VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

В России создать полный комплект экипировки «солдата будущего» планируют к 2020 году, а также приобретать каждый год около 50 тысяч единиц образцов [1]. Целью федеральной целевой программы «Перспективная экипировка российского воина Боец-XXI» является разработка и внедрение перспективного носимого вооружения, экипировки и специального оснащения для военнослужащих Вооруженных Сил, и других силовых структур, обеспечивающих максимальную эффективность выполнения ими боевых задач в широком диапазоне внешних условий с техническим уровнем, превосходящим зарубежные аналоги [2]. Существует Концепция развития БЭВ Сухопутных войск и ВДВ РФ, одна из приоритетных задач которой заключается в создании средств медицинского контроля функционального состояния военнослужащих на базе отечественного боевого комплекта индивидуальной экипировки «Ратник» до 2016 года.

Согласно данной Концепции, а также ФЦП «Перспективная экипировка российского воина» целью текущей НИРС является разработка, проектирование и создание макета индикатора жизнедеятельности военнослужащего (ИЖВ) как средства получения информации о его функциональном состоянии.

Внедрение ИЖВ в боевую экипировку солдата даст возможность немедленно оказывать медицинскую помощь бойцам, а также их эвакуацию. Разработка направлена на снижение потерь личного состава на поле боя от полученных ранений за счет оптимизации процесса поиска и эвакуации раненых (мертвых) и повышения качества оказания помощи на передовых рубежах медицинской эвакуации.

Ответная реакция организма солдата в ходе боевых действий аналогична реакции организма спортсмена на нагрузку во время спортивных соревнований. Ключевое отличие состоит в том, что при мониторинге функционального состояния военнослужащих учитывается летальный исход вследствие проведения боевых операций. Также, в отличие от тренера и спортивного врача командиру полка и военному врачу для оперативного принятия решений, нет необходимости отслеживать электрокардиограмму, артериальное давление, расход калорий и т. д. При развертывании боевых действий энергозатраты беспроводной передачи ЭКГ и других дополнительных физиологических параметров на мониторы командира и медицинской службы неоправданные. В ходе исследований методик нагрузочного тестирования под физиологическим контролем, проведенных НИИ нормальной физиологии им. Анохина, были выявлены наиболее «чувствительные» к физической нагрузке физиологические показатели. К таковым можно отнести частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхания (ЧД), которые повышаются пропорционально с ростом интенсивности нагрузки. [3].

Таким образом, ИЖВ предназначен для регистрации в реальном времени только двух параметров – ЧСС и ЧД. В результате анализа параметров ЭКГ и дыхания ИЖВ передает по радиосвязи информацию о функциональном состоянии солдата в виде простых кодов: 300 – ранен, 200 – мертв. Эта информация также отображается на мониторе командира полка и военного врача.

Наиболее известными аналогами спортивного мониторинга являются нагрудные пульсометры Zephyr и Polar. Существенным недостатком этих систем является косвенное определение параметров дыхания. ЧД оценивается по вариабельности сердечного ритма. В условиях нестабильного дыхания (при спортивных нагрузках) анализ вариабельности сердечного ритма в режиме on-line крайне затруднителен, реализация алгоритмов анализа во временной области осложнена. Поэтому используют спектральные методы. Анализируется спектр мощности последовательно зарегистрированной выборки интервалов сердечных сокращений. Объем выборки, необходимый для реализации процедуры спектрального анализа, ограничивается длительностью наблюдения. Среднее значение ЧД определяется по спектру мощности в низкочастотном диапазоне. Как правило, это соответствует максимуму HF в терминологии анализа вариабельности сердечного ритма. В случае отсутствия характерного максимума в спектральной характеристике сердечного ритма определение ЧД в автоматическом режиме невозможно [4].

В рамках данной НИРС предлагается новый подход оценки ЧД в носимых приборах – метод электроимпедансной реографии, который является прямым. Особенность метода заключается в возможность регистрировать паттерн дыхания и сигналы ЭКГ с одних и тех же электродов.

