Система визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания и передачи данных по беспроводной оптической связи

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. 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. 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. 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.

1. Бакулин 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.

2. 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/BF01694709

3. Busch-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/10.1121/1.2118327

4. 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. V. 4. N 3. P. 1413–1417.

5. 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/10.21292/2078-5658-2020-17-5-87-94

6. Malika, 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.

7. 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.

8. 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.2016.04.004

9. Dhatchayeny 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.2015.2453200

10. Ali 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.2019.8681012

11. Guger 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.2017.8123086

12. Wilheim 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/10.1177/0145445503256321

13. Zhang 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.2006.360104

14. Chan 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.2008.4570615

15. Lee 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.14.004

16. Gogate 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/1537

17. Вострикова 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/10.17586/2226-1494-2022-22-2-401-409

18. Lovik 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