator 15 through the block 16 of the indication of this parameter. Using the blocks 17, 18, 19 and 20 of the phases of the respiratory cycle in a form suitable for visual or auditory perception, the phases of respiration are successively displayed, the duration of each phase being set in proportion to the number of heart contractions of the patient. This is ensured by the fact that the heart rate signal is supplied from the output of block 2 to the synchronization input of the setter 10, in which then through the switch 12 it is supplied to the pulse counter 14, where it is generated by the setter 13 of the conversion factor into a signal proportional to the respiratory variations of the heart rate reflecting physiologically determined respiratory rhythm. If necessary, the displays of the duration of the phases of the respiratory cycle displayed on blocks 17, 18, 19 and 20 are set in seconds, regardless of the heart rate. To do this, the connection between the heart rate signal extraction unit 2 and the respirator 10 of the duration of the phases of the respiratory cycle can be interrupted using the switch 12, in this case, the master oscillator 11 starts, the oscillation frequency of which can be adjusted from 0 to G.

Порядок проведения лечебных процедур с помощью данного устройства. После осмотра пациента, записи его анамнестических данных и предварительного разъяснения общего порядка проведения процедур врач проводит занятие по облучению больного диафрагмальному дыханию в сочетании с тренировкой ритмики дыхания в режиме вдох-выдох с постепенным удлинением выдоха и введением пауз. Самоконтроль за правильностью выполнения дыхательных упражнений пациент осуществляет по световым или звуковым сигналам блоков 17, 18, 19 и 20 индикации. После выработки устойчивого диафрагмального дыхания в заданном ритме врач производит наложение датчика 1 сигнала сердечных сокращений на пациента, который теперь, наблюдая текущее значение частоты собственных сердечных сокращений на индикаторе 15 (блок 16), должен добиться синхронизации дыхания и сердечного ритма, то есть восстановления утраченного во время болезни физиологического механизма взаимодействия этих функций. Затем врач ручками регулирования верхнего и нижнего порогов устанавливают границы величин текущих значений частоты сердечных сокращений на максимальное и минимальное значения соответственно. Перед пациентом ставится задача на каждом вдохе и выдохе достигать установленных пределов частоты сердечных сокращений. По мере обучения и выработки у пациента навыков управления дыхательной аритмией сердца врач расширяет установленные ранее границы, преимущественно в сторону брадикардии, и удлиняет фазы дыхания, преимущественно фазу выдоха. В процессе тренировок на фоне стабильного биоуправления по двум каналам биологической обратной связи врач периодически отключает один из каналов, а в последующем и оба канала. Пациент полностью овладел методикой в том случае, если при отключенных каналах биологической обратной связи сохраняется синхронность дыхательного ритма и колебаний текущего значения частоты сердечных сокращений, а амплитуда дыхательной аритмии сердца остается в тех же пределах, что и до отключения каналов. The procedure for conducting medical procedures using this device. After examining the patient, recording his anamnestic data and preliminary explanation of the general procedure, the doctor conducts a lesson on irradiating the patient with diaphragmatic breathing in combination with breathing rhythm exercises in the inhale-exhale mode with a gradual lengthening of the expiration and the introduction of pauses. The patient exercises self-control over the correct execution of breathing exercises by light or sound signals of indication blocks 17, 18, 19 and 20. After developing steady diaphragmatic breathing in a given rhythm, the doctor superimposes the sensor 1 of the heartbeat signal on the patient, who now, observing the current value of his own heart rate on indicator 15 (block 16), should achieve synchronization of breathing and heart rate, that is, restoration of the lost time of illness of the physiological mechanism of interaction of these functions. Then the doctor with the adjustment knobs of the upper and lower thresholds set the boundaries of the values of the current values of the heart rate to the maximum and minimum values, respectively. The patient is tasked to achieve the established limits of heart rate on each inhale and exhale. As the patient learns and develops the skills to control respiratory arrhythmia of the heart, the doctor expands the previously established boundaries, mainly in the direction of bradycardia, and lengthens the respiratory phase, mainly the expiratory phase. In the process of training, against the background of stable biocontrol through two channels of biological feedback, the doctor periodically disconnects one of the channels, and subsequently both channels. The patient fully mastered the technique if, with the channels of biological feedback disabled, the synchronization of the respiratory rhythm and fluctuations in the current value of the heart rate remains, and the amplitude of the respiratory arrhythmia of the heart remains in the same range as before the disconnection of the channels.

