Способ мониторинга функционального состояния человека

Способ мониторинга функционального состояния человека

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам мониторинга функционального состояния человека с помощью мобильной телефонной связи, в частности с помощью мобильных телефонов, обладающих дополнительными функциональными возможностями.

Для оценки функционального состояния организма человека на практике используют уровень стресса. Под воздействием стресса организм человека испытывает стрессовое напряжение. В повседневной жизни в урбанизированном обществе человек постоянно сталкивается с непрерывным потоком стрессорных воздействий. В нашем гиперактивном, гиперкинетическом мире стресс приводит к многочисленным реакциям типа головной боли, напряженности мускулатуры, головокружению или бессоннице, увеличению веса, хроническому кашлю, перевозбуждению, расстройству живота и одышке. Стресс, по Г. Селье, - это напряженное состояние организма, любое состояние человека считается не лишенным стресса, т.е. это "неспецифический (физиологический) ответ организма на любое предъявленное ему требование" (Селье Г. Стресс без дистресса. - М.: Прогресс, 1979). Стресс может быть вызван основными событиями в нашей жизни: смерть близкого человека, развод, стихийные бедствия, болезнь или потеря работы. Стресс может определяться ежедневным беспокойным стилем жизни. Если с хроническим стрессом не совладать, то возникают серьезные проблемы: нервные и соматические болезни. Стресс влияет на физическое, эмоциональное и умственное состояние индивидуума.

Известны способы объективного контроля функционального состояния человека с использованием мобильного телефона с расширенными функциональными возможностями.

Так, способ мониторинга функционального состояния человека, реализованный в мобильном телефоне с GPS приемником и кардиоэлектродами (патент US №6546232, кл. А 61 В 5/04, 1998), заключается в том, что осуществляют прием и передачу коммуникационных сообщений, регистрируют электрокардиосигнал и включают его параметры в передаваемые коммуникационные сообщения мобильного телефона. Функциональное состояние человека оценивают по результатам обработки электрокардиосигнала. Мобильный телефон содержит передатчик, приемник, память для вызываемого номера, четыре электрода и две клавиши, расположенные на телефоне. Одна из клавиш активизирует номер телефона экстренной помощи, сохраненного в памяти. Четыре электрода позволяют вести прием сигналов электрокардиограммы (ЭКГ). Имеется также устройство преобразования сигналов, который оцифровывает сигналы ЭКГ и преобразовывает их к виду, подходящему для передачи, и подает их на передатчик. С помощью такого телефона пациент может проверить свой сердечный ритм и отправить данные врачу. Для этого телефон нужно прижать к груди на 40 секунд и четыре имеющихся в нем датчика измерят параметры сердцебиения человека. А потом телефон автоматически отправит записанную информацию в центр обслуживания, где дежурный врач в любое время суток может проанализировать ее и в случае необходимости вызвать человеку "скорую помощь". Если же опасности для жизни нет, то обладатель телефона может в любой момент получить результаты мобильного мониторинга сердца.

Основным недостатком способа, реализованного в вышеописанном мобильном телефоне, является невозможность мониторного (длительного) контроля за состоянием человека - довольно сложно держать длительное время телефон неподвижной рукой. Кроме того, во время контроля функционального состояния индивидууму приходится отрываться от основной деятельности.

Известен способ мониторинга функционального состояния человека, реализованный в мобильном телефоне (RU 2204887 С1, МПК Н 04 М 1/02, 2002), включающий прием и передачу коммуникационных сообщений, регистрацию показателей состояния человека: температуры тела, пульса и кровяного давления, и включение этих параметров в передаваемые коммуникационные сообщения мобильного телефона.

Мобильный телефон по данному патенту содержит приемопередающий блок, блок звуковой индикации вызова, блок памяти, микрофон, телефон, дисплей, клавиатуру, блок выбора режимов работы, интерфейсные блоки и источник питания, которые подключены к контроллеру, два датчика давления, два датчика температуры и датчик определения влажности, при этом первый датчик температуры, первый датчик давления и датчик определения влажности установлены непосредственно на поверхности корпуса мобильного радиотелефона, а второй датчик температуры и второй датчик давления установлены в углублении корпуса мобильного радиотелефона с возможностью соприкосновения с ними пальца абонента, причем все датчики через соответствующие блоки интерфейса соединены с контроллером.

