Аппаратно-программные средства для телемедицины

В статье рассмотрены вопросы выбора оптимальных схемотехнических решений аппаратной части акустического датчика и системы телекоммуникаций, а также способы реализации их в электронном стетоскопе на основе стандарта беспроводной связи Bluetooth. В настоящее время стандарт Bluetooth и его сервисы широко поддерживаются компьютерной техникой, включая КПК и коммуникаторы, поэтому можно разработать серию приборов для решения целого ряда задач медицинской диагностики, которые не будут требовать в процессе своей эксплуатации дополнительных или специальных компьютерных устройств.

Обеспечить невысокую стоимость и гибкую функциональность представляется возможным на базе программных средств фирмы National Instruments (NI) — среды разработки приложений LabVIEW [2]. LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) представляет собой среду разработки виртуальных приборов (ВП), использующую язык графического программирования (Джей) и создание интерфейса, максимально приближенного к внешнему виду лабораторных приборов. Разработка любого ВП сводится к созданию интерфейса «Лицевая панель ВП» (элементы управления и отображения данных) и разработке программы обработки данных «Блок-диаграмма ВП», которая графически отображает узлы обработки данных (функции), соединенные проводами (пути передачи данных). Выполнение обработки данных узлом определяется достаточностью входных данных. При построении блок-диаграммы используется потоковая модель данных, которая однозначно определяет алгоритм обработки информации. Использование решений фирмы NI позволяет реализовать требуемый интерфейс, а также коммуникационную функциональность для регистрирующего прибора. Кроме этого, появляется возможность быстрой модернизации функциональной и интерфейсной частей прибора, или последующей их модификации по желанию пользователя. Например, один и тот же прибор может использоваться как для непрерывного наблюдения с помощью КПК (например, во время поездки за город или туристического похода), так и для периодической проверки своего состояния дома или на работе. В любом из этих случаев требуется лишь модификация программной части диагностической системы.

Использование решений фирмы NI на базе беспроводных коммуникаций по стандарту Bluetooth позволяет также строить более сложные мобильные диагностические системы, включающие в себя различные регистрирующие датчики (например, датчик кардиоимпульса, температуры, позиционирования), что еще больше расширяет возможности решения задач телемедицины.

Остановив свой выбор на стандарте беспроводной связи Bluetooth и руководствуясь стремлением сохранить принятую методику проведения прослушивания обычным и электронным стетоскопом (сохранить при этом их форм-фактор), специалисты разработали новый многофункциональный диагностический прибор, структурная схема которого представлена на рис. 1. В качестве прототипа беспроводного прибора акустического контроля был использован электронный стетоскоп ФСЭ-1М (рис. 2а) [3] с датчиком на базе пьезокомпозиционной керамики (ЭКО-1, объемная пьезочувствительность γ = 1400–1500 мкв/Па, емкость C ≥ 35 пФ). Использование контактного пьезокерамического датчика принципиально улучшает снятие акустического сигнала с требуемого участка поверхности, исключая влияние внешних акустических помех. Однако принцип построения структурной схемы позволяет использовать микрофоны, как, например, в датчике прибора для снятия пульсовой волны [4].

Рис. 1. Структурная схема универсального стетоскопа с модулем Bluetooth:
1 — датчик;
2 — усилитель;
3 — АЦП;
4 — микропроцессор;
5 — модуль Bluetooth;
6 — источник питания;
7 — фильтр;
8 — гарнитура;
9 — адаптер Bluetooth;
10 — компьютер;
11 — программное обеспечение;
12 — плата аналогового ввода;
13 — монитор

Данная структурная схема реализована в приборе, внешний вид которого показан на рис. 2б. Модульность данной схемы позволяет создавать приборы как с минимальными, так и с расширенными функциональными возможностями. Так, устройство, состоящее только из датчика 1 и усилителя 2, будет обычным электронным стетоскопом с возможностью проводного аналогового подключения к компьютеру (через звуковую карту или устройство сбора данных фирмы NI). Полная же конфигурация прибора включает в себя плату с АЦП и модулем Bluetooth, которые позволяют осуществлять беспроводную передачу данных.