Возможен и другой вариант проведения лечебной процедуры, при котором после наложения датчика сигнала сердечных сокращений пациенту предъявляется на индикаторе 15 сигнал ритма дыхания, сформированный задатчиком 10 пропорционально колебаниям его собственной частоты сердечных сокращений. Перед пациентом ставится задача синхронизировать фазы дыхательного цикла с задаваемым ритмом. В этом случае происходит адаптивный контроль ритма дыхания, ведущий к увеличению дыхательной аритмии сердца, нормализации взаимоотношений центральной регуляции функций дыхания и кровообращения. По мере выработки у пациента навыков саморегуляции перед ним ставится задача удлинения фаз дыхательного цикла, преимущественно за счет длительности выдоха. При этом задатчик 10 устройства с помощью коммутатора 12 может переводиться в режим задания длительности фаз дыхательного цикла, и процедура продолжается по схеме первого, изложенного выше, варианта. Another variant of the treatment procedure is also possible, in which, after applying the heart rate signal sensor, the patient is presented with a respiratory rhythm signal generated by the controller 10 in proportion to the oscillations of his own heart rate on the indicator 15. The patient is tasked with synchronizing the phases of the respiratory cycle with a given rhythm. In this case, adaptive control of the respiratory rhythm occurs, leading to an increase in respiratory arrhythmia of the heart, normalization of the relationship between the central regulation of respiratory and circulatory functions. As the patient develops self-regulation skills, he is tasked with lengthening the phases of the respiratory cycle, mainly due to the duration of expiration. In this case, the device controller 10 using the switch 12 can be transferred to the mode of setting the duration of the phases of the respiratory cycle, and the procedure continues according to the scheme of the first version described above.

Процедуры по методике биологической обратной связи с помощью заявляемого устройства для адаптивного контроля за дыханием и сердечными сокращениями длительностью 25-30 минут проводятся регулярно. Курсовое лечение состоит из 10-18 процедур. Конкретные сроки определяются наличием у пациента стойкого навыка биоуравления без обратной связи и клиническими показаниями. Procedures for the method of biological feedback using the inventive device for adaptive control of breathing and heartbeats lasting 25-30 minutes are carried out regularly. Course treatment consists of 10-18 procedures. Specific terms are determined by the presence of a patient's persistent skill in bioremediation without feedback and clinical indications.

Данное устройство повышает эффективность относительно известных за счет возможности задавать пациенту ритм дыхания, адаптированный к его собственным физиологическим потребностями, и направленно регулировать этот ритм как на этапах обучения методике, так и при дальнейшей работе без постоянного участия врача. Самоконтроль пациента за ритмом дыхания ускоряет освоение методики и достижение лечебного эффекта. This device increases the efficiency relatively known due to the ability to set the patient a breathing rhythm adapted to his own physiological needs, and to regulate this rhythm both at the stages of teaching the technique and during further work without the constant involvement of a doctor. The patient’s self-control over the rhythm of breathing accelerates the development of the technique and the achievement of a therapeutic effect.

Claims

1. A device for adaptive control of breathing and heart rate, comprising a heart rate signal sensor connected in series, a heart rate signal extraction unit, a heart rate measurement unit and an indicator, characterized in that a respirator of a duration of phases of the respiratory cycle is inserted into it, output which is connected to the second indicator input, and the synchronization input with the output of the heart rate signal extraction unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that in it the unit for measuring heart rate parameters is made in the form of a series-connected counting trigger, a controlled generator and a reversible counter.

3. The device according to claim 1, characterized in that the respirator for the duration of the phases of the respiratory cycle contains a master oscillator connected via a switch to the first input of the pulse counter, to the second input of which is connected the switch of the conversion factor, the second input of the switch connected to the synchronization input of the phase duration adjuster respiratory cycle.

4. The device according to claim 1, characterized in that the indicator comprises a display unit for the current values of the heart rate connected to the first input of the display, as well as a display unit for the inspiratory phase, an indication unit for a pause after inspiration, an indication unit for the expiratory phase and an indication unit for pause after expiration, the inputs of which are connected to the second input of the indicator.