устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, датчик фаз дыхания для устройства тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы и способ тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы

Формула изобретения

1. Устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, содержащее блок управления, соединенный с рядом тренажеров, который включает в себя электронно-вычислительную машину и подключенные к ней дисплей, накопитель на магнитных дисках и интерфейс, а каждый тренажер содержит преобразователь частоты сердечных сокращений, микрокомпьютер, соединенный с индикатором и интерфейсом, подключенным к преобразователю нагрузки, соединенному с нагрузочным блоком, интерфейс электронно-вычислительной машины соединен с интерфейсом тренажеров, отличающееся тем, что в него введены микроконтроллер и блок гальванической развязки, а в каждый тренажер включены преобразователь электрокардиограммы и преобразователь фаз дыхания, причем преобразователи частоты сердечных сокращений, фаз дыхания и электрокардиограммы подключены к микроконтроллеру, который через блок гальванической развязки соединен с интерфейсом тренажера.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь электрокардиограммы содержит последовательно соединенные датчик электрокардиограммы, усилитель с управляемыми полосой и коэффициентом усиления, преобразователь напряжение код, первый регистр и дешифратор адреса, а также второй регистр, разрядные выходы которого соединены с управляющими входами усилителя, входы дешифратора адреса соединены с шиной адреса микроконтроллера, разрядные выходы первого регистра и разрядные входы второго регистра соединены с шиной данных микроконтроллера, вход считывания первого регистра и вход записи второго регистра соединены с шиной управления микроконтроллера.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь фаз дыхания содержит последовательно соединенные датчик фаз дыхания, регистр и дешифратор адреса, входы которого соединены с шиной адреса микроконтроллера, разрядные выходы регистра соединены с шиной данных, а вход считывания с шиной управления микроконтроллера.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагрузочный блок выполнен в виде велоэргометра, а преобразователь нагрузки содержит датчик скорости, связанный с велоэргометром, и последовательно соединенные микроконтроллер, цифроаналоговый преобразователь и задатчик нагрузки, выход датчика скорости соединен с входом микроконтроллера, задатчик нагрузки связан с велоэргометром, шина ввода/вывода микроконтроллера соединена с интерфейсом тренажера.

5. Датчик фаз дыхания для устройства тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, содержащий первый усилитель-ограничитель, инвертор, аналого-цифровой преобразователь и датчик дыхания, выполненный в виде трубки, в которой размещены два терморезистора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два преобразователя температура напряжение с автобалансным мостом, второй усилитель-ограничитель, аналогичный первому, удвоитель напряжения, двухвходовой весовой сумматор с весами входов 1,0 и 0,5, а трубка датчика дыхания разделена на две камеры: проходную, в которой размещен первый терморезистор, и глухую, в которой размещен второй терморезистор, при этом каждый терморезистор включен в цепь положительной обратной связи соответствующего автобалансного моста, выход первого преобразователя температура напряжение через первый усилитель-ограничитель соединен с весовым входом 1,0 весового сумматора, выход второго преобразователя температура напряжение через последовательно соединенные удвоитель напряжения, второй усилитель-ограничитель и инвертор соединен с весовым входом 0,5 весового сумматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.

6. Способ тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, состоящий в том, что перед началом исследуют общеклиническое и функциональное состояние сердечно-сосудистой системы пациента, толерантность пациента к физическим нагрузкам и определяют значения тренировочных нагрузок и соответствующие им значения целевых частот сердечных сокращений, продолжительность тренировки и характер изменения нагрузки во время тренировки, перед началом каждой тренировки измеряют артериальное давление и регистрируют электрокардиограмму, после чего в период разогрева постепенно увеличивают нагрузку на пациента с помощью тренажера до начальной тренировочной нагрузки, затем во время тренировки постоянно измеряют текущее значение частоты сердечных сокращений пациента, изменяют тренировочную нагрузку в соответствии с выбранным характером изменения, сравнивают текущее значение частоты сердечных сокращений с целевой частотой, соответствующей значению тренировочной нагрузки, и по результатам сравнения изменяют тренировочную нагрузку, поддерживают частоту сердечных сокращений в пределах заданного значения перед окончанием тренировки постепенно уменьшают нагрузку до снижения текущего значения частоты сердечных сокращений до предварительно заданного значения, после чего прекращают работу на тренажере, отличающийся тем, что перед началом тренировки дополнительно измеряют и регистрируют коэффициент аритмии, время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы, определяют тренировочный ритм дыхания, во время тренировки дополнительно постоянно измеряют текущее значение коэффициента аритмии, время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы, отклонение текущего значения частоты сердечных сокращений, от значения целевой частоты сердечных сокращений, смещение сегмента ST в электрокардиограмме, а также постоянно сигнализируют пациенту об отклонении текущей частоты сердечных сокращений от целевой и об отклонении текущего ритма дыхания от заданного тренировочного, при этом, если текущее значение коэффициента аритмии больше зарегистрированного перед тренировкой или отклонение текущей частоты сердечных сокращений от в течение заданного времени будут превышать заданную величину, то регистрируют текущую электрокардиограмму, сравнивают ее с записанной до начала тренировки и по результатам сравнения принимают решение о продолжении или прекращении тренировки, если время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца будет меньше заданной величины, то измеряют артериальное давление у пациента и по результатам измерения принимают решение о продолжении или прекращении тренировки, если же смещение сегмента ST в электрокардиограмме превышает заданную величину, то немедленно прекращают тренировку.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время тренировки измеряют длительность каждой фазы дыхания пациента и сигнализируют пациенту об отклонениии их от тренировочной на каждом цикле дыхания.

8. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что определяют отношение длительности фазы "Вдох" к длительности фазы "Выдох" на каждом цикле дыхания, сравнивают его с заранее заданным и, если оно меньше заданного более чем в трех циклах подряд, отключают нагрузку, регистрируют текущую электрокардиограмму, сравнивают ее с зарегистрированной до начала тренировки и по результатам сравнения принимают решение о продолжении тренировки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к устройствам профилактики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы. Кроме того, изобретение может использоваться в качестве спортивного тренажера.

В настоящее время в медицине для профилактики заболеваний сердечно-сосудистой системы, а также для лечения больных, перенесших такие заболевания, наряду с медикаментозным лечением широко применяют лечение дозированными физическими нагрузками. Одназначно доказано, что механотерапия существенно снижает фактор риска после операций на сердце, после инфаркта миокарда, инсульта.

Важнейшую роль при механотерапии играют точность дозирования нагрузки и контроля за состоянием больного.

Известен целый ряд устройств, в которых дозированная нагрузка задается с помощью спортивного тренажера, а контроль за состоянием пациента производится по частоте сердечных сокращений.

Известный тренажер содержит велотренажер, датчик частоты сердечных сокращений, закрепленный на пациенте, задатчики верхних границ физиологической и тренировочной частот сердечных сокращений и нижней тренировочной частоты сердечных сокращений, устройство сравнения выходных сигналов датчика частоты сердечных сокращений пациента и каждого задатчика, видеозвуковое устройство, два индикатора и биостимулятор. При частоте сердечных сокращений пациента между верхней и нижней границами включено видеозвуковое устройство и пациент работает на велотренажере комфортно, при превышении верхней физиологической границы велотренажер отключается, включается биостимулятор, чтобы способствовать снижению частоты сердечных сокращений до нормы.

Тренажер не позволяет дозировать нагрузку во время тренировки и поэтому имеет ограничения при использовании его для лечения сердечно-сосудистой системы.

В известном тренажерном устройстве, содержащем последовательно соединенные датчик физиологических параметров, блок преобразования и блок измерения, а также последовательно соединенные датчик скорости, блок преобразования и блок измерения, последовательно соединенные пульт оператора, блок записи и считывания программ, блок управления и узел нагрузки, видеомагнитофон, подключенный к блоку преобразования скорости и блоку записи и считывания программ, и блок преобразования информации, к входам которого подключены выходы блоков измерений и видеомагнитофона, а к выходу-индикатор, имеется возможность во время тренировки изменить нагрузку и программу тренировки и обеспечивается контроль за частотой дыхания и частотой сердечных сокращений пациента.