Рис. 2. Электронные стетоскопы:
а) проводной стетоскоп ФСЭ-1М;
б) беспроводной с модулем Bluetooth;
в) малогабаритный стетоскоп на базе гарнитуры Bluetooth;
г) модуль перемещения HID

В данном приборе заложена аппаратная оцифровка аналогового сигнала со скоростью от 250 до 5000 выб/с. Выбранная частота оцифровки определяется назначением прибора. Оптимальное значение для медицинского прослушивания составляет порядка 500 выб/с.

В приборе акустического контроля (рис. 2б) реализованы функции передачи получаемого акустического сигнала. Параллельное прослушивание усиленного сигнала может осуществляться, как и в стетоскопе ФСЭ-1М, на проводной гарнитуре 8 (рис. 1). Аналоговый сигнал с модуля датчика может быть передан в компьютер через звуковую карту или плату сбора данных. Используя соответствующий ВП, легко реализовать его обработку, прослушивание и графическое отображение. В приборе имеется плата, включающая АЦП 3, микропроцессор 4, модуль Bluetooth 5, источник питания (два элемента 1,5 В), фильтр по питанию 7. Она позволяет осуществлять беспроводную связь датчика с компьютерной системой. Дополнительно предусмотрена возможность передачи оцифрованного сигнала с АЦП 3 в компьютер. В случае беспроводной передачи сигнала в компьютер (в том числе мобильный и КПК), ВП также осуществляет его обработку и отображение. Получаемый на компьютере сигнал может быть соответствующим образом обработан, архивирован или передан на удаленный компьютер (в медицинский центр). В приборе использован промышленный Bluetooth-модуль WRAP THOR 2022 (базовый бескорпусной одноплатный модуль, выполненный в виде сборки для поверхностного монтажа), который работает через виртуальный COM-порт установленного на компьютере адаптера Bluetooth. Поэтому в схеме ВП использованы функции VISA (среда LabVIEW) для связи с внешними приборами [2].

Таким образом, способ получения, обработки и отображения сигнала, полученного с датчика, полностью определяются функциями LabVIEW, используемыми при построении ВП. Как видно из рис. 1, аппаратная часть акустического датчика позволяет реализовать целый ряд методик прослушивания и передачи получаемых данных, не используя дополнительных специальных компьютерных устройств.

В результате работы над проектом была выявлена возможность создания малогабаритного бюджетного варианта электронного стетоскопа на базе стандартной электронной части гарнитуры Bluetooth (рис. 2в), объединенной с тем же пьезодатчиком (вместо микрофона). Такой вариант стетоскопа может быть использован в компьютерной системе как стандартное акустическое устройство ПК. На его базе может быть построен ВП с заданной функциональностью (рис. 3а). В то же время, при построении ВП возможно и непосредственное использование функций LabVIEW для работы с Bluetooth.

Рис. 3. Виртуальные приборы акустической диагностики:
а) ВП получения и обработки сигнала;
б) ВП, совмещенный с датчиком позиционирования

На рис. 3а представлен один из вариантов построения ВП акустической диагностики. Лицевая панель представленного ВП позволяет отображать акустический сигнал с беспроводного датчика и управлять им. Блок-диаграмма данного прибора построена на базе структуры событий LabVIEW (Event) — реализующей функцию объектно-ориентированного программирования.

Представленный ВП позволяет получать и отображать акустический сигнал заданной длительности с беспроводного датчика (кнопка «СИГНАЛ»). После того как акустический сигнал получен, его можно многократно воспроизвести на акустической системе компьютера (кнопка «ВОСПР»). Можно произвести фильтрацию полученного сигнала с заданными параметрами (кнопка «ФИЛЬТР»), в случае неудовлетворительного результата вернуться к предыдущему исходному варианту сигнала (кнопка «ВОЗВРАТ»), производить усиление по амплитуде уже полученного сигнала (кнопка «УСИЛЕНИЕ») — при этом также возможен возврат к исходному сигналу. На любом этапе работы с полученным сигналом можно получить его спектральную характеристику (кнопка «СПЕКТР»). Функции работы с полученным сигналом реализованы в структуре со сдвиговыми регистрами (специальный элемент структуры LabVIEW, который сохраняет предыдущие данные). Прибор предусматривает изменение масштаба и перемещение шкалы отображения для формы сигнала и его спектра. Отображаемый сигнал на любом этапе можно сохранить в файл. Данный прибор являлся исследовательским, поэтому при построении блок-диаграммы ВП использовались экспрессфункции работы со звуком (универсальные настраиваемые функции). Настройка параметров таких функций производится в диалоговом окне (ассистент функции). В связи с этим настройка целого ряда параметров работы со звуковыми сигналами производилась непосредственно в ассистенте этих функций.

