УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ Российский патент 2003 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для мониторного слежения за температурой тела больного, за частотой сердечных сокращений (ЧСС), за частотой дыхания (ЧД). Также может быть использовано для выдачи тревожной сигнализации при регистрации (превышении) определенных физиологических данных пользователя.

Известно персональное приспособление для мониторинга физиологических функций, см. патент США 4509531, в котором аппарат для мониторинга физиологических функций пользователя имеет кожух с электропроводящей подлежащей поверхностью, обеспечивающей электрический контакт с поверхностью тела пользователя. В подлежащей поверхности кожуха предусмотрено отверстие. В кожухе смонтирован температурный датчик, генерирующий сигнал, являющийся индикацией температуры пользователя. Аппарат имеет электро- и термопроводящий колпачок, через который в кожух вставлен температурный датчик. Для закрепления колпачка в отверстии подлежащей поверхности кожуха предусмотрен держатель, посредством которого колпачок удерживается в электрическом и термическом контакте с поверхностью тела пользователя и электрически и термически изолирован от подлежащей поверхности кожуха. Для электрического соединения с температурным датчиком и колпачком предусмотрены специальные элементы. С подлежащей поверхностью кожуха и колпачком электрически соединено устройство, генерирующее сигнал, являющийся индикацией гальванического сопротивления кожи пользователя. В состав аппарата входит система тревоги, воспринимающая сигналы температурного датчика и устройства для индикации сопротивления кожи пользователя. Система генерирует сигналы тревоги при регистрации определенных физиологических данных пользователя.

Недостатком данного аппарата является сложность конструкции и малое количество выполняемых функций, так, он не измеряет ЧД и ЧСС.

Известен портативный физиологический монитор, см. Международную заявку 88/05282, РСТ (WO), публикация от 88.07.28, этот монитор содержит многофункциональные электроды, скомпонованные в плоскую треугольную конфигурацию. Эти электроды детектирует информацию о ЭКГ, звуке, температуре и проводимости, которая обрабатывается монитором и отображается на дисплее в реальном масштабе времени в виде аналоговой кривой ЭКГ, цифровых данных частоты сердечных сокращений, температуры и частоты дыхания, в также в виде голоса через громкоговоритель. Портативный монитор, прикладываемый к грудной клетке, дает возможность медицинскому персоналу с одного взгляда получать информацию о показателях жизненно важных функций пациента в реальном масштабе времени.

Недостатком данного монитора при всех его многофункциональных возможностях является неудобство пользования, т.к. он выполнен в виде коробки, прикладываемой к грудной клетке, что требует непрерывного наблюдения медицинского персонала, т. к. индикация расположена довольно неудобно, кроме того, его нельзя использовать при движении пациента, нет связи с центральным монитором.

Известна система мониторного слежения за температурой тела больного и его ЧСС, см. патент США 4686998, РЖ Биоинженерия. 68, М., 1988. Система включает в себя портативный передатчик с батарейным питанием, к которому подключены два электрода. 1-й электрод представляет собой термистор и укрепляется на коже у аксиллярной артерии. 2-й электрод укрепляется на 4-ом межреберье. Приемник включает в себя блок додуляции и микропроцессорное устройство для цифровой индикации температуры тела больного и ЧСС. Микропроцессор позволяет сравнивать полученные сигналы с пороговыми значениями и выдавать при необходимости сигналы тревоги - ПРОТОТИП.

Недостатками прототипа являются недостаточные функциональные возможности, так система не может быть использована при движении пользователя и не имеет связи с центральным монитором (постом).

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и удобства пользования за счет:
- снятия импедансной пневмограммы (ИПГ);
- снятия температуры;
- снятия электрокардиограммы (ЭКГ) и частоты сердечных сокращений (ЧСС);
- построение конструктива таким образом, что можно снимать все характеристики, как в покое, так и в движении, высвечивать их на лицевой панели и передавать по каналам радио- и/или оптической биотелеметрии, также передавать на центральный пульт мониторинга;
- введения дистанционного управления.