Однако и это устройство мало пригодно для использования его в качестве тренировочно-терапевтического для сердечно-сосудистой системы, так как в нем отсутствует корреляция дозированной нагрузки с функциональным состоянием пациента.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является система для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы [1] состоящая из ряда тренажеров, каждый из которых предъявляет переменную тренировочную (рабочую) нагрузку соответствующему пациенту, и из устройства управления, состоящего из центрального управляющего процессора, который оперативно подключен к каждому тренажеру, преобразователя частоты сердечных сокращений и преобразователя тренировочной рабочей нагрузки для каждого пациента, причем центральный управляющий процессор управляет работой каждого тренажера в соответствии с заранее заданными и заранее введенными тренировочными уровнями и целевыми диапазонами для каждого пациента, причем центральный управляющий процессор может быть подключен к дистанционно расположенным тренажерам. Каждый тренажер включает нагрузочное устройство (спортивный тренажер "беговая дорожка") и управляющее устройство, содержащее микропроцессор, дисплей и блок ввода-вывода. Система работает следующим образом. Заранее для каждого пациента определяется целевая частота сердечных сокращений, соответствующая оптимальной тренировочной нагрузке для этого пациента, и длительность тренировки. Время тренировки разбивается на три периода. В первом, подготовительном, нагрузка плавно увеличивается до тех пор, пока частота сердечных сокращений не достигнет значения целевой, после чего начинается второй, рабочий период, во время которого частота сердечных сокращений поддерживается равной целевой частоте. В третьем периоде, восстановительном, нагрузка плавно снижается до тех пор, пока частота сердечных сокращений не снизится до заданной, после чего тренажер отключается. Целевая частота сердечных сокращений и время тренировки могут устанавливаться как самим пациентом, так и центральным управляющим процессором.

В процессе тренировки пациент имеет возможность визуально наблюдать на дисплее тренажера значение частоты сердечных сокращений. Система имеет защитные механизмы с тем, чтобы нагрузки пациентов не могли выйти из-под контроля. При превышении частоты сердечных сокращений максимального значения, тренажер отключается, а на центральный управляющий процессор подается сигнал тревоги.

Система имеет широкие возможности, позволяет одному квалифицированному врачу наблюдать одновременно за лечебной тренировкой нескольких пациентов.

Однако эффективность этой системы и ее возможности сужаются из-за сравнительно высокого фактора риска, так как автоматический контроль за физическим состоянием пользователя осуществляется только по частоте сердечных сокращений, а целевая частота сердечных сокращений не учитывает моментных изменений этого состояния.

Целью изобретения является создание устройства для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, в котором обеспечивается контроль за физическим состоянием пациента по частоте сердечных сокращений и по изменению его электрокардиограммы и скорости распространения пульсовой волны, что снижает фактор риска в процессе тренировки, а также обеспечение режима биологической обратной связи по частоте и фазам дыхания, что повышает эффективность тренировки и ускоряет восстановление (реабилитацию) при лечении.

Упомянутые цели достигаются тем, что в устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, содержащее блок управления, соединенный с рядом тренажеров, который включает в себя электронно-вычислительную машину и подключенные к ней дисплей, накопитель на магнитных дисках и интерфейс, а каждый тренажер содержит преобразователь частоты сердечных сокращений, микрокомпьютер, индикатор, интерфейс, подключенный к преобразователю нагрузки, соединенному с нагрузочным блоком, интерфейс электронно-вычислительной машины через линию связи соединен с интерфейсом тренажеров, дополнительно содержит в каждом тренажере микроконтроллер, блок гальванической развязки, преобразователь электрокардиограммы и преобразователь фаз дыхания, причем преобразователи частоты сердечных сокращений, фаз дыхания и электрокардиограммы подключены к микроконтроллеру, который через устройство гальванической развязки соединен с интерфейсом тренажера.

Преобразователь электрокардиограммы содержит последовательно соединенные датчик электрокардиограммы, усилитель с дискретно перестраиваемой полосой и управляемым коэффициентом усиления, преобразователь напряжение-код, первый регистр и дешифратор адреса, а также второй регистр, разрядные выходы которого соединены с управляющими входами усилителя, входы дешифратора адреса соединены с шиной адреса микроконтроллера, разрядные выходы первого регистра и разрядные входы второго регистра соединены с шиной данных микроконтроллера, вход считывания первого регистра и вход записи второго регистра соединены с шиной управления микроконтроллером.

Преобразователь фаз дыхания содержит последовательно соединенные датчик фаз дыхания, регистр и дешифратор адреса, входы которого соединены с шиной адреса микроконтроллера, разрядные выходы регистра с шиной адреса микроконтроллера, разрядные выходы регистра соединены с шиной данных, а вход считывания с шиной управления микроконтроллера.

Нагрузочный блок выполнен в виде велоэргометра, а преобразователь нагрузки содержит датчик скорости, связанный с велоэргометром, и последовательно соединенные микроконтроллер, цифроаналоговый преобразователь и задатчик нагрузки, выход датчика скорости соединен с входом микроконтроллера, задатчик нагрузки связан с велоэргометром, шина ввода/вывода микроконтроллера соединена с блоком интерфейса тренажера.

В предлагаемом устройстве для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы используется датчик фаз дыхания, который сам является объектом изобретения.

Известно устройство для исследования параметров дыхания, содержащее термочувствительный датчик, выполненный в виде полого с отверстиями в торцах, усеченного конуса из поляризованного сегнетоэлектрического материала, с внешней и внутренней сторон которого расположены электроды, покрытые слоем изоляционного материала и соединенные через усилитель с регистратором. Это устройство имеет малые габариты, отличается простотой, но не может быть использовано в устройстве для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы из-за низкого быстродействия, инерционности и низкой точности выделения пауз на входе и выходе.

Датчик фаз дыхания [2] содержит датчик дыхания, выполненный в виде трубки, в которой размещены нагреватель, два терморезистора, образующие с двумя резисторами измерительный мост, последовательно соединенные дифференциальный усилитель, дифференциальное звено, усилитель-ограничитель, инвертор, триггер Шмитта, RS-триггер, дешифратор и регистратор, а также второй триггер Шмитта, включенный между усилителем ограничителем и вторым входом RS-триггера, выходы RS-триггера дополнительно соединены с входами дешифратора, входы которого соединены с регистратором. Этот датчик позволяет выделить все фазы дыхания, имеет достаточно высокое быстродействие, однако он не может использоваться в устройстве для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы из-за низкой точности регистрации фаз дыхания и наличия грубых ошибок из-за случайных срабатываний триггеров Шмитта.

Целью изобретения является создание высокочувствительного, малогабаритного, экономичного регистратора фаз дыхания, имеющего высокую точность регистрации пауз дыхания перед входом и выходом.

Это достигается тем, что в датчик фаз дыхания, содержащий усилитель-ограничитель, инвертор, аналого-цифровой преобразователь и датчик дыхания, выполненный в виде трубки, в которой размещены два терморезистора, включены два преобразователя температура-напряжение с автобалансным мостом, второй усилитель-ограничитель, аналогичный первому, удвоитель напряжения, двухвходовый весовой сумматор с весами входов 1,0 и 0,5, а трубка датчика дыхания разделена на две камеры, проходную, в которой размещен первый терморезистор, и глухую, в которной размещен второй терморезистор, при этом каждый терморезистор включен в цепь положительной обратной связи соответствующего автобалансного моста, выход первого преобразователя температура-напряжение через первый усилитель-ограничитель соединен с весовым входом 1,0 весового сумматора, выход второго преобразователя температура-напряжение через последовательно соединенные удвоитель напряжения, второй усилитель-ограничитель и инвертор соединен с весовым входом 0,5 весового сумматора, выход весового сумматора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.