Большинство одночастотных измерений биоэлектрического импеданса (БЭИ) лежит в частотном диапазоне от 50 до 100 кГц, так как на этих частотах опасность поражения электрическим током незначительна. Диапазон зондирующего переменного тока лежит в пределах от 0.5 до 4 мА. Токи такой амплитуды необходимы для получения хорошего соотношения сигнал-шум при записи небольших пульсовых изменений, которые составляют 0.1 – 1 % от общего импеданса [5]. При измерениях БЭИ на частотах 50 – 100 кГц значение импеданса кожи обычно в 2 – 10 раз больше чем значение импеданса интересующих тканей в зависимости от площади электродов. Для того, чтобы получать значения БЭИ, дающие биологически важную количественную информацию, вклад кожного сопротивления необходимо устранять. Это достигается при использовании тетраполярной методики наложения электродов [5].

С целью показать возможность одновременной регистрации сигнала ЭКГ и реограммы проводился эксперимент с удобным расположением тетраполярной электродной системы. Расположение должно быть удобным, так как при проведении боевых операций важными условиями эксплуатации проектируемого прибора являются полная подвижность солдата, учитывая бег, прыжки, падения и т. д. При расположении электродов на уровне чуть ниже мечевидного отростка, симметрично по поверхности грудной клетки, зондирующий ток будет растекаться через среду, линии плотности тока будут проходить через сердце, создавая в каждой точке поверхности грудной клетки потенциал. Разность потенциалов соответствует изменению импеданса грудной клетки. Регистрируемая разность представляет собой последнюю и наложенную на нее разность потенциалов, генерируемую непосредственно сердцем в первом отведении треугольника Эйнтховена.

Для регистрации сигналов ЭКГ и торакальной реокардиограммы использовался двухканальный импедансный измерительный преобразователь с фазовым разделением каналов системы «РеоКардиоМонитор» (см. рисунок 1).

На рисунке 2 приведена схема биотехнической системы (БТС) ИЖВ. Произведен анализ и расчеты, подтверждающие соответствие разработанной БТС трем основным принципам: целеполагания, идентификации и адекватности [6].

На рисунке 3 представлена структурная схема ИЖВ.

Рисунок 1 – Регистрация производной реограммы по времени, реограммы, ЭКГ и изменения биоэлектрического импеданса системой «РеоКардиоМонитор».

Рисунок 2 – Схема БТС.

Рисунок 3 – Структурная схема ИЖВ.

Для обеспечения независимости от напряжения питания и стабилизации работы схемы реализовано питание элементов от DC-DC-преобразователя. На его вход подается питание от батареи 4 – 5 В, а на выходе выдается постоянное биполярное напряжение, требуемое для корректной работы всей схемы. Чтобы получить стабильное аналоговое напряжение для работы биоусилителя, на вход которого должно подаваться биполярное напряжение +5 В и ˗5 В, и стабильное цифровое напряжения +3.3 В для работы микроконтроллера к DC-DC-преобразователю дополнительно подключаются линейный регуляторы напряжения LDO. Источник опорного напряжения 2.5 В необходим для задания опорного напряжения АЦП и ЦАП, значение которого не может быть больше чем напряжение цифрового питания. В биомедицине для работы с сигналами, имеющими очень небольшие колебания напряжения вместе с напряжением смещения, используются инструментальные усилители (ИУ) на нескольких операционных. ИУ имеют высокий коэффициент ослабления синфазных помех, что означает способность к дифференциальному усилению сигнала на инвертирующих и неинвертирующих входах. По возможности желательно обеспечивать малый коэффициент усиления (1 или 2), при этом он должен выбираться в соответствии с разрядностью АЦП. Разрядность АЦП N зависит от отношения максимального значения регистрируемого сигнала к погрешности измерения этого сигнала. По двум информационным каналам возможно использовать один АЦП с разрадностью N, равной 18 бит, причем необходимо выбрать ИУ с коэффициентом усиления K_и, равным 2. С целью повышения точности разделения сигналов РЕО и ЭКГ был выбран дифференциальный АЦП. Для того, чтобы обеспечить обработку информации, поступающей от 18-разрядного АЦП необходимо выбрать 32-разрядный микроконтроллер. Согласно структурной схеме была разработана электрическая принципиальная схема с методикой выбора компонент, расчетом и моделированием в системе автоматизированного проектирования MicroCap корректности ее работы. В процессе работы ИЖВ на АЦП поступает единый суммарный сигнал. Разделение сигнала на импедансную составляющую (реограмма) и ЭКГ промоделировано в MicroCap. Результат моделирования подтверждает возможность реализовать разделение сигналов РЕО и ЭКГ друг от друга в АЦП. Для модулированного импедансного сигнала ЭКГ по сути является постоянной составляющей и прямо пропорциональна ему. В ходе работы был разработан специальный алгоритм обнаружения R-пиков ЭКГ и оценки ЧСС в режиме реального времени, реализован код функции программы по этому алгоритму в системе автоматизированного проектирования MatLab. В таблицах 1 и 2 приведены технические параметры, а также размеры и масса соответственно.

