RU2677061C1 - Система мониторинга физиологических параметров спортсменов - Google Patents

Система мониторинга физиологических параметров спортсменов Download PDF

Info

Publication number
RU2677061C1
RU2677061C1 RU2017133214A RU2017133214A RU2677061C1 RU 2677061 C1 RU2677061 C1 RU 2677061C1 RU 2017133214 A RU2017133214 A RU 2017133214A RU 2017133214 A RU2017133214 A RU 2017133214A RU 2677061 C1 RU2677061 C1 RU 2677061C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
athlete
sensor module
main
module
input
Prior art date
Application number
RU2017133214A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Борисович ЕФИМОВ
Original Assignee
Максим Борисович ЕФИМОВ
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 Максим Борисович ЕФИМОВ filed Critical Максим Борисович ЕФИМОВ
Priority to RU2017133214A priority Critical patent/RU2677061C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2677061C1 publication Critical patent/RU2677061C1/ru

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
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • 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
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Dentistry (AREA)

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, конкретнее - к технике спортивной медицины, а именно к системам и устройствам для дистанционного мониторинга физиологических параметров организма человека. Система мониторинга физиологических параметров спортсменов содержит ЭВМ тренера (6), центральную ЭВМ (7), базу данных (8) на центральной ЭВМ (7), основной (1) сенсорный модуль, снаряжение (2, 3) с интегрированным или подключаемым основным (1) сенсорным модулем и радиоретрансляторы (5). Основной (1) сенсорный модуль содержит микроконтроллеры, память на электронном носителе, элементы автономного электропитания, средства беспроводной передачи данных для связи с ЭВМ тренера (6), а также датчики измерения электрокардиограммы, частоты сердечных сокращений, частоты и объема дыхательных движений, температуры поверхности кожи, уровня активности и постурального положения. Снаряжение представляет собой пояс или майку для закрепления основного (1) сенсорного модуля на теле спортсмена и содержит средства для фиксации подключаемых основных (1) сенсорных модулей, электроды (4) для обеспечения непосредственного контакта с участками поверхности кожи спортсмена, электрические провода и контакты для подключения электродов (4) к датчикам основного (1) сенсорного модуля. Основной (1) сенсорный модуль содержит средства навигации, датчик кожно-гальванической реакции и модуль предварительной обработки данных от датчика температуры, использующий методы экстраполяции. Модуль предварительной обработки данных содержит дифференциатор, выделитель знака производной температуры по времени, первый и второй умножители и сумматор. Достигается улучшение технических характеристик системы мониторинга физиологических параметров спортсменов. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской технике, конкретнее, к технике спортивной медицины, а, именно, к системам и устройствам для дистанционного мониторинга физиологических параметров организма человека.
Система может быть использована для мониторинга физиологических параметров спортсмена или группы спортсменов в процессе физической нагрузки на спортивных тренировках, соревнованиях, а также для управления интенсивностью физической нагрузки согласно плану тренировок.
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так, известен спортивный пульсометр, включающий соединенные с центральным процессором датчик пульса, акселерометр, блок памяти, часы, блок беспроводной связи с внешним компьютером, а также блоки определения старта тренировки, рекомендованного пульса, блок сравнения текущего пульса с рекомендуемым пульсом, блок определения превышения критических режимов тренировки, блок вибрационной сигнализации и блок звуковой сигнализации (патент РФ на полезную модель №151514). Спортивный пульсометр используется для контроля частоты сердечно сосудистой функции людей в процессе физической нагрузки, спортивных тренировок, соревнований, для управления величиной физической нагрузки согласно заданному плану. Недостатком спортивного пульсометра является ограниченная область его использования, что связано с невозможностью контроля таких физиологических параметров спортсмена, как температура поверхности кожи и кожно-гальваническая реакция (КГР), которые, в том числе, предоставляют информацию о степени усталости спортсмена, включая недопустимую степень переутомления. Другим недостатком спортивного пульсометра является отсутствие датчика дыхательной активности, что не позволяет определить дыхательный объем спортсмена, являющийся одним из показателей его тренированности. Другим недостатком спортивного пульсометра является отсутствие датчика электроэнцефалограммы (ЭЭГ), который предоставляет информацию о биоэлектрической активности головного мозга, позволяющую использовать методики повышения способностей спортсменов к саморегуляции физиологических функций на основе нейробиоуправления и другие. Кроме того, состав и функциональность спортивного пульсометра не позволяют использовать его в тренировочном процессе и во время соревнований в командных видах спорта, при необходимости мониторинга физиологических параметров группы спортсменов.