Самостоятельным объектом изобретения является способ тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы с использованием предлагаемого устройства.

Известен способ лечения больных, перенесших инфаркт миокарда, описанный в статье М.Г.Николашвили и др. "Применение велотренажерной системы на стационарном этапе реабилитации больных ИМ". Актуальные вопросы кардиологии. Сборник научных трудов. Институт клинической и экспериментальной кардиологии г. Тбилиси, 1988 г. стр. 64-70.

По этому способу через 1,5 ч после лечебной гимнастики проводились тренировки на велоэргометре при тренировочной нагрузке, равной 30-35% от пороговой.

Тренировочный пульс (целевая частота сердечных сокращений) рассчитывался по формуле:

Р_тр Р_п + 60% (Р_макс Р_п), где Р_тр тренировочный пульс;

Р_п пульс покоя;

Р_макс максимальный пульс, полученный при велоэргометрии.

Целевая частота сердечных сокращений поддерживалась при тренировке на одном уровне в течение 3-5 мин. Недостаток этого способа в том, что в процессе тренировки больные сразу выходили на тренировочную нагрузку, которая поддерживалась постоянной до конца тренировки, поэтому эффективность лечения оказалась недостаточно высокой, а в одном случае результаты оказались даже хуже, чем в контрольной группе.

Способ тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы [1] состоит из следующих операций:

размещают пациента на механическом тренажере, тренировочная нагрузка которого может оперативно изменяться;

подключают преобразователь частоты сердечных сокращений (ЧСС) к пациенту;

подключают преобразователь тренировочной нагрузки к тренажеру;

непрерывно следят за ЧСС пациента рекурсивной выборкой сигнала, соответствующего ЧСС пациента за ряд последовательных отрезков времени;

усредняют сигналы по ряду последовательных отрезков времени выборки для обеспечения точности;

определяют целевую частоту сердечных сокращений для тренировочных и лечебных целей пациента;

определяют тренировочный период времени для пациента;

приводят в действие тренажер для предъявления переменной тренировочной нагрузки пациенту;

постепенно увеличивают тренировочную нагрузку, чтобы увеличить ЧСС пациента в течение периода разогрева;

устанавливают начало отсчета времени тренировочного периода, когда текущая ЧСС окажется в пределах предварительно определенного диапазона ЧСС;

увеличивают, уменьшают или поддерживают тренировочную нагрузку для поддержания текущей ЧСС пациента в заранее заданных пределах вблизи целевой ЧСС в течение тренировочного периода и предотвращения как недогрузки, так и перегрузки;

постепенно снижают рабочую нагрузку по окончании тренировочного периода до тех пор, пока текущая ЧСС не снизится до предварительно заданного уровня;

осуществляют контроль за тем, чтобы ЧСС пациента находилась в приемлемых границах во время тренировки и автоматически отключают нагрузку, если текущая ЧСС существенно изменится, превышая заданные пределы.

Этот способ имеет более высокую эффективность, так как в период разогрева пациент адаптируется к нагрузке, а после тренировки постепенно выходит из тренировочного режима. Однако из-за того, что контроль во время тренировки ведется только по частоте сердечных сокращений, сравнительно велика вероятность возникновения функциональных нарушений сердечно-сосудистой системы во время и после тренировки.

Целью изобретения является снижение фактора риска при тренировке и лечении сердечно-сосудистой системы с использованием дозированной физической нагрузки, а также повышение эффективности тренировки и ускорение восстановления (реабилитации) при лечении сердечно-сосудистой системы за счет обеспечения оптимального режима дыхания.

Это достигается тем, что в способе тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, состоящем в том, что перед началом лечения исследуют общеклиническое и функциональное состояние сердечно-сосудистой системы пациента, толерантность пациента к физическим нагрузкам и определяют значения тренировочных нагрузок и соответствующие им значения целевых частот сердечных сокращений, продолжительность тренировки и характер изменения нагрузки во время тренировки, перед началом каждой тренировки измеряют артериальное давление и регистрируют электрокардиограмму, после чего в период разогрева постепенно увеличивают нагрузку на пациента с помощью тренажера до начальной тренировочной нагрузки, затем во время тренировки постоянно измеряют текущее значение частоты сердечных сокращений пациента, изменяют тренировочную нагрузку в соответствии с выбранным характером изменения, сранивают текущее значение частоты сердечных сокращений с целевой частотой, соответствующей значению тренировочной нагрузки и по результатам сравнения изменяют тренировочную нагрузку, поддерживая частоту сердечных сокращений в пределах заданного значения, постепенно уменьшают нагрузку перед окончанием тренировки до снижения текущей частоты сердечных сокращений до предварительно заданного значения, после чего прекращают работу на тренажере, дополнитель перед началом тренировки измеряют и регистрируют коэффициент аритмии, время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы, определяют тренировочный ритм дыхания, во время тренировки постоянно измеряют текущее значение коэффициента аритмии, время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы, отклонение текущего значения частоты сердечных сокращений от значения целевой частоты сердечных сокращений, смещение сегмента ST в электрокардиограмме, а также постоянно сигнализируют пациенту об отклонении текущей частоты сердечных сокращений от целевой и об отклонении текущего ритма дыхания от заданного тренировочного, при этом если текущее значение коэффициента аритмии больше зарегистрированного перед тренировкой или отклонение текущей частоты сердечных сокращений от целевой в течение заданного времени будет превышать заданную величину, то регистрируют текущую электрокардиограмму, сравнивают ее с записанной до начала тренировки и по результатам сравнения принимают решение о продолжении или прекращении тренировки. Если время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца будет меньше заданной величины, то измеряют артериальное давление у пациента и по результатам измерения принимают решение о продолжении или прекращении тренировки, если же смещение сегмента ST в электрокардиограмме превышает заданную величину, то немедленно прекращают тренировку.

Кроме того, во время тренировки измеряют длительность каждой фазы дыхания пациента и сигнализируют пациенту об отклонении их от тренировочной на каждом цикле дыхания.

Определяют отношение длительности фазы "вдох" к длительности фазы "выдох" на каждом цикле дыхания, сравнивают его с заранее заданным и, если оно больше заданного более чем в трех циклах подряд, отключают нагрузку, регистрируют текущую электрокардиограмму, сравнивают ее с зарегистрированной до начала тренировки и по результатам сравнения принимают решение о продолжении тренировки.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы; на фиг. 2 структурная схема преобразователя частоты сердечных сокращений; на фиг. 3 структурная схема преобразователя время-код; на фиг. 4 структурная схема преобразователя электрокардиограммы; на фиг. 5 структурная схема преобразователя фаз дыхания; на фиг. 6 структурная схема преобразователя нагрузки; на фиг. 7 структурная схема датчика фаз дыхания; на фиг. 8 структурная схема устройства для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы, реализованной на микроЭВМ ZX-Спектрум; на фиг. 9 структурная схема программы управления и контроля электронно-вычислительной машины; на фиг. 10 структурная схема программы тренировки микрокомпьютера; на фиг. 11 алгоритм определения Р_ср, t_а, смещения сегмента ST и К_а; на фиг. 12 алгоритм определения фаз дыхания; на фиг. 13 алгоритм контроля тренировочной нагрузки.

Устройство (фиг. 1) содержит блок управления 1, который состоит из электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 2 и подключенных к ней дисплея 3, накопителя на магнитных дисках (НДМ) 4, интерфейса 5.

ЭВМ 2 через интерфейс 5 связана с рядом тренажеров, каждый из которых содержит микрокомпьютер 6 с индикатором 7, интерфейс 8, блок гальванической развязки (БГР) 9, микроконтроллер 10, преобразователь нагрузки 11, нагрузочный блок 12, преобразователь 13 частоты сердечных сокращений, преобразователь 14 электрокардиограммы, преобразователь 15 фаз дыхания.