Указанная цель достигается следующим образом. Устройство для мониторинга физиологических функций, содержащее микропроцессор с ЖК-дисплеем для цифровой индикации температуры тела и ЧСС, первый и второй электроды и блок тревожной сигнализации, отличающееся тем, что в него введены генератор стабильного тока, блоки измерения ЭКГ и ИПГ, три шины управления, пять приемных электродов, расположенных на торсе пациента, и две информационные магистрали со следующими соединениями: генератор стабильного тока соединен своими выходами с первым и вторым задающими электродами, первый, второй и третий приемные электроды через первую информационную магистраль соединены с блоками измерения ЭКГ и ИПГ, четвертый и пятый приемные электроды соединены с блоком измерения температуры также через первую информационную магистраль, выходы всех указанных блоков соединены с информационными входами МП через вторую информационную магистраль; первая шина управления МП соединена с управляющим входом генератора стабильного тока, вторая шина - с блоком тревожной сигнализации, третья шина - с блоком биотелеметрии, выход МП шиной вкл/выкл связан также с генератором стабильного тока; конструктивно устройство выполнено в носимом варианте в виде прямоугольной коробки из диэлектрического материала, например из ударопрочного полистирола, размером 150х75х20 мм, которая крепится к пациенту: или на поясном ремне, или в кармане, или на теле при помощи "липучек", причем одна большая сторона коробочки не задействована функционально, а на другой расположен ЖК-дисплей и антенна радио- и/или биотелеметрии, например, в виде излучающего светодиода, с одного торца коробочки на концах гибких выводов длиной ≈1,5 м закреплены, например, с помощью разъема два задающих и пять приемных электродов, скомпонованных следующим образом: первый задающий, первый и четвертый приемные электроды на одном жестком диэлектрическом основании, второй задающий, второй и пятый приемные электроды на другом жестком диэлектрическом основании и отдельно третий, приемный электрод; блок ЭКГ содержит первый и второй приемные электроды, дифференциальный операционный усилитель, интегратор, масштабирующий усилитель и режекторный фильтр, соединенные следующим образом: первый и второй приемные электроды соединены с прямым и инверсным входами дифференциального операционного усилителя, выход которого через масштабирующий операционный усилитель и режекторный фильтр соединен через вторую информационную магистраль с информационными входами "f" микропроцессора, выход дифференциального операционного усилителя через интегратор дополнительно соединен со своим управляющим входом; блок ИПГ содержит первый, второй и третий приемные электроды, первый, второй и третий операционные усилители, первый, второй и третий синхронные выпрямители, соединенные следующим образом: приемные электроды соединены попарно с входами трех операционных усилителей, включенных в дифференциальном режиме, выходы которых через синхронные выпрямители и вторую информационную магистраль соединены с информационными входами "h" микропроцессора; блок измерения температуры содержит четвертый и пятый приемные электроды, первый и второй триггеры Шмидта, причем четвертый и пятый электроды соединены с входами первого и второго триггеров Шмидта соответственно, выходы триггеров Шмидта блока измерения температуры через вторую информационную магистраль соединены с информационными входами "g" микропроцессора; четвертый и пятый приемные электроды представляют собой малогабаритные термодатчики на основе пьезоэлементов среза в плоском керамическом или стеклянном корпусе размером 2,3х14 мм; первый и второй задающие электроды, первый, второй и третий приемные электроды выполнены в виде дисков диаметром 3-15 мм и толщиной 0,4-0,8 мм, выполненных из неокисляющего материала, например олова, и расположенных следующим образом: первый задающий, первый и четвертый приемные электроды на одном жестком диэлектрическом основании на левой части торса, второй задающий, второй и пятый приемные электроды также на жестком диэлектрическом основании на правой части торса, расстояние между первым (вторым) задающим и первым (вторым) приемным электродом на каждой части торса лежит в пределах 3-5 диаметров дисков, а третий электрод крепится у основания гортани или ниже, вплоть до диафрагмы; в качестве четвертого и пятого приемных электродов используются либо термистор или p-n переход диода или транзистора; первая информационная магистраль выполнена в виде общего гибкого электродного кабеля, число сигнальных жил которого соответствует количеству задающих и приемных электродов; также содержится канал дистанционного управления режимами.

