Термомонитор

 

Изобретение относится к области медицинской и биологической термометрии и предназначено для точного измерения, регистрации и передачи для обработки показателей температуры в течение длительного интервала времени. Термомонитор содержит термодатчики (1), мультиплексор (2), аналого-цифровой преобразователь (3), таймер (4), запоминающее устройство (5), блок управления (6), счетчик кадров (7), источник питания (8), ключ (9). Термодатчик включает термоэлектрический преобразователь (10), термоизолирующее покрытие (11), термопроводящую пластину (12) и механизм крепления к телу пациента (13). На вход уставки таймера (14) подается величина временного интервала между заполнением или считыванием одного кадра информации. Вход задания режима работы термомонитора (15) предназначен для его перевода либо в режим измерения температуры, либо в режим передачи результатов измерений на выход (16). Термомонитор обеспечивает высокую точность и информативность измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области медицинской и биологической термометрии и предназначено для точного измерения, регистрации и передачи для обработки показателей температуры пациента в течение длительного интервала времени в интересах решения задач диагностики и лечения.

Известны медицинские термометры [1 - 3], состоящие из емкости с жидкостью, расширение которой может визуально регистрироваться.

Недостатком таких термометров является ограниченные функциональные возможности и невысокая точность измерений. Ограниченные функциональные возможности заключаются в возможности измерения температуры только в одной точке тела пациента, причем либо мгновенного значения температуры, либо максимальной температуры за некоторый период времени [3] и т.п. Необходимость круглосуточного, многократного и многоточечного измерения температуры пациента сталкивается с психологическими, техническими и организационными проблемами. Невысокая точность связана, как правило, с невысокой точностью медицинских термометров (цена деления 0,1^oC), влиянием внешних факторов, при измерениях не в полостях, а на открытых частях тела, нежеланием пациента строго соблюдать интервалы и длительность измерений.

Наиболее близкими к заявляемому являются многоканальные измерители температуры [4, 5] , содержащие термодатчики, мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь, выходы термодатчиков соединены с сигнальными входами мультиплексора. Такие приборы могут измерять температуру (почти) одновременно в нескольких точках, а прибор [4] позволяет передавать результаты измерений по телефону. В принципе такие и аналогичные им приборы могут использоваться в медицинской практике.

Недостатком таких устройств являются низкие функциональные возможности и недостаточная точность. Низкие функциональные возможности связаны с необходимостью опроса результатов измерений со стороны внешних систем. При длительных измерениях возникает проблема с организацией длительного, периодического контакта пациента с оператором, телефоном и т.п., что усложняет и удорожает исследования. Невысокая точность измерений связана с техническими и организационными проблемами, отмеченными выше.

Целью изобретения является повышение качества и удобства измерений, а также снижение стоимости обследований за счет обеспечения точного, многоточечного и длительного мониторирования температуры пациента автономным измерителем, приемлемым для амбулаторного использования.

В последние годы возрос интерес к хронобиологии - науке [6], рассматривающей изменения физиологических функций во времени. Такие исследования биологических процессов позволяют выявить их временную организацию, ритмы и т.п. Известно, что периодичности в функционировании организма человека составляют от единиц миллисекунд до часов, суток и многих лет. Нарушения во временной организации свидетельствуют о патологических изменениях в биологической системе и наоборот. Знание биоритмических особенностей организма позволяет правильно организовать профилактику и лечение (хронофармакология, хронотерапия). В качестве измеряемых параметров при исследованиях используются артериальное давление, частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура тела и множество других показателей, отражающих жизнедеятельность организма. Подобные исследования требуют периодических и длительных измерений параметров, что создает целый ряд организационных, технических, психофизиологических и других проблем. В этих условиях возникла потребность в создании автономных носимых приборов, снабженных датчиками, расположенными на теле обследуемого, например, Холтеровские системы мониторирования ЭКГ [7] . К таким приборам предъявляется ряд требований, в частности точность, наличие систем накопления информации и ее передачи в пункт обработки, небольшие габариты и вес, удобство применения для пациента, автономное питание и т. п. Температура является одним из наиболее информативных показателей организма и, вместе с тем, достаточно простым и удобным для измерения параметром. Измерения температуры не создают неудобств пациенту, тем более, если он не ощущает процесс измерений, то его психофизиологическое состояние не влияет на результаты исследований. В силу этого создание автономных приборов мониторирования температуры является актуальной проблемой, а потребности в подобных приборах крайне широки. Рассмотрим основные проблемы при создании таких приборов и возможные пути их разрешения: 1. Обеспечение точности измерений. В случае температурных измерений точность должна обеспечиваться, во-первых, снижением влияния внешней среды на показания измерителя, особенно при измерениях на открытых участках тела, что приводит к необходимости термоизоляции датчиков. На теле пациента могут возникать локальные (точечные) выбросы температуры, которые необходимо скомпенсировать, например, при помощи достаточно массивных пластин и их плотного крепления на теле пациента. Во-вторых, необходимо использовать датчики, чувствительные в заданном температурном диапазоне. В-третьих, следует применять цифровые методы хранения и высокоточные аналого-цифровые преобразователи. В-четвертых, для компенсации разброса параметров датчиков и аналого-цифровых преобразователей, в том числе временного их ухода, необходимо применять калибровку.

