ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-951-961ntv-79Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEСистема визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания и передачи данных по беспроводной оптической связиVisual display system of changes in physiological states for patients with chronic disorders and data transmission via optical wireless communicationhttps://orcid.org/0000-0001-9539-8418ВостриковаС. А.VostrikovaS. A.

Вострикова Светлана Андреевна — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Svetlana A. Vostrikova — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

svetlanadegtiareva@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4455-1117ПогореловаК. О.PogorelovaK. O.

Погорелова Кира Олеговна — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Kira O. Pogorelova — Engineer

Saint Petersburg, 197101

pogorelovakira@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8612-0297ШиряевД. С.ShiryaevD. S.

Ширяев Даниил Сергеевич — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Daniil S. Shiryaev — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

dshiryaev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2774-0423ТкачеваЕ. В.TkachevaE. V.

Ткачева Екатерина Владимировна — ментор

Санкт-Петербург, 197101

Ekaterina V. Tkacheva — Mentor

Saint Petersburg, 197101

tkacheva@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1271-0195БеляковН. А.BelyakovN. A.

Беляков Никита Александрович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Nikita A. Belyakov — Junior Researcher

Saint Petersburg, 197101

belykovna@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4858-4968КовачЯ. Н.KovachYa. N.

Ковач Яков Николаевич — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Yakov N. Kovach — Engineer

Saint Petersburg, 197101

j-n-kovach@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7806-8652АндреевЮ. С.AndreevYu. S.

Андреев Юрий Сергеевич — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Yurii S. Andreev — Engineer

Saint Petersburg, 197101

yura.andreev.98@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8357-3987СмирноваИ. Г.SmirnovaI. G.

Смирнова Ирина Геннадьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент

Санкт-Петербург, 197101

sc 57195684395

Irina G. Smirnova — PhD, Associate Professor, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

sc 57195684395

igsmirnova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4715-7585КондратьеваЕ. А.KondratievaE. A.

Кондратьева Екатерина Анатольевна — доктор медицинских наук, руководитель группы изучения минимального сознания; старший преподаватель; старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 191014

Санкт-Петербург, 194044

Москва, 107031

sc 57191545581

Ekaterina A. Kondratieva — D. Sc (Medicine), Head of MCS Study Group; Senior Lecturer; Senior Researcher

Saint Petersburg, 191014

Saint Petersburg, 194044

Moscow, 107031

sc 57191545581

eak2003@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationРоссийский научно-исследовательский нейрохирургический институт имени профессора А.Л. Поленова, филиал ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова»; Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова; Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологииРоссияPolenov Neurosurgical Institute (Branch of Almazov National Medical Research Centre); The S.M. Kirov Military Medical Academy; Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and RehabilitologyRussian Federation202212122024225951961Copyright © Вострикова С.А., Погорелова К.О., Ширяев Д.С., Ткачева Е.В., Беляков Н.А., Ковач Я.Н., Андреев Ю.С., Смирнова И.Г., Кондратьева Е.А., 20242024Вострикова С.А., Погорелова К.О., Ширяев Д.С., Ткачева Е.В., Беляков Н.А., Ковач Я.Н., Андреев Ю.С., Смирнова И.Г., Кондратьева Е.А.Vostrikova S.A., Pogorelova K.O., Shiryaev D.S., Tkacheva E.V., Belyakov N.A., Kovach Y.N., Andreev Y.S., Smirnova I.G., Kondratieva E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/79Предмет исследования

Предмет исследования. Представлена система визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов и передачи данных по беспроводной оптической связи. Существующие методы на основе прикроватных мониторов не предоставляют возможность визуального отображения информации вблизи объекта в условиях высокой загруженности персонала и позволяют осуществлять передачу данных по электрическому кабелю или дистанционно в радиочастотном диапазоне. Подобные недостатки снижают оперативность реагирования персонала и приводят к большому количеству ошибок в передаваемых данных. Более эффективна удаленная оперативная система мониторинга, обеспечивающая сбор данных с датчиков, отображение с минимальным временем задержки и передачу данных по помехозащищенному каналу связи в оптическом диапазоне. Простой и наглядный способ отображения информации позволяет оперативно, безошибочно и точно распознать критические ситуации.

Метод

Метод. Предлагаемая система имеет два канала. По первому каналу осуществляется визуальное отображение изменения физиологического состояния на носимом устройстве в виде браслета. Второй канал передает данные об отклонении в состоянии пациента по беспроводной оптической связи в инфракрасном диапазоне спектра для последующего подробного отображения на компьютере. Визуальное отображение изменения физиологического состояния состоит в программируемом изменении цветности индикаторных светодиодов и изменении режимов их свечения.