Известна также система контроля показателей здоровья и оказания телемедицинских услуг (патент РФ на полезную модель №123649), которая может быть использована для оценки, контроля, и мониторинга состояния здоровья человека, для динамического мобильного мониторинга и контроля физиологического и патологического состояния организма. Система контроля показателей здоровья и оказания телемедицинских услуг содержит датчик электрокардиограммы (ЭКГ), датчик температуры, датчик кожно-гальванической реакции, гироскоп, акселерометр, другой подключаемый совместимый датчик, микроконтроллер, устройства беспроводной передачи цифровой информации любым доступным способом, точку доступа в Интернет (компьютер, подключенный к сети Интернет или другое электронное устройство, имеющее выход в сеть Интернет), маршрутизатор (роутер), подключенный к персональному компьютеру с функцией приема и передачи данных в Интернет по проводному и беспроводному пути, персональное электронное устройство с функцией выхода в Интернет (смартфон, планшетный компьютер, сотовый телефон, персональный компьютер или другое), устройства проводной передачи цифровой информации, дополнительное устройство, измеряющее биофизические параметры организма человека с возможностью передачи данных в Интернет по одному из каналов связи, через точку доступа в Интернет (например, весы).
Система контроля показателей здоровья и оказания телемедицинских услуг имеет широкий набор датчиков и средства радиосвязи, однако, ей присущи недостатки, которые ограничивают возможность ее применения при мониторинге физиологических параметров спортсмена или группы спортсменов в процессе физической нагрузки на спортивных тренировках, соревнованиях, а также для управления интенсивностью физической нагрузки согласно плану тренировок. Одним из недостатков является отсутствие датчиков объема дыхания, что не позволяет определить дыхательный объем спортсмена, являющийся одним из показателей его тренированности. Другим недостатком является отсутствие датчика ЭЭГ, который предоставляет информацию о биоэлектрической активности головного мозга, позволяющую использовать методики повышения способностей спортсменов к саморегуляции физиологических функций на основе нейробиоуправления и другие. Кроме того, состав и функциональность системы контроля показателей здоровья и оказания телемедицинских услуг не позволяют использовать ее в тренировочном процессе и во время соревнований в командных видах спорта, при необходимости мониторинга физиологических параметров группы спортсменов. Используемые в составе системы средства беспроводной передачи данных включают персональное электронное устройство с функцией выхода в Интернет, что снижает удобство ее использования спортсменами. Кроме того, во время командных соревнований каналы выхода в Интернет зачастую перегружены и надежная передача данных от группы спортсменов, команды, не может быть обеспечена.
Известно также большое количество других подобных систем и технических решений, опубликованных в патентах на изобретения и полезные модели, которые выборочно содержат модули и выборочно функции, подобные модулям и функциям системы мониторинга физиологических параметров спортсменов по настоящему изобретению. Были рассмотрены патенты РФ: №151514, №116034, №2136205, №114266, №82536, №94832, №144609, №128469, №123649, №91838, №93018, №6074, №135898, №2454924, №2538916, №2378983, №2444986, №2354289, №2573234, №2336906. Также были рассмотрены изобретения и заявки на изобретения иностранных государств: US №2011251493, US №8909318, ЕР №2286721, US №20040225199, US №2015253120, US №6155957, WO №1998053732, WO №4034221, WO №2016109744, WO №2008006150, WO №2003050643, US №9028404, US №7485095, US №8668653, US №8369936, US №8585606, US №7559902, US №8340740, US №8475371, WO №2015138515, WO №2007126435, JP №2011104350, US №9545222, US №8961414, US №8668653, US №8585606. Основными недостатками, ограничивающими применение рассмотренных систем и технических решений в процессе планирования тренировок спортсмена или группы спортсменов, управления тренировочным процессом в реальном времени, а также предоставления тренеру своевременной и объективной информации о критических, опасных для здоровья или жизни, состояниях организма спортсмена являются (по крайней мере, один из недостатков): недостаточная функциональность, невозможность или ограниченная возможность использования спортсменами, недостаточная оперативность предоставления информации о критических, опасных для здоровья или жизни, состояниях организма спортсмена.
Наиболее близкой известной системой, совпадающей по области применения, и при использовании которой решаются задачи, аналогичные задачам системы по настоящему изобретению, является Zephyr™ PSM Training system (Zephyr technology corporation, Web: www.zephyranywhere.com). Это техническое решение защищено рядом заявок, включая: US №20130023739, US №20140340219, US №20140343448, US №20130144130 и US №20120165645. Эта наиболее близкая система принята в качестве прототипа к предлагаемому решению. Система (Zephyr™ PSM Training system) содержит основной модуль, предназначенный для сбора, временного хранения и/или беспроводной передачи данных мониторинга физиологических параметров, снаряжение (garment), такое, как пояс или майка, с интегрированным или подключаемым основным модулем, радио-ретрансляторы для расширения рабочей зоны системы, ЭВМ с установленным программным обеспечением, выполняющим обработку и визуализацию принимаемых от основных модулей данных мониторинга физиологических параметров, центральную ЭВМ и базу данных на центральной ЭВМ. Основной модуль измеряет частоту сердечных сокращений (ЧСС), частоту дыхательных движений (ЧДД), температуру поверхности кожи, уровень активности (акселерометрия), постуральное положение и ЭКГ спортсмена.
