Быстродействующие термометры для систем мониторинга параметров человеческого организма тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Долгова, Ирина Анатольевна

• Долгова, Ирина Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Долгова, Ирина Анатольевна

Введение

Глава 1 Аналитический обзор методов и приборов измерения температуры биологических объектов

1.1 Особенности теплообмена биологического объекта с окружающей средой

1.2 Классификация методов измерения температуры человеческого организма

1.3 Сравнительный анализ методов измерения температуры

1.4 Аналитический обзор разновидностей медицинских термометров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующие термометры для систем мониторинга параметров человеческого организма»

Актуальность работы и состояние вопроса. В настоящее время медицинские системы мониторинга физического состояния человека находят все большее применение. В связи с развитием микроэлектронной базы и средств коммуникации после существенного расширения технических возможностей в развертывании и распространении Интернета, проявляется растущий интерес к беспроводным технологиям и их применению в телемедицине.

Исследования в области средств коммуникации привели к появлению нового вида коммуникационных сетей под названием «Беспроводные сенсорные сети» на основе сетевых датчиков[1]. При этом датчик в составе сети - это сетевой датчик [2](по иностранной терминологии), который имеет радиопередающее устройство, позволяющее передавать информационные сигналы на базовую станцию через беспроводные средства связи.

Лидерами в области производства аппаратуры для беспроводных сенсорных сетей являются: RF Monolithics, Inc. [3], производящая модули приемопередатчиков с низким энергопотреблением, а также компания Crossbow Technologies, частично инвестируемая фирмой Intel, норвежская компания RADIOCRAFTS, выпускающая функционально завершенные радиомодули в малогабаритных корпусах, фирма Telecontrolli (Италия), ООО «Высокотехнологичные системы» (Россия), разрабатывающая аппаратно-программную платформу MeshLogic для реализации беспроводных сенсорных сетей в различных областях применения, в том числе и в медицине.

В конце 2004 г. был ратифицирован единственный на данный момент стандарт в области беспроводных сенсорных сетей — стандарт ZigBee[4], основанный на принятом ранее стандарте IEEE 802.15.4, который описывает физический уровень и уровень доступа к среде для беспроводных персональных сетей WPAN (Wireless Personal Area Networks).

В настоящее время беспроводные сенсорные сети широко используются в системах мониторинга физиологических параметров человеческого организма. Узким местом таких систем являются сетевые датчики измерения физических величин и, связанные с ними, проблемы точности, быстродействия, потребляемой мощности и информативности измерительных сигналов. Это, в свою очередь, снижает эффективность использования автоматизированных систем диагностики и принятия решения, что сдерживает развитие медицинских систем мониторинга и их массового применения.

Измерение температуры биологического объекта является одной из наиболее частых задач диагностики. В настоящее время существует большое разнообразие приборов для измерения температуры тела человека, выпускаемых целым рядом зарубежных и отечественных фирм: SAAT (Израиль), OMRON (Япония), HEALTH INSTRUMENTS (Китай), ООО "ЭЙ энд ДИ РУС» (Россия). Однако, существующие датчики температуры биологических объектов (ртутные, спиртовые, терморезистивные) обладают недостаточным быстродействием, а инфракрасные - точностью, для решения задач мониторинга в режиме реального времени, во время массовых измерений температуры в период эпидемий, при измерении температуры сельскохозяйственных животных, когда специфика условий измерения требует практически мгновенной реализации этой процедуры.

В связи с этим актуальной задачей является уменьшение времени измерения температуры биологических объектов без потери точности. Перспективным представляется развитие новых методов измерения температуры тела человека, предложенных выдающимся российским ученым Шаховым Э.К. [612], в которых, в отличие от традиционных решений, осуществляется не пассивный (от объекта измерения), а активный нагрев термочувствительного элемента. Однако при разработке таких методов следует учитывать эффект изменения температуры объекта измерения после его контакта с термочувствительным элементом средства измерения.