На фиг. 1 показана структурная электрическая схема устройства для мониторинга физиологических функций, на фиг.4 - структурная электрическая схема снятия импедансной пневмограммы ИПГ, на фиг.3 - снятия температуры, на фиг.2 - снятия ЭКГ, на которых изображено: 1 - генератор стабильного тока (ГСТ), 2 - микропроцессор с ЖК-дисплеем (МП), 3 - блок биотелеметрии, 4 - блок тревожной сигнализации (световой и/или звуковой), 5 - блок снятия ЭКГ, 6 - блок измерения температуры, 7 - блок снятия ИПГ, 8 - источник питания, 9 - пациент, ЗЭЛ1 и ЗЭЛ2 - задающие электроды, ПЭЛ1...ПЭЛ5 - приемные электроды, первая, вторая и третья шины правления, M1 и М2 - первая и вторая информационные магистрали, f, g и h - информационные входы МП, 10 - дифференциальный измерительный операционный усилитель (ОУ), 11 - интегратор (интегрирующий ОУ), 12 - масштабирующий ОУ, 13, 14 и 15 - операционные усилители в дифференциальном включении, 16 - режекторный (заграждающий) фильтр на частоту 50 Гц (60 Гц), 17, 18 и 19 - синхронные выпрямители, 20 и 21 - триггеры Шмидта, А - антенны блока радио- и/или биотелеметрии, вкл/выкл - шина включения генератора 1, RS-232C - шина последовательного интерфейса.

Первый и второй выходы генератора стабильного тока 1 соединены с ЗЭЛ1 и ЗЭЛ2 соответственно, ПЭЛ1, ПЭЛ2 и ПЭЛ3 соединены с блоками ЭКГ 5 и ИПГ 7 через первую информационную магистраль M1, ПЭЛ4 и ПЭЛ5 соединены с блоком измерения температуры 6 также через эту же шину, выходы этих блоков через вторую информационную магистраль М2 соединены с информационными входами g, h, f соответственно микропроцессора 2, который первой шиной управления соединен с управляющим входом генератора 1, второй шиной управления - с блоком тревоги 4, третьей шиной управления - с блоком биотелеметрии 3 и шиной вкл/выкл - с разрешающим входом генератора 1, шина последовательного интерфейса является дополнительным выходом устройства для связи с центральной ЭВМ (при необходимости), а ЖК-дисплей - основным, входом же устройства являются задающие электроды ЗЭЛ1 и ЗЭЛ2.

Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах.

Триггер Шмидта 20 и 21 на ИМС серии 564 (КМОП) типа 564ТЛ1, см. каталог "Сектор электронных компонентов", Россия-99, М.: ДОДЭКА, 1999, с.78; блок тревожной сигнализации (блок тревоги 4) - это в простейшем случае динамический громкоговоритель, сопрягаемый с МП 2, а его звучание (тон, громкость, частота) программируется по желанию заказчика в том же МП 2; световая сигнализация этого блока - это в простейшем случае отдельный сектор ЖК-дисплея, который в случае тревоги начинает мигать от минимума до максимума свечения с частотой, например, 2 Гц; источник питания 8 - это стабилизированный источник, имеющий два входа: от ~220 В/50 Гц или от автономного аккумулятора, может быть выполнен по любой стандартной схеме, группа безопасности 2; ОУ10-ОУ15 - операционные усилители, например, на отечественных ИМС серии 140; МП 2, например, на ИМС РIС 16С74 фирмы MICRO-CHIP; режекторный фильтр 16 может быть выполнен россыпью на пассивных ЭРЭ с ОУ; синхронные выпрямители 17-19 могут быть выполнены, см. Р. Граф. Электронные схемы. М.: МИР, 1989, с.198; задающий генератор 1 - см. Р. Граф. Электронные схемы. М: МИР, 1989, с. 162; ЖК-дисплей - см. каталог 96/97, фирмы Setron, с.466, 38032, Branshweig, Cermany.

