Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 51 УДК 681.3 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОНИТОРИНГА СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ТОНОМЕТРИИ Шилько С.В.1, Шевцов В.В.2 1Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Республика Беларусь 2Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Республика Беларусь Показана актуальность развития метода и средств тонометрии для неинвазивного определения биомеханических показателей сердечно-сосудистой системы. Представле- ны структурные схемы стационарного и мобильного вариантов программно- аппаратного комплекса для мониторинга гемодинамики применительно к спорту выс- ших достижений. Дается сравнение способов передачи данных тонометрии на персо- нальный компьютер. (E-mail: shilko_mpri@mail.ru) Ключевые слова: тонометрия, гемодинамика, сердечно-сосудистая система. Введение Все большее распространение в спорте высших достижений получают программно- аппаратные средства, позволяющие проводить биомеханические исследования непосредст- венно в ходе тренировок и соревнований с ми- нимальными ограничениями подвижности спортсменов. Так, анализ видеосъемки движе- ний с выявлением отклонений от оптимальной последовательности способствует совершен- ствованию техники выполнения двигательных упражнений. Не менее важен биомеханический анализ состояния сердечно-сосудистой системы, обес- печивающей пиковые и длительные затраты энергии организма. О сложности этой задачи свидетельствует блок-схема взаимосвязей лишь основных параметров гемодинамики (рисунок 1), формализованных в таблице 1. Рисунок 1 – Взаимосвязь показателей параметров гемодинамики Средства измерений 52 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Таблица 1 – Параметры модели гемодинамики Обозна- чение Описание и единицы измерения Интервальные и средние значения A Возраст (годы) A[20–40–70] H Рост (см) H[120–170–220] M Масса (кг) M[30–70–140] L Нагрузка (кДж) L[4–6–120] Fcc Частота сердечных сокращений (мин -1 ) Fcc [30–60–250] Pmax Систолическое давление (мм рт. ст.) Pmax[40–120–250] Pmin Диастолическое давление (мм рт. ст.) Pmin[30–80–130] kstr Adr Nadr Dof Относительный уровень стрессовой нагрузки (б/р) Содержание адреналина в плазме (мкг/л) Содержание норадреналина в плазме (мкг/л) Содержание дофамина в плазме (мкг/л) kstr[0,8–1–1,3] Adr[10–55–95] Nadr[95–300–450] Dof [10–55–95] pH Кислотное равновесие (б/р) pH[6,9–7,37–7,47] Hb Содержание гемоглобина (г/л) Hb[80–150–200] kdfm Коэффициент тонусной дилатации сосудов (б/р) kdfm[0,8–1–1,3] kdlt Коэффициент упругой дилатации сосудов (б/р) kdlt[1,0–1,16–1,3] Cv Скорость пульсовой волны (см/с) Cv[300–500-900] d Диаметр сосудов (мм) d[0,1–20] η Кинематическая вязкость крови (сСт) η [1,9–5–12] Vm Минутный объем крови (л/м) Vm[3–5–15] Vs Систолический объем (л) Vs[0,03–0,08–0,25] O2 Артеровенозный дифференциал кислорода (%) O2[9–14–100] Вполне понятно, что созданные и исполь- зуемые за рубежом передовые методики и тех- нические средства для оптимизации трениро- вок и посттравматической реабилитации явля- ются ноу-хау разработчиков, национальных клубов, тренерского состава, команд и отдель- ных спортсменов. Нужны отечественные авто- матизированные технические средства в виде датчиков, эргометров, тренажеров и др., по- скольку приобретение импортных аналогов яв- ляется весьма затратным. В этой связи необходимо применять си- стемный подход к интегральной оценке состоя- ния подобных биосистем [1]. При наличии целой гаммы обычных тоно- метров для измерения артериального давления и частоты сердечных сокращений необходимы аппаратные средства для углубленного анализа, диагностики и мониторинга гемодинамики дея- тельности спортсменов. Устройства, описывае- мые в данной статье, в сущности, представляют собой тонометры с расширенными функциями и могут стать важным компонентом адаптив- ных тренажеров и средств индивидуальной ре- абилитации для спортивных клубов и нацио- нальных команд в различных видах спорта. Программно-аппаратная реализация диа- гностики и мониторинга гемодинамики К настоящему времени в Институте меха- ники металлополимерных систем НАН Белару- си разработан метод неинвазивной диагностики и мониторинга сердечно-сосудистой системы [3, 4], основанный на прикладной