Конструкция большинства пульсоксиметров предусматривает снятие показаний с руки. Конструкция пульсометра, носимого на пальце неудобна для активного(подвижного) использования и мониторинга. Использование мочки уха для данной цели и внедрение функций беспроводной связи в полной мере решают описанные проблемы и повышают эргономичность и функциональность устройства.Также конструкция большинства пульсоксиметров предусматривает передачу результатов исследования с помощью проводного интерфейса. С развитием микроэлектроники стали популярны приборы без проводов со встроенным индикатором полученных результатов фотометрического исследования, причем они достаточно компактны. Однако, в наше время IT-технологий на первый план выходит возможность взаимодействия исследующих приборов со smart-устройствами повседневного использования, таких как смартфоны, умные браслеты, часы и многое другое. Следовательно, новой задачей становится внедрение технологий беспроводной передачи данных между устройствами.
Известно, что сигнал периферического пульса является одним наиболее информативных физиологических сигналов. При прохождении через слой вещества (в нашем случае кровь) светового потока с интенсивностью I0 его интенсивность в результате поглощения в слое, отражения и рассеяния уменьшается до значения I. В зависимости от изменения значения I меняется и значение фототока, на котором основываются уже все остальные вычисления.
Мочка уха может служить почти точным «местом определения» величины кровотока организма. Нижняя ветвь поверхностной височной артерии распределяется в основном в области мочки уха. Мочка же обладает наименьшим порогом чувствительности из-за ограниченного болевого восприятия в результате наличия небольшого количества нервов. Все это делает её идеальным местом проведения фотометрических исследований.
Конструкция пульсоксиметра предполагает вставить в компактную клипсу (рисунок 1) излучатель (далее — И) и приемник (далее — П) к мочке уха. Для И предполагается использовать сдвоенные светодиоды: светодиод с длиной волны примерно 660 нм и ИК-светодиод — 940 нм. В качестве П предполагается использовать широкополосный кремниевый фотодиод (350–1100 нм) из-за его наилучшего сочетания со сдвоенными светодиодами и низкого значения темнового тока (2–5 нА), при этом они сочетают в себе механическую прочность, компактность и долгий срок службы. Однако нужно помнить о необходимости усилителя для получения выходных сигналов требуемой амплитуды.
Рис. 1. Схема установки клипсы
Клипса содержащая И и П вставлена в корпус напоминающий слуховой аппарат или Bluetooth гарнитуру, который также содержит источник питания, генератор сигналов, устройство аналоговой обработки сигналов, АЦП, блок управления и модуль беспроводной связи. Световая энергия от излучателя будет проходить через мочку уха и попадая на фотодиод вызывать в нем внутренний фотоэффект т. е. фототок, который в дальнейшем обрабатывается анализирующей частью устройства и отображается на индикаторном устройстве.
На сегодняшний день существует много технологий беспроводной связи: WiFi, Bluetooth, WiMAX, ИК-связь и т. д. Все они работают на радиоволнах, следовательно, для передачи данных используются методы, работающие при помощи радиоканалов определенной частоты. Основные отличия между ними — только в широте и частоте волны.
Исходя из поставленных задач нам подойдут те технологии, которые наиболее распространены в смарт-устройствах (смартфоны, смарт-часы и т. д.). На данный период это Wi-Fi, а также Bluetooth. У каждого есть однозначные минусы, плюсы.
Многие пользователи знают, что эти технологии есть стандарты беспроводной связи, для передачи данных использующие конкретные радиочастоты. Их задачи похожи, а основная общая — это управление передачей данных от одного устройства к другому. Хороший пример, передача файла любого формата с мобильного телефона на компьютер. Её возможно осуществить, применяя Bluetooth, но также и Wi-Fi. По этой причине многие путаются с этими технологиями. Но отличия однозначно имеются и рассмотрены ниже.
