ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ STM32

Рунов И.С.¹, Уразбахтина Ю.О.², Жернаков С.В.³

¹ORCID: 0000-0003-3060-3294, Аспирант, ² Кандидат технических наук, ³ Доктор технических наук, Уфимский государственный авиационный технический университет

ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ STM32

Аннотация

Статья посвящена обоснованию необходимости разработки мобильной платформы для дистанционного мониторинга деятельности сердечно-сосудистой системы пациента. Приводится описание основных функциональных блоков устройства, концепция построения разрабатываемой платформы. Обоснована целесообразность использования микроконтроллера STM32W108 с целью уменьшения габаритов схемы и увеличения быстродействия предлагаемого устройства. Представлен алгоритм функционирования  программного обеспечения предназначенного для обеспечения взаимодействия элементов системы на кодовом уровне.

Ключевые слова: Холтеровский монитор, многоагентная система, Android, GPS

Runov I.S.¹, Urazbakhtina Y.O. ², Zhernakov S.V.³

¹ ORCID: 0000-0003-3060-3294, Postgraduate student,² PhD in Engineering,³ PhD in Engineering, Ufa State Aviation Technical University

ESPECIALLY INFORMATION COMPLEX OF MONITORING OF THE CARDIOVASCULAR SYSTEM BASED ON STM32

Abstract

The article is devoted to the justification of the need for a mobile platform for remote monitoring of the patient's cardiovascular system. The description of the device basic function blocks, developed the concept of building the platform. The expediency of using STM32W108 microcontroller in order to reduce the dimensions of the circuit and increase the speed of the device. Submitted by the functioning of the software algorithm designed to ensure the interoperability of system elements in the code level.

Keywords: Holter monitor, multi-agent system, cloud data storage, Android, GPS

В настоящее время проблематика ранней диагностики и профилактики заболеваний сердечно-сосудистой системы является основной профилирующей задачей, которая стоит перед здравоохранением и медицинской наукой наряду с такими сложными заболеваниями как психосоматические расстройства, синдром приобретённого иммунодефицита и злокачественные опухоли неясной природы возникновения. Уровень летальных исходов от сосудистых заболеваний населения Российской Федерации составляет порядка 57%. Из этого числа 20% людей погибают, находясь в трудоспособном возрасте. В 90% случаев смерть бывает вызвана ишемической болезнью сердца либо инсультом. Также не редки случаи выявлениясердечно-сосудистых патологий у лиц молодого возраста, в частности детей различных возрастных групп, что приводитк инвалидизации и смертности, и придаёт проблеме не только медицинское, но и социальное значение.

В связи с вышеизложенным весьма актуальными являются научное обоснование и разработка эффективных методов лечения, реабилитации и профилактики, а также ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, даже при наличии минимальной симптоматики (жалобы или ощущения больного) или отсутствия таковой.

Многие заболевания сердца становится возможным определить только во время физических нагрузок, например,при выполнении упражнений, бега, стрессовых ситуаций, во время еды и даже сна. Поэтому анализ деятельности сердца в течение суток продуктивнее позволяет выявить отклонение в его работе, чем обычное электрокардиографическое исследование. С этой целью в медицине применяются холтеровские мониторы.

Холтеровское мониторирование - один из наиболее часто используемых в медицинской практике методов диагностики нарушений сердечного ритма. Такое исследование назначается пациентам с жалобами на учащенное сердцебиение и перебои в работе сердца, так называемые экстрасистолические состояния, дляопределения нарушений ритма и проводимости сердца, с неясными обмороками, а также частично для регистрации «немой» (без болевой) ишемии миокарда, для оценки параметров работы электрокардиостимулятора. Однако и у этого метода есть свои недостатки, которые заключаются в наличии артефактов, возникающих от наводок и шумов, неспособности аппаратов работать в режиме реального времени. Артефакты обычно создаются автономными звеньями: электродами, проводами, соединяющими электроды и регистратор, элементами питания и самими регистраторами [1].

