УДК 615.47:621.39 И.Р. НЕХАЕВА I.R. NEKHAEVA

УДК 615.47:621.39
И.Р. НЕХАЕВА
I.R. NEKHAEVA
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ДЫХАНИЯ ДЕТЕЙ ГРУДНОГО
ВОЗРАСТА
В статье рассмотрены основные положения разработки системы мониторинга параметров дыхания
детей грудного возраста. Принцип системы основан на регистрации апноэ и сигнализировании при полной
остановки дыхания. Приводятся результаты теоретического исследования с выводами расчётных
соотношений для проведения мониторинга.
Ключевые слова: монитор дыхания, мобильные средства контроля, СВДС.
THE MONITORING SYSTEM OF BREATHING PARAMETERS IN INFANTS
The article considers the general provisions of engineering the monitoring system of breathing parameters in
infant. The principle of the system is based on detection and signaling apnoe full stop breathing .There are theoretical
research results with conclusions settlement parities for a monitoring.
Keywords:breathing monitor, mobile control, SIDS.
ОПИСАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
У детей первого года жизни из-за неразвитости центральной нервной системы и
неустойчивости дыхательной функции наблюдаются эпизоды задержки дыхания во сне
(апноэ).
В
большинстве
случаев
это
кратковременные
задержки
дыхания
продолжительностью не более нескольких секунд, во время которых не происходит
снижение насыщения крови кислородом, т. е. они не приносят организму младенца какоголибо вреда. Перебои и кратковременные остановки дыхания могут наблюдаться у всех детей
грудного возраста, в том числе и у абсолютно здоровых младенцев. Однако, если апноэ
длится более 12 - 15 секунд, то в такие моменты головной мозг новорожденного ребенка
начинает испытывать кислородное голодание. И чем длиннее такая задержка дыхания, тем
больший вред ребенку может быть нанесен. У детей, особенно у новорожденных,
гипоксемия, обусловленная апноэ, развивается гораздо быстрее, чем у взрослых.
Кислородное голодание головного мозга ребенка в младенческом возрасте, может
быть причиной отставаний в последующем развитии. Чем продолжительнее апноэ, тем
сильнее страдает головной мозг ребенка. А затянувшаяся до бесконечности задержка
дыхания неминуемо приведет к трагическому финалу – синдрому внезапной детской смерти
(СВДС).
СВДС определяется, как внезапная смерть грудного ребенка в возрасте до одного
года, которая остается необъяснимой после проведения полного посмертного исследования,
включающего вскрытие, исследования места смерти и анализ медицинской документации.
Чаще всего СВДС происходит во сне, поэтому его еще называют «смертью в колыбели».
Смерть часто служит первым и последним медицинским проявлением обсуждаемого
синдрома. При этом внешне здорового ребенка укладывают спать и через несколько часов
находят мертвым, признаки, которые позволили бы родителям или врачу заподозрить
возможность катастрофы, отсутствуют[1, 2]. Для того чтобы предотвратить все возможные
негативные и трагические последствия остановки дыхания во сне, в подавляющем
большинстве случаев достаточно просто вовремя разбудить ребенка, и он начнет дышать
самостоятельно.
СВДС в настоящее время занимает одно из первых мест среди причин младенческой
смертности вне лечебных учреждений и приводит к сильнейшим психологическим
проблемам у пострадавших родителей[3].
По данным Федеральной службы государственной статистики на 2012 г. отмечен
показатель СВДС - 0,27 на 1000 рожденных живыми, что составляет 3,1 % от общего числа
младенческой смертности.
Младенческая смертность является одним из факторов, наглядно отражающих
эффективность репродуктивно-демографического развития страны и уровень социальноэкономического благополучия общества. Снижение детской смертности - одна из
приоритетных задач системы здравоохранения. Высокая значимость данного показателя
определяет актуальность своевременного выявления причин и предотвращения детской
смерти.
Из всех причин младенческой смерти именно СВДС выглядит наиболее ужасной и
загадочной, потому что его нельзя предсказать, фактически, СВДС наступает безо всяких
причин, чаще всего младенец просто перестает дышать. Современная медицина не имеет
средств для его профилактики и лечения.
Актуальность темы СВДС определяется рядом факторов и, прежде всего, его
относительной распространенностью и тенденцией к росту частоты. Кроме того, отмечается
факт роста частоты СВДС наряду с уменьшением смертности детей от инфекций и других
причин [4]. Это свидетельствует о потребности в эффективных способах диагностики
факторов риска СВСМ и методов предотвращения.
Чрезвычайно важно своевременно получить информацию о возникновении проблем с
дыханием и вовремя разбудить ребенка, встряхнуть его, взять на руки. В такой ситуации
домашний мониторинг может оказаться жизнеспасающим.
Проводится активная пропаганда повсеместного использования мониторов дыхания,
однако существующие контактные и бесконтактные мониторы дыхания остаются
недоступными для широкого применения в связи с их высокой стоимостью.