Нагрузочный блок 12 соединен с интерфейсом 8 через преобразователь 11. Преобразователи 13, 14 и 15 соединены с интерфейсом 8 через микроконтроллер 10 и УГР 9. Интерфейсы 8 всех тренажеров подключены к линии связи с интерфейсом 5.

Преобразователь 13 (фиг. 2) содержит последовательно соединенные датчик пульса 16, преобразователь 17 время-код, регистр 18 и дешифратор адреса 19. Входы регистра 18 "установка в 0" и "запись" соединены с управляющими выходами преобразователя 17, вход регистра 18 "считывание" подключен к шине управления микроконтроллера 10, входы дешифратора 19 подключены к шине адреса микроконтроллера 10, разрядные выходы регистра 18 к шине данных микроконтроллера 10.

Преобразователь 17 (фиг. 3) содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов (ГТИ) 20 и счетчик 21, к входу "уст ановка в 0" которого подключена цепочка из последовательно соединенных формирователя импульсов 22, формирователя 23 заднего фронта импульса и элемента задержки 24, выходы формирователей 22 и 23 соединены с входами "установка в 0" и "запись" регистра 18, разрядные выходы счетчика 21 с разрядными входами регистра 18.

Преобразователь 14 (фиг. 4) содержит последовательно соединенные датчик электрокардиограммы 25, усилитель 26 с дискретно перестраиваемой полосой и управляемым коэффициентом усиления, преобразователь напряжение-код 27, первый регистр 28 и дешифратор адреса 29, а также второй регистр 30, разрядные выходы которого подключены к входам управления усилителя 26. Разрядные выходы регистра 28 и разрядные входы регистра 30 соединены с шиной данных микроконтроллера 10, входы дешифратора адреса 23 соединены с шиной адреса микроконтроллера 10, вход считывания регистра 28 и вход записи регистра 30 соединены с шиной управления микроконтроллера 10.

Преобразователь 15 (фиг. 5) содержит последовательно соединенные датчик фаз дыхания 31, регистр 32 и дешифратор адреса 33. С микроконтроллером 10 соединены разрядные выходы регистра 32 с шиной данных, входы дешифратора адреса 33 с шиной адреса, вход считывания регистра 32 с шиной управления.

Преобразователь 11 (фиг. 6) содержит микроконтроллер 35, соединенный входом через датчик скорости 35, а выходом через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 36 и задатчик нагрузки 37 с нагрузочным блоком 12.

Устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы предназначена для использования в лечебных центрах, санаториях, центральных поликлиниках при одновременной реабилитации множества больных с различными стадиями заболеваний. Устройство обслуживается одним врачом в смену. В качестве примера практической реализации устройства описана система, реализованная на микроЭВМ типа ZX-Спектрум.

На фиг. 8 приведена структурная схема устройства, в которой в качестве ЭВМ 2 используется микроЭВМ типа ZX-Спектрум с накопителем на магнитных дисках 3, дисплеем 4 типа 32ВТЦ201 и интерфейсом 5 типа RS232, в качестве нагрузочного блока 12 велотренажер типа ВЭТО5С, в качестве микрокомпьютера 6 микроЭВМ типа ZX-Спектрум с индикатором 7 типа 32ВТЦ201 и интерфейсом 8 типа RS232, в качестве микроконтроллера 10 и блока гальванической развязки 9 однокристальная микроЭВМ КР1816ВЕ35 и ретранслятор сигналов интерфейса RS232 с трансформаторной развязкой с изоляцией по ГОСТ 12.2.075-76 класс 11BF, в качестве преобразователей 11, 13, 14 и 15 блоки, структурные схемы которых соответствуют приведенным на фиг. 2, 3, 4, 6 и 7.

Устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы работает следующим образом.

На магнитных дисках ЭВМ 2 записаны управляющая программа тренировки, программа редакции нагрузок, библиотека нагрузок по функциональным классам пациентов, исходные данные о каждом пациенте. Все управление происходит в диалоговом режиме с использованием простейших процедур.

После загрузки программного обеспечения возможно два варианта работы программы. Программа редактирования нагрузок предназначена для создания библиотеки программ, необходимых для задания нагрузок пациентам, занимающимся на тренажерах.

Нагрузки относят к трем основным функциональным классам: легкие при щадящем режиме, средние при щадяще-тренирующем режиме, интенсивные при тренирующем режиме. В том случае, когда пациенту нужно задать какой-то особый, неординарный вариант нагрузки, запланирован подраздел в функциональных классах "ПРОЧИЕ".

Виды нагрузок в функциональных классах подразделяются на нагрузки постоянной мощности, непрерывно возрастающие, ступенчато возрастающие прерывистые, ступенчато возрастающие непрерывные, двухуровневые ступенчатые, непрерывно возрастающие спадающие и т.д.

Инструктор (врач) поочередно вызывает на экран дисплея графики нагрузок, относящиеся к функциональному классу пациента, выбирает из них тот, который по его мнению наиболее подходит для тренировки.

Если необходимо создать новый график нагрузки, то инструктор (врач) переводит программу в режим редактирования. В этом случае на экране индицируются только координатные оси графика (по вертикальной проценты от максимальной нагрузки, по горизонтальной время тренировки в минутах). Используя джойстик и перемещая маркер по полю графика, инструктор вырисовывает планируемую нагрузку, а затем заносит ее график в библиотеку программ нагрузок.

Программа проведения тренировки состоит из двух частей (программ), которые взаимодействуют между собой и работают в различных ЭВМ: программа управления и контроля работает в ЭВМ 2 врача, программа тренировки в микрокомпьютере 6 тренажера.

Программа управления и контроля ЭВМ 2 выполняет следующие функции:

выбор и задание графика нагрузки каждому пациенту и пересылка выбранных программ тренировки на рабочие места пациентов;

контроль за поступлением тревожных сообщений с рабочего места пациента;

запрос результатов тренировки и ЭКГ с рабочего места пациента, от которого поступило тревожное сообщение;

фиксация результатов тренировки каждого пациента на магнитном диске.

На фиг. 9 приведена возможная структурная схема программы управления и контроля ЭВМ 2.

Управление программой осуществляется джойстиком или с клавиатуры (Р вправо, О влево, А вниз, G вверх, ENTER гашетка). После загрузки программы на экране монитора появляется основное "меню", содержащее режимы "загрузка", "ввод", "данные", "Контроль ТС", "Контроль ЭКГ", "ИТОГИ".

В режиме "Загрузка" программа определяет включенные рабочие места пациента и поочередно в каждое рабочее место загружает программу управления тренировкой. Затем в режиме "ввод" вводятся исходные данные для программы тренировки: имя пациента, максимально допустимая нагрузка N_макс, максимально допустимое давления АДмакс, график изменения нагрузки во времени N F(T), время тренировки Т_тр, включая период разогрева Т_раз и период восстановления Твосс, максимально допустимая частота сердечных сокращений Р_макс. Программа рассчитывает значения тренировочных нагрузок и соответствующие им целевые частоты сердечных сокращений N_тр и Р_тр, минимальное время распространения пульсовой волны t_a мин, соответствующее допустимому давлению АДмакс, после чего N_тр F(T), Р_тр F(T), t_aмин, Р_макс и имя пациента передаются в микрокомпьютер 6. После поступления из микрокомпьютера 6 сигнала готовности к работе исходные данные перед началом тренировки записываются на магнитный диск и(или) распечатываются. Одновременно записывается ЭКГ. После того, как будут введены данные на все рабочие места пациентов, включается режим контроля тревожных сообщений с рабочих мест пациентов. При обнаружении тревожного сообщения от какого-либо рабочего места пациента программа переходит в режим "контроля ЭКГ", вызываются исходные данные (ИД) с этого рабочего места, текущее значение частоты сердечных сокращений Р, нагрузки N, время распространения пульсовой волны t_a и текущая электрокардиограмма ЭКГ выводятся на экран видеомонитора, одновременно индицируются исходные данные и ЭКГ, снятые перед тренировкой. Врач анализирует насколько значимы изменения, вызвавшие тревожное сообщение, и по результатам этого анализа принимает решение прекратить ли тренировку, продолжить ли ее в прежнем режиме, или же после изменения нагрузки. Если принимается решение продолжить тренировку с корректировкой исходных данных, то программа переходит в режим "ввод". По окончании тренировки программа работает в режиме "ИТОГИ". В этом режиме на магнитный диск записываются результаты тренировки каждого пациента.