ПЛ4 и ПЛ5 - камертонный малогабаритный термокварцевый датчик, например, типа GT3500 фирмы ЕТА (Швейцария), см. В.В. Малов. Пьезорезонансные датчики. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 112-113, или известная ИМС типа TMП04 фирмы "Analog Devices" с цифровым ШИМ-выходом и датчиком в виде p-n перехода.

Устройство для мониторинга физиологических функций работает следующим образом. Рассмотрим на примере питания от внутреннего аккумулятора. Конструктив мониторинга (коробочка) крепится к пациенту 9, например к поясному ремню, задающие и приемные электроды закрепляются к торсу пациента 9 согласно фиг. 1 или на других точках по желанию (требованию) врача, прикреплять электроды к торсу можно например, на "липучках". Конструктив крепится плоским основанием к телу пациента, а ЖК-дисплей - соответственно наружу. После чего конструктив включается в работу электродным разъемом, для чего в него впаяна специальная перемычка (на схеме условно не показан), которая разрешает прохождение питания на электронную часть схемы. При появлении питания МП 2 проводит режим собственно обнуления, самоконтроль и т.д., т.е. все то, что заложено в данный конкретный тип МП. После чего по шине вкл/выкл приходит сигнал разрешения (подачи выходных сигналов вых1 и вых2) генератора 1 на задающие электроды ЗЭЛ1 и ЗЭЛ2. Частота и выходной ток генератора 1 определены заранее, но могут изменяться (задаваться) по определенному алгоритму из МП 2 по шине управления 1. После чего начинается режим измерения физиологических функции.

Режим измерения температуры (фиг.3). В этом режиме работают четвертый и пятый приемные электроды ПЭЛ4 и ПЭЛ5, которые изменяют частоту собственной генерации (первичная частота 256 кГц) в зависимости от изменения температуры тела пациента. Выходное напряжение частоты датчиков - частотные последовательности импульсов длительностью 1-3 мкс. В пределах плюс 30-50^oС датчики имеют почти линейную характеристику, а погрешность измерения не хуже 0,1^oС.

Датчик имеет внутри схему деления частоты, таким образом, выходные импульсы следуют частотой 1 кГц с девиацией, зависящей от температуры. Постоянная времени не выше 0,5 с. Измеренная температура пациента по двум точкам (ПЭЛ4 и ПЭЛ5) в виде двух частотных последовательностей по первой информационной магистрали M1 (шины "а" и "е" соответственно) поступает на блок 6, где через триггеры Шмидта 20 и 21 (для "подкручивания" фронтов) затем поступает по второй информационной магистрали М2 на информационные входы "g" МП 2, в котором частотные последовательности преобразуются в напряжения, усредняются (берется среднеарифметическое значение), и высвечивается на ЖК-дисплее в цифровом виде в привычном для всех формате в градусах цельсия.

Режим измерения ИНГ (фиг.4). В этом режиме работают задающие электроды ЗЭЛ1 и ЗЭЛ2 и связанные с ними приемные электроды ПЭЛ1 и ПЭЛ2 и отдельный приемный электрод ПЭЛ3. В этом режиме происходит непрерывное измерение проводимости между всеми тремя приемными электродами. Для чего сигналы всех трех приемных электродов через первую информационную магистраль M1 (шины "d", "в", "с") поступают на блок измерения ЭКГ5, где они поступают попарно на операционные усилители ОУ13, ОУ14 и ОУ15, включенных в дифференциальном режиме. Выход каждого ОУ соединен с соответствующим синхронным выпрямителем 17, 18 и 19 соответственно, опорные напряжения которых, поступающие с генератора 1 (вых1 и вых2), на схеме условно не показаны. В момент начала попытки вдоха происходят изменения проводимости, которое определяется одним из трех ОУ (или двумя или всеми), затем после синхронного выпрямления (если сигнал превышает определенную величину) в виде лог.1 появляется "сигнал левого легкого", или "сигнал правого легкого", или "суммирующий сигнал обоих легких", или все три, которые по второй информационной магистрали М2 поступают на информационные входы "h" МП 2, который обрабатывает их и высвечивает на ЖК-дисплее. Функция ИПГ имеет следующий ориентировочный вид (фиг.5), где:
1, 3, 5, 7, 9, 11 - точки экстремума по максимуму;
2, 4, 6, 8, 10, 12 - точки экстремума по минимуму
Из фиг. 5 видно, что амплитуда дыхания имеет большой размах (до 40 dВ), поэтому синхронные выпрямители 17, 18 и 19 одновременно выполняют функции ограничителей, после чего МП 2 считывают число экстремумов в минуту (по вдохам или по выдохам), которые являются искомой величиной, т.е. число экстремумов (по мах или min) равно частоте дыхания. Нормальная частота дыхания 10-12 в мин, падение ниже или равно 6 или увеличения до 100-120 (у новорожденных) вызывает срабатывание тревожной сигнализации.

