ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6344| Title: | Автоматизована система моніторингу стану людини |
| Authors: | Міценко, Сергій Анатолійович Коваль, Станіслав Миколайович |
| Issue Date: | Jun-2025 |
| Abstract: | У межах виконаної роботи проведено детальний аналіз сучасних методів моніторингу фізіологічних параметрів людини та розроблено концепцію інтегрованої системи, яка забезпечує безперервний контроль за ключовими показниками здоров’я. Досліджено порівняльні характеристики методів вимірювання пульсу, сатурації кисню, температури, електрокардіограми та артеріального тиску, що дозволило визначити найефективніші технології для застосування у портативній системі моніторингу. Контактні методи, такі як електрокардіографія та фотоплетизмографія, забезпечують високу точність, а безконтактні підходи, зокрема аналіз теплового випромінювання та колірних коливань шкіри, відкривають перспективи для дистанційного моніторингу. Встановлено, що оптичні характеристики біологічних середовищ мають критичне значення для коректного вимірювання концентрації глюкози, сатурації кисню та інших параметрів крові. Поглинання та розсіювання світла в тканинах впливають на точність сигналів, тому обрані сенсори й випромінювачі адаптовані до відповідного спектрального діапазону. Проаналізовано механізми передачі даних між сенсорами та контролером, що дозволило визначити найбільш оптимальні інтерфейси для інтеграції – I²C, SPI, UART та BLE. У зв’язку з вимогами до енергоефективності та стабільності зв’язку, для віддаленої передачі інформації обрано Wi-Fi модуль ESP-01 із підтримкою MQTT. Розроблена функціональна схема пристрою, яка включає мікроконтролер STM32F103C8T6, модулі збору біометричних даних, систему фільтрації сигналів та блок бездротової передачі інформації. Запропонована структурна конфігурація сприяє точному вимірюванню параметрів і зменшенню рівня шумів. Описано гідропневматичну схему манжети, що використовується для моніторингу артеріального тиску, та розроблено алгоритм роботи системи, який включає автоматизоване керування насосом, фільтрацію сигналів і визначення ключових параметрів тиску методом осцилометричного аналізу. Виконано оптимізацію параметрів пристрою, зокрема розрахунок високочастотних і низькочастотних фільтрів, що забезпечують обробку сигналів датчиків, підсилювачі для корекції слабких сигналів фотодетекторів та стабілізацію живлення за допомогою DC-DC перетворювачів. Проведений аналіз дозволив розробити інтегровану систему моніторингу, яка відповідає сучасним вимогам щодо портативності, точності та стабільності вимірювань. Упровадження такої системи сприятиме підвищенню ефективності персонального контролю стану здоров’я та дистанційного медичного моніторингу. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6344 |
| Appears in Collections: | 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_174_2025_Коваль.pdf Restricted Access | 1.93 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ СТАНУ ЛЮДИНИ Виконав студент 2 курсу групи АКІТС-2109 спеціальності 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка Станіслав КОВАЛЬ (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Керівник Сергій МІЦЕНКО (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Рецензент (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Захист дозволяю: зав. кафедри, д.т.н., професор Валентина ЛУКАШЕНКО (підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) Черкаси 2025 ЗМІСТ СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ......................................... 3 ВСТУП ......................................................................................................................... 4 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СУЧАСНИХ РІШЕНЬ ДЛЯ МОНІТОРИНГУ ....................... 6 1.1 Порівняльна характеристика методів вимірювання основник фізіологічних показників ................................................................................................................ 6 1.2 Порівняльна характеристика методів вимірювання показників серцевої діяльності ............................................................................................................... 11 1.3 Оптичні характеристики біологічних середовищ для визначення концентрації глюкози ........................................................................................... 21 1.4 Оцінка механізмів передачі даних ................................................................ 25 РОЗДІЛ 2 ФУНКЦІОНАЛЬНА РЕАЛІЗАЦІЯ ТА ПРОЄКТУВАННЯ СИСТЕМИ ..................................................................................................................................... 32 2.1 Проєктування функціональної схеми ........................................................... 32 2.2 Гідропневматична схема манжети та алгоритм роботи системи ............... 36 2.3 Оптимізація параметрів і вибір електронних компонентів ........................ 41 РОЗДІЛ 3 ВИЗНАЧЕННЯ АПАРАТНИХ КОМПОНЕНТІВ СИСТЕМИ ........... 47 3.1 Вибір мікроконтролера ................................................................................... 47 3.2 Вибір датчику тиску .................................................................................... 48 3.3 Вибір датчику пульсу і сатурації ............................................................... 50 3.4 Вибір датчику серцевого ритму (ЕКГ) ...................................................... 52 3.5 Вибір дисплею ............................................................................................ 54 3.6 Вибір модулю WiFi ..................................................................................... 56 3.7 Вибір ключових оптичних та електронних компонентів ........................ 57 ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 60 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 62 2 СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ BLE – енергоефективний стандарт бездротового зв'язку I2C – цифровий інтерфейс для обміну даними між мікросхемами MQTT – легкий протокол для передачі телеметричних повідомлень NFC – технологія безконтактного обміну даними на коротких відстанях SPI – високошвидкісний інтерфейс для з'єднання периферійних пристроїв UART – асинхронний інтерфейс для серійної передачі даних АТ – показник сили кров'яного тиску в артеріях АЦП – пристрій для перетворення аналогових сигналів у цифрові дані БК – модуль керування роботою системи БОС – компонент для аналізу та обробки сигналів ДПС – сенсор для визначення частоти пульсу та рівня кисню в крові МНЖ – пневматичний манжет для вимірювання артеріального тиску СД – напівпровідниковий елемент для випромінювання світла ФПГ – метод визначення кровообігу за змінами світлового поглинання ЧСС – кількість серцевих скорочень за одиницю часу 3 ВСТУП Актуальність теми У сучасному світі, де зростає потреба у персоналізованих підходах до моніторингу стану здоров'я, автоматизовані системи реєстрації фізіологічних параметрів набувають дедалі більшого значення. Розвиток медичних технологій спрямований на створення компактних, портативних та високоточних пристроїв, здатних проводити безперервний контроль життєво важливих показників у реальному часі. Зростання хронічних захворювань, необхідність ранньої діагностики та контроль фізіологічних параметрів у віддаленому режимі стають ключовими