гидродина- мической теории кровообращения (0-D модели течения крови в сосудах) с учетом кислородно- го баланса, реализованный в программном обеспечении БИОДИС V2.2 [5]. Метод показал возможность быстрого и неинвазивного полу- чения важных показателей состояния сердца и сосудов, включая оценку адаптационных воз- можностей при различных психоэмоциальных и физических нагрузках. Источником данных для гемодинамического анализа является про- цедура тонометрии. Ниже рассматривается преимущественно аппаратная часть диагности- ческого комплекса, адаптированная к про- Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 53 граммному обеспечению БИОДИС V2.2. Исхо- дя из специфики применения, средство тоно- метрии при достаточной точности и чувстви- тельности должно быть мобильным и устойчи- вым к термосиловым воздействиям. В базовый состав средства измерений входят один или несколько датчиков давления, блок обработки полученной информации и интерфейс (рисунок 2а). В зависимости от назначения и степени автономности реализуются различные конфи- гурации микропроцессорного измерительного комплекса (МИК) (рисунок 2). Датчик(и) Блок обработки Интерфейс пользователя а Блок обработки Интерфейс работы с пользователем Датчик(и) Корпус прибораВнешний(е) датчик(и) б Блок обработки Интерфейс работы с пользователем Датчик(и) Корпус прибораВнешний(е) датчик(и) ПК Персональный компьютер в Интерфейс работы с пользователем Персональный компьютер Сеть интернет Центральный сервер обработки баз данных Блок обработки Блок обратной связи Датчик(и) Корпус прибора г Рисунок 2 – Конфигурации микропроцессорного измерительного комплекса: а – базовая; б – автоном- ная с внутренней базой данных; в – автономная с возможностью подключения к персональному ком- пьютеру и внешней базе данных; г – для непосредственной работы с персональным компьютером Средства измерений 54 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Каждая из конфигураций имеет свои пре- имущества и недостатки. Как видно из таблицы 2, при хранении базы данных на персональном компьютере (ПК) возникают определенные ограничения. Следовательно, предпочтительны автономная система и система с доступом к центральному блоку управления, которая поз- воляет пользователю более оперативно полу- чить результат измерений. Размер базы данных неограничен, что дает возможность проводить мониторинг состояния сердечно-сосудистой системы с возможностью онлайн-консультаций кардиологов. Преимуществом стационарной установки (рисунок 3) является снижение погрешности измерения вследствие движения спортсмена и внешних помех. Для тонометрии используется манжета Рива–Роччи, возможен также автома- тизированный вариант с аппаратным управле- нием. Таблица 2 – Сравнительная характеристика конфигураций комплекса Показатель Автономный МИК с внутренней базой данных Автономный МИК с подключением к ПК и внешней базе данных МИК для непосредственной работы с ПК и централизо- ванным интернет-сервером Удобство использова- ния Весьма высокая мобиль- ность. В микропроцессор- ном ядре записан весь ал- горитм обработки дан- ных, поэтому прибор не требует подключения к ПК. Возможны измерения в любых условиях Мобильность ограни- чена. Ядро прибора не содержит программы обработки данных. Для полной функциональ- ности прибора требуется подключение к ПК Мобильность ограничена. Яд- ро прибора содержит часть программы обработки дан- ных. Программный модуль ядра может программно об- новляться через Интернет или съемный носитель Размещение базы данных измерений Встроенная база данных. Размер базы определяется конфигурацией прибора База данных размещена на ПК. Размер базы определяется конфигу- рацией ПК и может быть изменен пользователем База данных на центральном сервере, для уменьшения вре- мени обработки имеется бу- ферная копия на ПК. Размер базы практически неогра- ничен Возможность автономной работы Полная автономность Ограниченный режим разовых измерений без анализа Ограниченный режим разо- вых измерений с предвари- тельным анализом Входное устройство Канал связи Блок согласования с ПК Аппаратная часть Программный модуль согласования Программная часть Модуль “БИОДИС V 2.2” Программно-аппаратный комплекс мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы Рисунок 3 – Структурная