Биоуправляемый аппарат для токовой терапии на базе аппаратно-программных средств National Instruments

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Биоуправляемый аппарат для токовой терапии на базе аппаратно-программных средств National Instruments

Егоров Б.А., Яковенко М.В., Бодров М.А.

The article is devoted to the development of virtual device for the current therapy with biological connection. It is supplemented by structure schemes and description of device functionality. The device is developed on the base of "National Instruments" firmware.

Проведенные на кафедре ПМиС ОрелГТУ по оригинальной методике исследования влияния физиотерапевтических токовых воздействий на организм человека с использованием современной УЗИ-аппаратуры позволили однозначно утверждать о наличии закономерной взаимосвязи между параметрами воздействия и скрытыми параметрами организма [1]. Математическая и статистическая обработка результатов позволила впервые получить аналитические зависимости изменения одного из важнейших параметров - ударного объема (УО) сердца в статике и динамике от величины воздействующего тока [2]. Практическая реализация полученных теоретических результатов может привести к разработке нового направления в физиотерапии - биоуправляемой физиотерапии - и, соответственно, к созданию биоуправляемых физиотерапевтических аппаратов [3]. Для разработки подобного рода устройств перспективно использовать среду объектно-графического моделирования LabVIEW.

Структурно разрабатываемый биоуправляемый аппарат состоит из первичного измерительного преобразователя, формирующего сигнал о состоянии пациента по выбранному параметру (например, стандартный датчик давления с электрическим выходом); блока обработки сигнала, в программе которого заложена формула для вычисления текущего значения УО; управляемого генератора тока, граничные значения и форма которого соответствуют утвержденным Минздравом медицинским параметрам; выходного усилителя и токовых электродов.

Работа аппарата заключается в воздействии заданными, исходя из медицинских рекомендаций, параметрами тока (амплитудой, частотой, видом модуляции и т.д.) и коррекции этого воздействия в соответствии с обработкой текущей информации об измеренном значении ОУ. При этом коррекция может осуществляться в автоматическом или ручном режиме. Таким образом, центром алгоритма работы аппарата является сравнение текущих значений с «нормальными», заложенными в программе аппарата.

Основной формулой, используемой в приборе для расчета текущего ударного объёма через измеренные значения систолического и диастолического давления является:

, (1)

где a - пульсовое давление, мм. рт. ст;

b - приращение систолического давления, мм. рт. ст;

с - диастолическое давление, мм. рт. ст;

i - коэффициент тока.

Разработанный в среде LabVIEW виртуальный прибор (термин National Instruments) состоит из трёх основных частей:

1 Блока приёма сигнала обратной связи, то есть биологического параметра;

2 Блока управления выходным сигналом;

3 Блока генерации выходного воздействия, соединённых как показано на рисунке 1.

физиотерапевтический токовый сердце динамика

Рисунок 1 - Обобщённая структурная схема аппарата для токовой терапии биоуправляемого

На лицевой панели прибора входной блок обозначен цифрой «1» (Приложение А). На схеме этой панели соответствует программный модуль с «обвеской», представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок приёма сигнала обратной связи

Этот блок даёт возможность выбора способа задания сигнала обратной связи. В первом случае это может быть эмуляция биологического сигнала - ручная установка значения отсчета артериального давления, либо автоматическое считывание значений отсчета из массива, в котором хранятся результаты предыдущих экспериментов. Во втором случае используется физический сигнал обратной связи, получаемый с датчика давления через АЦП. В перспективе предусматривается возможность выбора в качестве сигнала биологической обратной связи не только артериального давления, но и множества других параметров человеческого организма, в частности температуры [4]. Среда LabVIEW позволяет с достаточной скоростью внести изменения в программу с целью добавления в схему новых возможностей.

Блоку 2 структурной схемы соответствует часть лицевой панели, обозначенная цифрой «2» (Приложение А). Эта панель контроля позволяет управлять режимами работы аппарата, состоянием системы биоуправления, задавать виды токов, необходимые значения частоты и другое в соответствии с используемой методикой физиолечения (такие методики утверждены Минздравом), а так же отображает текущую информацию о работе аппарата и состоянии пациента. Соответственно лицевой панели в программе имеется модуль, отвечающий за управление выходным сигналом представленный на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок управления выходным сигналом

Представленный блок является «мозгом» программы. В нем производится математический расчет значения контролируемого параметра и принятие управленческого решения на основе логических функций для коррекции выходного воздействия. Основная формула, по которой производится расчет ударного объёма через давление, запрограммирована в формульном блоке «Ударный объём». Синтезированный управляющий сигнал поступает в блок генерации воздействия, который, в свою очередь, корректирует вырабатываемый сигнал, воздействующий на пациента.