Прежде чем описать программу, выполняемую микропроцессором 6, опишем работу преобразователей 11, 13, 14, 15.

Преобразователь 13 (фиг. 2) преобразует сигнал датчика 16 пульса в код, значение которого соответствует длительности кардиоцикла (R-R интервала). Фотоплетизмографический датчик 16 пульса закрепляется на мочке уха. Формирователь 22 импульса при нарастании пульсовой волны до определенного уровня формирует импульс длительностью около 100 мс, которым регистр 18 устанавливается в нулевое состояние. Формирователь 23 заднего фронта по окончании импульса установки нуля формирует импульс записи, с помощью которого в регистр 18 записывается код состояния счетчика 21, который подсчитывает количество тактовых импульсов генератора 20 между двумя импульсами установки в "нуль" счетчика 21, которые формируются формирователем 23 и задерживаются элементом 24. Таким образом, в регистре 18 хранится код текущего значения длительности кардиоцикла. Перед записью каждого нового кода регистр 18 около 100 мс находится в нулевом состоянии.

Преобразователь 14 электрокардиограммы преобразует электрокардиосигнал, снимаемый со второго стандартного отведения в двоичный код. Электрод, соединенный с левой ногой, подключается к сигнальному входу усилителя 26, электрод, соединенный с правой рукой к корпусу. Усилитель 26 может быть реализован на микросхемах К572ПА1 (управляемый кодом делитель тока) и К140УД12 (операционный усилитель) по схеме, приведенной в Б.Г.Федорков и др. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. М. "Радио и связь", 1984 г. стр. 47. Полоса пропускания изменяется переключением конденсаторов входной цепи, коэффициент переключением резисторов в цепи обратной связи. Изменение полосы пропускания необходимо для снижения влияния высокочастотных помех, изменение коэффициента усиления необходимо для калибровки преобразователя 14. Управление усилителем 26 осуществляется при тестировании преобразователей перед тренировкой. Выходное напряжение усилителя 2 аналого-цифровым преобразователем 27 преобразуется в код, который записывается в регистр 29. Таким образом, код в регистре 29 соответствует уровню электрокардиосигнала.

Преобразователь 15 предназначен для преобразования скорости движения воздуха при входе и выходе в код. На выходе датчика 31 фаз дыхания код равен нулю в паузах, больше нуля при выходе и меньше нуля при вдохе. Этот код записывается в регистр 32.

Преобразователь 11 предназначен для преобразования кода тренировочной нагрузки в сигнал управления для нагрузочного блока 12. В частности, когда нагрузочный блок представляет собой велоэрготест ВЭТ-05С, управление нагрузкой осуществляется изменением тока электромагнита тормоза, т.е. задатчик нагрузки 37 представляет собой усилитель тока. Микроконтроллер 34 обеспечивает съем информации о скорости педалирования и передачу этой информации в микрокомпьютер 6 для определения реальной нагрузки за время тренировки и передачу кода тренировочной нагрузки из микрокомпьютера 6 в задатчик нагрузки 37.

Если в качестве нагрузочного блока 12 используется механизированная дорожка, то управление нагрузкой осуществляется ступенчатым включением двигателя подъемного устройства и изменением напряжения питания двигателя скорости, а контроль по информации от датчика скорости движения механизированной дорожки. Если в качестве нагрузочного блока используется силовой тренажер, например, устройство для тренировки гребцов или тренажер для занятий общефизической подготовкой с отягощением, то управление нагрузкой осуществляется изменением тока электромагнитной муфты, управляющей натяжением нагрузочной пружины, а контроль по количеству срабатываний датчика движений.

Микроконтроллер 10 обеспечивает последовательный съем информации с преобразователей 13, 14, 15. Частота опроса 100 кГц. Преобразователи 13, 14 опрашиваются поочередно через 20 мс каждый, преобразователь 15 опрашивается через 0,2 с во время опроса преобразователя 14.

Программа тренировки, возможная структурная схема приведена на фиг. 10, на каждом рабочем месте пациента управляет процессом тренировки с необходимыми тренировочными нагрузками в каждый момент тренировки и обеспечивает контроль и индикацию:

текущей реальной нагрузки;

текущей частоты сердечных сокращений;

отклонения текущей частоты сердечных сокращений от целевой частоты сердечных сокращений;

текущего времени тренировки;

текущего значения времени распространения пульсовой волны;

смещения участка ST электрокардиограммы за время тренировки;

изменения значения коэффициента аритмии;

текущей частоты дыхания;

отклонения текущей частоты дыхания от заданной;

нарушения ритма дыхания.

После загрузки программы вначале осуществляется тестирование преобразователей, во время которого происходит проверка работоспособности датчиков 16, 25, 31 и преобразователей 11, 13, 14, 15 и установка параметров усилителя 30.

После тестирования преобразователей в ЭВМ 2 выдаются сигналы готовности к тренировке, параметры состояния сердечно-сосудистой системы пациента перед тренировкой (частота сердечных сокращений Р, время распространения пульсовой волны t_a, электрокардиограмма), которые фиксируются в памяти ЭВМ 2. После этого начинается отсчет времени тренировки.

Каждые 20 мс запускается программа контроля частоты сердечных сокращений (Р), времени распространения пульсовой волны (t_a), смещение сегмента ST электрокардиограммы и изменения коэффициента аритмии (К_а).

Каждые 10 с запускается программа контроля тренировочной нагрузки (Nтр), частоты дыхания (Д) и фиксации данных тренировки. Одновременно проверяется текущее время тренировки на равенство времени конца тренировки. При равенстве тренировка прекращается и все результаты тренировки из микрокомпьютера 6 переписываются в память ЭВМ 2.

Вышеупомянутые программы заканчиваются проверкой на наличие тревожного сигнала. Если он отсутствует, то программы выполняются на последующих циклах. Если имеется тревожный сигнал, то в ЭВМ 2 выдается текущая электрокардиограмма и данные тренировки, дальнейшее выполнение программы приостанавливается и ожидается решение врача. Если по результатам анализа электрокардиограммы и данных тренировки врач принимает решение о продолжении тренировки, то программа будет продолжаться с текущего времени, если будет принято решение о прекращении тренировки, то тренажер выключается и в ЭВМ 2 передаются все результаты тренировки.

Программа контроля Р, t_a, смещения сегмента ST электрокардиограммы и К_а выполняется следующим образом. На каждом двадцатимилисекундном такте с преобразователей 13, 14 считывается содержимое регистров 18 и 28. Содержимое регистра 28 проверяется по трем условиям.

Первое условие позволяет выделить появление R-зубца в электрокардиограмме. Появление R-зубцв выделяется из условия, что уровень электрокардиосигнала (Э) больше половины максимальной амплитуды положительного выброса электрокардиосигнала в электрокардиограмме до начала тренировки, т.е.

Э > Э1 0,5 Э_макс.

Текущее время этого события позволяет выделить время появления S-зубца в электрокардиограмме. Появление S-зубца выделяется из условия, что через заданное время после выявления R-зубца уровень электрокардиосигнала Э станет меньше заданного порога Э2, который выбирается на 0,1-0,2 мВ больше уровня S-зубца в электрокардиограмме перед тренировкой. Если в течение заданного времени после появления R-зубца не будет выделен S-зубец, то вырабатывается сигнал тревоги.