Оба, Bluetooth и Wi-Fi (что расшифровывается как «Wireless Fidelity»), это стандарты, основанные на применении своих персональных протоколов.
Стандарт Wireless Fidelity с начала своего появления стал широко применяться для создания локальных сетей. Процесс подключения и настройки сети сильно упрощается без LAN кабелей. Данный стандарт пользуется диапазоном частот 2.4 ГГц — 5 МГц, который чаще всего разделяется на некоторое число каналов.
Что касается расстояния, где функционирует Wi-Fi, оно равняется:
1) примерно 300 м от узла беспроводной сети на открытой площади;
2) примерно 100 м в закрытых помещениях.
Bluetooth же работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц — 2,4835 ГГц, и в сопоставлении с Wi-Fi, обладает радиусом действия короче, только примерно 10 м. Но новейшие версии Bluetooth может функционировать уже в радиусе 100 м, само собой при определенных условиях.
Как говорилось выше, данные устройства работают на различных стандартах. Wireless Fidelity работает на стандарте IEEE 802.11. Устройства Bluetooth же сейчас пользуются стандартом Bluetooth 4.2.
Существенным моментом является установка и подключение устройства. У Bluetooth нет потребности в этом. Его работа проста, не нуждается в настройке аппаратной конфигурации. Надо определить совместимое с Bluetooth устройство, куда передаются данные. Сложно найти ноутбуки, не имеющие встроенную поддержку Bluetooth. В персональный компьютер же можно установить подключаемый к USB-порту Bluetooth–адаптер.
Следующее значительное отличие: скорость, с которой транспортируются (передаются) данные. У Bluetooth скорость выше, чем у еще и восприимчивого к потере данных Wi-Fi. Сети Bluetooth дают возможность передавать данные со скоростью 1 Мбит/с.
Рассматривая сферы их применения, можно отметить, что основная задача Bluetooth: транспортировка данных и файлов с одного на другое устройство. Используя его можно просто получить доступ к Bluetooth-совместимому устройству с персонального компьютера. Что касается Wi-Fi, возможна не только передача данных, но и получение доступа к БД и ПО компьютера, подключенного к сети.
Wi-Fi используется, дольше чем Bluetooth. Современные компьютеры обладают установленноми изначально в них беспроводными картами. Bluetooth сравнительно новая технология. Но во многих устройствах, телефонах и ноутбуках, он тоже встроен. Благодаря высокой скорости и защиты Bluetooth сейчас исследуется и совершенствуется семимильными шагами.
А в итоге мы приходим к выводу. Wi-Fi достаточно распространен, имеет большой радиус передачи данных и больше возможностей, однако он значительно энергозатратен и обладает худшей скоростью в отличие от Bluetooth. Поэтому рассмотрим в общем более энергоэкономичный и скоростной вариант — Bluetooth.
Мы уже выяснили, что для работы Bluetooth-интерфейса выбирают нижний частотный диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical), используемый в работе промышленных, научных, медицинских и некоторых других приборах. Достоинства данного диапазона в том, что во многих странах (включая Россию), он освобожден от лицензирования. Базовая (основная) скорость — 1 Мб/с, в режиме High Speed — 54 Мб/с. Дальность на минимальной и максимальной мощностях 10 м и 100 м соответственно. Ширина канала Bluetooth-устройств: 723,2 Кбит/с и 433,9 Кбит/с в асинхронном и синхронном режимах соответственно. Разработчики новейшей версии Bluetooth утверждают, что от стандартной «таблетки», 3-х вольтовой батарейки типа CR 2025, такой модуль связи сможет работать несколько лет. Для защиты данных он использует 128-битное шифрование AES.
В анализе любого оборудования и принципов его работы важной деталью является их индивидуальное и совокупное воздействие на организм человека.