схема стационарной установки Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 55 Мобильная установка подразумевает то- нометрию в процессе движения, но сигнал не может быть получен непосредственно в пол- ном объеме. Инвазивные способы измерения артериального давления (катетерный и каню- ляторный) неприемлемы. Серьезным ограни- чением является невозможность применения манжеты Рива–Роччи для измерения артери- ального давления спортсмена, поэтому необ- ходима либо непрерывная система приема и обработки информации, либо система с ма- лыми промежутками дискретизации. При из- мерении с помощью манжеты проведение не- прерывных измерений не представляется возможным – уже после небольшого числа окклюзий артерии данные будут иметь крайне большой разброс параметров, поэтому данный способ годится только для стацио- нарного измерения параметров. Для получе- ния данных в виде, доступном для обработки и их дальнейшего хранения с целью создания статистической базы, возникает необходи- мость разработки нового метода анализа ин- формации для получения точных значений систолического и диастолического артери- ального давления при движении (рисунок 4, таблица 3). Входные датчики Блок АЦП Кодер Модуль передатчика Блок снятия данных Блок согласования с ПК Низкоуровневые драйверы согласования интерфейса Блок программной обработки Интерфейс ПК Модуль приемника Декодер Модуль приемника Декодер Блок согласования интерфейса Модуль передатчика Кодер Канал связи О б р а тн а я с в я зь 1 2 1 4 4 3 2 3 П р я м а я с в я зь 5 6 О б р а тн а я с в я зь П р я м а я с в я зь 5 8 6 7 7 8 Программный модуль Рисунок 4 – Структурная схема мобильной установки Средства измерений 56 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Таблица 3 – Сравнительная характеристика стационарной и мобильной версий прибора Показатель Стационарная установка Мобильная установка Датчики Емкостной датчик давления Пьезоэлектрические датчики перемещения Устройство съема данных Манжета Рива–Роччи Контактная манжета Точность данных Высокая  Средняя  ниже средней Метод получения параметров Осциллометрия Качественная оценка параметров Скорость полу- чения параметров Высокая Средняя Линия связи Проводная  HID  радиоканал Способы реали- зации базиса си- стемы счета  Счетная система на базе стойки MIC-400 или аналогичной  отладочная плата типа DAP4200a  разработка собственного базиса  платформа CompactRIO  Разработка собственного базиса  платформа CompactRIO В этой связи в качестве источников вход- ной информации необходимо использовать пьезоэлектрические датчики смещения, в ко- торых пьезоэлемент генерирует электриче- ский сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектриче- ские датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульс- ных давлений, имеют широкий динамический и частотный диапазон, малую массу и габари- ты, высокую надежность и могут использо- ваться в жестких условиях эксплуатации. Полученный сигнал требуется передать на персональный компьютер по каналу связи. В стационарной установке используется про- водная линия связи, в мобильной – HID либо радиоканал. При использовании радиоканала или HID модуля в качестве канала связи ин- формация, снимаемая с датчиков, может ис- кажаться помехами, создаваемыми вышками телефонной связи, а также переносными ра- диостанциями. Для кодирования показателей сердечно-сосудистой системы необходим ап- паратный модуль шифрования. Очевидно, что в блок входного устройства и блока приемни- ка необходимо ввести модуль кодирования / декодирования. Тогда структура примет вид, приведенный на рисунке 5. Важным фактором является способ пе- редачи данных на персональный компьютер. Существует ряд способов передачи внешних данных на персональный компьютер [6, 7]: порты ввода-вывода (USB, COM, LPT); па- раллельные слоты расширения (PCI, PCI-E, IDE); посредством компьютерной сети. При- веденные выше способы передачи обладают рядом преимуществ и недостатков (таб- лица 4). Пьезоэлектрические датчики Измерительный узел NI Compact RIO Маршрутизатор Compact RIO и LabView Радиоканал Рисунок 5 – Структурная схема мобильной установки в реализации топологии CompactRIO Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 57 Таблица 4 – Сравнительная характеристика способов передачи