Устройство для регистрации скорости распространения пульсовой волны

Изобретение относится к медицине, а в частности к медицинской технике, и может быть использовано для обследования пациентов в профилактических медицинских учреждениях, в кабинетах функциональной диагностики поликлиник, автомобилях скорой помощи, отделениях реанимации и т.д. Устройство для регистрации скорости распространения пульсовой волны содержит датчики артериального пульса и параллельно соединенный с датчиками электронный блок. Датчик артериального пульса содержит последовательно соединенные пьезоэлектрическую пластину, первый усилитель, фильтр высоких частот, фильтр низких частот, второй усилитель, микроконтроллер, соединенный параллельно с элементом памяти, модуль беспроводной передачи информации, антенну, а также аккумуляторный источник питания. Электронный блок включает в себя антенну, модуль беспроводной передачи информации, микроконтроллер, элемент памяти, контроллер дисплея и дисплей, клавиатуру, GSM-модем, драйвер USB, разъем USB, аккумуляторный источник питания. При этом электронный блок не имеет проводной связи с датчиками артериального пульса, а для работы с персональным компьютером имеет проводной и беспроводной интерфейс. Количество датчиков может быть произвольным числом в пределах от 2 до 64. Изобретение обеспечивает повышение объективности и достоверности исследования, повышение мобильности и масштабируемости устройства, обеспечение его интегрируемости с ПК. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а в частности к медицинской технике, и может быть использовано для обследования пациентов в профилактических медицинских учреждениях, в кабинетах функциональной диагностики поликлиник, автомобилях скорой помощи, отделениях реанимации и т.д.

Известна система массового обследования сосудов Vasera VS-1000 фирмы "Fukuda Denshi" (Япония), состоящая из блока регистрации, включающего черно-белый жидкокристаллический дисплей 320×240 точек, слот карты памяти PCMCIA, серийный порт вход/выход RS-232C, механизм печати на бумаге методом термолинейки, интерфейс LAN IEEE 802.3 10 Base-T, источник питания, и датчиков регистрации электрокардиограммы, фонокардиограммы, кровяного давления с манжетами (см. http://smedtorg.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=57).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство не достаточно мобильно, так как оно обладает большими габаритными размерами и массой. Датчики различных типов соединяются с блоком регистрации с помощью проводов, что приводит к некоторым трудностям, повышаются требования к правильной посадке пациента, пациент не может двигаться во время обследования. Вычисляется скорость движения пульсовой волны только у неподвижного человека, что не может дать реальных характеристик сосудов.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения скорости распространения пульсовой волны и среднего артериального давления, содержащее два датчика и блок обработки и управления. Датчики устанавливаются на определенном расстоянии один от другого над исследуемой артерией, информация с датчиков поступает в блок обработки и управления. Блок обработки состоит из пикового детектора, фазового компаратора, задатчика расстояния между датчиками, аналогового коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, микро-ЭВМ, репрограммируемого таймера, индикаторного устройства и цифроаналогового преобразователя. Получая от датчиков информацию о моментах прохождения пульсовой волны, а также расстояние от задатчика расстояния, которое проходит волна между датчиками, блок обработки производит вычисление скорости распространения пульсовой волны и артериального давления и фиксирует полученные результаты на носителе (бумаге, магнитной ленте) (см. заявка №93009423 от 18.02.1993 г.). Данное устройство принято в качестве прототипа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство не мобильно, конструктив устройства предусматривает подключение только 2-х датчиков, следовательно, система не масштабируема, для того чтобы провести замер скорости распространения волны на произвольном числе участков одновременно данная система не приемлема. Датчики подключаются к блоку обработки и управления с помощью проводов, что приводит к некоторым трудностям, повышаются требования к правильной посадке пациента, пациент не может двигаться во время обследования, следовательно, исследование недостаточно объективно. Соединение датчиков с блоком обработки и управления с помощью проводов обладает невысокой помехозащищенностью, на передаваемый сигнал могут воздействовать внешние возмущающие поля, при движении (дыхании) пациента провода, не обеспечивающие мобильности, могут препятствовать корректному замеру параметров датчиками. Замеры происходят в режиме реального времени, а данное устройство не содержит элементов памяти, в случае сбоя соединения блока обработки с одним из датчиков результирующие данные будут искажены, передача данных недостаточно надежна, часть информации может быть потеряна. Так как используется одна микро-ЭВМ и один аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов с двух датчиков, то снижается точность измерения скорости распространения пульсовой волны. Нет интерфейса для подключения к персональному компьютеру, следовательно, устройство не интегрируемо в современные информационные среды.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением, - наличие датчиков артериального пульса; наличие электронного блока, включающего микроконтроллер и дисплей; параллельное соединение датчиков артериального пульса и электронного блока.