Особенностью виртуального прибора (рис. 3а) является отсутствие параллельного звукового воспроизведения сигнала в компьютере в процессе его получении. В ряде случаев это может вызвать некоторое неудобства. Несложно модифицировать ВП так, чтобы имелась возможность воспроизведения получаемого сигнала с некоторой задержкой (на размер заданного буфера данных). Такая задержка не вызывает неудобства в работе с прибором, однако обеспечивает акустическую развязку в случае близости датчика к акустической системе воспроизведения.

В процессе экспериментальных исследований был разработан целый ряд ВП для получения акустических сигналов с использованием различных функций LabVIEW, а также рассмотрены различные способы связи с другими компьютерными системами с возможностью управления ВП по сети через проводное сетевое соединение, а также беспроводное Wi-Fi и Bluetooth. Использование среды разработки LabVIEW позволяло в короткие сроки провести довольно обширные исследования работы таких приборов. Задержки сетевого управления создавали заметное неудобство в работе по снятию акустического сигнала при соединении по Bluetooth, особенно это было заметно при работе компьютерного адаптера с другими сервисами Bluetooth. В этом отношении можно утверждать, что вариант прибора Bluetooth, работающий через виртуальный COM-порт (рис. 2б), работал намного стабильней, что, по всей видимости, связано с меньшим объемом передаваемых данных (по сравнению с акустическим сигналом). В связи с этим такой вариант следует позиционировать как профессиональное оборудование, а акустические приборы — как бытовые, в первую очередь для самодиагностики пациентов.

Часто задачи медицинской диагностики предполагают использование нескольких диагностических приборов, например, электрокардиографа и стетоскопа. В случае использования технологий фирмы NI такое масштабирование в различные диагностические системы представляется легко реализуемым. При этом можно осуществлять объединение на уровне ВП, что позволит проводить диагностику параллельно по нескольким каналам.

При акустическом прослушивании (или снятии пульсовой волны) основным критерием правильности позиционирования датчика является качество (уровень) получаемого сигнала. Прослушивание сердца, как и снятие пульсовой волны, обычно производится с нескольких мест тела человека. Иногда методика предполагает повторное прослушивание с ранее прослушанного места, поэтому возникает задача более точного возврата позиционирования акустического датчика. Вопрос относительного позиционирования беспроводного датчика может быть также достаточно просто решен при применении беспроводной связи Bluetooth. В работе проводились исследования позиционирования датчика на теле человека, где в качестве модуля позиционирования был использован электронный модуль от оптической (светодиодной) беспроводной мыши (HID устройство) с интерфейсом Bluetooth (рис. 2г), который включал оптическую схему и модуль передачи данных Bluetooth. Для определения позиции датчика был построен ВП (рис. 3б), который определял относительные координаты позиционирования и отмечал их на изображении тела человека. Координаты получаемого акустического сигнала последовательно записывались в массив данных. Для повышения функциональности прибора были задействованы правая и левая кнопки мыши. Левая кнопка была связана с функцией получения и отображения получаемого акустического сигнала, а правая — с завершением работы диагностики. Таким образом, в результате диагностики получался набор фонендограмм и относительных координат.

Таким образом, использование технологий компании National Instruments позволило в значительной степени упростить аппаратную часть акустических приборов медицинской диагностики, создать ряд приборов разного функционального назначения с различным интерфейсом. Появилась возможность универсального использования нескольких видов связи диагностического прибора с компьютерными системами, что позволяет рассматривать такие решения как вполне отвечающие потребностям телемедицины.

Управление и проведение акустического контроля при помощи лицевой панели виртуального прибора повысило производительность диагностики, а в стационарном варианте исполнения, помимо этого, должно привести к повышению надежности получения данных за счет возможности автоматического ведения истории диагностики.

Диагностические приборы акустического контроля можно подстраивать под различных пользователей или условия эксплуатации (стационарные, полевые), а также производить их модернизацию.

Использование компьютерных технологий компании NI сокращает затраты времени на создание приборов различного назначения, позволяет обойтись без профессионального программирования, а, стало быть, может привлечь к решению задач телемедицины большое количество разработчиков, знакомых с медицинской техникой.