Полученные результаты

Полученные результаты. Представлена структурная схема и конструкция системы визуального отображения и передачи данных. В рамках оценки работоспособности системы выполнена оценка нагрева устройства визуального отображения в среде COMSOL Multiphysics. Показано, что средняя температура нагрева индикаторной части, соприкасающейся с кожей человека, не превышает 24 °C и безопасна для пациента. Предложена оптическая схема блока приема и передающего модуля. Оптическая модель модуля разработана в программе Zemax. Предложена оптическая схема блока приема и передающего модуля. Показано, что требуемая средняя оптическая мощность рабочей области спектра составляет 235 мкВт при наличии четырех инфракрасных светодиодов и фотодиодов, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга. Рассмотрено описание рабочего макета устройства визуального отображения и передачи данных, включающего цифровой датчик пульса и уровня кислорода в крови, блок управления цветностью и обработки данных, устройство визуального отображения, блок передачи данных. Режимы работы светодиодов и их соответствие отклонению контролируемых параметров проверено специальной программой микроконтроллера.

Практическая значимость

Практическая значимость. Внедрение разрабатываемой системы актуально при мониторинге состояния объекта наблюдения в случаях, когда применение радиочастотного диапазона ограничено, и важную роль играет устойчивость канала передачи данных к электромагнитным помехам.

A visual display system of changes in the physiological state of patients and their data transmission via optical wireless communication is presented. Existing methods such as bedside monitors do not provide the possibility of visual display of information near the object in conditions of high workload of personnel and allow transmitting data via an electric cable or remotely in the radio frequency range. Such disadvantages reduce the responsiveness of personnel and lead to numerous errors in the transmitted data. A remote operational monitoring system is more effective, providing data collection from sensors, display with minimal delay time and data transmission over an interference-free communication channel in the optical range. A simple and visual way of displaying information allows to quickly and accurately recognize critical situations. The proposed system has two channels. The first channel provides a visual representation of changes in the physiological state on the visual display device in the form of a bracelet. The second channel allows transmitting data about the deviation in the patient’s condition via optical wireless communication in the infrared range of the spectrum for detailed display on a computer. The visual representation of changes in the physiological state is based on programmable change in the color of the LED indicators and on change in their operation modes. The block diagram and design of the visual display and data transmission system are presented. As part of the evaluation of the system operability, the heating of the visual display device in the COMSOL Multiphysics was evaluated. It is shown, that the average heating temperature of the indicator part in contact with human skin does not exceed 24 °C and is safe for the patient. The optical scheme of the receiving unit and the transmitting module is presented. The optical model of the module is presented in the Zemax program. It is shown, that the required average optical power of the working spectral region is 235 μW for the four infrared LEDs and four photodiodes located at a distance of 1 meter. A description of the working layout of a visual display and data transmission device is presented, including a digital pulse sensor and blood oxygen level, a color control and data processing unit, a visual display device, and a data transmission unit. The LEDs operation modes and its compliance with the deviation of the controlled parameters were checked by a special microcontroller program of practical significance. The implementation of the developed system is relevant when monitoring the condition of the object of observation in cases where the use of the radio frequency range is limited and the stability of the data transmission channel to electromagnetic interference plays an important role.