Третье условие позволяет определить смещение сегмента ST электрокардиограммы в процессе тренировки. В этом случае уровень кардиосигнала Э через заданное время после появления S-зубца сравнивается с аналогичным уровнем электрокардиосигнала Э3 электрокардиограммы до начала тренировки. Разница между двумя уровнями (Э Э3 дЭ) и будет определять смещение сегмента ST. Если это смещение по абсолютной величине будет превышать заданную величину, то вырабатывается тревожный сигнал.

Содержимое регистра 18 проверяется по двум условиям.

Если содержимое регистра 18 равно нулю, то фиксируется текущее время этого события и оно считывается временем окончания распространения пульсовой волны (t_к). Из этого времени вычитается время начала распространения пульсовой волны и вычисляется текущее время t_a t_k t_н, которое сравнивается с заданным t_a мин. Если текущее время распространения пульсовой волны t_a меньше заданного, то вырабатывается тревожный сигнал.

Если содержимое регистра 18 не равно нулю, то выполняется программа вычисления среднего значения частоты сердечных сокращений (Р_ср) и коэффициента аритмии (К_а).

Содержимое регистра 18 Т_i сравнивается со средним значением длительности кардиоцикла Т_ср. Если Т_i T_ср: > 0,5Т_ср, т.е. текущее значение длительности кардиоцикла значительно отличается от среднего значения, то текущее значение длительности этого кардиоцикла при вычислении среднего значения не учитывается, а отмечается факт появления экстрасистолы. Факты появления экстрасистол подсчитываются и, если их число до окончания вычисления Т_ср превысит заданное число (А > А_кр), то тренировка прекращается и выдается тревожный сигнал.

Если Т_i T_ср: < 0,5 Т_ср, то T_i суммируется с ранее измеренными. Для определения Т_ср суммируется фиксированное (М_кр) количество Т_i. Среднее значение длительности кардиоциклов определяется по формуле

T_ср

Средняя частота сердечных сокращений

Р_ср 60/Т_ср, уд./мин.

коэффициент аритмии К_а А/М_кр.

Вновь вычисленное Р_ср сравнивается с максимально допустимой для пациента частотой сердечных сокращений Р_макс и, если Р_ср > Р_макс, то вырабатывается тревожный сигнал.

Вновь измеренный К_а сравнивается с значением К_ао, измеренным до тренировки, и если К_а > К_ао, то вырабатывается тревожный сигнал и тренировка прекращается.

Программа контроля нагрузки выполняется следующим образом. Через каждые 10 с проверяется соответствие текущей частоты сердечных сокращений тренировочной нагрузке. Из памяти микрокомпьютера 6 извлекаются соответствующие текущему времени значения тренировочной частоты сердечных сокращений Р_тр и тренировочной частоты сердечных сокращений Р_тр и тренировочной нагрузки N_тр. Из преобразователя 11 считывается значение частоты педалирования "w". Код N_тр передается в преобразователь 11 и преобразуется для задания тренировочной нагрузки. Р_тр сравнивается с текущим Р_ср. Если разница между Р_тр и Р_ср не выходит за заданные пределы, то нагрузка сохраняется и в память микрокомпьютера 6 записываются данные тренировки (текущее время, Р_ср, t_a и реальная нагрузка N). Если разница между Р_тр и Р_ср будет превышать предельное значение, то тренировочная нагрузка уменьшается за заданную величину, если Р_ср больше или увеличивается на заданную величину, если Р_ср меньше, и устанавливается время ожидания в одну минуту. Если за это время Р_ср в пределах допуска сравнялось с Р_тр, то тренировка продолжается дальше без изменений, если же нет, то вырабатывается тревожный сигнал. Для того, чтобы пациент лучше контролировал прохождение тренировки, на экране дисплея каждые 10 с отображаются Р_ср, дР Р_тр Р_ср и w.

Программа контроля фаз дыхания выполняется в следующей последовательности (фиг. 12).

Регистр 32 опрашивается каждые 200 мс. Содержимое регистра 32 проверяется на равенство нулю. Содержимое регистра 32 будет больше нуля, если опрос произошел во время выдоха, равно нулю, если опрос произошел во время паузы и меньше нуля, если во время вдоха.

Если содержимое регистра 32 больше нуля, то вначале проверяется зафиксировано ли время появления этого факта (ТД1). Если оно не зафиксировано, т.е. ТД1 0, то текущее время фиксируется как начало выдоха (ТД1 ti).

Затем проверяется было ли зафиксировано на предыдущих тактах время начала паузы ТД2 или время начало вдоха ТД3. Если было зафиксировано ТД2, то вычисляется длительность паузы перед выдохом Тп1 ТД1 ТД2, если ранее было зафиксировано ТД3, то вычисляется длительность вдоха Твд ТД1 ТД3.

Если содержимое регистра 32 равно нулю, то проверяется было ли раньше зафиксировано время начала паузы ТД2. Если не было, то текущее время фиксируется как ТД2. Затем проверяется, что было ранее зафиксированно ТД1 или ТД3. Если ранее было зафиксировано ТД1, то вычисляется длительность выдоха Твыд ТД2 ТД1. Если ранее было зафиксировано ТД3, то вычисляется длительность вдоха Т_вд ТД2 ТД3.

Если содержимое регистра 32 не больше "нуля" и не равно "нулю", т.е. меньше "нуля", то проверяется зафиксировано ли время появления этого факта ранее. Если нет, то текущее время фиксируется как время начала вдоха ТД3. Затем проверяется, что было зафиксировано на предыдущих тактах ТД2 или ТД1. Если было зафиксировано ранее ТД2, то вычисляется длительность паузы перед вдохом ТП2 ТД3 ТД2, если зафиксировано ранее ТД1, то вычисляется длительность выдоха Т_выд ТД3 ТД1.

При выполнении программы контроля фаз дыхания осуществляется индикация графика дыхания на индикаторе 7. Заданный график дыхания отображается сплошной линией одного цвета, текущий график дыхания отображается точками другого цвета.

Тревожный сигнал вырабатывается, если в течение трех измерений при очень коротких паузах суммарная длительность вдоха будет в три раза превышать длительность выдоха. Наличие тревожного сообщения будет свидетельствовать об отдышке у пациента и о необходимости прекратить тренировку.

Таким образом, предлагаемое устройство для тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы имеет существенные преимущества перед известными. Оно позволяет практически полностью исключить фактор риска при реабилитации больных, перенесших заболевания сердечно-сосудистой системы.

Это достигается за счет того, что при проведении тренировки дополнительно контролируется повышение артериального давления у пациента, адаптация сердечно-сосудистой системы к смене нагрузки, возможность возникновения патологических явлений, предвестником которых является появление экстрасистол или отдышка.

Кроме того, устройство позволяет оптимизировать режим тренировки путем использования биологической обратной связи по частоте сердечных сокращений и дыханию.

Особенно эффективно при тренировке выдерживать заданный ритм дыхания, так как сама дыхательная гимнастика является лечебным мероприятием. Контроль за ритмом дыхания, длительностью каждой из фаз дыхания, существенно расширяют возможности изобретения.

Устройство разработано для применения в санаторно-курортной практике, а также для реабилитационных и восстановительных центров, рассчитано на одновременную работу с десятью пациентами.