Одним из недостатков Zephyr™ PSM Training system является отсутствие контроля такого физиологического параметра спортсмена, как КГР, которая, в том числе, предоставляют информацию о степени усталости спортсмена, включая недопустимую степень переутомления.
Другим недостатком Zephyr™ PSM Training system является отсутствие датчика ЭЭГ, который предоставляет информацию о биоэлектрической активности головного мозга, позволяющую использовать методики повышения способностей спортсменов к саморегуляции физиологических функций на основе нейробиоуправления и другие, во время выполнения спортсменом тренировочных упражнений, в том числе с биологической обратной связью (БОС), и в процессе релаксации.
Также, отсутствует информация о наличии в составе Zephyr™ PSM Training system дополнительных сенсорных модулей, предназначенных для определения параметров реальной работы, выполненной спортсменом, что не позволяет определить степень эффективности движений спортсмена, к.п.д.
Еще одним недостатком Zephyr™ PSM Training system является то, что в его составе присутствуют не все необходимые модули, обеспечивающие своевременное предоставление тренеру информации о критических, опасных для здоровья или жизни, состояниях организма спортсмена. Так, в составе Zephyr™ PSM Training system имеется датчик температуры поверхности кожи. Однако, подобные датчики недостаточно оперативно реагируют на быстрое изменение температуры, предоставляют данные о текущей температуре поверхности кожи с запаздыванием. Это запаздывание в Zephyr™ PSM Training system может достигать 20 минут (данные взяты из руководства по эксплуатации Zephyr™ PSM Training system). В то же время, эти данные могут содержать информацию о резком повышении температуры до критических значений. В этом случае, тренер должен немедленно остановить тренировку и принять меры по обеспечению спортсмена необходимой медицинской помощью.
Недостатки Zephyr™ PSM Training system решает заявляемая система мониторинга физиологических параметров спортсменов.
Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящее время, являются проблемы, связанные с недостаточной функциональностью, невозможностью или ограниченной возможностью использования спортсменами систем мониторинга физиологических параметров, недостаточной оперативностью предоставления информации о критических, опасных для здоровья или жизни состояниях организма спортсмена. Создание предлагаемого технического решения направлено на решение данной технической проблемы, а, именно, на создание системы мониторинга физиологических параметров спортсменов с улучшенными техническими характеристиками: повышенной эффективностью планирования тренировок спортсмена или группы спортсменов, основываясь на результатах комплексной оценки объективных физиологических параметров, управления тренировочным процессом в реальном времени, в том числе, с использованием методов тренировки с БОС, а также с предоставлением тренеру своевременной и объективной информации о критических, опасных для здоровья или жизни состояниях организма спортсмена.
Технический результат заключается в улучшении технических характеристик системы мониторинга физиологических параметров спортсменов, благодаря чему будут устранены недостатки известных систем.
Достигается технический результат тем, что в системе мониторинга физиологических параметров спортсменов, содержащей ЭВМ тренера, центральную ЭВМ, базу данных на центральной ЭВМ, по крайней мере, один основной сенсорный модуль, снаряжение с интегрированным или подключаемым основным сенсорным модулем и радио-ретрансляторы; при этом основной сенсорный модуль содержит микроконтроллеры, память на электронном носителе, элементы автономного электропитания, средства беспроводной передачи данных для связи с ЭВМ тренера, а также датчики измерения ЭКГ, ЧСС, частоты и объема дыхательных движений, температуры поверхности кожи, уровня активности и постурального положения; снаряжение представляет собой пояс или майку, используемые для закрепления основного сенсорного модуля на теле спортсмена, и содержит средства для фиксации подключаемых основных сенсорных модулей, электроды для обеспечения непосредственного контакта с участками поверхности кожи спортсмена, электрические провода и контакты для подключения электродов к датчикам основного сенсорного модуля, согласно изобретению, основной сенсорный модуль дополнительно содержит средства навигации, основной сенсорный модуль дополнительно содержит датчик КГР, основной сенсорный модуль дополнительно содержит модуль предварительной обработки данных от датчика температуры, использующий методы экстраполяции. Средства навигации, входящие в состав основного сенсорного модуля, содержат трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр. Модуль предварительной обработки данных от датчика температуры использует методы экстраполяции, основанные на предположении об относительной устойчивости экспоненциального характера изменения во времени значений температуры, поступающих от датчика температуры, при наличии разности температур датчика температуры и поверхности кожи, и производит вычисление прогнозируемого значения температуры кожи, учитывая как значения температуры, поступающие от датчика температуры, так и вычисленные значения первой производной по времени от значений температуры, поступающих от датчика температуры. Система содержит средства идентификации спортсмена, выполняющие привязку основного сенсорного модуля к идентификационным параметрам спортсмена на время проведения мониторинга. Средства идентификации спортсмена состоят из метки радиочастотной идентификации, установленной на спортивной форме, личных вещах или теле спортсмена, и считывателя, дополнительно включенного в состав основного сенсорного модуля. Система содержит дополнительные