Основным недостатком способа мониторинга на основе это мобильного телефона является невозможность длительного мониторного контроля за состоянием человека. Практически невозможно часами сидеть неподвижно для непрерывного измерения кровяного давления или температуры. Поскольку на время съема кровяного давления с целью уменьшения артефактов человек должен быть неподвижен, то нельзя активно работать с клавиатурой телефона и принимать вызовы для последующего диалога. В силу этих причин нарушается основная функция радиотелефона - коммуникационная.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании и принятым за прототип является способ мониторинга функционального состояния человека, реализованный в мобильном телефоне (см. сайт "http://news.bbc.co.uk/l/hi/technology/2562265.stm". Saturday, 14 December, 2002, 06:25 GMT, "Mobile phone tracks heartbeats". Приложение п.1), разработанный исследователями лаборатории Lucent Technologies' Bell. и заключающийся в том, что дистанционно облучают участок тела человека, принимают отраженные сигналы, модулированные перемещением тканей участка тела, обусловленных сердечной деятельностью, выделяют сигналы сердечного ритма, которые включают в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона. К этому телефону подключается дополнительное устройство, объединяющее сенсор и антенну и позволяющее улавливать дыхательную и сердечную активность. Для этого следует поместить телефон с дополнительным устройством напротив себя. Электромагнитные волны, излучаемые антенной мобильного телефона, носимого человеком, могут отражаться от легких и сердца человека и вновь ловиться антенной дополнительного устройства. Так как эти органы находятся в движении, частота отраженной волны будет немного изменяться вследствие допплеровского сдвига. Сердце расширяется - частота увеличивается, сужается - частота уменьшается. Изменение это порядка 1 герца на миллиард ("http://www.mcom.ru/news.phtml?id_news=2561″ от 12/02/2001, Приложение п.2). Из полученного сигнала выделяются ритмо- и пневмограммы. Такая технология характерна для локации непрерывным сигналом.

Недостатком способа-прототипа также, как и аналогов, является то, что он обладает ограниченными возможностями, поскольку невозможен длительный мониторинг функционального состояния человека. Высокая мощность излучения мобильного телефона (например, Motorola C333 развивает выходную мощность сигнала до 1.63 Вт) при длительном многочасовом мониторинге экологически небезопасна для человека.

Задачей изобретения является обеспечение длительного мониторинга функционального состояния человека с помощью мобильного телефона, не мешая работе его основной функции - коммуникационной.

Технический результат изобретения выражается в создании способа обеспечения длительного экологически безопасного мониторинга функционального состояния человека по сигналам сердечного ритма и индексу стресса.

Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата решается тем, что в способе мониторинга функционального состояния человека, заключающемся в том, что дистанционно облучают участок тела человека, принимают отраженные сигналы, модулированные перемещением тканей участка тела, обусловленных сердечной деятельностью, выделяют сигналы сердечного ритма, которые включают в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона, облучение участка тела человека проводят последовательностью сверхширокополосных электромагнитных импульсов, из принятого отраженного сигнала выделяют модуляционную составляющую частоты следования импульсов, обусловленную сердечной деятельностью, по которой формируют сигнал сердечного ритма, по сигналам сердечного ритма дополнительно оценивают индекс стресса человека и включают его значение в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона.

Поставленная задача решается также тем, что облучение проводят последовательностью сверхширокополосных электромагнитных импульсов длительностью 0.2-1.0 нс, частотой следования 0.05-30.0 МГц и средней плотностью потока энергии на облучаемом участке тела человека не более 0.2 мкВт/см².

Облучение проводят с помощью сверхширокополосного (СШП) радара, размещаемого вне или внутри корпуса мобильного телефона.

По сигналам сердечного ритма формируют динамический ряд кардиоинтервалов, по результатам спектрального анализа которого оценивают индекс стресса S человека из соотношения

где LF и HF - соответственно низкочастотная (от 0.04 до 0.15 Гц) и высокочастотная (от 0.15 до 0.4 Гц) составляющие спектра динамического ряда кардиоинтервалов;

LFs и HFs - соответственно значения нормы для низкочастотной и высокочастотной составляющих спектра динамического ряда кардиоинтервалов.

За значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов принимают значения спектральных мощностей в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях, измеренные на большой популяции людей в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) и усредненные по всей популяции.

В частности, за значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях спектра динамического ряда кардиоинтервалов принимают значения LFs=1170 [мс*мс], HFs=975 [мс*мс].

Новизна настоящего изобретения заключается в осуществлении мониторинга функционального состояния человека по индексу стресса, который оценивают по сигналам сердечного ритма, получаемым с помощью СШП радара, размещаемого вне или внутри мобильного телефона.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 представлена структурная электрическая схема устройства для осуществления предлагаемого способа мониторинга функционального состояния человека;

на фиг.2 представлена структурная электрическая схема варианта исполнения СШП радара.