Авторами предлагается комплекс носимых устройств, входящих в состав системы, регистрирующей активность сердечно-сосудистой системы человека и интерпретирующей его показания.

Носимым устройством является электрод с контактной площадкой, имеющей зажимы для надежного закрепления на него Bluetoothмодуля. Основа электрода –пористый полимер, содержащий влажный гель. Каждый электрод снабжен специализированным элементом для подготовки кожи к аппликации. Каждые 24 часа поверхность электрода очищается, наносится новый слой гель-клея и электрод можно использовать вновь. Основной особенностью геля является способность понижать сопротивление кожного покрова за счет его диэлектрических свойств и тем самым обеспечивать высокое качество сигнала снимаемого с кожного покрова пациента. Наклейка обеспечивает механическую устойчивость, сводит к минимуму дополнительные артефакты.

Целесообразно использовать систему, включающую в себя мобильное устройство для суточного мониторинга сердечной деятельности построенную на основе микроконтроллера STM32W108.

Рис. 1 - Структурная схема устройства

ПрименениеSTM32W108 позволит на 16% сократить количество непригодных результатов, содержащих артефакты [2], так как в схеме будут использоваться твердотельные элементы. Наличие встроенного радиочастотного модуля сделает возможным получать и обрабатывать результаты в режиме реального времени. На рис. 1 показаны встроенный мультиплексор, АЦП и усилитель, которые значительно уменьшат количество навесных элементов схемы электрической принципиальной, что даст возможность уменьшить размер платы относительно электрода, на котором планируется её размещение.

Основными конкурентами STM32W108 являются CC430F61xx/CC430F513x от Texas Instruments и ATmega128RFA1. Все они относятся к устройствам типа «система на кристалле». Общая черта этих микроконтроллеров – это возможность работы с беспроводными сетями, низкое энергопотребление.

Табл. 1 - Сравнительная характеристика микроконтроллеров

Микроконтроллер/ Параметры	STM32W108	CC430F61xx/ CC430F513x	ATmega128RFA1
Тип системы	система на кристалле	система на кристалле	система на кристалле
Архитектура	32-разрядная ARM Cortex-M3	16-разрядная RISC	8-разрядная RISC
Тактовая частота	6, 12 или 24 МГц	27 МГц	2,4 ГГц
ОЗУ	8 Кбайт	4 Кбайт	16 Кбайт
АЦП	16-канальный 12-разрядный	8-канальный 12-разрядный	10-разрядный
Тип корпуса	7x7 мм 48-выводный QFN	9x9 мм 64-выводный VQFN	9x9 мм 64-выводный QFN

Сравнительный анализ микроконтроллеров позволяет сделать вывод, что микроконтроллер STM32W108 по характеристикам опережает своих конкурентов: он имеет меньший размер, 16-канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь.

Блок модуля связи в свою очередь будет содержать следующие слои: 1-контактная площадка; 2-контроллер STM32W108; 3-слой термоизоляции; 4-элемент питания; 5-антенна. Также предлагается поместить всю конструкцию в пористую силиконовую оболочку, для достижения необходимой ударопрочности. Пористая структура необходима для качественного вывода излишнего тепла, вырабатываемого при работе контроллера.

Синхронизация электродов с мобильным устройством будет происходить посредствомиспользования протокола bluetooth 4.0. По сигналу с устройства система начинает работать и передавать данные в его внутреннюю память, где в последствие массив данных будет обработан и построена привычная электрокардиограмма.

Сигнал, снимаемый с электрода, закрепленного на теле пациента, поступает на предусилитель, где усиливается и подается на вход АЦП внутри Bluetooth-модуля. Центральным компонентом разрабатываемого устройства является микросхема STM32W108 производства STMicroelectronics- Bluetooth4.0 SingleModeModule, содержащая внутри себя встроенный предуселительный каскад с АЦП. С модуля данные по стандартным протоколам Bluetoothпередаются на устройство-приемник. В качестве приемника могут выступать смартфон, КПК, планшетный компьютер и многие другие устройства.