факторами розвитку таких систем. Впровадження технологій IoT та бездротових комунікацій дозволяє не лише реєструвати показники в реальному часі, але й передавати їх на сервери для подальшого аналізу, забезпечуючи безперервний медичний контроль. Актуальність проблеми зумовлена зростанням хронічних захворювань, необхідністю оперативного реагування на зміни фізіологічних параметрів та розвитком систем дистанційного моніторингу, особливо в умовах медичних установ та домашнього догляду за пацієнтами. Наявні пристрої часто мають обмежені можливості або недостатню точність вимірювань, що стимулює розробку інтегрованих рішень, які поєднують сенсори, мікроконтролерне керування та алгоритми обробки сигналів. Таким чином, актуальність теми визначається необхідністю розробки універсальної багатофункціональної системи моніторингу, здатної забезпечити високу точність вимірювань, стабільний бездротовий зв’язок та ефективну передачу даних для медичних потреб. Мета роботи – проєктування автоматизованої системи моніторингу фізіологічного стану людини, що поєднує сучасні сенсорні технології, мікроконтролерну обробку даних та бездротову передачу інформації. Об’єкт дослідження – процес розробки системи моніторингу, що забезпечує збір, аналіз та передавання даних про ключові фізіологічні показники. 4 Предмет дослідження – автоматизована система моніторингу стану людини. Основні завдання дослідження: − Проведення аналітичного огляду існуючих методів вимірювання фізіологічних параметрів. − Оцінка оптичних характеристик біологічних тканин для точного вимірювання. − Розробка функціональної схеми пристрою та вибір оптимальних електронних компонентів. − Оптимізація параметрів системи фільтрації та обробки сигналів. − Реалізація алгоритмів збору та передачі даних через бездротові технології. Методи дослідження У роботі застосовано комплексний підхід, що охоплює аналітичні, експериментальні та програмні методи: аналітичний – огляд сучасних технологій моніторингу, порівняння методів вимірювання фізіологічних показників; оптичне моделювання – дослідження спектральних характеристик тканин та визначення параметрів сенсорів; електронне проєктування – розробка функціональної схеми пристрою, оптимізація фільтрації сигналів. Такий підхід забезпечив високу точність, стабільність та енергоефективність розробленої системи. Практичне значення отриманих результатів Автоматизована система може бути використана для персонального моніторингу здоров’я, медичних установ, а також у дистанційних діагностичних комплексах. Її модульна структура, висока точність вимірювань, енергоефективність та можливість інтеграції із серверними платформами дозволяють ефективно контролювати серцевий ритм, сатурацію кисню, артеріальний тиск та інші параметри в реальному часі. 5 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СУЧАСНИХ РІШЕНЬ ДЛЯ МОНІТОРИНГУ 1.1 Порівняльна характеристика методів вимірювання основник фізіологічних показників Порівняльна характеристика методів вимірювання показників пульсу Визначення пульсу відіграє ключову роль у діагностиці функціонального стану серця та судин. Існуючі способи вимірювання ЧСС можна розділити на дві основні категорії: ті, що потребують фізичного контакту з організмом, та дистанційні технології. Кожна група методів характеризується унікальними властивостями, позитивними сторонами та недоліками, які визначають сферу їх застосування. Традиційні підходи передбачають пряму взаємодію вимірювального пристрою з організмом людини. Найелементарнішим є мануальне прощупування пульсу – техніка, за якої пальці розміщують над артеріальними судинами (променевою чи шийною артерією) для відчуття пульсових хвиль. Цей спосіб не вимагає технічних засобів, але його результативність прямо залежить від кваліфікації того, хто проводить дослідження. Хоча пальпація зручна в умовах, де відсутнє медичне обладнання, її суб'єктивний характер та неспроможність забезпечити тривалий контроль роблять її менш придатною для сучасної клінічної практики. Серед інструментальних методів електрокардіографія займає провідне місце як еталонний спосіб оцінки серцевого ритму. Метод базується на фіксації біоелектричної активності міокарда та дає змогу не лише точно підрахувати ЧСС, але й ідентифікувати різноманітні аритмії. ЕКГ застосовується як у стаціонарній апаратурі, так і в компактних портативних пристроях. Проте використання цієї технології потребує спеціального інструментарію, включно з електродами та реєструючими системами, що може створювати труднощі для регулярного домашнього моніторингу. Оптична плетизмографія представляє собою альтернативний контактний підхід, що аналізує флуктуації об'єму крові у тканинах через опрацювання 6 світлових сигналів. Ця методика широко впроваджується у портативну електроніку – від фітнес-трекерів до розумних годинників, створюючи можливості для безперервного спостереження за серцевим ритмом. Водночас точність методу може погіршуватися через фізичну активність, вологість шкіри та зміни навколишнього освітлення, що робить його менш надійним порівняно з електрокардіографією. Безконтактні способи вимірювання пульсу представляють інноваційний напрямок, що відкриває можливості віддаленого спостереження. Термографічний метод з використанням інфрачервоних детекторів реєструє температурні флуктуації, що супроводжують роботу серця. Цей підхід особливо корисний для пацієнтів з пошкодженнями шкірного покриву або в умовах, де фізичний контакт небажаний чи неможливий, зокрема в період пандемій. Проте масове впровадження цієї технології стримується значною вартістю обладнання та меншою прецизійністю вимірювань у порівнянні з контактними аналогами. Альтернативним безконтактним рішенням є технологія відеоаналізу, що відстежує мікроскопічні зміни забарвлення шкіри, пов'язані з пульсацією крові. Головною перевагою цього методу є його загальна доступність, оскільки алгоритми можна реалізувати на базі звичайних мобільних пристроїв. Разом з тим, якість вимірювань суттєво залежить від світлових умов та індивідуальних анатомічних особливостей, що знижує надійність методу для широкого клінічного застосування. Порівняльна характеристика методів вимірювання показників сатурації Кисневе насичення крові являє собою критичний індикатор, що відображає ступінь зв'язування гемоглобіну з киснем і служить важливим маркером для аналізу стану респіраторної системи та ефективності газообміну в тканинах. У клінічній медицині використовується кілька підходів до оцінки цього параметра, які відрізняються своїми можливостями та обмеженнями. Серед найбільш значущих виділяють оксиметричні методи, лабораторний аналіз газового складу крові та інноваційні дистанційні технології. 