2. Широкий диапазон вариантов исследования. В зависимости от целей и задач исследований прибор должен давать возможность изменять количество точек обследования, количество и периодичность измерений. Последнее приводит к необходимости программирования периода и длительности измерений.

3. Удобство применения. Прибор должен быть легким, малогабаритным для расположения на теле или в одежде пациента. Размер, крепление и связи датчиков с прибором должны обеспечивать комфорт пациента. Долговременное нахождение датчиков на теле пациента не должно вызывать аллергических и других нежелательных явлений. Микроэлектронное исполнение прибора, особенно на основе однокристальных микроконтроллеров, обеспечивает малогабаритность. Использование в качестве основания термодатчиков пластины из биологически нейтрального материала, например серебра, и одноразовых клеящих держателей, например лейкопластыря, обеспечивает снижение воздействия на кожные покровы пациента.

4. Длительность автономной работы. Одним из основных препятствий для увеличения сроков мониторирования является электропитание. Непрерывная работа всех элементов термомонитора в течение нескольких суток предъявляет слишком высокие требования к источнику питания, поэтому целесообразен переход прибора в дежурный режим с отключением питания от всех элементов, которые не задействованы в хранении информации и организации дежурного режима.

Структурная схема термомонитора приведена на фиг. 1, где: 1. Термодатчик.

2. Мультиплексор.

3. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

4. Таймер.

5. Запоминающее устройство (ЗУ).

6. Блок управления.

7. Счетчик кадров.

8. Источник питания.

9. Ключ.

10. Термоэлектрический преобразователь.

11. Термоизолирующее покрытие.

12. Термопроводящая пластина из биологически нейтрального материала.

13. Механизм крепления к телу пациента.

14. Вход уставки таймера.

15. Вход задания режима работы термомонитора.

16. Выход термомонитора.

Рассмотрим назначение элементов и возможные способы их практической реализации.

Термодатчик 1 предназначен для преобразования температуры в электрический сигнал. Термодатчик содержит термоэлектрический преобразователь 10, который может быть выполнен на основе терморезистора. В качестве термоизолизолирующего покрытия 11 может использоваться пластмасса с соответствующими характеристиками теплопроводности. Термопроводящая пластина 12 может быть изготовлена из серебра. Для крепления к телу пациента могут использоваться одноразовые самоклеящиеся пленки 13.

Мультиплексор 2 предназначен для поочередного подключения N термодатчиков 1 ко входу аналого-цифрового преобразователя 3. Мультиплексор может быть выполнен на основе аналоговых мультиплексоров с адресным управляющим входом.

Аналого-цифровой преобразователь 3 предназначен для преобразования в код сигналов с термодатчиков 1. В качестве АЦП может использоваться любой промышленный преобразователь с разрядностью К, обеспечивающей заданную точность. Например, для измерений температуры в диапазоне 20 - 42^oC с точностью не менее 0,05^oC требуется АЦП с разрядностью К не менее 9, а с учетом динамической характеристики термодатчика требуется еще большая разрядность.

Таймер 4 предназначен для задания временных интервалов между измерениями температуры, а также темпа опроса запоминающего устройства. На вход 14 термомонитора подается величина временного интервала между заполнением или считыванием одного кадра информации с числом слов N, равных числу датчиков. Таймер может содержать генератор импульсов и вычитающий счетчик. Код со входа 14 заносится в счетчик и начинается вычитание. По обнулению счетчика вырабатывается выходной сигнал с длительностью достаточной для опроса датчиков в режиме измерения или опроса запоминающего устройства в режиме считывания.

Запоминающее устройство 5 предназначено для хранения результатов измерений и их выдачи для обработки. Минимальная емкость ЗУ равна KNM, где К - разрядность измерения; N - число термодатчиков (слов в кадре); М - число кадров измерения. Емкость ЗУ может быть увеличена для хранения результатов калибровки термомонитора. При этом, если калибровка проводится однократно при изготовлении прибора, то часть запоминающего устройства может быть выполнена в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего индивидуальные особенности данного термомонитора. Калибровка в ходе подготовки к измерениям может выполняться так же, как и измерения, с сохранением результатов в запоминающем устройстве. Запоминающее устройство может быть реализовано на микросхемах полупроводниковой оперативной памяти (ОЗУ).