сенсорные модули, устанавливаемые на спортивных снарядах или конечностях спортсмена и измеряющие параметры реальной работы, выполненной спортсменом, содержащие микроконтроллеры, элементы автономного электропитания, средства беспроводной передачи данных для связи с ЭВМ тренера, средства навигации. Средства навигации, входящие в состав дополнительного сенсорного модуля, содержат трехосевые акселерометр, гироскоп, магнетометр, приемник сигналов глобальных спутниковых навигационных систем. Основной сенсорный модуль дополнительно содержит датчик ЭЭГ. База данных на центральной ЭВМ хранит антропометрические параметры спортсмена, которые учитываются при анализе данных мониторинга физиологических параметров для оценки полноты выполнения движений в ходе тренировочных упражнений. Снаряжение имеет дополнительные исполнения в виде ремня, используемого для закрепления основного сенсорного модуля на конечностях и спортивных снарядах, или шлема, используемого для закрепления основного сенсорного модуля на голове спортсмена, или перчатки, используемой для закрепления основного сенсорного модуля на кисти спортсмена.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими фигурами: фиг. 1, на которой представлена схема, поясняющая принцип взаимодействия элементов системы, и фиг. 2, на которой представлена структура и принцип действия модуля для обработки данных от датчика температуры, где:
1 - основной сенсорный модуль
2, 3 - снаряжение спортсмена
4 - электроды
5 - радио-ретрансляторы
6 - ЭВМ тренера
7 - центральная ЭВМ
8 - база данных
9 - дополнительный сенсорный модуль
10 - дифференциатор
11 - выделитель знака производной температуры по времени
12, 13 - умножители
14 - сумматор
Основной сенсорный модуль 1 системы мониторинга физиологических параметров спортсменов предназначен для сбора, временного хранения и/или беспроводной передачи данных мониторинга физиологических параметров. Основной сенсорный модуль содержит средства радиосвязи для беспроводной передачи данных и приема команд, электронные схемы, включая микроконтроллеры, внутреннюю память на электронных носителях, датчики для измерения физиологических параметров спортсмена, источник автономного электропитания (например, аккумулятор), индикаторы, кнопку включения/выключения (механическую или сенсорную).
Функциональность основного сенсорного модуля может быть реализована с использованием исключительно покупных электронных компонентов, основными из которых являются, например, процессор STM32F401, производства STMicroelectronics, модуль флэш-памяти формата microSD, приемо-передатчик Bluetooth RN4020, производства Microchip, радиомодем SP1ML-868, производства STMicroelectronics, девятиосевое устройство отслеживания движения (трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр) MPU9250, производства InvenSense, и измеритель ЭКГ, сопротивления тела и дыхательной активности ADAS 1000, производства Analog Devices. В качестве датчика температуры может использоваться цифровой термометр DS18B20, производства Maxim Integrated. При каскадировании, несколько измерителей ADAS1000 могут измерять ЭЭГ.
В качестве снаряжения (2, 3) может использоваться пояс или майка, используемые для закрепления основного сенсорного модуля 1на теле спортсмена, или ремень, используемый для закрепления основного сенсорного модуля 1 на конечностях или спортивных снарядах, или шлем, используемый для закрепления основного сенсорного модуля 100 на голове спортсмена, или перчатка, используемая для закрепления основного сенсорного модуля 1 на кисти спортсмена. Снаряжение может быть выполнено с интегрированным основным сенсорным модулем 1 (вариант исполнения снаряжения 3), либо может содержать средства для фиксации подключаемых и сменных основных сенсорных модулей 1 (вариант исполнения снаряжения 2). Снаряжение может быть полностью или частично выполнено из эластичных материалов с целью более плотного облегания тела спортсмена. Снаряжение содержит электроды 4 для обеспечения непосредственного контакта с участками поверхности тела спортсмена, электрические провода и контакты для подключения электродов 4 к датчикам основного сенсорного модуля 1.
Радио-ретрансляторы 5 служат для расширения рабочей зоны системы, обеспечивая увеличение дальности приема данных мониторинга физиологических параметров от основных сенсорных модулей 1. Установка нескольких радиоретрансляторов 5 вокруг тренировочной площадки позволяет снизить вероятность экранирования направлений прямой видимости между основными сенсорными модулями 1 и ЭВМ 6 тренера.
Функциональность радио-ретранслятора 5 может быть реализована с использованием исключительно покупных электронных компонентов, основными из которых являются, например, процессор STM32F401, производства STMicroelectronics, модуль флэш-памяти формата microSD, радиомодемы SP1ML-868, производства STMicroelectronics.
ЭВМ 6 тренера (стационарный или переносной компьютер, например: ноутбук, планшетный компьютер, смартфон) содержит установленное программное обеспечение, выполняющее обработку и визуализацию принимаемых от основных 1 сенсорных модулей данных мониторинга физиологических параметров. Также, ЭВМ 6 тренера содержит средства радиосвязи, обеспечивающие возможность приема данных мониторинга физиологических параметров спортсменов от основных модулей 1 непосредственно, или через радио-ретрансляторы 5. Также, ЭВМ 6 тренера содержит средства выхода в Интернет, обеспечивающие возможность связи с центральной ЭВМ 7 системы. В случае доступности сети Интернет, ЭВМ 6 тренера выполняет передачу данных мониторинга физиологических параметров спортсменов на центральную 7 ЭВМ, получает от центральной ЭВМ 7 результаты детального анализа данных мониторинга, включая динамику изменения физиологических параметров спортсмена за длительный период.