МП 2 задает режимы работы генератора 1, далее задает режимы измерений (количество измерений в с, в мин) с блоков ЭКГ, ИПГ и температуры: непрерывный, дискретный шаг дискрета, выдает параметры измеренной информации на ЖК-дисплей, хранит параметры измеренной информации в энергонезависимой памяти (ЭНЗП) с привязкой к реальному времени. Шина последовательного интерфейса служит для задания режимов работы устройства через МП 2, кроме этого через эту шину можно считывать информацию, записанную в ЭНЗП на ЦЭВМ, далее, в стационаре через эту шину можно подключать устройство к системе централизованного мониторинга.

Режим измерения ЭКГ (фиг.2). В этом режиме работают приемные электроды ПЭЛ1 и ПЭЛ2. Входной сигнал Uвх величиной приблизительно 1 мВ имеет вид, приведенный на фиг.6, после усиления до 10 мВ на ОУ10 с одновременным приведением к оси абцисс имеет вид Uвых 1. После усиления на ОУ12 имеет вид Uвых 2, модулированный помехой промышленной частоты 50 Гц, которая убирается режекторным фильтром 16, после чего поступает на МП 2 по шине "f", где считывается, обрабатывается и высвечивается на ЖК-дисплее в цифровом виде. При уменьшении ЧСС до 40 ударов в минуту и при повышении до 120 ударов в минуту выдастся сигнал тревоги (величины могут быть и другие, 40 и 120 - взяты стандартные). На фиг.6 приведены кривые ЭКГ и их вид по результатам обработок.

Для получения ЧСС сигнал ЭКГ в МП 2 проходит общепринятую алгоритмическую обработку по схеме на фиг.7.