Использование канала связи между мобильным телефоном и СШП радаром позволяет последний помещать в нагрудный карман, а мобильный телефон располагать в пределах комнаты, если мониторинг проходит в помещении или в сумке и т.д. Можно придумать много различных вариантов комфортного и скрытного проведения мониторинга. В частном случае СШП радар можно смонтировать в корпусе мобильного телефона. Практически выбор конструктивного исполнения мобильного телефона зависит от конкретного применения. Осуществление предлагаемого способа при этом не меняется. Отличие будет заключаться в том, что в одном случае для проведения мониторинга функционального состояния человека помещают СШП радар, находящийся вне мобильного телефона и соединенный с ним каналом связи, напротив участка тела, подверженного перемещениям в пространстве из-за сердечной деятельности, в другом напротив этого места помещают мобильный телефон.

С помощью СШП радара дистанционно облучают участок тела человека последовательностью сверхширокополосных электромагнитных импульсов, принимают отраженные сигналы, модулированные перемещением тканей участка тела, обусловленных сердечной деятельностью, выделяют модуляционную составляющую частоты следования импульсов, по которой формируют сигнал сердечного ритма, по сигналам сердечного ритма дополнительно оценивают индекс стресса человека и включают сигнал сердечного ритма и значение индекса стресса в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона.

Облучение участка тела проводят последовательностью сверхширокополосных электромагнитных импульсов длительностью 0.2-1.0 нс, частотой следования 0.05-30.0 МГц и средней плотностью потока энергии на облучаемом участке тела человека не более 0.2 мкВт/см².

По сигналам сердечного ритма формируют динамический ряд кардиоинтервалов и рассчитывают значения частоты сердечных сокращений (ЧСС).

Осуществляют спектральный анализ динамического ряда кардиоинтервалов на основе БПФ и измеряют спектральную мощность сигнала раздельно в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях спектра (Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов, основные методы. - М.: "Мир", 1982, с.52-56). Предварительные измерения для спектральных мощностей в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях проводят на большой популяции людей в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине), по описанному выше алгоритму. Полученные экспериментальные данные усредняют по всей популяции и принимают за значения нормы спектральной мощности в низкочастотной (LFs) и высокочастотной (HFs) областях. Затем проводят текущие измерения и рассчитывают индекс стресса S из соотношения (1).

Проявление стресса связано как с активацией нервной системы - стрессовая активность, так и с ее дезактивацией - стрессовая пассивность. В стандартных условиях стресс не выражен. Дальнейшее уменьшение или увеличение уровня активации нервной системы должно сопровождаться увеличением проявления стресса. Поэтому в стандартных условиях индекс стресса должен быть равен единице, а в других условиях, отличных от стандартных, индекс стресса должен увеличиваться или уменьшаться. Это обеспечивается сомножителями и , при этом сомножитель обеспечивает привязку к норме суммарной мощности, а сомножитель нормирует значение индекса стресса для получения его значения в стандартных условий, равного 1.

В стандартных условиях для среднестатистического человека индекс стресса равен 1 Для человека с высоким уровнем функционирования сердечно-сосудистой системы, находящегося в стандартных условиях, индекс стресса уменьшается до 0.1. При 8-часовой интеллектуальной нагрузки индекс стресса может увеличиваться с исходного уровня 1.0 до 5.0-10.0.

В частном случае в качестве усредненных данных можно использовать экспериментальные данные, приведенные в (Heart Rate Variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use.// European Heart Journal. - 1996. - V. 17. - p.354-381), где LFs=1170 [мс*мс], HFs=915 [мс*мс] - соответственно низкочастотная и высокочастотная составляющие спектра динамического ряда кардиоинтервалов, полученные в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) для большой популяции людей независимо от пола, возраста и других факторов и принимаемые за норму. При этом выражение (1) для индекса стресса принимает вид

Измеренное значение индекса стресса S совместно с сигналами сердечного ритма (в том числе значение частоты сердечных сокращений) включают в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона.

Способ мониторинга функционального состояния человека может быть осуществлен с помощью устройства (см. фиг.1), содержащего связанные двусторонней связью мобильный телефон 1, канал связи 4, блок 3 оценки индекса стресса и СШП радар 2.

Мобильный телефон 1 содержит приемопередающий блок 1.2, соединенный с антенной 1.3, микрофон 1.4, телефон 1.5, блок 1.6 звуковой индикации вызова, дисплей 1.7, блок 1.8 памяти, клавиатуру 1.9, блок 1.10 выбора режимов работы, блок 1.11 интерфейсный и источник питания 1.12, которые подключены к контроллеру 1.1, второй вход/выход блока 1.11 интерфейсного является локальным входом/выходом мобильного телефона.