7 Пульсова оксиметрія представляє собою найбільш розповсюджену неінвазивну методику оцінки кисневого насичення, що працює на принципі аналізу поглинання світла оксигенованим та деоксигенованим гемоглобіном у периферійному кровотоці. Сенсори приладу функціонують у червоному та близькому інфрачервоному діапазонах хвиль і кріпляться до периферійних ділянок організму - найчастіше до пальця або мочки вуха. Ця технологія характеризується легкістю застосування та здатністю забезпечувати постійний контроль, особливо у переносних гаджетах. Разом з тим, надійність показань може погіршуватися при порушеннях периферійної циркуляції, переохолодженні організму або анемії, а також під впливом рухової активності пацієнта та навколишнього світла. Аналіз газового складу артеріальної крові є інвазивною процедурою, що включає взяття біологічного матеріалу для визначення парціального тиску кисню (PaO₂) та подальшого обчислення ступеня оксигенації гемоглобіну. Цей метод визнається еталонним у сфері оцінки кисневого статусу через свою високу прецизійність та можливість комплексного аналізу респіраторної функції, що має вирішальне значення у критичних клінічних ситуаціях. Методика широко застосовується у палатах інтенсивного догляду та хірургічних блоках. Проте її використання вимагає спеціалізованої апаратури та кваліфікованих фахівців, а інвазивний характер процедури може спричиняти незручності для хворих і робить її непридатною для пролонгованого спостереження. Сучасний розвиток технологій у галузі оцінки сатурації характеризується активним впровадженням безконтактних рішень. Одним із найперспективніших напрямків є спектральний аналіз шкірних покривів та слизових поверхонь. Подібні системи застосовують прецизійні відеореєстратори та алгоритми штучного інтелекту для визначення рівня кисневого насичення гемоглобіну. Дистанційні технології набувають особливої актуальності в епідеміологічно небезпечних умовах або при роботі з травмованими пацієнтами, коли прямий контакт є небажаним або неможливим. Водночас їх практичне 8 застосування потребує суттєвих капіталовкладень і детального налаштування, а рівень точності поки що поступається традиційним контактним методам через чутливість до зовнішніх чинників, зокрема умов освітлення та індивідуальних особливостей пігментації шкіри. Порівняльна характеристика методів вимірювання показників температури тіла Термометрія організму представляє собою фундаментальний діагностичний параметр, який дає змогу встановити фізіологічний стан людини, ідентифікувати інфекційно-запальні патології та діагностувати порушення теплорегуляторних механізмів. У сучасній клінічній практиці використовується широкий спектр термометричних методик, кожна з яких характеризується унікальними перевагами, недоліками та специфічними сферами застосування. Загалом ці підходи класифікуються на два основні типи: ті, що потребують прямого контакту з організмом, та дистанційні технології. Контактні підходи передбачають безпосереднє розміщення вимірювального елемента на шкірних покривах або слизових поверхнях. Ці методики залишаються домінуючими у медичній практиці завдяки своїй простоті та широкій доступності. Ртутні термометричні прилади належать до найстаріших інструментів температурної діагностики. Їхній механізм функціонування ґрунтується на термічному розширенні ртуті у скляній капілярній трубці при нагріванні. Ця методика забезпечує виняткову точність вимірювань і традиційно використовується як референтний стандарт для калібрування альтернативних термометричних пристроїв. Ртутні термометри зазвичай застосовуються для аксилярних вимірювань, рідше - для оральної або ректальної термометрії. Головними обмеженнями цих приладів є тривалість процедури вимірювання (до 10 хвилин), схильність до механічних пошкоджень та серйозні екологічні загрози, пов'язані з токсичними властивостями ртуті. У численних державах їхнє застосування заборонено або значно обмежено законодавчо. 9 Електронні термометричні пристрої працюють на базі термісторних або термопарних сенсорів, електричний опір яких змінюється пропорційно до температурних коливань. Вони демонструють точність, співставну з ртутними аналогами, однак є суттєво безпечнішими та оперативнішими - тривалість вимірювання становить лише 1-2 хвилини. Ці прилади придатні для різноманітних способів термометрії: аксилярного, орального, аурикулярного або ректального. Ключовими перевагами є ергономічність використання, безпека для педіатричних пацієнтів та можливість багаторазового застосування після відповідної дезінфекції. Водночас вони можуть виявляти чутливість до механічних впливів і потребують регулярної калібровки. Інфрачервоні контактні термометри визначають температурні показники через аналіз теплового випромінювання організму. Для цього використовуються спеціалізовані детектори, що розміщуються у слуховому проході або направляються на лобну зону. Головною перевагою цього підходу є надзвичайна швидкість процедури - лише декілька секунд. Ця методика оптимальна для педіатричних пацієнтів та хворих у критичних станах, оскільки мінімізує дискомфорт під час обстеження. Разом з тим, точність результатів може залежати від правильного позиціонування сенсора, стану слухового проходу або присутності вологи на лобній ділянці. Безконтактні методики термовимірювання функціонують на принципі аналізу інфрачервоного випромінювання від поверхні тіла або слизових оболонок без необхідності фізичної взаємодії з пацієнтом. Ці технології отримали широке визнання під час пандемії COVID-19, оскільки дозволяють мінімізувати ризики інфекційної трансмісії. Безконтактні інфрачервоні прилади працюють за схожим принципом до контактних версій, проте здійснюють вимірювання з певної відстані, зазвичай декілька сантиметрів від поверхні тіла. Вони особливо ефективні для швидкого масового скринінгу у медичних закладах та громадських просторах. Основними перевагами таких систем є зручність експлуатації, гігієнічність та висока 10 оперативність отримання даних. Водночас їхня прецизійність може залежати від різноманітних зовнішніх чинників: температури оточуючого середовища, повітряних потоків або гідратації шкірних покривів пацієнта. Коректне використання вимагає ретельного налаштування та суворого дотримання технічних вимог. Тепловізійні установки дають можливість створювати термографічні карти поверхні тіла та одночасно проводити температурні вимірювання у множинних точках. Ця технологія активно застосовується для масового скринінгу, зокрема у прикордонних пунктах пропуску та великих промислових об'єктах. До переваг тепловізорів належить висока швидкість обробки інформації та можливість віддаленого моніторингу, що має критичне значення для контролю поширення епідемічних захворювань. Водночас значна вартість обладнання та потреба у спеціалізованому програмному забезпеченні обмежують їхнє масове впровадження. Крім того, точність вимірювань може коливатися через вплив навколишніх умов та індивідуальні фізіологічні характеристики пацієнтів. Радіометричні пристрої реєструють теплове випромінювання у мікрохвильовому спектрі. Незважаючи на те, що цей метод перебуває на експериментальній стадії розвитку, він демонструє потенціал для безконтактного температурного моніторингу. Його головна перевага полягає у високій сенситивності до температурних змін навіть у глибших тканинних шарах. Проте технологія потребує подальшого вдосконалення та розробки перед повноцінним клінічним впровадженням. 