Блок управления 6 предназначен для управления мультиплексором 2 и формирования адресов и управляющих сигналов для ЗУ. Схема блока управления приведена на фиг. 2, где 17 - генератор импульсов; 18 - счетчик младших разрядов адреса запоминающего устройства; 19 - коммутатор. Генератор импульсов 17 запускается сигналом 20 от таймера 4. Сигналы от генератора 17 через коммутатор 19 в зависимости от сигнала на задающем входе 15 (режим работы термомонитора измерение или опрос) подаются через выходы 23 или 24 блока управления и, таким образом, на входы управления записью или чтением ЗУ. Кроме того, сигналы от генератора 17 увеличивают содержимое счетчика 18 и изменяют выходами счетчика 21 номер опрашиваемого термодатчика и номер ячейки ЗУ, в которую будет производиться запись или из которой произойдет считывание информации. Через N тактов опрос кадра заканчивается и сигнал 22 переноса счетчика 18 останавливает генератор импульсов 17, увеличивает на единицу счетчик кадров 7 и выключает ключ 9, переводя термомонитор в дежурный режим.

Счетчик кадров 7 предназначен для подсчета номеров кадров и изменения старшей части адреса ячеек запоминающего устройства.

Источник питания 8 предназначен для обеспечения автономного электропитания термомонитора. В качестве источника питания могут выступать малогабаритные аккумуляторы.

Ключ 9 предназначен для отключения питания от соответствующих блоков термомонитора при переводе его между измерениями в дежурный режим. Может быть реализован на основе электронного ключа, включающегося по сигналу от таймера и выключающегося по сигналу 22 с блока управления 6.

Вход уставки таймера 14 предназначен для задания интервалов между измерениями температуры или между передачами измерений на выход 16 термомонитора.

Вход задания режима работы термомонитора 15 предназначен для его перевода либо в режим измерения - опроса температуры, либо в режим передачи результатов измерений из запоминающего устройства 5 на выход 16.

Будем предполагать, что все элементы термомонитора согласованы по уровням сигналов и по токам. В противном случае требуются соответствующие усилители и согласователи. Схемы начального сброса термомонитора, в том числе при переходе блоков из дежурного в рабочий режим на фиг. 1, 2 и в формуле изобретения, не показаны с целью упрощения.

Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с известными авторам аналогами являются: 1. Конструкция термодатчика обеспечивает точность измерения температуры, в том числе и на открытых частях тела, за счет термоизоляции термоэлектрического преобразователя, усреднения температуры за счет использования термопроводящей пластины и плотного прилегания термодатчика к телу, благодаря механизму крепления.

В известных авторам аналогах не предусмотрено таких мер по обеспечению точности измерений.

2. Наличие нескольких термодатчиков обеспечивает многоканальность измерения и дает возможность одновременного съема температуры пациента в нескольких точках тела, что открывает новые и широкие возможности для диагностирования и лечения.

В известных авторам аналогах многоканальное измерение температуры в медицинских целях не производится.

3. Наличие программируемого таймера позволяет производить измерения температуры с заданным периодом и также открывает новые и широкие возможности для диагностирования и лечения. Программируемый таймер позволяет легко организовать калибровку термомонитора путем задания небольших интервалов между калибровочными измерениями.

В известных авторам аналогах многократное, периодическое измерение температуры пациента не предусматривается.

4. Наличие запоминающего устройства дает возможность автономной работы многоканального и многократного измерителя с сохранением результатов измерений. При этом измерения могут вестись круглосуточно в течение нескольких дней, не создавая неудобств пациенту и обслуживающему персоналу.

В известных авторам аналогах измерения проводятся однократно или результаты сразу передаются потребителю.

5. Система коммутации питания (ключ) позволяет оставлять включенными лишь те части термохрономера, которые участвуют в организации дежурного режима и сохранении результатов измерений. Это позволяет снизить энергопотребление устройства и повысить срок автономной работы.

В известных авторам аналогах отсутствуют дежурные режимы работы измерителей температуры.

Термомонитор работает следующим образом.

В исходном положении термодатчики размещены на теле пациента. Питание от блока питания 8 подано на запоминающее устройство 5, счетчик кадров 7, ключ 9 и таймер 4, остальные узлы термомонитора отключены. Счетчик кадров 7 обнулен. На входе задания режима работы 15 блока управления 6 задан режим измерений. На входе уставки таймера 4 задан период измерений.