Решение задачи уменьшения времени измерения до 1-2 секунд позволит расширить область применения известного метода теплового тестирования для оценки параметров микроциркуляции крови в капиллярах поверхностного сплетения кожи человека.

В настоящее время для оценки состояния кровотока используются ультразвуковые, лазерные, термометрические, фотоплетизмографические, вискозиметрические методы. Существующие стационарные приборы: "Perimed" (Швеция), "Transonic Systems, Inc." (США), "JIAKK-ОГ (Россия), «Минимакс-Допплер-К» (Санкт-Петербург) и др., реализующие эти методы, используются лишь для оценки параметров кровотока в крупных и мелких сосудах, а вискозиметрия — для оценки реологических свойств (вязкости) крови, и не предназначены для мониторинга параметров капиллярного кровотока. В связи-с этим актуальной, задачей является разработка быстродействующих термометров с расширенными функциональными возможностями по оценке параметров кровотока в капиллярной сети и использование их в качестве цифровых датчиков в системах мониторинга параметров психофизиологического состояния человека с беспроводными каналами передачи данных.

Задачи исследования. Целью работы является разработка быстродействующих термометров для систем мониторинга параметров человеческого организма. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ и классификация современных методов и приборов измерения температуры биологических объектов и путей их технического совершенствования.

2. Разработка модели взаимодействия биологического объекта и средства измерения температуры.

3. Исследование и разработка способов измерения температуры, обеспечивающих более высокое быстродействие по сравнению с существующими аналогами.

4. Разработка и исследование макета быстродействующего термометра.

5. Исследование возможности использования быстродействующих термометров в системах мониторинга физиологических параметров человеческого организма.

Содержание диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Долгова, Ирина Анатольевна

Основные результаты и выводы по 4 главе:

1. На основе результатов модельных экспериментов по оптимизации массогабаритных размеров и начальной температуры термочувствительного элемента датчика температуры разработана конструкция чувствительного элемента, оптимизированная по критерию максимального использования влияния БОС. Подтвержден вывод о возможности уменьшения времени измерения в 5-10 раз за счет активизации влияния БОС путем предварительного нагрева термометра.

2. По результатам модельных экспериментов по определению влияния БОС на время измерения температуры биологического объекта разработан макет быстродействующего термометра для систем мониторинга физиологических параметров человеческого организма, реализующего итерационный способ измерения температуры, обладающий меньшим временем измерения (1-2 секунды) и погрешностью измерения 0,1 °С по сравнению с аналогом (термометр "ThermoTek" модели 0482 израильской фирмы "SAAT" с погрешностью согласно стандарту ASTM El 112-98 не более ±0,1 °С и временем измерения порядка 10 сек), экспериментальные исследования которого подтвердили полученные теоретические результаты.

3. Предложена структура системы мониторинга физиологических параметров человеческого организма, где в качестве цифрового датчика температуры используется быстродействующий термометр. Разработан макет автономного быстродействующего термометра с беспроводным каналом передачи данных для системы мониторинга физиологических параметров человеческого организма, реализующий способ измерения температуры по интегральным значениям с использованием £Д-АЦП с временем измерения 1-2 с и погрешностью не более ±0,1 °С., обладающий повышенным ресурсом продолжительности работы (100 часов).

4. Использование быстродействующих цифровых датчиков температуры с беспроводным каналом передачи данных в системах мониторинга физиологических параметров человеческого организма позволяет расширить функциональные возможности таких систем и применять их для определения относительного изменения объемной скорости кровотока в капиллярах поверхностного сплетения кожи.

164

Заключение

Основным результатом диссертационной работы является создание модели взаимодействия биологического объекта и термочувствительного элемента термометра, учитывающая эффект биологической обратной связи, разработка на ее основе новых способов измерения температуры и макетов быстродействующих термометров, реализующих эти методы.