Задачей изобретения является повышение объективности и достоверности исследования, повышение мобильности и масштабируемости устройства, обеспечение интегрируемости с ПК.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве, содержащем датчики артериального пульса и параллельно соединенный с датчиками электронный блок, включающий микроконтроллер и дисплей, в каждый датчик артериального пульса дополнительно введены последовательно соединенные пьезоэлектрическая пластина, первый усилитель, фильтр высоких частот, фильтр низких частот, второй усилитель, микроконтроллер, соединенный параллельно с элементом памяти, модуль беспроводной передачи информации, антенна, а также аккумуляторный источник питания, выход которого подключен соответственно к входам первого усилителя, фильтра низких частот, фильтра высоких частот, второго усилителя, микроконтроллера, элемента памяти, модуля беспроводной передачи информации, а электронный блок дополнительно снабжен антенной, модулем беспроводной передачи информации, элементом памяти, контроллером дисплея, клавиатурой, GSM-модемом, драйвером USB, разъемом USB, аккумуляторным источником питания, выход которого подключен соответственно к входам модуля беспроводной передачи информации, микроконтроллера, элемента памяти, контроллера дисплея и дисплея, GSM-модема, драйвера USB, причем антенна, модуль беспроводной передачи информации и микроконтроллер соединены последовательно, другой вход микроконтроллера соединен с выходом клавиатуры, а выход соединен с входом контроллера дисплея, выход которого соединен с входом дисплея, также выводы микроконтроллера соединены с выводами элемента памяти, GSM-модема, драйвера USB, вывод которого соединен с выводом разъема USB. Количество датчиков может быть произвольным числом в пределах от 2 до 64.

Отличием предлагаемого устройства от прототипа является введение в датчик артериального давления последовательно соединенных пьезоэлектрической пластины, первого усилителя, фильтра высоких частот, фильтра низких частот, второго усилителя, микроконтроллера, соединенного параллельно с элементом памяти, модуля беспроводной передачи информации, антенны, а также аккумуляторного источника питания, выход которого подключен соответственно к входам первого усилителя, фильтра низких частот, фильтра высоких частот, второго усилителя, микроконтроллера, элемента памяти, модуля беспроводной передачи информации.

По-новому выполнен электронный блок. Он дополнительно снабжен антенной, модулем беспроводной передачи информации, элементом памяти, контроллером дисплея, клавиатурой, GSM-модемом, драйвером USB и разъемом USB, аккумуляторным источником питания. При этом антенна, модуль беспроводной передачи информации и микроконтроллер соединены последовательно, другой вход микроконтроллера соединен с выходом клавиатуры, а выход соединен с входом контроллера дисплея, выход которого соединен с входом дисплея, также выводы микроконтроллера соединены с выводами элемента памяти, GSM-модема, драйвера USB, вывод которого соединен с выводом разъема USB. Входы модуля беспроводной передачи информации, микроконтроллера, элемента памяти, контроллера дисплея и дисплея, GSM-модема, драйвера USB подключены к аккумуляторному источнику питания.

Кроме того, отличием предлагаемого устройства от прототипа является количество датчиков артериального пульса. Количество датчиков может быть произвольным числом в пределах от 2 до 64.

Повышение объективности исследования достигается за счет использования беспроводной связи датчиков с электронным блоком, позволяющей снимать показания с датчиков не только на человеке в состоянии покоя, но и в движении. Повышение достоверности исследования достигается за счет увеличения помехозащищенности, то есть за счет использования независимых датчиков артериального пульса, что способствует синхронной записи параметров в режиме реального времени за счет использования беспроводной передачи снимаемого с датчика сигнала, что способствует исключению взаимных наводок, а также за счет размещения резервных дополнительных элементов памяти во избежание утраты оцифрованных данных. Во избежание действия помех предусмотрена также система фильтрации сигнала, то есть внедрение двух каскадов активных фильтров между каскадами усиления и высокопроизводительного микроконтроллера, обеспечивающего аналого-цифровое преобразование и цифровую фильтрацию сигнала, все элементы размещены непосредственно в корпусе датчика, что также способствует снижению возможности зашумления полезного сигнала. Повышение масштабируемости и мобильности системы достигается за счет использования беспроводной связи между датчиками и электронным блоком, а также за счет проведения вычислений и настройки системы с помощью электронного блока. ПК необходим для того, чтобы отобразить отчет, распечатать его на принтере, сохранить результаты на удаленном сервере прикрепленного медицинского учреждения.