Существуют контактные и бесконтактные мониторы дыхания. Контактные – это
мониторы, находящиеся в непосредственной близости к ребенку, то есть – в постоянном
контакте с телом малыша. Бесконтактные – дистанцируются на расстояние. В конструкции
бесконтактных мониторов используется сенсорная панель, которая помещается под матрас
детской кроватки или сенсорный блок, устанавливающийся над детской кроваткой. Это
надежные приборы, однако их можно использовать, только когда малыш спит один в своей
кроватке, что существенно снижает область их применения. В отличие от них, контактные
мониторы, которые крепятся на подгузник подходит для младенцев, спящих с родителями,
для двойняшек, спящих в одной кроватке и малышей. Но, применение данного вида
мониторов дыхания во время прогулок в коляске и в автокресле, невозможно в холодное
время года. Монитор исполнен в едином корпусе и непосредственно контактирует с кожей
или тонкой одеждой малыша, а несколько слоев одежды будут блокировать светоиндикацию
и звуковой сигнал, более того, монитор будет вызывать дискомфорт у ребенка, в силу своей
конструкции.
Это является существенным недостатком, т.к. именно в холодное время года детей
зачастую слишком тепло одевают, что ведет к гипертермии и может вызвать нарушения
дыхания. В осенне-зимний период увеличивается заболеваемость респираторно-вирусными
инфекциями, нарушение проходимости носовых ходов из-за насморка во время ОРВИ
увеличивает опасность апноэ во время сна, и дети грудного возраста плохо адаптированы к
дыханию ртом.
Целью работы является разработка системы мониторинга параметров дыхания детей
грудного возраста, которая, позволит значительно расширить область применения данных
устройств, будет комфортна для ребенка, проста в использовании и максимальна доступна
населению.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Основными задачами для исследования являются:
- изучение основных теоретических положений и практических возможностей
методов контроля параметров дыхания с учетом особенностей внешнего дыхания у детей;
- анализ устройств, предлагаемых на рынке;
- разработка концепцию биотелеметрической системы мониторинга, пригодную для
использования технически неподготовленными потребителями;
- изучение принципиальных возможностей использования линии связи и
необходимых для беспроводной передачи данных интерфейсов;
- построение системы мониторинга параметров дыхания детей грудного возраста;
- сравнение технических характеристик разрабатываемой системы с
характеристиками аналогичных устройств;
В работе используются методы математического анализа, моделирования. Обработка
данных выполнена с применением серийных программ (Mathcad Professional, Excel), а также
оригинальных программ, обеспечивающих сбор и обработку диагностической информации.
КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Особенности дыхания ребенка связаны со строением и развитием его грудной клетки.
У новорожденного грудная клетка имеет пирамидальную форму. Верхние ребра, рукоятка
грудины, ключицы и весь плечевой пояс у новорожденного расположены высоко. Все ребра
лежат почти горизонтально, дыхательная мускулатура слаба. В результате чего грудная
клетка постоянно находится в состоянии, близком к инспирации, а увеличение ее во
фронтальном и сагиттальном направлении почти невозможно. Грудная клетка принимает
незначительное участие в акте дыхания. Оно осуществляется в основном за счет опускания
диафрагмы.
У новорожденных и грудных детей дыхание аритмичное. Аритмичность выражается в
том, что глубокое дыхание сменяется поверхностным, паузы между вдохами и выдохами
неравномерны, может происходить остановка дыхания. Продолжительность вдоха и выдоха
у детей короче, чем у взрослых: вдох равен 0,5 – 0,6 с, а выдох – 0,7 – 1 с. Частота
дыхательных движений у новорожденного колеблется в пределах от 48 до 60 дыхательных
движений, и в дальнейшем снижается, достигая к концу первого года 30 - 34. Пауза в
дыхании (апноэ) не должна превышать 10 – 15 с.
У новорожденного ребенка легкие малоэластичны и относительно велики. Во время
вдоха их объем увеличивается незначительно, всего на 10 – 15 мм. Глубина дыхания на
первом месяце жизни не превышает 30 мл и только к концу года возрастает до 70 мл.
Амплитуда колебаний во время дыхательных движений в среднем составляет 0,5 – 1,5
см, а частота находится в диапазоне от 0,2 до 0,5 Гц.
ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ
Структурная схема системы мониторинга параметров дыхания представлена на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема системы мониторинга параметров дыхания детей
грудного возраста
Устройство включает в себя измерительный блок А1, располагающийся
непосредственно на теле ребенка, и приемный блок А2 (родительский блок).
В состав блока А1 входят: 1 – датчик дыхания, 2 – схема включения датчика, 3 –
АЦП, 4 - световой индикатор, 5 – микроконтроллер с модулем приемопередатчика, 6 –
контроллер уровня заряда батареи, 7 – блок питания, 8 – кнопка включения/выключения
измерительного блока.
Датчик дыхательных движений А1.1 преобразует механические смещения брюшной
стенки ребенка, вызванные дыхательными движениями диафрагмы, в электрический
аналоговый сигнал. Процесс измерения основан на принципе изменения электрического
сопротивления проводника и преобразования изменения сопротивления в электрический
сигнал (напряжение). Блок А1.2 представляет собой схему включения датчика дыхания.