В результате теоретических и практических исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ и предложена классификация методов измерения температуры биологических объектов и сформулированы пути технического совершенствования термометров: уменьшение времени измерения за счет учета влияния БОС, использование экстраполяционных алгоритмов измерения температуры.

2. Разработана модель взаимодействия биологического объекта и термочувствительного элемента термометра, учитывающая эффект биологической обратной связи. Модель реализована в среде визуального программирования Ма^аЬ 81ти1шк. Показана возможность определения параметров кровотока в капиллярной сети поверхности кожи методом теплового тестирования. Установлено методом моделирования и экспериментально подтверждено, что учет влияния БОС позволяет уменьшить время измерения температуры биологического объекта в 5-10 раз.

3. Исследована зависимость методической погрешности моделирования от размерности модели ТУ, временного шага расчета при переходе от континуального объекта к дискретной модели. Установлена зависимость максимальной погрешности моделирования от размерности модели которая описывается следующей формулой:^0тах=аК''55, где а=0,65 °С. Определено, что для интервала времени At=0,2т методическая погрешность моделирования минимальна.

4. В процессе исследования модели установлено, что для уменьшения времени измерения температуры предпочтительным является вариант активизации влияния БОС путем предварительного нагрева термометра и оптимизации массогабаритных размеров термочувствительного элемента датчика температуры

5. Предложен компенсационный способ измерения температуры, отличающийся простотой схемотехнической реализации, обеспечивающий время измерения 1-2 с при заданной погрешности измерения ОД °С, защищенный патентом РФ. Экспериментально установлено, что для термочувствительного элемента, имеющего постоянную времени 4 секунды (аналог термистор В573, размер 0,8x1,6x0,9 мм, фирма «EPCOS») без учета погрешности АЦП время измерения с погрешностью 0,1 °С не превышает 0,65 секунды.

6. Предложен итерационный терморезистивный способ измерения температуры, отличающийся уменьшенным количеством циклов преобразования, обеспечивающий время измерения 1-2 с при заданной погрешности измерения 0,1 °С , защищенный патентом РФ.

7. Предложен способ измерения температуры по интегральным значениям с использованием интегрирующего £Д-АЦП, обеспечивающий время измерения 1-2 с при заданной погрешности измерения 0,01 °С, защищенный патентом РФ.

8. Сравнительный анализ предложенных способов показал, что компенсационный способ имеет преимущество в том случае, когда требуется простота схемотехнической реализации. Итерационный способ измерения предпочтительнее для автономных термометров массового применения, где основным критерием является стоимость, поскольку не требует использования высокоточных АЦП. Областью применения способа измерения температуры по интегральным значениям с использованием интегрирующего £Д-АЦП мо гут быть системы мониторинга физиологических параметров человеческого организма, включая мониторинг параметров капиллярного кровотока, где предъявляются повышенные требования к точности измерения и энергопотреблению.

9. Разработан макет быстродействующего термометра, реализующего итерационный способ измерения температуры, обладающий меньшим временем измерения (1-2 секунды) и погрешностью измерения 0,1 °С по сравнению с аналогом (термометр "ThermoTek" модели 0482 израильской фирмы "SAAT" с погрешностью согласно стандарту ASTM El 112-98 не более ±0,1 °С и временем измерения порядка 10 сек), экспериментальные исследования которого подтвердили полученные теоретические результаты, который может использоваться в медицинских системах мониторинга параметров человеческого организма.

Ю.Разработан и испытан макет автономного быстродействующего термометра с беспроводным каналом передачи данных, реализующий способ измерения температуры по интегральным значениям, обладающий повышенным ресурсом продолжительности работы (100 часов) с временем измерения 1-2 с и погрешностью не более ±0,1 °С, который может использоваться в медицинских системах мониторинга параметров человеческого организма.