система визуального отображениябеспроводная оптическая связьvisual display systemoptical wireless communicationЭкспериментальное исследование выполнено в рамках гранта РФФИ 19-29-01066/2022. Авторы выражают благодарность Российскому научно-исследовательскому нейрохирургическому институту им. А.Л. Поленова (филиалу НМИЦ им В.А. Алмазова) за помощь и участие в формировании технического облика объекта визуального отображения.The experiment study was carried out under the RFBR grant 19-29-01066/2022. The authors express their gratitude to Polenov Neurosurgical Institute for participation in the formation of the technical appearance for the visual display device.ReferencesБакулин И.С., Кремнева Е.И., Кузнецов А.В. и др. Хронические нарушения сознания / под ред. академика РАН М.А. Пирадова. М.: Горячая линия-Телеком, 2020. С. 1–12.Bakulin I.S., Kremneva E.I., Kuznetsov A.V. et al. Chronic Disorders of Consciousness. Ed. by M.A. Piradov. Moscow, Gorjachaja linijaTelekom Publ., 2020, pp. 1–12. (in Russian)Balogh D., Kittinger E., Benzer A., Hackl J. Noise in the ICU // Intensive Care Medicine. 1993. V. 19. N 6. P. 343–346. https://doi.org/10.1007/BF01694709Balogh D., Kittinger E., Benzer A., Hackl J. Noise in the ICU. Intensive Care Medicine, 1993, vol. 19, no. 6, pp. 343–346. https://doi.org/10.1007/BF01694709Busch-Vishniac I., West J., Barnhill C., Hunter T., Orellana D., Chivukula R. Noise levels in Johns Hopkins Hospital // Journal of the Acoustical Society of America. 2005. V. 118. N 6. P. 3629–45. https://doi.org/10.1121/1.2118327Busch-Vishniac I., West J., Barnhill C., Hunter T., Orellana D., Chivukula R. Noise levels in Johns Hopkins Hospital. Journal of the Acoustical Society of America, 2005, vol. 118, no. 6, pp. 3629–45. https://doi.org/10.1121/1.2118327Сhakole M., Jibhkate R., Choudhari A., Gawali S., Tule P. A healthcare monitoring system using wifi module // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2017. V. 4. N 3. P. 1413–1417.Сhakole M., Jibhkate R., Choudhari A., Gawali S., Tule P. A healthcare monitoring system using wifi module. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017, vol. 4, no. 3, pp. 1413–1417.Еременко А.А., Ростунова Н.В., Будагян С.А., Курносов А.В. Персональная телемедицинская система «Оберег» для дистанционного мониторинга пациентов // Вестник анастезиологии и реаниматологии. 2020. Т. 17. № 5. С. 87–94. https://doi.org/10.21292/2078-5658-2020-17-5-87-94Eremenko A.A., Rostunova N.V., Budagyan S.A., Kurnosov A.V. The personalized telemedical system of Obereg for remote patient’s monitoring. Messenger of Anesthesiology and Resuscitation, 2020, vol. 17, no. 5, pp. 87–94. (in Russian). https://doi.org/10.21292/2078-5658-2020-17-5-87-94Malika, Charu Rana. An indoor wireless Zigbee based patient monitoring system for hospitals // International Journal of Engineering Sciences Research-IJESR. 2013. V. 4. N 2. P. 792–795.Malika, Charu Rana. An indoor wireless Zigbee based patient monitoring system for hospitals. International Journal of Engineering Sciences Research-IJESR, 2013, vol. 4, no. 2, pp. 792–795.Navya K., Murthy M.B.R. A Zigbee based patient health monitoring system // International Journal of Engineering Research and Applications. 2013. V. 3. N 5. P. 483–486.Navya K., Murthy M.B.R. A Zigbee based patient health monitoring system. International Journal of Engineering Research and Applications, 2013, vol. 3, no. 5, pp. 483–486.Mariappan P., Raghavan D., Abdel Aleem S., Zobaa A. Effects of electromagnetic interference on the functional usage of medical equipment by 2G/3G/4G cellular phones: A review // Journal of Advanced Research. 2016. V. 7. N 5. P. 727–38. https://doi.org/10.1016/j.jare.2016.04.004Mariappan P., Raghavan D., Abdel Aleem S., Zobaa A. Effects of electromagnetic interference on the functional usage of medical equipment by 2G/3G/4G cellular phones: A review. Journal of Advanced Research, 2016, vol. 7, no. 5, pp. 727–38. https://doi.org/10.1016/j.jare.2016.04.004Dhatchayeny D., Sewaiwar A., Tiwari S., Chung Y. Experimental biomedical EEG signal transmission using VLC // IEEE Sensors Journal. 2015. V. 15. N 10. P. 5386–5387. https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2453200Dhatchayeny D., Sewaiwar A., Tiwari S., Chung Y. Experimental biomedical EEG signal transmission using VLC. IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 10, pp. 5386–5387. https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2453200Ali H., Ibtehaj Ahmad M.I., Malik A. Li-Fi based health monitoring system for infants // Proc. of the 2nd International Conference on Communication, Computing and Digital Systems (C-CODE). 