1.2 Порівняльна характеристика методів вимірювання показників серцевої діяльності Порівняльна характеристика методів вимірювання показників ЕКГ Електрокардіографічна діагностика являє собою фундаментальний підхід до оцінки серцевої функції, що забезпечує аналіз біоелектричної активності міокарда, дослідження серцевого ритму та провідної системи. Різноманітні технології реєстрації ЕКГ дозволяють досягти високої діагностичної 11 ефективності та гнучкості у виборі обладнання відповідно до специфічних клінічних завдань. У даному розділі представлено головні підходи до електрокардіографічної реєстрації, їхні робочі принципи, сильні сторони, обмеження та галузі медичного застосування. Стаціонарні 12-відвідні електрокардіографічні системи становлять основу кардіологічної діагностики у медичних установах. Ці прилади забезпечують прецизійну реєстрацію біоелектричної активності серця на всіх етапах серцевого циклу. Стандартна 12-відвідна конфігурація включає 10 електродних датчиків, стратегічно розміщених на тілі пацієнта, що дає можливість отримувати комплексну інформацію про стан серцево-судинної системи та діагностувати різноманітні патологічні процеси. Ключовою перевагою 12-відвідної ЕКГ є здатність до симультанної реєстрації електричних потенціалів з дванадцяти просторових проекцій, що дозволяє всебічно оцінити серцевий ритм, морфологію міокарда та його електрофізіологічні властивості. Така апаратура дає змогу ідентифікувати не лише порушення ритму, але й дефекти провідності, ознаки некрозу міокарда, ішемічні модифікації, кардіоміопатичні зміни та інші серцеві аномалії. Стаціонарні електрокардіографи переважно застосовуються у госпітальних умовах, поліклініках та спеціалізованих кардіологічних центрах, де необхідна максимальна точність і детальний аналіз отриманої інформації. Ці системи функціонують шляхом детекції електричних імпульсів, що генеруються серцем під час кардіального циклу. Електродні датчики, зафіксовані на грудній стінці, верхніх і нижніх кінцівках пацієнта, транслюють сигнали, які візуалізуються у формі характерних кривих, що відображають електричні потенціали серцевого м'язу. Процедура ЕКГ-реєстрації є оперативною та безболісною. Після встановлення електродів запис ініціюється автоматично, а отримані дані можуть архівуватися у цифровому вигляді для подальшої обробки. Це дозволяє медичним фахівцям проводити порівняльний аналіз з попередніми дослідженнями та детально вивчати модифікації сегментів або інтервалів, які 12 можуть індикувати патологічні процеси. Холтерівське спостереження серцевої активності представляє собою методику пролонгованої ЕКГ-реєстрації, що дозволяє документувати біоелектричну активність серця протягом 24-72 годин або навіть тривалішого періоду. Цю технологію розробив американський кардіолог Ной Холтер у 1961 році, вперше запропонувавши застосування портативного електрокардіографічного пристрою для безперервного ритм- моніторингу. Нині холтерівська методика є стандартизованим інструментом діагностики різноманітних кардіоваскулярних захворювань. Холтерівське обстеження передбачає безперервну документацію електричної активності серця за допомогою переносного електрокардіографічного реєстратора. Система включає декілька електродних датчиків, що фіксуються на грудній стінці пацієнта, та компактний сигнальний реєстратор. Завдяки мініатюрним розмірам і легкій конструкції пацієнт може підтримувати звичайну життєву активність під час дослідження. Протягом моніторингу електрокардіографічна інформація накопичується в пам'яті пристрою, забезпечуючи можливість всебічного аналізу серцевої функції. Процедура не спричиняє дискомфорту, однак рекомендується уникати інтенсивної фізичної активності та документувати виникнення симптомів, таких як торакальний біль або запаморочення, для точнішої інтерпретації результатів. Стрес-тестування, також відоме як тредміл-дослідження, є діагностичною методикою для оцінки кардіоваскулярної системи в умовах фізичного навантаження. Воно сприяє виявленню ішемічних модифікацій міокарда, порушень серцевого ритму та оцінці загальної функціональної спроможності серця. Дослідження проводиться на біговій доріжці або велоергометричному пристрої, що дозволяє визначити серцеву реакцію на градуальне зростання навантаження. Під час тестування пацієнт рухається на тредмілі або використовує велоергометр, а інтенсивність навантаження поступово наростає. Одночасно здійснюється моніторинг біоелектричної активності серця, вимірювання артеріального тиску та інших фізіологічних індикаторів. Стандартизований 13 протокол тестування включає декілька стадій, кожна з яких триває 3-5 хвилин, а рівень навантаження збільшується через модифікацію швидкості або кута нахилу тренажера. Тест триває до досягнення певної межі фізичних можливостей пацієнта або появи симптомів, що свідчать про неадекватну реакцію на навантаження. Безконтактні підходи до електрокардіографічної реєстрації набувають зростаючої популярності завдяки технологічному прогресу. Вони дозволяють отримувати біоелектричну активність серця без необхідності безпосереднього контакту зі шкірними покривами або з мінімальним використанням сенсорних елементів. Оптична фотоплетизмографія (ФПГ) представляє собою неінвазивну методику кардіоваскулярного моніторингу, що широко застосовується для визначення пульсової частоти, рівня кисневої сатурації та інших фізіологічних параметрів. Принцип функціонування ФПГ базується на детекції змін кровонаповнення судин через варіації інтенсивності світлового потоку, що проходить крізь біологічні тканини. Ця методика активно використовується у медичній практиці, особливо у портативних пристроях, таких як пульсометричні прилади, фітнес-трекери та системи безперервного моніторингу пацієнтів. Завдяки простоті, доступності та економічності ФПГ є одним із найперспективніших напрямків неінвазивної діагностики. Фотоплетизмографія функціонує за принципом модифікації світлопоглинання або світловідбиття залежно від ступеня кровонаповнення судинного русла. Під час систолічної фази, коли серце виштовхує кров в артеріальну систему, світлопоглинання зростає, а під час діастолічної фази – знижується. Ці циклічні зміни дозволяють не лише визначати пульсові показники, але й отримувати додаткові фізіологічні характеристики. Ємнісні датчики представляють собою сенсори, що реєструють модифікації електричної ємності між двома електродними елементами, залежно від фізичних властивостей середовища між ними. У сфері кардіального 14 моніторингу такі датчики застосовуються для вимірювання пульсових показників, змін торакального об'єму або навіть для отримання електрокардіографічних сигналів. Застосування ємнісних датчиків у медичних портативних пристроях є перспективним напрямком, особливо у контексті дистанційного спостереження. Їхнє функціонування базується на зміні ємності конденсаторного елемента залежно від модифікацій відстані між електродами або властивостей середовища. У випадку кардіального контролю цей принцип може використовуватися для реєстрації змін торакального об'єму при серцевих скороченнях або навіть для отримання ЕКГ-сигналів за допомогою спеціалізованих алгоритмів. Ультразвукові методики кардіального моніторингу належать до найефективніших та найширше застосовуваних у сучасній кардіології. Вони дозволяють отримувати детальну інформацію про морфологію та функціонування серця без ризику для пацієнта, оскільки не використовують іонізуюче випромінювання. Ці методики базуються на застосуванні високочастотних акустичних хвиль, які проникають крізь тканини та відбиваються від різних анатомічних структур серця. Під час ультразвукового кардіального дослідження спеціалізований датчик (трансдюсер) генерує звукові хвилі, що проходять через тканини організму. Частина з них відбивається від серцевих структур, таких як клапанний апарат, шлуночки, стінки камер та судинні елементи, і повертається до датчика. Комп'ютерна система аналізує ці відбиті сигнали, трансформуючи їх у зображення, що дозволяє оцінити серцеву анатомію, рухливість камер, об'єм перекачуваної крові та можливі дисфункції кардіоваскулярної системи. З розвитком технологій зростає популярність портативних пристроїв, таких як розумні годинники, що підтримують реєстрацію одноканальної ЕКГ. Завдяки таким приладам кардіальний моніторинг стає доступнішим, а користувачі можуть отримувати базову інформацію про серцеву активність у режимі реального часу та своєчасно звертатися до лікаря при виявленні аномальних показників. 