Указанные выше отличительные признаки в совокупности с известными повышают объективность и достоверность исследования, повышают мобильность и масштабируемость устройства, обеспечивают интегрируемость его с ПК.

Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является неочевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена структурная блок-схема устройства регистрации скорости распространения пульсовой волны.

На фиг.2 представлена блок-схема датчика артериального пульса.

На фиг.3 представлена блок-схема электронного блока.

На фиг.4 представлена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера электронного блока.

Устройство содержит датчики артериального пульса A1...Ai [фиг.1, фиг.2] и электронный блок 1 [фиг.1, фиг.3], соединенные параллельно. Электронный блок 1 [фиг.3] соединяется с персональным компьютером 2 [фиг.1]. Количество датчиков может быть произвольным числом в пределах от 2 до 64.

Крепеж датчиков артериального пульса A1...Ai на человеческом теле обеспечивается с помощью манжет. Датчики A1...Ai во время регистрации скорости распространения пульсовой волны на исследуемом человеке могут располагаться на удалении не более 10 метров от электронного блока 2, при этом результат исследования может отправляться по связи стандарта GSM на удаленный ПК 2.

Датчик А1 [фиг.2] содержит последовательно соединенные пьезоэлектрическую пластину 3 в качестве чувствительного элемента, первый усилитель 4 (К=100), преобразующий ток в напряжение, фильтр высоких частот 5 (Н>100 Гц), фильтр низких частот 6 (Н<0,1 Гц), второй усилитель 7 (К=100), микроконтроллер 8 [ATmega128], обеспечивающий аналого-цифровое преобразование и цифровую фильтрацию сигнала, соединенный параллельно с элементом памяти 9, модуль беспроводной передачи информации 10, антенну 11, а также аккумуляторный источник питания 12. Входы первого усилителя 4, фильтра высоких частот 5, фильтра низких частот 6, второго усилителя 7, микроконтроллера 8, элемента памяти 9, модуля беспроводной передачи информации 10 связаны с аккумуляторным источником питания 12. Размер датчика Ai составляет 36×36×16 мм.

Микроконтроллер 8 выполняет аналого-цифровое преобразование сигнала с пьезоэлектрической пластины 3, которое происходит по внутреннему таймеру каждую 1 миллисекунду. Затем с целью повышения надежности передачи данных микроконтроллер 8 осуществляет формирование пакета данных для резервного копирования в элемент памяти 9 и сохраняет данные каждые 10 секунд. Интервал сохранения данных задается таймером резервного копирования. Внутренний таймер и таймер резервного копирования являются стандартными внутренними средствами микроконтроллера 8. Также микроконтроллер 8 с целью повышения точности и синхронности сбора данных с датчиков передает данные в модуль беспроводной передачи информации 10 и получает обратно пакет подтверждения приема и пакет синхронизации каждые 10 миллисекунд.

Электронный блок 1 [фиг.3] содержит антенну 13, модуль беспроводной передачи информации 14, микроконтроллер 15, элемент памяти 16, контроллер 17 дисплея и дисплей 18, клавиатуру 19, GSM-модем 20, драйвер USB 21 и разъем USB 22, аккумуляторный источник питания 23. Антенна 13, модуль беспроводной передачи информации 14 и микроконтроллер 15 соединены последовательно, другой вход микроконтроллера 15 соединен с выходом клавиатуры 19, а выход соединен с входом контроллера 17 дисплея, выход которого соединен с входом дисплея 18, также выводы микроконтроллера 15 соединены с выводами элемента памяти 16, GSM-модема 20, драйвера USB 21, вывод которого соединен с выводом разъема USB 22. Входы модуля беспроводной передачи информации 14, микроконтроллера 15, элемента памяти 16, контроллера дисплея 17 и дисплея 18, GSM-модема 20, драйвера USB 21 соединены с выходом аккумуляторного источника питания 23.

Микроконтроллер 15 является многофункциональным программируемым средством. Для подтверждения возможности выполнения всех предписываемых ему в составе устройства функций представлена блок-схема алгоритма его работы в заявленном устройстве (фиг.4).