Для обеспечения функционирования холтеровского монитора, способного передавать информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента в реальном масштабе времени по технологии Bluetooth. возникает необходимость подключения нескольких датчиков, создания многоагентной информационной системы, и обеспечения обмена данными с устройством Android, для последующей записи и обработки сигналов.

Для связи STM32 по Bluetooth с Android необходима разработка специализированного программного обеспечения для МК, при использовании которого взаимодействие МК и мобильного устройства происходит на базе кодового уровня. Разрабатываемое программное обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

- оцифровка полученного с электродов и усилителей аналогового сигнала;

- обработка оцифрованного сигнала в соответствии с выбранной математической моделью работы сердца;

- передача обработанного сигнала на запись в мобильное устройство.

На основе приведенных выше требований разработан алгоритм работы кода, приведенный на рис.2:

Рис. 2 - Алгоритм работы кода

В процессеработы алгоритма происходит подготовка "кейсов" сообщений для приёма и передачи, а также установка флагов о готовности. После подготовки осуществляется вывод сообщения на экран и в случае удачного ответа от сервера, происходит переход в режим отправки команд.

Отдельно следует разработать модуль отправки и приёма сообщений  состоящий из исходного кода  и заголовочного файла.

Модуль должен выполнять следующие функции:

-иметь окно ввода сообщений;

-предоставлять пользователю возможность настраивать программные параметры;

-осуществлять приём и отправкусообщения с помощью двух конечных автоматов, которые по мере пересылки байтов меняют своё состояние;

- оповещать пользователя о принятом сообщении;

-сохранять сообщения и прикрепленные файлы на энергонезависимой памяти устройства;

-осуществлять проверку сообщения на соответствие и проводить обработку ошибок.

Программное приложение, предлагаемое авторами разработано таким образом, что в случае возникновения критических ситуаций поведения сердца, пациенту немедленно будет направлен ряд сигнализирующих уведомлений, в случае если пациент их игнорирует, данные об этом поступают на сервер кардиологического диспансера, откуда в последствии совершается ряд телефонных звонков пациенту и при необходимости отправляется машина скорой помощи. Расположение пациента будет получено по координатам спутниковой локационной системы GPS, которой оснащены в наше время практически все смартфоны, планшеты и т.п. Взаимодействие приложения с датчиком GPS осуществляется посредством внутренних библиотек операционной системы устройства, в частности Android.

Использование данного устройства позволит вести непрерывный мониторинг сердечной деятельности пациента без причинения ему дискомфорта, возникающего при использовании проводных технологий.

Основным преимуществом системы  является возможность подключения электродов к любому мобильному устройству и их дальнейшая эксплуатация. При этом будет возможно проведение консультаций пациентов, живущих в отдаленных районах, что особенно важно для республики Башкортостан. Разработка подобных устройств является основным из направлений правительственной программы информатизации здравоохранения.

 

Литература

1. Макаров Л.М., Холтеровское мониторирование. 2-е издание – М.: ИД «Медпрактика-М». – 2003. – 340 с.
2. Математические модели квази-одномерной гемодинамики / В.Б. Кошелев и др.. М.: МАКС Пресс, 2010. 114 с.
3. Разработка математической модели сердечно-сосудистой системы в среде  LABVIEW  / С.Н. Маковеев , С.В. Фролов, М.: 2008. 79 с.

References

1. Makarov LM Holter . 2nd Edition - M .: Publishing House " Medpraktika -M ." - 2003. - 340 p.
2. Mathematical models of quasi- one-dimensional hemodynamic / VB Koshelev , etc .. M .: MAKS Press , 2010. 114 p.
3. Development of a mathematical model of the cardiovascular system in LABVIEW / SN environment Makoveev , SV Frolov, M .: 2008. 79 p.