Датчик фаз дыхания (фиг. 5) содержит датчик дыхания 38, выполненный в виде трубки 39, разделенной на проходную 40 и глухую 41 камеры, в проходной камере 40 размещен терморезистор "вдох" 42, а в глухой камере 41 терморезистор "выдох" 43, каждый из терморезисторов 42, 43 включены в цепь положительной обратной связи преобразователей 44, 45 температура-напряжение с автобалансным мостом. Преобразователь 44 содержит усилитель 46, охваченный положительной обратной связью (резистор 48 и терморезистор 43) и отрицательной (резистор 50, 51) обратной связью, преобразователь 45 содержит усилитель 47, охваченный положительной (резистор 49 и терморезистор 42) и отрицательной (резисторы 52, 53) обратной связью. Выход преобразователя 44 через усилитель-ограничитель 54 соединен с первым входом (входом "1,0") весового сумматора 58, выход преобразователя 45 через удвоитель напряжения 55 (усилитель с коэффициентом усиления по напряжению, равным 2), усилитель-ограничитель 56 и инвертор 57 соединены с вторым входом (вход "0,5") весового сумматора 58, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 59. Весовой сумматор 58 представляет собой операционный усилитель 60, охваченный положительной обратной связью через резисторы 61, к неинвертируемому входу которого подключены резисторы 62 и 63. Величина сопротивления резистора 62, подключенного к выходу усилителя-ограничителя 54, равна величине сопротивления резистора 61, величина сопротивления резистора 63, подключенного к выходу инвертора 57, в два раза больше сопротивления резистора 61.

Работает датчик без дыхания следующим образом.

При вдохе и выдохе через трубку датчика дыхания 38 протекают потоки воздуха, при вдохе поток воздуха проходит через проходную камеру 40, при выдохе воздух дополнительно попадает в глухую камеру 41. В исходном состоянии при отсутствии воздушных потоков, при включении питания датчика температура терморезисторов 42, 43 низкая, сопротивление велико и коэффициент положительной обратной связи в преобразователях 44, 45 превышает коэффициент отрицательной обратной связи, выходной ток каждого усилителя разогревает терморезистор до тех пор, пока коэффициенты положительной и отрицательной обратной связи не сравняются.

С этого момента мост каждого преобразователя 44, 45 автобалансируется, т.е. выходной ток усилителя будет поддерживать постоянным сопротивление терморезистора. При обдувании терморезистора потоком воздуха на вдохе или выдохе, температура терморезистора уменьшается, сопротивление возрастает, выходной ток усилителя увеличивается с тем, чтобы скомпрессировать падение температуры терморезистора. Когда обдув прекращается, температура терморезистора повышается, сопротивление уменьшается и соответственно уменьшается выходной ток усилителя, чтобы скомпрессировать повышение температуры терморезистора. Таким образом на выходе преобразователя 44 будут положительные импульсы при каждом выдохе, а на выходе преобразователя 45 при каждом вдохе и выдохе. В усилителе 54 и удвоителе напряжения 55 компенсируется постоянная составляющая (убирается пьедестал).

Осуществляется это либо подачей соответствующего смещения в входную цепь усилителя, либо путем потенциальной развязки с помощью оптоэлектронной пары. Усилители-ограничители 54 и 55 имеют одинаковый порог ограничения. Напряжение с усилителя-ограничителя 56 инвертируется с помощью инвертора 57 и подается на вход операционного усилителя 60 через резистор 63, сопротивление которого в 2 раза больше каждого из сопротивлений резисторов 62, 61 и таким образом на выходе сумматора 58 получается результат вычитания из напряжения с выхода усилителя-ограничителя 56, а напряжение на выходе сумматора 58 положительно при вдохе, равно нулю в паузах и отрицательно при выдохе, амплитуда положительного и отрицательного напряжений равна половине порога ограничения усилителей-ограничителей 54, 56. Знак кода на выходе АЦП 59 свидетельствует о фазе дыхания.

Датчик фаз дыхания имеет более высокую точность регистрации фаз дыхания. Это обусловлено следующими обстоятельствами. В устройстве-прототипе терморезисторы размещены в трубке датчика дыхания с разных сторон нагревателя, поэтому при вдохе или выдохе один терморезистор нагревается, а другой охлаждается, поэтому из-за конденсации влаги выдыхаемого воздуха на одном из терморезисторов ухудшается крутизна характеристики датчика, снижается точность выделения фаз дыхания. Кроме того, чувствительность датчика во многом зависит от температуры окружающего воздуха, а из-за наличия дифференцирующего звена при энергичных вдохах и выдохах возможны ложное срабатывание RS-триггера и искажение информации при вдохе или выдохе. В предлагаемом датчике дыхания терморезисторы разогреты до 100^o С, датчик дыхания реагирует только на охлаждение терморезистора и так как температура терморезистора намного выше температуры выдыхаемого и окружающего воздуха, влияние внешней среды не сказывается.

Наличие усилителей-ограничителей позволяет вести обработку нормированных сигналов и снизить влияние флюктуаций внешней температуры на работу датчика фаз дыхания. Действительно, если изменение напряжения на выходе преобразователя температура-напряжение равно

дU U(t) + дU^t, где U(t) изменение напряжения за счет охлаждения терморезистора потоком воздуха;

дU^t изменение напряжения за счет изменения температуры воздуха, пьедестал в усилителе-ограничителе 54 и удвоителе напряжения 55 будет скомпенсирован полностью, а это достигается, если сигнал с преобразователей 44 и 45 подавать через оптоэлектронную пару, то напряжение на выходе усилителя-ограничителя 54

U₅₄ U_пр + кдU^t, а напряжение на выходе усилителя-ограничителя 56

U₅₆ U_пр + 2kдU^t, где U_пр порог ограничения;

k коэффициент усиления усилителя-ограничителя в линейной части.

На выходе весового сумматора напряжение равно при вдохе

U_58вдох kдU^t 0,5U_огр 0,5*2kдU^t-0,5U_огр; при выдохе

U_58выд U_огр + kдU^t 0,5U_огр 0,5*2kдU^t= 0,5U_огр; при паузе

U_58пауз kдU^t 0,5*2kдU^t 0.

Таким образом, при равенстве характеристик преобразователей 44, 45 (это легко достигается подбором терморезисторов 42, 43) и усилителей ограничителей 54, 56 практически можно полностью исключить влияние внешней среды, а так как при вдохе и выдохе напряжения разнополярны, полностью исключаются ошибки в регистрации фаз дыхания.

Датчик фаз дыхания легко реализуется на серийных интегральных микросхемах. В качестве операционных усилителей могут использоваться микросхемы К140УД7, схема преобразователя температура-напряжение с автобалансным мостом описана на стр. 157-158 книги В.Н.Щербакова и Г.И.Грездова "Электронные схемы на операционных усилителях". Справочник, Киев, Техника, 1983.

В качестве аналого-цифрового преобразователя может использоваться ИМС К572ПВ1.

Для реализации предлагаемого способа тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы с использованием предлагаемого устройства врач предварительно изучает общеклиническое состояние пациента по истории болезни, результатам клинического обследования путем внешнего осмотра, определяет его функциональное состояние, способность переносить физические нагрузки с помощью нагрузочной пробы, например с помощью велоэргометрии по методике, описанной в "Инструкции по проведению велоэргометрии", разработанной в Киевском НИИ медицинских проблем физической культуры под руководством профессора Б.П. Преварского (см. ВЭ05.00.00.00.00.ПС. Велоэрготест ВЭ05 "Ритм", Паспорт, совмещенный с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации) или в справочнике под редакцией Т.С.Виноградовой "Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы" с. 123-128, М. "Медицина", 1986 г. В результате велоэргометрии определяются максимально переносимая нагрузка МN, частота сердечных сокращений на максимальной нагрузке МР, пороговая нагрузка РN, тренировочная нагрузка ТRN, максимальная тренировочная нагрузка МТRN, пороговая частота сердечных сокращений РР, целевая частота сердечных сокращений ТRP, максимальная целевая частота сердечных сокращений МТRP. Соотношения между перечисленными величинами рекомендуется выбирать такими: PN 0,75 MN; MTRN 0,85 PN; TRN 0,5 PN; PP 0,75 MP; MTRP 0,75 PP; TRP 0,5 PP.

Начальную нагрузку NN и конечную нагрузку ZN рекомендуется выбирать равными одной пятой или одной четвертой предельной нагрузке РN, т.е.