Электронный блок 1 не имеет проводной связи с датчиками Ai с целью предотвращения взаимных наводок от соединительных проводов, с целью повышения мобильности и масштабируемости системы, с целью проведения исследования не только на человеке в состоянии покоя, но и в движении, так как в этом случае исключается помеха, вызванная перемещением датчика под действием сил натяжения соединительных проводов. Электронный блок 1 имеет возможность передачи данных по беспроводной сотовой связи либо по интерфейсу USB с целью обеспечения совместимости интерфейсов ввода/вывода с современными программно-аппаратными комплексами хранения и обработки данных.

Устройство для регистрации скорости распространения пульсовой волны работает следующим образом.

Датчики артериального пульса Ai накладывают на точки тела исследуемого человека, где возможна регистрация пульсации крови в сосудах, и между которыми требуется вычислить скорость распространения пульсовой волны. Крепление датчиков Ai осуществляется с помощью манжет таким образом, чтобы чувствительный элемент датчика - пьезоэлектрическая пластина 3 - плотно прижимался к месту, где прощупывается пульс. После фиксации датчиков Ai нажимается кнопка "Start" на клавиатуре 19 электронного блока 1, при этом подается питание на следующие элементы электронного блока 1: модуль беспроводной передачи информации 14, микроконтроллер 15, элемент памяти 16, контроллер 17 дисплея, дисплей 18, GSM-модем 20, драйвер USB 21 с аккумуляторного источника питания 23. На дисплее 18 высвечивается индикация о состоянии памяти электронного блока 1, дата и время исследования, проводится опрос датчиков Ai с помощью пакета опроса, сгенерированного микроконтроллером 15 и отправляемого в широковещательном режиме модулем беспроводной передачи информации 14. Датчики Ai, находясь в начальное время в режиме сна (ожидания), когда питание подается только на модуль беспроводной передачи информации 10 и микроконтроллер 8, после получения пакета опроса переходят в режим работы. Это осуществляется следующим образом: при приеме входного сигнала модуль беспроводной передачи информации 10 переходит в режим чтения данных с антенны 11, микроконтроллер 8 переходит в режим работы, при этом подается питание с аккумуляторного источника питания 12 на усилители 4, 7, фильтры 5, 6, элемент памяти 9. Микроконтроллер 8 опрашивает модуль беспроводной передачи информации 10 и при успешном приеме пакета осуществляет его сравнение с шаблонным пакетом опроса, заложенным в памяти микроконтроллера 8. При его несовпадении датчики Ai переходят обратно в режим сна, при совпадении датчики Ai отправляют пакет ответа электронному блоку 1. Электронный блок 1 принимает с помощью антенны 13 сигналы, модуль беспроводной передачи информации 14 декодирует сигналы в пакеты и отправляет в микроконтроллер 15, который проверяет на совпадение с шаблоном ответа датчиков Ai. Микроконтроллер 15 определяет количество различных датчиков, приславших ответы, после чего посредством контроллера 17 дисплея выводятся на дисплей 18 данные о количестве обнаруженных датчиков. С помощью клавиатуры 19 пользователь вводит данные о расстоянии между контрольными точками, на которых установлены пронумерованные датчики, и задает промежутки, на которых требуется вычислить скорость распространения пульсовой волны, после чего нажимает кнопку клавиатуры 19 "Начать измерение". После этого устройство переходит в режим измерения.