ЭВМ 6 тренера содержит в своем составе все необходимые средства для обеспечения функциональности, кроме средств радиосвязи. Функциональность средств радиосвязи ЭВМ 6 тренера может быть реализована внешними модулями с использованием исключительно покупных электронных компонентов, основным из которых является, например, радиомодем SP1ML-868, производства STMicroelectronics. Если в ЭВМ тренера отсутствует штатный модуль, обеспечивающий радиосвязь стандарта Bluetooth, то в качестве внешнего модуля Bluetooth может использоваться модуль RN4020, производства Microchip.
Центральная ЭВМ 7 производит сохранение принятых от ЭВМ тренера данных мониторинга физиологических параметров спортсменов в базе данных 8 на центральной ЭВМ; также центральная ЭВМ 7 производит детальный анализ данных мониторинга и предоставляет результаты этого анализа по запросу с ЭВМ 6 тренера.
С целью исключения недостатков, отмеченных в прототипе, дополнительно система мониторинга физиологических параметров спортсменов может содержать:
- дополнительные сенсорные модули 9, измеряющие параметры реальной работы, выполненной спортсменом;
- датчик КГР в основном сенсорном модуле 1;
- датчик ЭЭГ в основном сенсорном модуле 1;
- модуль дополнительной предварительной обработки данных от датчика температуры, использующий методы экстраполяции в основной сенсорный модуль 1.
Дополнительные сенсорные модули 9 содержат средства навигации, такие как приемник сигналов глобальных спутниковых навигационных систем и/или трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр, а также датчик температуры окружающего воздуха и средства радиосвязи для передачи данных от датчиков на ЭВМ 6 тренера, либо непосредственно, либо через радио-ретрансляторы 5. Дополнительные 9 сенсорные модули предназначены для определения параметров реальной работы, выполняемой спортсменом, для чего конструктивно выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась возможность установки на спортивные снаряды, например, сани, штанга и т.п.). Для установки на различные спортивные снаряды, дополнительные сенсорные модули 9 могут иметь различные конструкции корпусов и элементов крепления. Программное обеспечение, установленное на ЭВМ 6 тренера, с учетом массогабаритных характеристик спортивного снаряда, его перемещений и поворотов определяет реальную работу, выполненную спортсменом. В то же время, основной сенсорный модуль 1 передает на ЭВМ 6 тренера физиологические параметры спортсмена. Комплексный анализ данных, полученных от основного 1 и от дополнительного сенсорных модулей 9, позволяет оценить эффективность выполнения спортсменом упражнения, например, относительное количество его полезных (к.п.д.) и лишних движений.
Функциональность дополнительного сенсорного модуля 9 может быть реализована с использованием исключительно покупных электронных компонентов, основными из которых являются, например, процессор STM32F401, производства STMicroelectronics, модуль флэш-памяти формата microSD, приемо-передатчик Bluetooth RN4020, производства Microchip, радиомодем SP1ML-868, производства STMicroelectronics, девятиосевое устройство отслеживания движения (трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр) MPU9250, производства InvenSense, приемник сигналов глобальных спутниковых навигационных систем ЕВ-3531, производства USGlobalSat. В качестве датчика температуры может использоваться цифровой термометр DS18В20, производства Maxim Integrated.
Датчик КГР основного сенсорного модуля 1 подключается к двум электродам 4, из имеющихся в составе снаряжения (2, 3), и производит измерение сопротивления кожи. Электроды 4 датчика КГР расположены на небольшом расстоянии друг от друга, чтобы уменьшить в величине результата измерений значение составляющей, связанной с сопротивлением подкожных участков тела. В системе по настоящему изобретению это расстояние составляет 5 сантиметров. Само измерение сопротивления кожи производится электронными схемами, содержащими инструментальные операционные усилители, фильтры и аналого-цифровые преобразователи, в составе модуля ADAS 1000, производства Analog Devices. Дополнительная фильтрация фильтром ВЧ с пороговой частотой 0,2 Гц, проводимая ПО процессора основного сенсорного модуля, позволяет устранить влияние на результат со стороны дыхательной и мышечной активности спортсмена. Чтобы компенсировать различия в технологии производства снаряжения и в материалах, используемых для производства электродов, несколько датчиков КГР калибруются для каждой из используемых технологий. По результатам калибровки определяются калибровочные коэффициенты и, при проведении мониторинга КГР, основной модуль системы мониторинга физиологических параметров спортсменов использует необходимый набор калибровочных коэффициентов, в зависимости от технологии производства снаряжения. В отличие от датчиков КГР в известных технических решениях (например, патент US №8961414), датчик КГР системы мониторинга физиологических параметров спортсменов использует в качестве исходных данных для последующего анализа не сигнал о величине изменения сопротивления кожи (патент US №8961414, таблица 1), а сигнал о самом сопротивлении кожи. Это позволяет тренеру анализировать не только реакцию спортсмена на физическую и психологическую нагрузку в процессе текущей тренировки, но и учитывать состояние спортсмена в начале каждого тренировочного процесса, сравнивая этот показатель со значениями от предыдущих тренировок.