11 .Использование быстродействующих цифровых датчиков температуры с беспроводным каналом передачи данных в системах мониторинга физиологических параметров человеческого организма позволяет расширить функциональные возможности таких систем и применять их для определения относительного изменения объемной скорости кровотока в капиллярах поверхностного сплетения кожи.

167

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Долгова, Ирина Анатольевна, 2008 год

1. Материалы 3-й Международной выставки «Беспроводные и мобильные технологии 2007» - М.: ЦМТ, 2007.

2. Wireless Sensors and Integrated Wireless Sensors Networks Report. Отчет компании Frost & Sullivan, 2002r.

3. RF Monolithics, TR 3000, TR 7000, TRC-102 Data Sheet 2007. Технологическая документация фирмы «RF Monolithics».- http://www.rfm.com.

4. ZigBee Specification — спецификация сетей ZigBee. http://www.zigbee.org.

5. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1964. - 772 с.

6. Пат. № 2255314 Российская Федерация, МПК7 G 01 К 7/24. Быстродействующий медицинский термометр / Э.К. Шахов. заявл. 22.03.04; опубл. 27.06.05, бюл. №18.- 8 с.

7. Пат. № 2257533 Российская Федерация, МПК7 G 01 К 7/22. Компенсационный способ измерения температуры / Э.К. Шахов. заявл. 22.03.04; опубл. 27.07.05, бюл. № 21.- 10 с.

8. Пат. №2269750 Российская Федерация, МПК7 G 01 К 7/24. Способ терморезистивного измерения температуры / Э.К. Шахов, А.П. Писарев. заявл. 22.03.04; опубл. 27.07.2005, бюл. № 21. - 12 с.

9. Шахов, Э.К. Об одной возможности тензорезистивного измерения температуры. // Датчики и системы.- №3(70).- 2005.- С. 13-15.

10. Шахов, Э.К. Щеголев, В.Е. Система стабилизации температуры для термоанемометров / Измерительные преобразователи и информацио-ные технологии. Межвуз. науч. сб. Вып. 1. - Уфа, 1996.- С. 174-178.

11. Шахов, Э.К. Об одной возможности терморезистивного измерения температуры // Датчики и системы.- №12.- 2004,- С. 23-32.

12. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебное пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1975.- 496 е.

13. Павельски, С., Завадски, 3. Физиологические константы в клинике внутренних болезней. Пер. с польск. М.И. Сальмана.- М.: «Медицина», 1964.- 264 с.

14. Физиология терморегуляции / К.П.Иванов, О.П. Минут-Сорохтина, Е.В. Майстрах и др.- Л.: Наука, 1984.- 470 с.

15. Бартон, А., Эдхолм, О. Человек в условиях холода.- М.: Изд-во иностр. лит., 1957.- 335 с.

16. Фомин, Н. А. Физиология человека.- М.: Просвещение, 1982. -250с.

17. Куренина, М.М., Воккен, Г.Г. Анатомия человека.- М.: Просвещение, 1979.- 560 с.

18. Физиология человека. / Под редакцией В.М.Покровского, Г.Ф.Коротько.- М.: Просвещение, 1989.- 360 с.

19. Физиология человека. В 4-х томах. Т.4. / Под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса. М.: Мир, 1986.- 312 с

20. Иванов, К.П. Основы энергетики организма: Теоретические и практические аспекты. Том 1. Общая энергетика, теплообмен и терморегуляция // Л.: Наука, 1990.- 307 с.

21. Георгиева, С.А. Физиология. М.: Медицина, 1981.- 235 с.

22. Лищук, В.А. Математическая теория кровообращения // М.: Медицина, 1991.- 126 с.

23. Практикум по нормальной физиологии: Учеб. пособие для мед. вузов / Под ред. H.A. Агаджаняна и A.B. Коробкова. // М.: Высш. шк., 1983.- 328 с.

24. Компьютерный капилляроскоп. http://medprom.ru/medprom

25. Слоним, А.Д. Эволюция терморегуляции // JL: Наука, 1986.- 76 с.