данных на ПК USB/COM LPT PCI/PCI-E IDE Ethernet Способ передачи данных Последовательный Параллельный Параллельный Параллельный Параллельный Расстояние передачи данных Малое расстояние передачи Малое рас- стояние пере- дачи Крайне малое расстояние передачи Малое рас- стояние пере- дачи Очень большое расстояние пе- редачи Способ включения Очень быстрый способ, не требует разборки систем- ного блока и пере- загрузки ПК Быстрый спо- соб, не требу- ет разборки системного блока, но необходима перезагрузка ПК Медленный способ, тре- бует разборки системного блока, уста- новки платы и ПО с переза- грузкой ПК Медленный способ, тре- бует разборки системного блока, уста- новки платы и программного обеспечения с перезагрузкой ПК Очень быстрый способ, не тре- бует разборки системного бло- ка, установки дополнительного ПО и переза- грузки ПК Скорость передачи данных До 4,8 Гбит/с До 1,2 Мбит/с До 8 GT/s До 16,6 Мбайт/с До 100 Гбит/с Очевидно, что при передаче по Ethernet скорость и расстояние передачи данных макси- мальны без дополнительных драйверов. При- менение канала Ethernet делает возможным ис- пользование централизованного сервера обра- ботки и хранения данных. Применение готовой платформы позволит снизить затраты на разра- ботку аппаратного модуля. В условиях малого количества требуемой аппаратной продукции данный модуль является оптимальным спосо- бом решения поставленной задачи. В этой свя- зи для дальнейшего развития программно- аппаратного комплекса оптимальна платформа NI CompactRIO c программным обеспечением LabView компании National Instruments. Однако готовое аппаратное решение не позволяет пол- ностью решить проблему получения необходи- мой информации. Для корректной работы ап- паратного модуля в настоящее время модифи- цируется процедура обработки данных с опти- мизацией программного обеспечения «БИО- ДИС» для массового применения. Заключение Впервые рассмотрены аспекты приборной реализации расширенной тонометрии для оп- ределения комплекса гемодинамических пока- зателей сердечно-сосудистой системы. Пред- ставлены структурные схемы стационарного и мобильного вариантов программно-аппарат- ного комплекса для мониторинга гемодинами- ки применительно к спорту высших достиже- ний, дана сравнительная характеристика спосо- бов передачи данных на персональный компь- ютер. Список использованных источников 1. Фокин, В.А. Системный подход к интегральной оценке состояния биосистем / В.А. Фокин // Современные методы представления и обра- ботки биомедицинской информации / под ред. Ю.В. Кистенева, Я.С. Пеккера. – Томск : Изд-во ТПУ, 2004. – С. 51–123. 2. Бегун, П.И. Моделирование в биомеханике / П.И. Бегун, П.Н. Афонин. – М. : Высшая школа, 2004. 3. Shilko, S.V. Аnalysis of pulse wave parameters with account of blood vessel deformation / S.V. Shilko, Yu. Kuzminsky, S.P. Salivonchik // Russian Journal of Biomechanics. – 2001. – Vol. 5. – № 2. – P. 88–94. 4. Шилько, С.В. Возможности первичной диа- гностики сердечно-сосудистой системы на Средства измерений 58 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 основе биомеханического анализа гемоди- намики / С.В. Шилько [и др.] // Проблемы здоровья и экологии, ГоГМУ. – 2010. – № 3. – С. 148–155. 5. Свидетельство № 166 от 05.05.2010 о реги- страции компьютерной программы БИОДИС V2.2 / Ю.Г. Кузьминский, С.В. Шилько // За- явка С20100043 от 23.04.2010 // Реестр зарег. комп. программ / Нац. цэнтр iнтэлектуал. уласнасцi. – 2010. 6. Блейхут, Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов / Р. Блейхурт. – М. : Мир, 1989. 7. Гольденберг, Л.М. Цифровая обработка сиг- налов / Л.М. Гольденберг. – 2-е изд. – М.: Ра- дио и связь, 1990. Shilko S.V., Shevtsov V.V. Program and apparatus unit for monitoring of cardiovascular system based on tonometry The actuality of tonometry method and apparatus for non-invasive determination of biomechanical char- acteristics of cardiovascular system has been shown. The structural schemes of stationary and mobile variants of program and apparatus unit for hemodynamics monitoring of sportsmen has been presented. The compari- son of methods of transmitting data on computer is been given. (E-mail: shilko_mpri@mail.ru) Key Words: tonometry, hemodynamics, cardiovascular system. Поступила в редакцию 23.09.2011.