Модуль дополнительной предварительной обработки данных от датчика температуры поверхности кожи спортсмена позволяет по значениям, измеренным датчиком температуры предоставлять информацию о текущем значении температуры поверхности кожи спортсмена с заданной погрешностью быстрее, чем в Zephyr™ PSM Training system. Модуль использует методы экстраполяции, основанные на предположении об относительной устойчивости экспоненциального характера изменения во времени значений температуры, поступающих от датчика температуры, при появлении несоответствия температуры датчика температуре кожи спортсмена. Модуль учитывает не только значения температуры, поступающие с датчика температуры, но и первую производную температуры по времени, что в данном случае достаточно, чтобы рассчитать приближение к реальной температуре кожи спортсмена лучшее, чем текущие показания датчика температуры.
Основными элементами модуля дополнительной предварительной обработки данных от датчика температуры поверхности кожи спортсмена являются: дифференциатор 10, выделитель 11 знака производной температуры по времени, умножители 12 и 13, сумматор 14. Дифференциатор 10 обеспечивает формирование сигнала первой производной по времени от сигнала температуры, поступившего от термодатчика. Умножители 12 и 13 формируют добавки к сигналу температуры, поступившему от термодатчика, в зависимости от скорости изменения этого сигнала. Сумматор 14 формирует выходной сигнал модуля дополнительной предварительной обработки данных от датчика температуры поверхности кожи спортсмена. Выходной сигнал модуля зависит как от текущего значения входного сигнала, поступившего от термодатчика, так и от характера изменения входного сигнала во времени.
На датчик температуры воздействуют как температура кожи спортсмена, так и температура внешней среды. При этом, теплопроводность материалов снаряжения обеспечивает значительно большее воздействие (из-за большего значения теплопроводности) на датчик температуры со стороны температуры кожи спортсмена, чем со стороны внешней среды.
На вход Tin модуля подан сигнал с датчика температуры. На входы K1 и K2 модуля поданы постоянные сигналы.
Значения постоянных сигналов, поданных на входы K1 и K2, подбираются для каждой конструкции снаряжения таким образом, чтобы обеспечить установление значения выходного сигнала Tout модуля в значение, с заданной погрешностью соответствующее температуре кожи спортсмена, за заданное время.
Вход Tin модуля соединен с входом X1 сумматора 14 и с входом дифференциатора 10. Выход дифференциатора 10 соединен с входом выделителя 11 знака производной и с входом умножителя 12.
Вход K1 модуля соединен с другим входом умножителя 12.
Выход выделителя 11 знака производной соединен с входом умножителя 13.
Вход K2 модуля соединен с другим входом умножителя 13.
Выход умножителя 12 соединен с входом Х2 сумматора 14. Выход умножителя 13 соединен с входом Х3 сумматора 14.
Выход сумматора 14 соединен с выходом Tout модуля дополнительной предварительной обработки данных от датчика температуры поверхности кожи спортсмена.
Сигнал, поданный на вход K2 модуля, формирующий добавку к исходному сигналу Tin, используется для компенсации отклонения значения температуры, измеряемой датчиком температуры, от реального значения температуры кожи спортсмена. Это отклонение определяется конструкцией снаряжения, типом датчика температуры и используемыми материалами. Значение сигнала, поданного на вход K2 модуля, определяет постоянную по абсолютной величине и имеющую знак, соответствующий знаку производной, величину добавки к измеряемому значению температуры. Величина этого постоянного сигнала должна быть значительно меньше заданной погрешности формирования экстраполированного значения температуры.
Значение сигнала, поданного на вход K1 модуля, выбрано в процессе калибровки таким образом, чтобы он был максимально большим при сохранении экспоненциального характера функции Tout(Tin, t), без выраженных локальных экстремумов.
Значения сигналов, поданных на входы K1 и K2 модуля, целиком зависят от типа используемого датчика температуры и конструкции снаряжения. Эти значения подбираются для каждой новой технологии производства снаряжения в процессе калибровки и, в дальнейшем, остаются постоянными при производстве снаряжения по этой технологии.
Совместное использование собранных в ходе текущей тренировки и/или ранее данных о двигательной активности спортсмена, деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем, КГР и биоэлектрической активности головного мозга позволяет оценить правильность и эффективность техники выполнения упражнений, оценить возможности улучшения показателей, сделать вывод, как далеко спортсмен находится от пика физической формы, и выработать обоснованные рекомендации для дальнейшего развития необходимых качеств.