15 Перевагами портативних пристроїв є їхня мобільність, простота експлуатації та інтеграція з мобільними додатками для обробки даних. Водночас їхня точність поступається багатоканальним методикам, а результати можуть залежати від якості технічного забезпечення та умов використання. Порівняльна характеристика методів вимірювання показників артеріального тиску Кров'яний тиск представляє собою важливий показник, який відображає стан функціонування серцево-судинної системи. Його величина визначається кількістю крові, що перекачується серцем протягом певного періоду, та опором стінок кровоносних судин. Виділяють два головні індикатори: верхній (систолічний) і нижній (діастолічний) тиск. Верхній показник відображає тиск у артеріальних судинах під час серцевого скорочення, коли відбувається викид крові, а нижній - рівень тиску в період серцевого розслаблення. У здорових осіб оптимальні значення кров'яного тиску дорівнюють 120/80 мм рт. ст. (верхній/нижній), при цьому різниця між ними, що називається пульсовим тиском, коливається в межах 30-60 мм рт. ст. Систематичний контроль кров'яного тиску є важливим елементом спостереження за станом здоров'я, для чого застосовуються різноманітні підходи. Найбільш достовірним способом визначення кров'яного тиску вважається метод аускультації, запропонований М.С. Коротковим на початку XX століття (1905 рік). Цей підхід досі залишається еталонним у сфері неінвазивної діагностики артеріального тиску. Процедура виконується за допомогою сфігмоманометра, який включає повітряну манжету, грушу для накачування, регулятор тиску та вимірювальний прилад (ртутний, механічний або цифровий). Звуки прослуховуються через стетоскоп або фонендоскоп, який встановлюється над артерією плеча. Верхній показник тиску фіксується в момент виникнення перших звуків Короткова при поступовому зменшенні тиску в манжеті, а нижній - коли ці звуки повністю припиняються. Звуки Короткова класифікуються за п'ятьма стадіями: 1. Початкова поява звуків 16 2. Тимчасове зменшення їх інтенсивності 3. Збільшення гучності звуків 4. Суттєве зниження інтенсивності 5. Цілковите припинення (хоча іноді може спостерігатися "безперервний тон") Метод аускультації визнається базовим для клінічного вимірювання артеріального тиску. При всій своїй високій надійності, він має певні недоліки - може давати дещо занижені значення верхнього та завищені нижнього тиску порівняно з інвазивними техніками. Серед основних достоїнств методу - точність навіть при порушеннях серцевого ритму або незначних рухах руки пацієнта. Разом з тим, метод чутливий до зовнішніх перешкод, таких як сторонні звуки, тертя манжети об тканину одягу та неточне розміщення стетоскопа. Достовірність результатів може погіршуватися через слабкість тонів, аускультативні пропуски або "безперервний тон", а відхилення у вимірюваннях становить 7-14 мм рт. ст. Рисунок 1.1 – Демонстрація аскультативного та пальпаторного методів 17 Методика вимірювання кров'яного тиску через пальпацію, розроблена італійським фахівцем Рівою Роччі наприкінці XIX століття (1896 рік), базується на контрольованому зменшенні компресії в манжеті до відновлення відчуття пульсу після його тимчасового припинення внаслідок стиснення судини. Верхній показник тиску фіксується у момент повернення пульсації, а нижній - коли спостерігається зниження інтенсивності пульсової хвилі або виникає феномен pulsus celer (помилкове пришвидшення пульсу). Даний підхід не вимагає складного устаткування, що забезпечує його застосування в умовах обмеженого доступу до прецизійних вимірювальних засобів. Незважаючи на меншу точність порівняно з аускультативною та осцилометричною техніками, він зберігає практичну цінність в екстрених ситуаціях, коли інші варіанти недоступні. Осцилометрична методика, що спирається на концепції, сформульовані Етьєном Мареєм у другій половині XIX століття (1876 рік), включає застосування водного плетизмографа для створення керованого тиску навколо кінцівки та фіксації змін її обсягу через пульсове заповнення судин. Дослідивши взаємозв'язок між силою пульсацій та ступенем компресії, Марей встановив принципи оцінювання артеріального тиску. Сучасна осцилометрична техніка ґрунтується на контрольованому зниженні компресії в манжеті та вивченні варіацій амплітуди пульсацій, що виникають через коливання артеріального тиску. Верхній тиск встановлюється в момент стрімкого зростання осциляцій, пікова амплітуда співвідноситься із середнім тиском, а різке падіння осциляцій вказує на нижній тиск. Осцилометрична техніка становить основу приблизно 80% автоматизованих та напівавтоматизованих пристроїв для визначення артеріального тиску. До її головних переваг належать: нечутливість до зовнішніх акустичних перешкод, можливість проведення вимірювань через тонкий одяг, а також ефективність у випадках аускультативних пропусків або ослаблених тонів Короткова. Важливою характеристикою цього методу є спроможність здійснювати діагностику навіть при мінімальній інтенсивності звукових сигналів 18 або їх повній відсутності, що надає йому більшої універсальності порівняно з класичним аускультативним способом. Осцилометричну методику застосовують не тільки для діагностики тиску в плечових та підколінних судинах, але й в інших артеріях кінцівок. Це сприяло створенню компактних пристроїв, придатних для носіння на зап'ясті або плечі, що спрощує процедуру контролю в побутових умовах або під час поїздок. Більше того, цей підхід істотно зменшує вплив суб'єктивних чинників, знижуючи ймовірність помилок при визначенні показників артеріального тиску. Рисунок 1.2 – Осцилометричний спосіб вимірювання АТ Прямий метод визначення кров'яного тиску характеризується найвищою точністю та достовірністю серед усіх способів контролю серцево-судинної системи. Він знаходить широке застосування в палатах інтенсивної терапії, під час оперативних втручань та у відділеннях реанімації. Методика полягає у прямому розміщенні катетера або спеціалізованого сенсора всередину артерії, що забезпечує отримання прецизійних показників тиску у постійному режимі. Катетер імплантується через артерії кисті, стегнові судини або інші магістральні артерії, після чого підключається до манометричного пристрою або електронного сенсора для постійного спостереження за артеріальним тиском. 