Таймер 4 отсчитывает заданный временной интервал уставки 14, после чего его выходной сигнал открывает ключ 9, который подает питание по линии а на все обесточенные блоки термомонитора. Этот сигнал по входу 20 запускает генератор импульсов 17 в блоке управления 6. Будем считать, что при включении питания счетчик 18 обнулен. На выходах термоэлектрических преобразователей 10 появляются электрические сигналы пропорциональные температуре пациента в соответствующей точке. Коды с выхода 21 счетчика 18 через мультиплексор 2 последовательно подключают сигналы с выхода термоэлектрических преобразователей 10 к аналого-цифровому преобразователю 3. Выходные коды АЦП по сигналам запись с выхода 24 блока управления 6 записываются в последовательные ячейки запоминающего устройства 5 с адресами, младшая часть которых 21 совпадает с номером опрашиваемого термоэлектрического преобразователя 10. После окончания опроса всех термодатчиков (кадра) сигнал 22 переполнения счетчика 18 останавливает генератор 17, увеличивает на единицу счетчик кадров 7 (старшую часть адреса запоминающего устройства) и выключает ключ 9, снимая питание с соответствующих блоков устройства и переводя его в дежурный режим. После очередного сигнала с таймера 4 процесс приема кадра повторится, но с записью результатов измерений в другие ячейки памяти.

Термомонитор может работать в трех основных вариантах: калибровка, измерение и передача. Калибровка используется при необходимости уточнения параметров термодатчиков и АЦП. В этом режиме все термодатчики размещаются на одной поверхности с известной температурой. Устанавливается небольшой интервал измерений на входе 14, равный окончанию теплообмена, и режим записи по входу 15. Производится запись результатов измерений в запоминающее устройство. При необходимости калибровка осуществляется несколько раз при различных температурах. Основной режим измерений отличается величиной уставки таймера на входе 14. Обычно временной интервал между измерениями температуры пациентов устанавливается равным от одного до нескольких часов, а измерения проводятся в течение нескольких суток. После окончания измерений пациент прибывает в пункт съема. При этом термомонитор переводится в режим передачи и результаты измерений последовательно передаются на выход термомонитора и считываются стационарным компьютером для последующей обработки.

Испытания термомонитора, выполненного в соответствии с заявляемой схемой, на базе однокристальной микроЭВМ позволили убедиться в высокой диагностической информативности результатов измерений. Отмечено, что наряду с отмеченными выше преимуществами незнание пациентом моментов съема показаний температуры исключает влияние психофизиологических факторов на результаты измерений, которые имеют место, например, при периодических взятиях анализов крови и других малоприятных для пациента исследованиях. Многоточечные продолжительные измерения позволили разработать методики ранней диагностики ряда заболеваний, в частности онкологических.

ЛИТЕРАТУРА: 1. Медицинский термометр. SU, авт.св. N 1726999, G 01 K 5/22.

2. Термометр. SU, авт.св. N 1728676, G 01 K 5/22.

3. Максимальный жидкостный термометр. SU, авт.св. N 1700389, G 01 K 5/22.

4. Устройство для дистанционного измерения температуры. SU, авт.св. N 1453190, G 01 K 7/00.

5. Устройство для измерения средней температуры. SU, авт.св. N 1420388, G 01 K 3/02.

6. Хронобиология и хрономедицина. Руководство. [Комаров Ф.И.] - М.: Медицина, 1989.

7. Дабровски А. и др. Суточное мониторирование ЭКГ. -М.: Медпрактика, 1998.

Формула изобретения

1. Термомонитор, содержащий термодатчики, мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь, выходы термодатчиков соединены с сигнальными входами мультиплексора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что термомонитор дополнительно снабжен таймером, запоминающим устройством, блоком управления, счетчиком кадров, источником питания и ключом, термодатчик выполнен в виде термоэлектрического преобразователя, покрытого термоизолирующим материалом с одной стороны и расположенного другой стороной на термопроводящей пластине, изготовленной из биологически нейтрального материала и имеющей механизм крепления к телу пациента, выход источника питания соединен со входами питания запоминающего устройства, счетчика кадров и таймера, а через ключ - со входами питания термоэлектрических преобразователей, мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя и блока управления, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом данных запоминающего устройства, вход уставки таймера является первым входом термомонитора, выход таймера соединен с первым управляющим входом ключа и запускающим входом блока управления, задающий вход блока управления является вторым входом термомонитора, первые выходы блока управления соединены с адресными входами мультиплексора и младшими адресными входами запоминающего устройства, второй выход - со вторым управляющим входом ключа и входом счетчика кадров, выходы которого соединены со старшими адресными входами запоминающего устройства, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно со входами чтения и записи запоминающего устройства, выходы данных запоминающего устройств являются выходами термомонитора.

2. Термомонитор по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит генератор импульсов, счетчик и коммутатор, входы питания которых соединены со входом питания блока управления, выходы данных счетчика являются первыми выходами блока управления, выход переноса счетчика является вторым выходом блока управления и соединен с первым входом генератора импульсов, второй вход которого является запускающим входом блока управления, а выход соединен со счетным входом счетчика и сигнальным входом коммутатора, управляющий вход коммутатора является задающим входом блока управления, а первый и второй выходы - соответственно с третьим и четвертым выходами блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2