Для обеспечения своевременного получения тренером актуальной информации о критических, опасных для здоровья или жизни состояниях организма спортсмена, основной сенсорный модуль системы выполняет предварительную обработку данных от датчика температуры, используя методы экстраполяции.
Таким образом, предлагаемая система мониторинга физиологических параметров спортсменов обладает улучшенными техническими характеристиками по сравнению с известными решениями.

Claims (11)

1. Система мониторинга физиологических параметров спортсменов, содержащая ЭВМ тренера, центральную ЭВМ, базу данных на центральной ЭВМ, по крайней мере один основной сенсорный модуль, снаряжение с интегрированным или подключаемым основным сенсорным модулем и радиоретрансляторы; при этом основной сенсорный модуль содержит микроконтроллеры, память на электронном носителе, элементы автономного электропитания, средства беспроводной передачи данных для связи с ЭВМ тренера, а также датчики измерения электрокардиограммы, частоты сердечных сокращений, частоты и объема дыхательных движений, температуры поверхности кожи, уровня активности и постурального положения; снаряжение представляет собой пояс или майку, используемые для закрепления основного сенсорного модуля на теле спортсмена, и содержит средства для фиксации подключаемых основных сенсорных модулей, электроды для обеспечения непосредственного контакта с участками поверхности кожи спортсмена, электрические провода и контакты для подключения электродов к датчикам основного сенсорного модуля,
отличающаяся тем, что основной сенсорный модуль дополнительно содержит средства навигации, датчик кожно-гальванической реакции и модуль предварительной обработки данных от датчика температуры, использующий методы экстраполяции и содержащий дифференциатор, выделитель знака производной температуры по времени, первый и второй умножители и сумматор, причем вход Tin модуля соединен с первым входом сумматора и с входом дифференциатора, выход которого соединен с входом выделителя знака производной и с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с входом K1 модуля, выход выделителя знака производной соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого соединен с входом K2 модуля, выход первого умножителя соединен со вторым входом сумматора, тогда как выход второго умножителя соединен с третьим входом сумматора, выход которого соединен с выходом Tout модуля.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средства навигации, входящие в состав основного сенсорного модуля, содержат трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит средства идентификации спортсмена, выполняющие привязку основного сенсорного модуля к идентификационным параметрам спортсмена на время проведения мониторинга.
4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что средства идентификации спортсмена состоят из метки радиочастотной идентификации, установленной на спортивной форме, личных вещах или теле спортсмена, и считывателя, дополнительно включенного в состав основного сенсорного модуля.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит дополнительные сенсорные модули, устанавливаемые на спортивных снарядах или конечностях спортсмена и измеряющие параметры реальной работы, выполненной спортсменом, содержащие микроконтроллеры, элементы автономного электропитания, средства беспроводной передачи данных для связи с ЭВМ тренера, средства навигации.
6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что средства навигации, входящие в состав дополнительного сенсорного модуля, содержат трехосевые акселерометр, гироскоп и магнетометр.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что средства навигации, входящие в состав дополнительного сенсорного модуля, содержат приемник сигналов глобальных спутниковых навигационных систем.
8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что основной сенсорный модуль дополнительно содержит датчик электроэнцефалограммы.
9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что база данных на центральной ЭВМ хранит антропометрические параметры спортсмена, которые учитываются при анализе данных мониторинга физиологических параметров для оценки полноты выполнения движений в ходе тренировочных упражнений.
10. Система по п. 1 или 5, отличающаяся тем, что снаряжение имеет дополнительные исполнения в виде ремня, используемого для закрепления основного или дополнительного сенсорного модуля на конечностях или спортивных снарядах, или шлема, используемого для закрепления основного или дополнительного сенсорного модуля на голове спортсмена, или перчатки, используемой для закрепления основного или дополнительного сенсорного модуля на кисти спортсмена.