19 Зафіксовані показники передаються на моніторинговий пристрій, який відображає інформацію у числовому або графічному вигляді, забезпечуючи детальний аналіз змін тиску. Технологічний прогрес сприяв розробці інноваційних підходів до вимірювання кров'яного тиску, включаючи фотоплетизмографічні методи та аплантаційну тонометрію. Фотоплетизмографія являє собою безпечний неінвазивний підхід, що застосовується для визначення частоти пульсу, насичення крові киснем (SpO₂) та інших показників циркуляції. Робочий принцип базується на дослідженні варіацій світлопоглинання тканинами внаслідок пульсаторних змін кровотоку у судинах. Світловий потік від джерела (зокрема, світлодіода) проникає через тканини, частково абсорбується кров'ю, а решта відбивається до фотоприймача. Оскільки ступінь наповнення капілярів кров'ю змінюється із кожною серцевою пульсацією, відповідно коливається і рівень світлопоглинання. Сенсор фіксує ці флуктуації та аналізує отримані сигнали для встановлення пульсу, кисневої сатурації та інших циркуляторних параметрів. Розроблено різноманітні фотоплетизмографічні конфігурації, включаючи одно- та багатоканальні модифікації, що дозволяють більш детально оцінювати циркуляторний статус відповідно до потрібних характеристик. Аплантаційна тонометрія представляє методику вимірювання тиску, що використовується для оцінки внутрішньоочного або судинного тиску, заснована на визначенні зусилля, потрібного для сплющення певної ділянки тканини. Стосовно артеріального тиску ця техніка застосовується для дослідження пульсової хвилі та судинної еластичності, особливо великих артерій, таких як каротидна або радіальна. Функціональний принцип методики ґрунтується на законах механіки Гука та біомеханіці тканин. Датчик здійснює керований тиск на поверхню судини, фіксуючи зміни її конфігурації або рівень стиснення. Отримана інформація використовується для характеристики пульсової хвилі, яка демонструє функціональний стан судин та їхні еластичні властивості. Портативні системи для контролю артеріального тиску – це компактні та практичні інструменти, що 20 надають користувачам можливість відслідковувати власний кров'яний тиск у постійному режимі без використання стандартного медичного обладнання. Вони мають особливу цінність для осіб із гіпертензією, кардіологічними патологіями, а також для тих, хто прагне до щоденного моніторингу свого здоров'я. Сучасні розробки дозволяють цим пристроям синхронізуватися із смартфонами та іншими електронними гаджетами, що полегшує зберігання, обробку та відстеження показників кров'яного тиску. 1.3 Оптичні характеристики біологічних середовищ для визначення концентрації глюкози Під час проведення терапевтичних і діагностичних процедур важливо враховувати спектральні властивості біологічних тканин. Це забезпечує можливість вибору оптичного волокна, що відповідає необхідним критеріям пропускання для ефективної реєстрації біологічних процесів у визначеному діапазоні довжин хвиль [8]. Рисунок 1.3 – Коефіцієнти поглинання основних біологічних тканин і рідин [8] Світло, взаємодіючи з біологічними тканинами та рідинами, проходить складні оптичні процеси, обумовлені їхньою неоднорідною структурою. Компоненти тканин мають різні показники заломлення, що спричиняє 21 розсіювання, відбиття й поглинання світлової енергії. Ефективний коефіцієнт заломлення біологічних середовищ може змінюватися поступово або різко на межах між окремими структурними елементами. Світловий потік здатен проникати на кілька сантиметрів углиб тканини, але його значне розсіювання ускладнює формування чітких зображень патологічних змін [8]. Поглинання світла також є визначальним фактором для встановлення глибини проникнення випромінювання в біологічні матеріали. На рис. 1.3 показано коефіцієнти поглинання ключових компонентів тканин, таких як вода, кров, меланосоми, епідерміс і судини, в спектральному діапазоні від 190 нм (ультрафіолет) до 10 мкм (інфрачервоне випромінювання) [8]. Оптичні характеристики тканин, зокрема гіподерми, істотно залежать від вмісту меланіну. Як показано на рис. 1.4, більшість біологічних структур демонструють низький рівень поглинання у спектральному інтервалі 600–1500 нм, що охоплює ділянку від помаранчевого сегмента видимого спектра до ближнього інфрачервоного випромінювання [9]. Рисунок 1.4 – Спектри поглинання світлової енергії основними хромофорами шкіри У цьому спектральному діапазоні водні тканини, зокрема кров, характеризуються низьким рівнем поглинання світла, що пов’язано з властивостями пігментів, таких як меланін і гемоглобін. 22 Рисунок 1.5 – Структура шкіри і глибина проникнення світлового випромінювання на різних довжин хвиль На рис. 1.5 показано глибину проникнення світла залежно від довжини хвиль, а також розсіювальні властивості крові. Рис. 1.6 демонструє коефіцієнт відбиття випромінювання для шкіри з різним рівнем пігментації. Наприклад, слабопігментована шкіра може відбивати 43–55% світла, причому у чоловіків цей показник на 5–7% нижчий, ніж у жінок [11]. Рисунок 1.6 – Відносні коефіцієнти відображення шкіри європейця і афроамериканця 23 Кров містить плазму (55–60%) та формені елементи (40–45%), серед яких еритроцити, лейкоцити й тромбоцити. Основним компонентом еритроцитів, що забезпечує транспортування кисню та вуглекислого газу, є гемоглобін. Схематичне зображення цієї структури наведено на рис. 1.7. Рисунок 1.7 – Будова молекули води і молекули гемоглобіну Гемоглобін існує у кількох фізіологічних формах, таких як оксигемоглобін, дезоксигемоглобін і карбоксигемоглобін, а також у патологічних варіантах, включаючи карбгемоглобін і метгемоглобін. На рис. 1.8 наведено спектри поглинання різних видів гемоглобіну, зокрема оксигемоглобіну, дезоксигемоглобіну та метгемоглобіну [13]. Рисунок 1.8 –- Структура молекулі гемоглобіну [14] 24 Рівень поглинання світла залежить від концентрації гемоглобіну: зі зростанням його кількості поглинання посилюється, а при зменшенні об'єму крові збільшується інтенсивність відбитого світла. Ці взаємозв’язки застосовуються для визначення концентрації гемоглобіну відповідно до модифікованого закону Бера-Ламберта. 1.4 Оцінка механізмів передачі даних Локальний обмін інформацією між датчиками та керуючим пристроєм становить основу функціонування будь-якої моніторингової системи, особливо у сфері медичного обладнання. Це забезпечує комунікацію між датчиками, що реєструють біологічні показники, та керуючим модулем, який здійснює обробку. У сучасних моніторингових системах продуктивний інформаційний обмін визначається критеріями швидкості, прецизійності та енергетичної ефективності. Для досягнення цих цілей застосовуються різні базові технології: I2C (Inter-Integrated Circuit) – двожильний протокол, що функціонує через канали передачі інформації (SDA) та тактування (SCL). Дозволяє приєднувати декілька датчиків до єдиного керуючого пристрою із забезпеченням їх індивідуальної адресації. I2C є оптимальним рішенням для систем із невеликою кількістю компонентів, оскільки зменшує число з'єднань, однак характеризується обмеженою швидкістю трансмісії. SPI (Serial Peripheral Interface) – швидкісний протокол, що використовує окремі канали для інформаційного обміну, мінімізуючи часові затримки. Підходить для роботи із значними обсягами інформації, наприклад, від високочутливих датчиків. Слабким місцем SPI є необхідність у збільшеній кількості провідників, що ускладнює впровадження у компактних пристроях. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) – асинхронний протокол, що не вимагає окремого каналу тактування, спрощуючи його впровадження. Добре підходить для пристроїв із помірними вимогами до швидкості трансмісії, проте при значних обсягах інформації можуть з'являтися затримки. 