Таблица 1.

Частота и амплитуда зондирующего тока	100 кГц и 3 мА
Рабочий диапазон измерения РЕО сигнала	0 – 250 Ом
Рабочий диапазон измерения ЭКГ сигнала	0.5 – 5 мВ
Погрешность измерения реограммы	0.1 Ом
Погрешность измерения ЭКГ сигнала	5 мкВ
Диапазон измерения ЧСС	25 – 240 уд/мин
Диапазон измерения ЧД	4 – 70 вдох/мин

Таблица 2.

Масса блока обработки, не более	20 грамм
Масса изделия, не более	50 грамм
Габаритные размеры блока обработки	32×30×8 мм
Характерные размеры электродов	50×30 мм
Ширина пояса	м

На рисунке 4 приведен общий вид изделия.

Рисунок 4 – Общий вид ИЖВ.

Спроектирована, разведена и произведена печатная плата с посадочными местами для компонентов поверхностного монтажа в соответствии со схемой электрической принципиальной.

На данный момент работа находится в стадии отладки печатной платы (см. рисунок 4).

Рисунок 5 – Фотография отладочной печатной платы.

Согласно календарному плану данной НИРС будет создан полный макет изделия и его поверка.

Список использованных источников

1. А.В. Карпенко. Солдат XXI века и его оружие [Электронный ресурс]// Военно-технический сборник Бастион: электрон. журн. Оборонно-промышленного комплекса «Невский Бастион. История оружия и военной техники» .2014. 06 августа. URL: http:// http://nevskii-bastion.ru/nb8-2014/ (дата обращения: 11.02.2015).

2. Э.Г. Мальцев, Б.В. Тарасов. Современные медицинские технологии в экипировке бойца XXI века [Электронный ресурс]// Закрытое акционерное общество Научно-Производственный центр Модуль: статья. 2013. URL: http://mvt.msk.ru/makeup/2013_1/03.pdf (дата обращения: 11.02.2015).

3. Фудин Н.А., Классина С.Я., Пигарева С.Н. Системный подход в оценке функциональной подготовленности спортсменов – НИИ нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАМН, Москва// итоговый сборник Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Комплексное сопровождение подготовки высококвалифицированных спортсменов» (Министерство спорта Российской Федерации. Федеральный научный центр физической культуры и спорта). М.: Изд-во ФНЦ ВНИИФК, 2013.

4. Сергеев И.К., Курносов А.В., Лебедев В.Б. Мобильный комплекс дыхательной гимнастики на основе биотелеметрического контроля динамики сердечного ритма// научно-прикладной журнал «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника»/ под ред. д-ра техн. наук, профессора С.И. Щукина. М.: Изд-во Радиотехника, 2004.

5. Patterson R. Bioelectric Impedance Measurementst// The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition/ ed. Joseph D. Bronzino. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.

6. Лощилов В.И., Щукин С.И. Изучение биотехнической системы «Искусственное сердце»// методические указания к лабораторной работе по курсу «Теоритические основы биотехнических систем»/ под ред. В.И. Лощилова. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1986.

Код для цитирования: Скопировать