RU2017133214A 2017-09-22 2017-09-22 Система мониторинга физиологических параметров спортсменов RU2677061C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017133214A RU2677061C1 (ru) 2017-09-22 2017-09-22 Система мониторинга физиологических параметров спортсменов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017133214A RU2677061C1 (ru) 2017-09-22 2017-09-22 Система мониторинга физиологических параметров спортсменов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2677061C1 true RU2677061C1 (ru) 2019-01-15

Family

ID=65025023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017133214A RU2677061C1 (ru) 2017-09-22 2017-09-22 Система мониторинга физиологических параметров спортсменов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2677061C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2729430C1 (ru) * 2019-05-13 2020-08-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) Аппаратно-программный комплекс для мониторинга жизненных показателей
RU2779991C2 (ru) * 2020-12-14 2022-09-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна" Способ математического прогнозирования уровня психоэмоционального состояния спортсменов, принимающих участие в экстремальных видах спорта

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013070545A1 (en) * 2011-11-07 2013-05-16 Landy Toth Metabolic and cardiopulmonary monitor
RU2520404C1 (ru) * 2010-09-29 2014-06-27 дакадоо аг Система автоматизированного сбора, обработки и передачи медицинских данных
US20140340219A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Zephyr Technology Corporation Physiological monitoring and alerting
US20150375044A1 (en) * 2008-12-05 2015-12-31 Nike, Inc. Athletic Performance Monitoring Systems and Methods in a Team Sports Environment
WO2016009277A1 (en) * 2014-07-14 2016-01-21 L.I.F.E. Corporation S.A. Garments having stretchable and conductive ink
US9579060B1 (en) * 2014-02-18 2017-02-28 Orbitol Research Inc. Head-mounted physiological signal monitoring system, devices and methods
US20170112671A1 (en) * 2015-10-26 2017-04-27 Personics Holdings, Llc Biometric, physiological or environmental monitoring using a closed chamber

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150375044A1 (en) * 2008-12-05 2015-12-31 Nike, Inc. Athletic Performance Monitoring Systems and Methods in a Team Sports Environment
RU2520404C1 (ru) * 2010-09-29 2014-06-27 дакадоо аг Система автоматизированного сбора, обработки и передачи медицинских данных
WO2013070545A1 (en) * 2011-11-07 2013-05-16 Landy Toth Metabolic and cardiopulmonary monitor
US20140340219A1 (en) * 2013-05-15 2014-11-20 Zephyr Technology Corporation Physiological monitoring and alerting
US9579060B1 (en) * 2014-02-18 2017-02-28 Orbitol Research Inc. Head-mounted physiological signal monitoring system, devices and methods
WO2016009277A1 (en) * 2014-07-14 2016-01-21 L.I.F.E. Corporation S.A. Garments having stretchable and conductive ink
US20170112671A1 (en) * 2015-10-26 2017-04-27 Personics Holdings, Llc Biometric, physiological or environmental monitoring using a closed chamber

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2794427C1 (ru) * 2019-03-18 2023-04-18 Михаил Юльевич Рудберг Способ контроля движений человека и устройство для контроля движений человека
RU2729430C1 (ru) * 2019-05-13 2020-08-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) Аппаратно-программный комплекс для мониторинга жизненных показателей
RU2819515C2 (ru) * 2019-05-23 2024-05-21 Ортопеди-Техник-Сервис Актив Гмбх Сенсорный слой для определения температурных профилей на поверхности кожи, средство для позиционирования на поверхности кожи сенсорного слоя, способ изготовления средства для позиционирования на поверхности кожи сенсорного слоя и способ определения относительной разности температур на поверхности кожи
RU2779991C2 (ru) * 2020-12-14 2022-09-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна" Способ математического прогнозирования уровня психоэмоционального состояния спортсменов, принимающих участие в экстремальных видах спорта

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI603717B (zh) 體力監測方法和裝置
KR101386649B1 (ko) 사용자의 상태 적용 게임 장치 및 그 게임 제공 방법
US20180192918A1 (en) Utility gear including conformal sensors
Montes et al. Reliability and validation of the hexoskin wearable bio-collection device during walking conditions
Olivares et al. Wagyromag: Wireless sensor network for monitoring and processing human body movement in healthcare applications
CN109716443B (zh) 利用肌电图传感器的运动管理方法以及系统
US20070063850A1 (en) Method and system for proactive telemonitor with real-time activity and physiology classification and diary feature
US10264971B1 (en) System and methods for integrating feedback from multiple wearable sensors
KR20150097671A (ko) 개인 상관 인자를 이용하여 칼로리 섭취를 결정하기 위한 시스템 및 방법
CN201879669U (zh) 一种人体信息监测与处理系统
CN104146712A (zh) 穿戴式足底压力检测设备及足底压力检测和姿态预测方法
JP2017158999A (ja) 最大酸素消費をリアルタイムに監視する監視方法
CN106730766A (zh) 一种基于心率数据的成人运动负荷的评价方法
CN203303043U (zh) 一种健康腕带装置
CA2922194A1 (en) Devices and methods for measuring bioimpedance-related properties of body tissue and displaying fat and muscle percentages and muscle quality of bodies and body regions
Lin et al. A comparative study of smart insole on real-world step count
US20210000406A1 (en) Individualized Heat Acclimation Tool and Method
CN106108879A (zh) 一种基于心率数据的中小学生体育锻炼运动负荷的评价方法
KR102568715B1 (ko) 휴대용 복합 생체신호 측정장치
RU2677061C1 (ru) Система мониторинга физиологических параметров спортсменов
CN106730763A (zh) 一种基于心率数据以及运动时间的中小学生体育锻炼运动负荷的评价方法
US20230084600A1 (en) Non-invasive hydration and electrolyte monitoring
CN106821362A (zh) 一种基于心率数据以及运动时间的中小学生体育锻炼运动负荷的评价方法
CN108882883A (zh) 对副交感自主神经系统和交感自主神经系统的同时和独立活动进行测量、相关和分析的方法和系统
US20190192043A1 (en) Body Composition Analysis Method and Apparatus