Далее напряжение преобразуется АЦП А1.3 в цифровой код. Цифровой код поступает на
вход микроконтроллера А1.5
для первичной обработки. Микроконтроллер имеет
встроенный модуль приемопередатчика, позволяющий транслировать результаты измерения
по беспроводному каналу связи в приемный блок А2 и принимать от него управляющие
сигналы. Микроконтроллер А1.5 обрабатывает принятые данные и передает их на
встроенный трансмиттер, где информация кодируется и при помощи антенны передается по
линии связи (ЛС) в приемное устройство А2 (родительский блок). Информация передается
по беспроводной линии связи посредством технологии ZigBee.
Блок А1.4 является блоком индикации, в качестве которого может использоваться
светодиод, индицирующий процесс передачи данных в приемное устройство А2. Блок
представляет собой кнопку, активирующую питание устройства измерения А1, также она
может использоваться для экстренного принудительного отключения устройства.
Контроллер заряда батареи обеспечивает ряд функций, необходимых в процессе
эксплуатации батареи. При использовании контроллера А1.6, в сочетании с основным
микроконтроллером А1.5, резидентная ИС контролера А1.6, располагающаяся в одной
упаковке с батареей, может использоваться для приложений, которые включают заряд,
оценку остаточной емкости, мониторинг безопасности, и энергонезависимое сохранение
параметров. Если уровень заряда блока питания А1.7 недостаточен, микроконтроллер А1.5
посылает через трансивер специальный сигнал в приемное устройство А2, которое в свою
очередь оповещает (звуковая сигнализация) родителей о необходимости смены источника
питания А1.7 блока измерения А1.
В состав приемного блока входят: 1 – трансивер, 2 – интерфейс USB 2.0, 3 –
микроконтроллер, 4 – блок внешней памяти, 5 – блок световой индикации, 6 – клавиатура, 7
– контроллер заряда батареи, 8 – блок звуковой индикации, 9 – блок питания, 10 – средство
отображения информации.
Сигнал с трансмиттера микроконтроллера А1.5 устройства измерения А1 передается
на блок ресивера А2.1 приемного устройства А2. Приемник А2.1 осуществляет частотную
селекцию: выделяет из всего радиочастотного спектра электромагнитных колебаний
(действующих на антенну) колебания, содержащие измерительную информацию;
увеличивает энергию принятых колебаний до уровня, при котором становится возможным
их использование; преобразует принятые модулированные радиочастотные колебания в
электрические колебания, соответствующие закону модуляции, т. е. непосредственно
содержащие информацию. Измерительная информация поступает на микроконтроллер А2.3,
где данные подвергаются дополнительной обработке.
Если наступает пауза в дыхании, превышающая предварительно установленный
максимально допустимый порог, микроконтроллер А2.3 активирует схемы световой А2.5 и
звуковой А2.8 сигнализации. Приемный блок А2 может быть синхронизирован с
персональным компьютером (ПК) либо комплексной системой мониторинга состояния
человека посредством гальванически развязанного последовательного интерфейса передачи
данных USB 2.0 (блок А2.2). Данный интерфейс используется для передачи массива данных
из приемного устройства в персональный компьютер для их дальнейшей обработки, анализа
и использования врачебным персоналом в диагностических целях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная система мониторинга осуществляет непрерывный контроль за
параметрами дыхания детей грудного возраста, регистрируя движение движения ребенка и
сигнализируют о наступлении респираторной паузы заранее заданной продолжительности.
Применение подобных систем имеют большую эффективность в случае наступления апноэ.
Мониторинг позволяет, как распознать острую опасность, так и своевременно выявить
патологию, с его помощью может быть зафиксирована частота апноэ.
Непрерывный контроль дыхания во время сна - единственный способ спасти жизнь
ребенка в случае апноэ. Мониторинг дыхания - самый мощный и эффективный способ
предотвращения внезапной смерти ребенка.
Данная система может использоваться в детской кроватке, при совместном сне, во
время прогулок и путешествий, обеспечивая безопасность ребенка и спокойствие родителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Григорьев К.Н. Синдром внезапной смерти у детей грудного возраста [Текст] /
Медицинская помощь. – 2001. – № 5. – С. 33 – 37
2 Непомнящая В.А. Эпидемиология и профилактика синдрома внезапной смерти у
детей: Автореф. дисс. канд. мед. наук. [Текст] / Донецк. – 2005. – 20 с.
3 Синдром внезапной детской смерти. Учебное пособие [Текст] /А.Ф. Бабцева и др. –
Благовещенск: Буквица, 2012. – 39 с.
4 Суханова Л. П., Скляр М. С. Детская и перинатальная смертность в России:
тенденции, структура, факторы риска. [Текст] / Социальные аспекты здоровья населения. –
2007. - №4.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Нехаева Инна Робертовна
Магистр кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»
Госуниверситет – УНПК (г. Орел)
Тел.: +79524746264
E-mail: [email protected]