Для датчика мы используем светодиоды определенных спектров и конечно в зависимости от этого воздействующих на организм. В нашем случае это красный видимый свет и ближний инфракрасный свет. Стоит отметить, что электромагнитное излучение красного спектра в диапазоне 660 нм (450 ТГц) относительно безвредно, а инфракрасное излучение, хотя и является безвредным (тепловым), в коротковолновом диапазоне (0,74 —2,5 мкм) которое может вызвать покраснение и ожог, конечно же, при чрезмерном использовании. Это заставляет ограничивать время ношения устройства и применять специальные методы защиты в программном обеспечении устройства и его конструкции.
Bluetooth устройства при приеме-передаче данных создают некоторое электромагнитное поле вокруг себя, а это конечно негативно отражается на здоровье человека, возле которого это поле действует. Но так как мощность Bluetooth устройств зачастую очень мала, следовательно, и их вредность не так велика. Например, излучение от стандартной Bluetooth-гарнитуры примерно в 10–20 раз меньше излучения, которое создает сам мобильный телефон.
При этом если не злоупотреблять Bluetooth устройством — то его вредность можно сделать совсем незначительной. Однако такое устройство создаёт электромагнитное поле вокруг себя всегда, когда она просто включено, или находится в режиме ожидания — на связи с другим устройством. А, следовательно, постоянно носить на ухе такое устройство явно не пойдёт на пользу.
Надо отметить так же, что в большинстве случаев вред от Bluetooth, как и от других приёмо-передающих радиоустройств, проявляется совсем не сразу, а может сказаться через пару лет, или даже десятилетий. По наблюдениям и исследованиям учёных постоянное использование Bluetooth может увеличить риск раковых заболеваний, головные боли, возникают некоторые проблемы с памятью, а значит и в целом с работой головного мозга. Постоянное использование к тому же может вызвать раздражительность и нервозность. И тем не менее ещё раз повторим, что всё это (и не только это) может возникнуть у тех, кто практически не выключает Bluetooth и не снимает Bluetooth устройства с головы. Но если применять такие устройства в меру — то страшных последствий не будет.
Это требует введение дополнительных мер безопасности при создании такого типа приборов и программного обеспечения к ним.
Таким образом мы делаем вывод. Фотометрический ИП пульсовой волны для мочки уха с кремниевым фотодиодом, в пару к которому входят сдвоенные светодиоды, состоящие из светодиода с длиной волны 660 нм (красный) и дополнительного светодиода для ИК подсветки 940 нм, обеспечивает высокую эффективность регистрирования биосигнала, а его расположение и фиксация на мочке уха обеспечат эргономичную структуру и удобность в применении. А технологии Bluetooth беспроводной связи позволит надежно и быстро связать пульсоксиметр с другими устройствами. При этом значительного вреда человеческому здоровью наноситься не будет, и даже минимальное воздействие возможно ликвидировать специальными мерами безопасности при изготовлении и ношении устройства.
Литература:
- Федотов А. А., Акулов С. А. Измерительные преобразователи биомедицинских сигналов систем клинического мониторинга. — М.: Радио и связь, 2013. — 250 с.
- Михеев В. П., Просандеев А. В. Датчики и детекторы. Учебное пособие; 2007, — 172 c.
- Чакчир Б. А., Алексеева Г. М. Фотометрические методы анализа: Методические указания. — СПб., Изд-во СПХФА, 2002. — 44 с.
- Архипкин В. Я., Архипкин А. В. Bluetooth. Технические требования. Практическая реализация. Приложения. — М: Мобильные коммуникации, 2012. — 216 с.
- Воробьев Е. А. Датчики-преобразователи информации: Учебное пособие. — СПб.: ГУАП, 2001. — 43 с.
- Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики (перспективные направления развития): учебное пособие. НГТУ, 2001. — 176 c.
- Пролетарский А., Баскаков И., Чирков Д. Беспроводные сети Wi-Fi — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2013. — 216 с.
- Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия — СПб.: Питер, 2002. — 528 с.