25 Bluetooth Low Energy (BLE) – один із лідируючих бездротових протоколів для портативних пристроїв. Забезпечує ефективний інформаційний обмін на невеликих відстанях (до 10 метрів) при мінімальному енергоспоживанні, що робить його ідеальним для автономних медичних датчиків та фітнес-пристроїв. Головними обмеженнями BLE є невелика дальність зв'язку та відносно низька пропускна здатність. Wi-Fi – одна з найпоширеніших бездротових технологій, що гарантує високу швидкість інформаційного обміну на значних відстанях. Широко застосовується для підключення пристроїв до локальних мереж або хмарних платформ. Проте високе енергоспоживання обмежує використання Wi-Fi у пристроях із автономним живленням. Для інформаційного обміну на короткі дистанції використовується NFC (Near Field Communication) – енергоефективна технологія, оптимальна для контактних з'єднань. Часто застосовується у портативних медичних пристроях для передачі даних на смартфони чи планшети. Основним недоліком NFC є мала дальність трансмісії, зазвичай до декількох сантиметрів. Трансмісія даних у системах моніторингу біологічних параметрів має ряд ключових аспектів, що визначають її продуктивність, стабільність і відповідність функціональним потребам: Прецизійність і швидкість – життєво важливі характеристики, особливо у медичних застосуваннях. Наприклад, при моніторингу ЕКГ або кров'яного тиску затримки у трансмісії можуть впливати на діагностичний процес чи швидкість реагування. Вибір протоколу залежить від обсягу інформації та частоти її оновлення: I2C підходить для низькошвидкісних датчиків, а SPI або BLE - для високопродуктивних систем. Енергетична ефективність – особливо критична для пристроїв із батарейним живленням. Наприклад, Bluetooth Low Energy (BLE) оптимізований для низького енергоспоживання, забезпечуючи тривалу автономну експлуатацію. Натомість більш енергоємні рішення, такі як Wi-Fi, краще підходять для стаціонарних систем або пристроїв із зовнішнім живленням. 26 Безпека даних – критичний фактор для медичних систем, що працюють із конфіденційною інформацією про пацієнтів. Застосування криптографії, автентифікації пристроїв та захисту від несанкціонованого доступу допомагає запобігти витокам або зовнішнім загрозам, що особливо важливо при бездротовій трансмісії. Сумісність компонентів – необхідність підтримки єдиних стандартів інтерфейсів датчиків і керуючих пристроїв (I2C, UART, BLE) для коректного функціонування системи. Важливо також враховувати апаратні особливості, такі як рівні напруги сигналів чи частотні обмеження. Таким чином, організація трансмісії даних у моніторингових системах потребує збалансованого підходу, що враховує всі зазначені аспекти для ефективного функціонування та скоординованої роботи системних компонентів. Інтеграція датчиків із керуючим пристроєм є ключовим етапом створення моніторингових систем, що забезпечує точний збір, обробку та трансмісію інформації. Цей процес включає підбір відповідних датчиків, їхнє фізичне підключення, налаштування інтерфейсів та програмну інтеграцію. На початковому етапі підбираються датчики відповідно до системних вимог, враховуючи їхню точність, швидкість вимірювань та енергоспоживання. Наприклад, для моніторингу пульсу застосовуються фотоплетизмографічні датчики, а для вимірювання температури - термістори чи інфрачервоні сенсори. Датчики повинні відповідати технічним характеристикам керуючого пристрою, включаючи рівні напруги та типи інтерфейсів. Фізичне з'єднання реалізується через стандартизовані інтерфейси: I2C, SPI, UART або аналогові входи. Провідні інтерфейси, зокрема I2C та SPI, забезпечують можливість підключення множини датчиків до єдиного керуючого пристрою, використовуючи спільні канали для інформаційного обміну та синхронізації. Аналогові датчики трансмітують інформацію у формі напруги, яку керуючий пристрій зчитує через аналого-цифровий конвертер (АЦК). У випадку слабкого вихідного сигналу датчика застосовуються підсилювачі для підвищення прецизійності вимірювання. 27 Бездротова інтеграція вимагає наявності у керуючому пристрої відповідного комунікаційного модуля, наприклад Bluetooth або Wi-Fi. За такого підходу датчики транслюють інформацію по радіоканалу, що скорочує кількість фізичних з'єднань та підвищує мобільність системи. Програмна інтеграція передбачає створення коду для інформаційного обміну через відповідні драйвери та бібліотеки. Наприклад, зчитування інформації з датчиків через I2C може здійснюватися за допомогою HAL (Hardware Abstraction Layer) або CMSIS для мікроконтролерів STM32. Особливу увагу приділяють калібруванню датчиків, необхідному для гарантування точності вимірювань. Калібрування може бути апаратним - налаштування електронних компонентів, або програмним - корекція інформації на основі еталонних значень. Ключовий аспект інтеграції – енергетична ефективність. Датчики та керуючий пристрій повинні підтримувати режими низького енергоспоживання для подовження автономної експлуатації. Наприклад, можна активувати режим "сну" для датчиків, які не потребують постійного моніторингу. Отже, інтеграція датчиків та керуючого пристрою охоплює підбір компонентів, фізичне з'єднання, налаштування трансмісії інформації та програмне забезпечення. Успішна реалізація цього процесу гарантує точність, ефективність і надійність функціонування моніторингової системи. Вибір протоколів для серверної передачі даних Підбір протоколів для серверної трансмісії інформації є критичним етапом розробки моніторингових систем, оскільки він визначає швидкість, стабільність і енергетичну ефективність інформаційного обміну. Найпоширенішими технологіями для таких систем є Wi-Fi у поєднанні з високорівневими протоколами, зокрема MQTT та HTTP. MQTT – легкий мережевий протокол, оптимізований для трансмісії інформації у реальному часі в умовах обмежених ресурсів. Він розроблений для функціонування у середовищах із низькою пропускною здатністю, високими затримками або нестабільним з'єднанням, що робить його ідеальним для IoT- пристроїв, сенсорних мереж та моніторингових систем. 28 Основний принцип MQTT базується на моделі публікації/підписки (publish/subscribe), яка відрізняється від традиційної клієнт-серверної архітектури. У такій моделі пристрої, що транслюють інформацію (публішери) та ті, що її отримують (підписники), взаємодіють через брокер MQTT. Брокер відповідає за прийом повідомлень, їх фільтрацію, збереження та трансляцію відповідним підписникам. Завдяки такій структурі пристрої не потребують прямого з'єднання між собою, що підвищує гнучкість системи. Однією з головних переваг MQTT є його ефективність - повідомлення мають мінімальний розмір, що знижує навантаження на мережу. Це особливо важливо для пристроїв з обмеженими ресурсами, таких як датчики чи портативні пристрої. MQTT також підтримує різні рівні якості обслуговування (QoS), які визначають гарантії доставки: − QoS 0 (At most once) – повідомлення транслюється один раз без підтвердження доставки − QoS 1 (At least once) – повідомлення доставляється мінімум один раз, що може спричинити дублювання − QoS 2 (Exactly once) – повідомлення надходить лише один раз, забезпечуючи максимальну надійність, хоча вимагає додаткових ресурсів MQTT підтримує постійні з'єднання між пристроями та брокером, що дозволяє миттєво транслювати інформацію. Крім того, протокол забезпечує функцію retained messages, яка дає змогу брокеру зберігати останнє повідомлення на тему та автоматично транслювати його новим підписникам після їх підключення. Для забезпечення безпеки MQTT використовує автентифікацію через логіни та паролі, а також шифрування інформації за допомогою TLS. Це особливо важливо при трансляції конфіденційної інформації, наприклад медичних