Предлагаемое устройство можно использовать как индивидуальное средство контроля основных физиологических функций пациента в покое и в движении (что особенно важно), передавать измеренную информацию по биотелеметрическому каналу на расстояние до 100 м. Введение тревожной сигнализации улучшает эксплуатационные качества. Дистанционное управление (ДУ) еще более повышает эксплуатационные качества устройства, так как позволяет включать/выключать, задавать и изменять режимы измерений, уровни тревожной сигнализации и пр.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для мониторного слежения за температурой тела больного, за частотой сердечных сокращений (ЧСС), за частотой дыхания (ЧД). Также может быть использовано для выдачи тревожной сигнализации при регистрации (превышении) определенных физиологических данных пользователя. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и удобства пользования. Устройство содержит генератор стабильного тока, микропроцессор (МП) с ЖК-дисплеем, блок биотелеметрии, блок тревожной сигнализации, блоки измерения ЭКГ, ИПГ и температуры, три шины управления, два задающих, пять приемных электродов, расположенных на торсе пациента, две магистральные шины, соединенные так, что генератор стабильного тока соединен своими выходами с первым и вторым задающими электродами, первый, второй и третий приемные электроды через первую магистральную шину соединены с блоками измерения ЭКГ и ИПГ, четвертый и пятый приемные электроды соединены с блоком измерения температуры также через первую магистральную шину, выходы всех указанных блоков соединены с информационными входами МП через вторую магистральную шину; первая шина управления МП соединена с управляющим входом генератора стабильного тока, вторая шина - с блоком тревожной сигнализации, третья шина - с блоком биотелеметрии, выход МП шиной вкл/выкл связан также с генератором стабильного тока. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для мониторинга физиологических функций, содержащее блок биотелеметрии, микропроцессор с ЖК-дисплеем, блок измерения температуры, первый и второй задающие электроды и блок тревожной сигнализации, отличающееся тем, что в него введены генератор стабильного тока, блоки измерения электрокардиограммы (ЭКГ) и импедансной пневмограммы (ИПГ), три шины управления, пять приемных электродов, расположенных на торсе пациента, и две информационные магистрали, при этом генератор стабильного тока соединен своими выходами с первым и вторым задающими электродами, первый, второй и третий приемные электроды через первую информационную магистраль соединены с блоками измерения ЭКГ и ИПГ, четвертый и пятый приемные электроды соединены с блоком измерения температуры также через первую информационную магистраль, выходы всех указанных блоков соединены с информационными входами микропроцессора через вторую информационную магистраль; первая шина управления микропроцессора соединена с управляющим входом генератора стабильного тока, вторая шина - с блоком тревожной сигнализации, третья шина - с блоком биотелеметрии, выход микропроцессора шиной вкл/выкл связан с генератором стабильного тока. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конструктивно устройство выполнено в носимом варианте в виде прямоугольной коробочки из диэлектрического материала, например из ударопрочного полистирола, размером 150х75х20 мм, которая крепится к пациенту или на поясном ремне, или в кармане, или на теле при помощи "липучек", причем одна большая сторона коробочки не задействована функционально, а на другой расположен ЖК-дисплей и антенна радио и/или оптической биотелеметрии, например, в виде излучающего светодиода, с одного торца коробочки на концах гибких выводов длиной ≈1,5 м закреплены, например, с помощью разъема, два задающих и пять приемных электродов, скомпонованных так, что первый задающий, первый и четвертый приемные электроды расположены на одном жестком диэлектрическом основании, второй задающий, второй и пятый приемные электроды - на другом жестком диэлектрическом основании, и отдельно - третий, приемный электрод. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок ЭКГ содержит: дифференциальный операционный усилитель, интегратор, масштабирующий операционный усилитель и режекторный фильтр, при этом прямой и инверсный входы дифференциального операционного усилителя соединены с первым и вторым приемными электродами, а выход - через масштабирующий операционный усилитель и режекторный фильтр соединен через вторую информационную магистраль с информационными входами f микропроцессора, а через интегратор дополнительно соединен со своим управляющим входом. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок ИПГ содержит первый, второй и третий операционные усилители, первый, второй и третий синхронные выпрямители, при этом первый, второй и третий приемные электроды соединены попарно с входами трех операционных усилителей, включенных в дифференциальном режиме, выходы которых через синхронные выпрямители и вторую информационную магистраль соединены с информационными входами h микропроцессора. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок измерения температуры содержит первый и второй триггеры Шмидта, причем четвертый и пятый электроды соединены с входами первого и второго триггеров Шмидта соответственно, выходы триггеров Шмидта блока измерения температуры через вторую информационную магистраль соединен с информационными входами g микропроцессора. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что четвертый и пятый приемные электроды представляют собой малогабаритные термодатчики на основе пьезоэлементов среза в плоском керамическом или стеклянном корпусе размером 2,3•14 мм. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый и второй задающие электроды, первый, второй и третий приемные электроды выполнены в виде дисков диаметром 3-15 мм и толщиной 0,4-0,8 мм, выполненных из неокисляющего материала, например олова, при этом первый задающий, первый и четвертый приемные электроды выполнены с возможностью крепления жесткого диэлектрического основания, на котором они расположены на левой части торса пациента, второй задающий, второй и пятый приемные электроды также на жестком диэлектрическом основании выполнены с возможностью крепления на правой части торса, расстояние между первым (вторым) задающим и первым (вторым) приемным электродом на каждой части торса лежит в пределах 3-5 диаметров дисков, а третий приемный электрод выполнен с возможностью крепления у основания гортани или ниже, вплоть до диафрагмы. 8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что в качестве приемных четвертого и пятого приемных электродов используются либо термистор или р-п переход диода или транзистора. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая информационная магистраль выполнена в виде общего гибкого электродного кабеля, число сигнальных жил которого соответствует количеству задающих и приемных электродов. 10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен канал дистанционного управления.