26. Витте, Н.К. Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение // Киев: Госмедиздат, 1956.- 148 с.

27. Ажаев, А.Н. Физиолого-гигиенические аспекты действия высоких и низких температур // М.: Наука, 1979.- 264 с.

28. Баженов, Ю.И. Механизмы адаптации к холоду // JL: Наука, 1985.- 180 с.

29. Банхиди, JI. Тепловой микроклимат помещений: Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека // М.: Стройиздат, 1981.248 с.

30. Кощеев, B.C. Физиология и гигиена индивидуальной защиты человека от холода//М.: Медицина, 1981.- 228 с.

31. Кощеев, B.C., Кузнец Е.И. Физиология и гигиена индивидуальной защиты человека в условиях высоких температур // М.: Медицина, 1986.256 с.

32. Майстрах, Е.В. Патологическая физиология охлаждения человека // Л.: Медицина, 1975.-216 с.

33. Майстрах, Е.В. Тепловой гомеостаз. / Под ред. П.Д. Горизонтова //М.: Медицина, 1981.- С. 491-520

34. Новожилов, Г.Н., Ломов, О.П. Гигиеническая оценка микроклимата // Л.: Медицина, 1987.- 112 с.

35. Популярная медицинская энциклопедия // М.: Советская энциклопедия, 1987,- 704 с.

36. Безопасность жизнедеятельности. /Под ред. H.A. Белова // М.: Знание, 2000.- 364 е.

37. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). / Под ред Е.Г.Шрамкова. Учебное пособие для втузов // М.: Высшая школа, 1972.- 520 е..

38. Шахов, Э.К. Разделение функций основной принцип структурного совершенствования измерительных преобразователей / Цифровая информационно-измерительная техника. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 8. // Пенза, ППИ. 1978.

39. Орнатский, П.П. Автоматические измерения и приборы // Киев: Вища школа, 1973.- 552 с

40. Пат. № 2319122 Российская Федерация. Компенсационный способ ускоренного измерения температуры / Э.К. Шахов, И.А. Долгова, A.A. Мельников. заявл. 13.10.06; опубл. 10.03.08, бюл. № 7. - 11 с.

41. Пат. № 2326354 Российская Федерация. Способ итерационного терморезистивного измерения температуры / Э.К. Шахов, И.А. Долгова. -заявл. 04.12.06; опубл. 10.06.08, бюл. № 16. 8 с.

42. Пат. № 2333466 Российская Федерация. Способ экспресс измерения температуры / Э.К. Шахов, И.А. Долгова, Д.А. Кривецков. заявл. 08.05.2007; опубл. 10.09.2008, бюл. № 25. - 10 с.

43. Моделирование взаимодействия объекта и средства измерения для совершенствования тонометров и термометров: дис. канд. техн. наук: 05.13.18, 05.11.01: защищена 30.12.04: утв. 08.05.05 / Писарев Аркадий Петрович.- Пенза, 2004,- 277 с.

44. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П.В.Новицкого // Л.:Энергия, 1975.- 576 с

45. Термометры ThermoTelc.- http://www.thermotek.ru

46. Термометры OMRON.- http://www.omron-healthcare.com

47. Термометры ЕТ-100 HEALTH INSTRUMENTS.-http://www.777china.com/Product/Productlist.asp

48. Термометры ООО "ЭЙ энд ДИ РУС".-http://www.aandd.ru/product/medical/thermo

49. Энциклопедический словарь медицинских терминов: В 3-х томах. / Под ред. Б.В. Петровского // М.: Советская энциклопедия, 1984. -1424 с.

50. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика // М.: Высшая школа, 1987.

51. Савицкий, H.H. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики // М.: Медицина, 1974.- 311 с.

52. Палеев, Н.Р., Каевицер, И.М. Атлас гемодинамических исследований в клинике внутренних болезней // М.:, Медицина.- 1975г.