СШП радар 2 (см. фиг.2) содержит генератор 2.1, выход которого соединен с входом передающей антенны 2.3 через первый формирователь 2.2 короткого импульса и первым входом временного дискриминатора 2.9 через последовательно соединенные через линию задержки 2.4 и второй формирователь 2.5 короткого импульса. Выход приемной антенны 2.10 соединен с входом микроконтроллера 2.6 через последовательно соединенные временной дискриминатор 2.9, интегральный усилитель 2.8, аналого-цифровой преобразователь 2.7. Первый и второй выходы микроконтроллера 2.6 соединены соответственно с входом генератора 2.1 и вторым входом линии задержки 2.4. Третья выходная шина микроконтроллера 2.6 является выходной шиной СШП радара 2.

Выбор реализации канала связи 4 не влияет на выполнение предлагаемого способа. Реализация канала связи 4 в виде проводной связи позволяет упростить приемопередающие усилители канала связи. Использование электромагнитного канала связи повышает удобство применения, комфортность при осуществлении предлагаемого способа.

СШП радар 2 предназначен для дистанционной регистрации параметров сердечной деятельности. Бесконтактный метод измерения параметров сердечной деятельности основан на измерении ускорения движения сердца человека. Измерение проводится радиолокационным методом. В основе метода лежит способность электромагнитных волн частично отражаться от раздела двух сред и проникать сквозь среду. Для передачи электромагнитной энергии выбран сверхширокополосный сигнал длительностью 0.2-1.0 нс. Такой сигнал позволяет:

увеличить разрешающую способность радара, раздельно измерять параметры движения грудной клетки и сердца;

уменьшить минимальное расстояние, на котором проводятся измерения;

уменьшить спектральную плотность мощности излучаемого сигнала и уровень электромагнитного излучения, действующего на пилота;

уменьшить габариты радара;

увеличить защиту радара от внешних помех и повысить достоверность измерений.

Генератор 2.1 с управляемой частотой следования импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 0.05-30 МГц. Эти импульсы поступают на первый формирователь 2.2 короткого импульса и в линию задержки 2.4. Импульсы с выхода первого формирователя 2.2 короткого импульса поступают в передающую антенну 2.3 и ударно возбуждают ее.

Излученные импульсы электромагнитного поля отражаются от подвижных поверхностей грудной клетки и сердца испытуемого. При этом возникает модуляция частоты следования импульсов с нелинейной зависимостью частоты следования импульсов от скорости движения частей тела.

Для устранения мешающих сигналов в приемном тракте формируются временные окна, открывающие приемник в момент прихода сигнала, отраженного от объекта на определенной дистанции. Эту задачу в составе СШП радара 2 выполняет стробируемый временной дискриминатор 2.9. Он состоит из быстродействующих электронных ключей. Время переключения составляет порядка 200-300 пс. Моменты стробирования определяются величиной задержки управляющего сигнала в программно-управляемой линии задержки 2.1.4. Все остальное время приемный тракт закрыт. Принятые в окнах сигналы детектируются и усиливаются в интегральном усилителе 2.8, на выходе которого выделяется сигнал, несущий информацию о движении грудной клетки и сердца человека.

Устройство стробирования состоит из программно-управляемой линии задержки 2.4 и второго формирователя 2.5 короткого импульса. Время задержки, устанавливаемое микроконтроллером 2.6, определяется расстоянием до индивидуума. Постоянная времени интегрирования усилителя 2.8 выбирается в зависимости от полосы частот полезного сигнала. Накопление импульсов позволяет уменьшить среднюю излучаемую мощность СШП радара 2 и повысить отношение сигнал/шум на входе усилителя 2.8.

Выделенный и усиленный низкочастотный сигнал, пропорциональный частоте дыхания и сокращения сердца, поступает в аналогово-цифровой преобразователь 2.7.

Микроконтроллер 2.6 управляет работой СШП радара 2, контролирует состояние основных блоков и узлов, осуществляет селекцию движущихся целей и обеспечивает вывод данных для последующей обработки на вход блока 3 оценки индекса стресса.

На вход блока 3 оценки индекса стресса поступает в цифровом виде сигнал, несущий информацию о движении грудной клетки и сердца.