2019. P. 69–72. https://doi.org/10.1109/C-CODE.2019.8681012Ali H., Ibtehaj Ahmad M.I., Malik A. Li-Fi based health monitoring system for infants. Proc. of the 2nd International Conference on Communication, Computing and Digital systems (C-CODE), 2019, pp. 69–72. https://doi.org/10.1109/C-CODE.2019.8681012Guger C., Allison B., Kammerhofer A., Guttmann F., Von Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Annen J., Laureys S., Heilinger A., Ortner R., Cho W. MindBEAGLE — A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom // Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). P. 3008–3013. https://doi.org/10.1109/SMC.2017.8123086Guger C., Allison B., Kammerhofer A., Guttmann F., Von Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Annen J., Laureys S., Heilinger A., Ortner R., Cho W. MindBEAGLE — A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom. Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), pp. 3008–3013. https://doi.org/10.1109/SMC.2017.8123086Wilheim F.H., Roth W.T., Sackner M.A. The LifeShirt: An advanced system for ambulatory measurement of respiratory and cardiac function // Behavior Modification. 2003. V. 27. N 5. P. 671–691. https://doi.org/10.1177/0145445503256321Wilheim F.H., Roth W.T., Sackner M.A. The LifeShirt: An advanced system for ambulatory measurement of respiratory and cardiac function. Behavior Modification, 2003, vol. 27, no. 5, pp. 671–691. https://doi.org/10.1177/0145445503256321Zhang Y., Poon C.C.Y., Chan C., Tsang M.W.W., Wu K. A health-shirt using e-textile materials for the continuous and cuffless monitoring of arterial blood pressure // Proc. of the 3rd IEEE-EMBS International Summer School and Symposium on Medical Devices and Biosensors (ISSS-MDBS). 2006. P. 86–89. https://doi.org/10.1109/ISSMDBS.2006.360104Zhang Y., Poon C.C.Y., Chan C., Tsang M.W.W., Wu K. A health-shirt using e-textile materials for the continuous and cuffless monitoring of arterial blood pressure. Proc. of the 3rd IEEE-EMBS International Summer School and Symposium on Medical Devices and Biosensors (ISSS-MDBS), 2006, pp. 86–89. https://doi.org/10.1109/ISSMDBS.2006.360104Chan C.H., Zhang Y.T. Continuous and long-term arterial blood pressure monitoring by using h-Shirt // Proc. of the 5th International Conference on Information Technology and Application in Biomedicine. 2008. P. 267–269. https://doi.org/10.1109/ITAB.2008.4570615Chan C.H., Zhang Y.T. Continuous and long-term arterial blood pressure monitoring by using h-Shirt. Proc. of the 5th International Conference on Information Technology and Application in Biomedicine, 2008, pp. 267–269. https://doi.org/10.1109/ITAB.2008.4570615Lee B.-Ch., Kim J.Y., Choi S.H., Yoon Y.H. Use of an externalcooling device for the treatment of heat stroke // Clinical and Experimental Emergency Medicine. 2014. V. 1. P. 62–64. https://doi.org/10.15441/ceem.14.004Lee B.-Ch., Kim J.Y., Choi S.H., Yoon Y.H. Use of an externalcooling device for the treatment of heat stroke. Clinical and Experimental Emergency Medicine, 2014, vol. 1, pp. 62–64. https://doi.org/10.15441/ceem.14.004Gogate U., Bakal J. Healthcare monitoring system based on wireless sensor network for cardiac patients // Biomedical and Pharmacology Journal. 2018. V. 11. N 3. P. 1681–1688. https://doi.org/10.13005/bpj/1537Gogate U., Bakal J. Healthcare monitoring system based on wireless sensor network for cardiac patients. Biomedical and Pharmacology Journal, 2018, vol. 11, no. 3, pp. 1681–1688. https://doi.org/10.13005/bpj/1537Вострикова С.А., Погорелова К.О., Ширяев Д.С., Полухин И.С., Андреев Ю.С., Смирнова И.Г., Кондратьева Е.А., Бугров В.Е. Система визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 2. С. 401–409. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-2-401-409Vostrikova S.A., Pogorelova K.O., Shiryaev D.S., Polukhin I.S., Andreev Y.S., Smirnova I.G., Kondratieva E.A., Bougrov V.E. Visual display system of changes in physiological state for patients with chronic disorders. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 2, pp. 401– 409. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-2-401-409Lovik R.D., Abraham J.P., Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device. Neuromodulation, 2011, vol. 14, no. 6, pp. 501–511. https://doi.org/10.1111/j.1525-1403.2011.00396.xLovik R.D., Abraham J.P., Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device. Neuromodulation, 2011, vol. 14, no. 6, pp. 501–511. https://doi.org/10.1111/j.1525-1403.2011.00396.x

The authors declare that there are no conflicts of interest present.