53. Долгова, И.А. Особенности измерения параметров жизнедеятельности человеческого организма. / Э.К. Шахов, В.В.Акинин, И.А. Долгова // Вестник Самарского государственного технического университета. -Вып. 33, Самара, 2005. С. 279-283.

54. Долгова, И.А. Особенности измерения температуры тела человека / И.А. Долгова // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 6(30). - Информационно-издательский центр ПТУ, 2006.- С. 86-96.

55. Долгова, И.А. О возможности компенсационного измерения температуры / Э.К. Шахов, И.А. Долгова // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 6(30). Пенза: Информационно-издательский центр ПТУ, 2006.- С. 50-63.

56. Долгова, И.А. Об одном алгоритме измерения температуры / И.А. Долгова, Э.К. Шахов // Мехатроника, автоматизация, управление. № 8. М: Новые технологии, 2007.- С. 20 - 24

57. Бурукина, И.П., Чувыкин, Б.В. Вопросы проектирования микромощных автономных измерительных приборов // Информационно-измерительные системы : межвуз. сб. науч. тр. Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2006.- С. 113-119.

58. Долгова, И.А. Компенсационный термометр./ Э.К. Шахов, И.А. Долгова // Известия вузов. Поволжский регион. 2005. - Вып. 5. - С. 4-14.

59. Туричин, A.M. Электрические измерения неэлектрических величин //M.-JL: Энергия, 1966.- 690 с.

60. Писарев А.П. Модель преобразователя температуры в ЧИМ-сигнал. / А.П. Писарев // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. Вып.2(28). - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2003.- С. 127-137.

61. Долгова, И.А. Об одном способе измерения температуры / И.А. Долгова, Э.К. Шахов // Информационные и управленческие технологии в медицине : сб. ст. Всерос. науч.-техн. конф. Пенза, 2007.- С. 59-63.

62. Шахов, Э.К., Голышевский, O.A., Крысин, В.Ю. Реализация компенсационного метода в медицинских термометрах // Материалы конференции «Измерения 2000», Пенза: Изд-во ПГУ, 2000.- С. 118 -119.

63. Калакутский, Л.И., Манелис, Э.С. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учебное пособие // Самара: Самар. гос. аэрокосм, ун-т, 1999.- 161 с.

64. Иванов, К.П. Успехи и спорные вопросы в изучении микроциркуляции. / Российский физиологический журнал им. И.М.Сеченова // М.: -1995.-№6.- С.1-17.

65. Саркисов, К. Г., Коркушко, О. В., Ступина, А. С. и др. Микроциркуляция и гемореология при старении человека. // Проблемы старения и долголетия. 1998. - Т. 7, №3.- С. 269 - 278.

66. Дерябин, Е.И., Двинянинова, Е.Е., Ваганова, Н.В., Осипов, В.Ю., Терещенко, А.П., Дерябина, А.Г. Применение фотоплетизмографии для исследования локального кровотока челюстно-лицевой области. //Лазерная медицина.- 1999.-№ 3(2).

67. Лебедев, П.А., Калакутский, Л.И., Власова, С.П., Горлов, А.П. Диагностика функции сосудистого эндотелия у больных с сердечнососудистыми заболеваниями. Метод, указания. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет. 2004.-18 с.

68. Тепловизор ТН7700 NEC (США-ЯПОНИЯ).-http://l 2350.ukrindustrial.com

69. Минимакс Доплер —К.-http://www.exponet.m/exhibitions/online/medicineiz2005/minimax.ru.html

70. Крупаткин, А. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови // М.: Медицина, 2005.- 256 с.

71. ЛД-Флоуметр. http://www.cardio.by/index.phtml

72. Вискозиметры.- http://www.everest-lab.ru/pages/brookfield.html

73. Мошкевич, B.C. Фотоплетизмография //М.: Медицина, 1970.- 129с.

74. Акутест FPG. http://www.npl-rez.ru/goods-0.html