В режиме измерения устройство работает следующим образом. Электронный блок 1 генерирует посредством микроконтроллера 15 и отправляет с помощью модуля беспроводной передачи информации 14 и антенны 13 каждые 10 мс в течение всего режима измерения пакеты синхронизации в широковещательном режиме. Датчики Ai принимают пакет синхронизации и сбрасывают внутренний таймер, по которому происходит срабатывание прерываний аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 8. Аналого-цифровой преобразователь преобразует сигнал, усиленный усилителями 4, 7, преобразованный фильтрами 5, 6, который снимается с выхода пьезоэлектрической пластины 3, установленной непосредственно на точке регистрации пульса. Преобразованный сигнал в цифровой код сохраняется микроконтроллером 8 в массив данных и отправляется с помощью модуля беспроводной передачи информации 10 и антенны 11 в электронный блок 1. По срабатыванию таймера резервного копирования микроконтроллер 8 датчика Ai осуществляет запись данных о преобразованном сигнале с пьезоэлектрической пластины 3 в элемент памяти 9. Каждый датчик Ai отправляет пакеты с данными в выделенные промежутки времени, находящиеся между синхронизирующими пакетами, отправляемыми электронным блоком 1. После приема пакетов с данными от датчиков Ai электронный блок 1 формирует массивы с измерениями для каждого из датчиков, сохраняя периодически данные в элемент памяти 16. Массивов с данными ровно столько, сколько работает в данный момент датчиков, при этом индексы элементов массива - это номера отчетов времени, когда снимались показания аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 8 датчика. После заполнения массивов происходит обработка данных с целью расчета промежутков между индексами элементов массивов, соответствующих измерению пиков колебаний сосудов. Микроконтроллер 15 электронного блока 1 рассчитывает разницу между индексами двух массивов измерений с датчиков и, используя введенные ранее данные о расстоянии между ними, производит вычисление скорости распространения пульсовой волны на данном интервале, после чего результат отображается на дисплее 18. Режим измерения останавливается при нажатии кнопки "Завершить измерение" на клавиатуре 19 электронного блока 1, при этом микроконтроллер 15 сохраняет все данные в элемент памяти 16, прекращает отправку синхронизирующего пакета датчикам, а датчики, в свою очередь, без приема синхропакета не осуществляют сброс внутреннего таймера и не производят аналого-цифровое преобразование, после 2 минут ожидания синхропакета датчики переходят автоматически в режим сна.

В режиме сбоя устройство работает следующим образом. Если пакет с данными об измерениях от датчика был принят электронным блоком 1 с ошибкой, то электронный блок 1 посылает запрос на повторную передачу данных, а датчик загружает данные из ранее сохраненной области данных из элемента памяти 9 и отправляет повторно пакет с данными. Если не было произведено корректное измерение скорости пульсовой волны электронным блоком 1, то данные загружаются из элемента памяти 16 электронного блока 1, и повторяется измерение.

Электронный блок 1 в режиме работы с персональным компьютером 2 подключается посредством USB разъема 22 непосредственно к ПК 2 или с помощью GSM-модема 20 через удаленное подключение к серверу. При нажатии кнопки "Отправка данных на ПК" электронный блок 1 отправляет данные, введенные с клавиатуры 19, о пациенте, дате и времени измерения, количестве датчиков, их месторасположении, расстоянии между ними и вычисленных результатах о скорости распространения пульсовой волны на заданных интервалах. Также электронный блок 1 отправляет все массивы с измерениями, для того чтобы на компьютере 2 можно было отобразить график формы колебаний стенок сосуда, зарегистрированных чувствительным элементом датчика - пьезоэлектрической пластиной 3.

Использование изобретения в профилактических медицинских учреждениях, в кабинетах функциональной диагностики поликлиник, автомобилях скорой помощи, отделениях реанимации и т.д. обеспечит повышение объективности и достоверности исследования. Кроме того, предлагаемое устройство мобильно, масштабируемо и интегрируемо с ПК.

1. Устройство для регистрации скорости распространения пульсовой волны, содержащее датчики артериального пульса, и параллельно соединенный с датчиками электронный блок, включающий микроконтроллер и дисплей, отличающееся тем, что в каждый датчик артериального пульса дополнительно введены последовательно соединенные пьезоэлектрическая пластина, первый усилитель, фильтр высоких частот, фильтр низких частот, второй усилитель, микроконтроллер, соединенный параллельно с элементом памяти, модуль беспроводной передачи информации, антенна, а также аккумуляторный источник питания, выход которого подключен соответственно к входам первого усилителя, фильтра низких частот, фильтра высоких частот, второго усилителя, микроконтроллера, элемента памяти, модуля беспроводной передачи информации, а электронный блок дополнительно снабжен антенной, модулем беспроводной передачи информации, элементом памяти, контроллером дисплея, клавиатурой, GSM-модемом, драйвером USB, разъемом USB, аккумуляторным источником питания, выход которого подключен соответственно к входам модуля беспроводной передачи информации, микроконтроллера, элемента памяти, контроллера дисплея и дисплея, GSM-модема, драйвера USB, причем антенна, модуль беспроводной передачи информации и микроконтроллер соединены последовательно, другой вход микроконтроллера соединен с выходом клавиатуры, а выход соединен с входом контроллера дисплея, выход которого соединен с входом дисплея, также выводы микроконтроллера соединены с выводами элемента памяти, GSM-модема, драйвера USB, вывод которого соединен с выводом разъема USB.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество датчиков может быть произвольным числом в пределах от 2 до 64.