Блок управления предоставляет возможность выбора режима функционирования с лицевой панели прибора (кнопки «БИО» и «УО» позволяют переключать режимы работы). В разработанном виртуальном приборе существует возможность выключенного состояния блока управления, при котором артериальное давление не измеряется и выходное воздействие фиксировано, либо управляется вручную с панели «2»; кроме того, предусмотрен режим работы, при котором производится измерение артериального давления, расчет ударного объёма и их отображение на индикаторах, однако не производится управление выходным сигналом; предусмотрен также автоматический режим работы прибора, при котором происходит измерение и отображение биологического сигнала и одновременное управление генератором. В дальнейшей работе возможности блока будут расширены в сторону поочерёдного, либо параллельного измерения, отображения и использования в управлении нескольких биологических параметров, а также в сторону управления несколькими параметрами воздействия, например, подбором эффективной частоты и глубины модуляции.

Особенностью схемы является модульный принцип построения. Блок управления соединён с блоком приёма сигнала обратной связи фиксированным числом линий связи - двумя, по которым передаётся измерительная информация. В случае, если добавятся новые биологические параметры к блоку приёма сигнала обратной связи и новые возможности блока управления выходным сигналом, число линий связи между ними останется таким же, однако передавать эти линии будут разнородную информацию.

Блок генерации выходного воздействия не имеет на лицевой панели никаких элементов. Однако выходное воздействие, которое передаётся на пациента, отображается на панели «3» графического индикатора прибора. Таким образом, даже не имея прямого подключения пациента к прибору через плату вывода, можно отслеживать изменения выходного сигнала при эмуляции изменения входного параметра обратной связи. На этой же панели имеется индикатор тревоги, информирующий о том, что текущее состояние УО приближается к установленному пределу.

Генератор разработан таким образом, что позволяет управлять своей амплитудой, несущей частотой и модулирующей частотой как вручную, так и автоматически с помощью блока управления. Часть схемы генератора представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Генераторный блок

Разработанное устройство решает одновременно несколько задач. Во-первых, представляется собой динамически изменяющийся исследовательский комплекс, включаемый в систему для проведения научных исследований в области кардиологии, физиотерапии, реабилитации, спортивной медицины и других. Аппарат возможно использовать для исследования влияния физических тренировок силы и выносливости, а также электрического тока физиотерапевтического диапазона на состояние сердечно-сосудистой системы и температуры локального участка в зоне воздействия. Существует возможность использования этого комплекса в спортивных исследованиях для корректировки тренировочных программ и объективной оценки тренированности спортсмена и его возможности переносить нагрузки.

Во-вторых, комплекс предназначен для проведения лабораторных работ, связанных с преподаванием курсов аналитической и терапевтической техники в качестве широкофункционального лабораторного стенда. Таким образом, студенту становится доступно широкое разнообразие электрофизиотерапевтической техники, а также аппаратов для измерения артериального давления, ударного объёма, частоты сердечных сокращений, локальной температуры. Особенностью использования стенда для образования является то, что студенту достаточно первичных навыков работы с компьютером и минимума знаний по обращению с терапевтической и аналитической техникой.

Являясь передовой разработкой, использующей самые современные достижения в области компьютерного моделирования физических процессов, комплекс оставляет возможность использования комплекса для проведения работ по учебным курсам, связанным с компьютерными технологиями в медико-биологической практике.

В перспективе представленный прибор позволит при наличии одного мобильного персонального компьютера с процессором 1000 МГц, 512 МБт ОЗУ и одним портом USB заменить несколько электрофизиотерапевтических аппаратов, так как виды и роды токов могут храниться в программе и генерироваться программно, поэтому не требуется никаких дополнительных аппаратных генераторов. Если учесть, что только в Орловской области токовых физиоаппаратов эксплуатируется более 1000, экономический эффект от внедрения данной разработки очевиден.

Литература

1. Егоров Б.А., Бодров М.А., Санников Д.П., Евзельман М.А. Аппроксимация откликов сердечно-сосудистой системы (ССС) человека на электровоздействия физиотерапевтического диапазона / Проблемы восстановительной медицины.: Сб. науч. трудов - Межрегиональная научно-практическая конференция, Воронеж, 2005.

2. Егоров Б.А., Яковенко М.В., Евзельман М.А. Предпосылки разработки биоуправляемой электромедицинской физиотерапевтической аппаратуры./ Проблемы восстановительной медицины.: Сб. науч. трудов - Межрегиональная научно-практическая конференция, Воронеж, 2005.

3. Егоров Б.А., Бодров М.А. Теоретические аспекты биоуправления физиотерапевтической аппаратурой./ Медико-экологические информационные технологии - 2005 [текст]: Сб. материалов VIII Международной научно-технической конференции / КГТУ, Курск, 2005.

4. Егоров Б.А., Бодров М.А., Яковенко М.В., Петрова О.С., Жданов В.А. Возможности использования изменения температуры тела пациента при токовой терапии в качестве источника обратной связи для биоуправления физиоаппаратами./ Известия ОрелГТУ - 2006 №3.: ОрелГТУ, Орел, 2006.

Приложение А

Размещено на Allbest.ru