NN ZN 0,2-0,25 PN.

Все эти данные заносятся в карточку пациента. Кроме того, при велоэргометрии дополнительно измеряется артериальное давление АД при разных нагрузках и соответствующее ему время запаздывания t_a пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы во втором стандартном отведении и на основе этих измерений экспонируется зависимость t_a f(АД).

По этой зависимости определяется значение t_a мин, соответствующее предельному давлению для пациента.

Изучив состояние больного, врач определяет для пациента периодичность проведения тренировок, их продолжительность, характер изменения нагрузки в процессе тренировки, назначает соответствующее медикаментозное лечение. Эти сведения также заносятся в карточку пациента.

Перед каждой тренировкой врач измеряет артериальное давление, снимает электрокардиограмму и на основе анализа электрокардиограммы задает предельное значение параметров функционального состояния сердечно-сосудистой системы предельное значение частоты сердечных сокращений во время тренировки Рмакс, минимальное время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы, допустимое смещение сегмента ST электрокардиограммы во время тренировки дЭ.

Работа на тренажере производится в три этапа. Вначале, в период разогрева, продолжительность которого 3-5 мин, нагрузка на пациента равномерно увеличивается от нулевой до начальной тренировочной NN. Период разогрева необходим, чтобы пациент адаптировался к нагрузке.

Затем наступает период тренировки. Длительность тренировки в зависимости от состояния пациента устанавливается в пределах 10-35 мин. Характер изменения нагрузки выбирается врачом исходя из диагноза заболевания. Нагрузка изменяется в пределах 0,2-0,75PN. Конечная нагрузка устанавливается равной начальной.

По окончании тренировки наступает период охлаждения (восстановления), в течение которого нагрузка постепенно снижается до "нуля". Рекомендуемая продолжительность этого периода не менее 1 мин, однако тренировочное движение при нулевой нагрузке продолжается до тех пор, пока частота сердечно-сосудистых сокращений не снизится до начальной тренировочной.

Выбрав нагрузочную кривую (характер изменения нагрузки во времени) для текущей тренировки, врач определяет целевую частоту сердечных сокращений для каждого уровня нагрузки (для каждой тренировочной нагрузки) и ритм дыхания, который предъявляют пациенту для саморегуляции.

Во время тренировки постоянно измеряются текущая и средняя частота сердечных сокращений, подсчитывается количество экстрасистол и компенсаторных пауз и определяется коэффициент аритмии, измеряется время запаздывания пульсовой волны относительно R-зубца электрокардиограммы во втором стандартном отведении и прогнозируется появление отдышки, измеряется смещение сегмента ST электрокардиограммы и прогнозируется возможность возникновения приступа стенокардии или появления сердечной недостаточности.

Для обеспечения саморегуляции пациентом ритма дыхания и пульса осуществляется отображение рекомендуемого графика дыхания, измеряемого графика дыхания и отклонения текущего пульса от задаваемого. Кроме того, отображается скорость выполнения физических упражнений, чтобы пациент во время тренировки поддерживал ее на постоянном уровне. Врач постоянно контролирует динамику перечисленных параметров и выделяет следующие тревожные симптомы:

1) когда время распространения пульсовой волны становится меньше заданной величины, что свидетельствует о повышении артериального давления до предельно допустимого значения. В этом случае врач измеряет артериальное давление пациента, анализирует изменения в электрокардиограмме, выравнивая текущую электрокардиограмму с электрокардиограммой в состоянии покоя, снятой перед тренировкой. Если артериальное давление действительно равно или больше предельно допустимого или в электрокардиограмме появились существенные изменения, то врач прекращает тренировку и вносит коррективы в программу лечения (назначает дополнительно медикаментозное лечение, изменяет тренировочные нагрузки или длительность тренировки и др.);

2) когда смещение сегмента ST в текущей электрокардиограмме превысит более чем на 0,1 мВ смещения в электрокардиограмме, снятой до тренировки, что сигнализирует о возможности возникновения приступа стенокардии или появления сердечной недостаточности. В этом случае врач прекращает тренировку и вносит коррективы в программу лечения;

3) когда коэффициент аритмии по своему значению превысит значение коэффициента аритмии в состоянии покоя, что сигнализирует о возможности возникновения приступов брадикардии или тахикардии. В этом случае тренировка прекращается, а врач, проанализировав состояние пациента, определяет стратегию дальнейшего лечения;

4) когда частота сердечных сокращений превысит предельно допустимую частоту для пациента, что сигнализирует о перегрузке. В этом случае врач анализирует изменения в электрокардиограмме и, если они не существенны, снижает нагрузку и пациент продолжает тренировку с пониженной нагрузкой;

5) когда частота сердечных сокращений превысит значение целевой частоты и при снижении тренировочной нагрузки в течение заданного времени, например 1 мин, не снизится до значения целевой частоты, что свидетельствует об усталости организма пациента. В этом случае врач анализирует изменения в электрокардиограмме, измеряет артериальное давление и, если нет существенных отклонений, снижает нагрузку или сокращает время тренировки;

6) когда хотя бы при трех вдохах подряд при очень маленьких паузах, например длительность пауз в 10 раз меньше длительности вдоха и выдоха, длительность вдоха в три раза больше длительности выдоха, что свидетельствует о возможности возникновения приступа удушья или появления отдышки. В этом случае тренировка прекращается, врач анализируя состояние пациента, определяет дальнейшую стратегию лечения.

Способ реализуется с помощью предлагаемой системы тренировки и лечения сердечно-сосудистой системы.

Пациента помещают на тренажер 12, на мочке уха закрепляют фотоплетизмографический датчик пульса 16 преобразователя 13 частоты сердечных сокращений, прикрепляют к щиколотке левой ноги и запястью правой руки электроды датчика электрокардиограммы 25 преобразователя 14 электрокардиограммы, устанавливают на голове на кронштейне перед носом и ртом датчик дыхания 31 преобразователя 15 фаз дыхания. Подключают к тренажеру преобразователь 11 нагрузки. Включают ЭВМ 2 врача и микрокомпьютер 6 пациента. Перед началом тренировки снимают и запоминают в памяти ЭВМ 2 электрокардиограмму пациента в состоянии покоя, артериальное давление и коэффициент аритмии, после чего включают тренажер и начинают изменять нагрузку в соответствии с программой тренировки. Пациент начинает крутить педали велотренажера с постоянной скоростью 60 об/мин. На экране индикатора 7 отображается скорость педалирования, текущая ЧСС, отклонение текущей ЧСС от целевой, рекомендуемый график дыхания и график дыхания пациента. С преобразователя 13 в микрокомпьютер 6 постоянно считывается длительность каждого кардиоцикла, с преобразователя 15 скорость движения воздуха при дыхании, с преобразователя 11 нагрузки скорость педалирования. В микрокомпьютере 6 вычисляется текущая средняя частота сердечных сокращений, время распространения пульсовой волны, коэффициент аритмии, смещение сегмента ST в электрокардиограмме, длительность фаз дыхания. Вычисленные значения анализируются и при отклонении их от заданных формируется сигнал тревожного сообщения, который выдается в ЭВМ 2. На экране индикатора 3 ЭВМ 2 отображается текущая электрокардиограмма, электрокардиограмма в состоянии покоя, текущая частота сердечных сокращений, текущая нагрузка, время распространения пульсовой волны. Врач, анализируя изменения в электрокардиограмме и совокупность отображенных на экране величин, определяет возможность продолжения тренировки.

Так как во время выполнения физических упражнений постоянно контролируется состояние сердечно-сосудистой системы пациента и оперативно принимаются решения о изменении нагрузки или о прекращении тренировки, существенно снижается фактор риска ухудшения состояния пациента в результате тренировки.

За время испытаний предлагаемого устройства не было зафиксировано ни одного случая, чтобы ухудшилось состояние пациента во время лечения с использованием тренажера.