Блок 3 осуществляет цифровую фильтрацию для выделения сигнала сердечного ритма, выделение экстремумов сигнала сердечного ритма (в обработке электрокардиограммы аналогичная операция - выделение R-зубца), измерение длительности кардиоинтервалов как интервал времени между экстремумами сигнала движения сердца (пульсовых интервалов) (в обработке электрокардиограммы аналогичная операция - измерение длительности RR-интервалов). На базе значений кардиоинтервалов формируют динамический ряд кардиоинтервалов, который подвергается сплайн-интерполяции. Благодаря сплайн-интерполяции получают значения кардиоинтервалов через равные промежутки времени.

Значения отсчетов кардиоинтервалов через равные промежутки времени необходимы для спектрального анализа динамического ряда кардиоинтервалов с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). На основе спектрального анализа динамического ряда кардиоинтервалов измеряют спектральную мощность сигнала раздельно в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях.

В блоке 3 оценки индекса стресса содержатся данные измерения для спектральных мощностей в низкочастотной (LF) и высокочастотной (HF) областях, проведенные на большой популяции людей в стандартных условиях записи (покой, лежа на спине) и усредненные по всей популяции. Затем рассчитывают индекс стресса S из соотношения (1).

В целом устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Мобильный телефон 1 используется по прямому назначению. Если индивидууму необходим мониторинг собственного функционального состояния, то он с помощи клавиатуры 1.9 и блока 1.10 выбора режимов работы через блок интерфейсный 1.11, канал связи 4 и блок 3 включает в рабочее состояние СШП радар 2. Сигнал с информацией о параметрах сердечной деятельности, поступающий от СШП радара, обрабатывается в блоке 3 для получения сигнала сердечного ритма и индекса стресса и преобразуется к виду, удобному для обработки контроллером 1.1, который с помощью дисплея 1.7 отображает информацию о функциональном состоянии человека и включает сигналы сердечного ритма и значения индекса стресса и ЧСС в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона.

При размещении СШП радара внутри мобильного телефона последний обычно размещают в нагрудном кармане напротив сердца. Хотя возможны и другие варианты размещения мобильного телефона относительно тела человека. Во всех этих вариантах должен осуществляться захват приемной и передающей антеннами участка тела с перемещениями от сердечной деятельности. Последовательность действий предлагаемого способа остается неизменной независимо от вида размещения мобильного телефона.

Следует отметить, что средняя плотность потока энергии, создаваемая излучением СШП радара 2 на облучаемом участке тела человека, составляет не более 0.2 мкВт/см², что значительно меньше санитарной нормы электромагнитных излучений. Средняя мощность излучения СШП радара 2 составляет не более 50 мкВт. Эта величина излучения меньше в 3.3*10⁴, чем излучение самого мобильного телефона (мобильный телефон фирмы Motorola С333 развивает выходную мощность сигнала до 1.63 Вт) при передаче коммуникационных сообщений.

Низкое значение средней плотности потока энергии, создаваемой излучением СШП радара 2, позволяет проводить длительный экологически безопасный мониторинг функционального состояния человека.

Предлагаемый способ мониторинга функционального состояния человека может быть использован при работе на тренажере, в условиях лаборатории и клиники, а также в домашних условиях. В области авиации с помощью предлагаемого способа можно осуществлять постоянный мониторинг пилота как при реальном полете, так и при работе на тренажере, и собирать статистику основных параметров его функционального состояния.

1. Способ мониторинга функционального состояния человека, заключающийся в том, что дистанционно облучают участок тела человека, принимают отраженные сигналы, модулированные перемещением тканей участка тела, обусловленных сердечной деятельностью, выделяют сигналы сердечного ритма, которые включают в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона, отличающийся тем, что облучение участка тела человека проводят последовательностью сверхширокополосных электромагнитных импульсов длительностью 0,2-1,0 нс, частотой следования 0,05-30,0 МГц и средней плотностью потока энергии на облучаемом участке тела человека не более 0,2 мкВт/см², из принятого отраженного сигнала выделяют модуляционную составляющую частоты следования импульсов, обусловленную сердечной деятельностью, по которой формируют сигнал сердечного ритма, по сигналам сердечного ритма дополнительно оценивают индекс стресса человека и включают его значение в передаваемое коммуникационное сообщение мобильного телефона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение проводят с помощью сверхширокополосного радара, размещаемого вне или внутри корпуса мобильного телефона.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по сигналам сердечного ритма формируют динамический ряд кардиоинтервалов, по результатам спектрального анализа которого оценивают индекс стресса S человека из соотношения

где LF и HF - соответственно низкочастотная (от 0,04 до 0,15 Гц) и высокочастотная (от 0,15 до 0,4 Гц) составляющие мощности спектра динамического ряда кардиоинтервалов,

и при стандартных условиях измерения (покой, лежа на спине) значение индекса стресса S для среднестатистического оператора считают равным 1.