показників. Завдяки гнучкості та універсальності MQTT застосовується у різних сферах, включаючи автоматизацію будинків, промислові системи, медичні пристрої та транспортні рішення. Його ефективне використання ресурсів та 29 здатність працювати в нестабільних мережах роблять його одним із найбільш популярних протоколів для IoT та моніторингових систем. HTTP - базовий мережевий протокол, що забезпечує інформаційний обмін між клієнтом і сервером у мережі Інтернет. Він використовується для трансляції вебсторінок, зображень, відео та інших ресурсів. HTTP функціонує за клієнт- серверною архітектурою: клієнт ініціює запит, а сервер відповідає відповідною інформацією. У системах моніторингу фізіологічних показників, таких як пульс, температура та сатурація, протокол HTTP використовується для трансляції інформації від пристроїв до серверів, де вона зберігається для подальшого аналізу. Лікарі та пацієнти можуть отримувати цю інформацію через веб- інтерфейси або мобільні додатки. Однак HTTP не завжди є оптимальним рішенням для систем, що потребують реального часу, оскільки його модель запит-відповідь може спричиняти затримки, що не підходять для застосувань, де важлива миттєва реакція на зміни фізіологічних параметрів. У таких випадках ефективнішими можуть бути альтернативні протоколи, такі як MQTT або CoAP, що спрощують трансляцію повідомлень та зменшують затримки. Водночас HTTP залишається універсальним і зручним для застосувань, де негайна трансляція інформації не є критичною. Цей розділ містить огляд сучасних методів і технологій моніторингу фізіологічних параметрів людини. Дослідження показало, що інтеграція сенсорних технологій, алгоритмів обробки інформації та бездротової трансляції є важливим етапом для підвищення ефективності медичних систем. Обґрунтовано доцільність впровадження комплексної моніторингової системи, яка дозволяє здійснювати безперервний контроль таких важливих показників, як пульс, сатурація, температура, кров'яний тиск, рівень глюкози та електрокардіограма. Збільшення кількості хронічних захворювань та необхідність швидкого реагування на зміни стану пацієнтів підкреслює актуальність таких рішень. 30 Запропонована система забезпечує автоматизацію збору інформації, її збереження у базах даних та віддалений доступ для лікарів і зацікавлених осіб. Аналіз підтверджує, що її розробка сприяє покращенню діагностики, персоналізації лікування та зниженню навантаження на медичні установи. 31 РОЗДІЛ 2 ФУНКЦІОНАЛЬНА РЕАЛІЗАЦІЯ ТА ПРОЄКТУВАННЯ СИСТЕМИ 2.1 Проєктування функціональної схеми Основний принцип роботи пристрою полягає у зборі, аналізі та передачі фізіологічних параметрів на сервер для подальшої обробки. Це реалізується через інтеграцію сенсорів, мікроконтролера та модулів зв’язку в єдину систему. Сенсори фіксують біосигнали, зокрема пульс, сатурацію (SpO₂), температуру, артеріальний тиск, рівень глюкози в крові та електрокардіограму. Всі ці показники відіграють ключову роль у визначенні стану здоров’я, а значні відхилення можуть сигналізувати про можливі медичні ризики. Розробка функціональної схеми є важливим етапом у створенні системи моніторингу з дистанційним збором і аналізом даних. На цьому етапі визначається архітектура системи, її зв’язок з іншими компонентами та оптимізація інформаційного обміну між модулями. Функціональна схема встановлює основні принципи роботи пристрою, взаємодію між сенсорами, мікроконтролером, модулями зв’язку, блоками живлення та інтерфейсами. Вона також визначає методи обробки сигналів, включаючи фільтрацію шумів, нормалізацію даних і алгоритмічні розрахунки параметрів на основі отриманої інформації [15]. Важливим завданням є розробка логіки функціонування системи, яка охоплює не тільки вимірювання фізіологічних параметрів, а й дистанційний моніторинг та передачу даних. Правильне проектування сприяє полегшенню взаємодії між компонентами та підвищує точність аналізу. Функціональна схема визначає структурні зв’язки між усіма елементами системи, оптимізуючи передачу даних від сенсорів до серверів. Також важливим аспектом є зручність для кінцевого користувача, що передбачає створення інтерфейсів зворотного зв’язку та забезпечення доступу до даних для лікарів і пацієнтів. Ретельне проектування функціональної схеми є основою для формування надійної, ефективної та масштабованої системи моніторингу 32 здоров’я людини [16]. Функціональна схема розробленої системи представлена на рисунку 2.1. Рисунок 2.1 – Функціональна схема автоматизованої системи Функціональна схема системи моніторингу стану людини включає кілька основних модулів, кожен з яких виконує певну функцію: вимірювання, обробку та відображення фізіологічних показників. Взаємодія між цими компонентами забезпечує безперебійну роботу системи. Джерело живлення (АКБ) підтримує автономність пристрою, стабільно живлячи всі ключові модулі. Для керування живленням використовується кнопка (on/off), що дозволяє активувати або вимикати систему. Центральним вузлом управління є мікроконтролер (МК), який координує роботу всіх складових, обробляє отримані сигнали та забезпечує їх взаємодію. До його структури входять блок керування (БК), блок обробки сигналів (БОС), аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) та пам’ять FIFO для збереження інформації. Кнопки керування (КК) забезпечують інтуїтивне управління пристроєм. 33 Система оснащена сенсорами для відстеження фізіологічних параметрів: − Датчик пульсу та сатурації (ДПС) вимірює частоту серцевих скорочень і рівень насичення крові киснем. Він отримує команди від БК, проводить вимірювання, а потім передає дані на БОС для аналізу. − Модуль електрокардіограми (ЕКГ) фіксує електричну активність серця. Після отримання команди від БК, електросигнали передаються через електроди до БОС, де вони проходять обробку та зберігаються у FIFO. − Світлодіод (СД) та фотодетектор (ФД) працюють у парі для визначення рівня глюкози в крові. СД випромінює світло, а ФД реєструє його інтенсивність після проходження крізь тканини. Дані підсилюються, фільтруються високочастотним (ФВЧ) фільтром і надходять до АЦП у МК. − Датчик температури (ДТ) вимірює температуру тіла, а ФВЧ після нього усуває низькочастотні шуми. Функціональна схема визначає структурні зв’язки між компонентами, оптимізуючи передачу даних та роботу системи. Блок вимірювання артеріального тиску складається з: − датчиків тиску (для повітря та рідини), − двокамерної манжети, − насоса, − клапана, − фільтрів високих (ФВЧ) та низьких частот (ФНЧ). Вимірювання розпочинається з фіксації манжети на руці пацієнта. Насос нагнітає повітря, підвищуючи тиск. Після досягнення необхідного рівня насос вимикається, і контрольоване випускання повітря відбувається через клапан, а весь процес регулюється МК. Під час здавлювання манжетою виникають пульсаційні коливання, спричинені циркуляцією крові. Сигнал з датчика тиску проходить через ФВЧ, що дозволяє виділити коливання пульсу. На основі отриманих даних формується графік серцевого ритму, який аналізується МК. 34 МК містить порогові значення для визначення тонів Короткова: − Систолічний артеріальний тиск (САТ) реєструється у момент появи тонів. − Діастолічний артеріальний тиск (ДАТ) фіксується при їх зникненні. Параметри визначаються методом осцилометричного аналізу: амплітуда пульсацій поступово зростає до моменту досягнення середнього артеріального тиску, а потім зменшується. Отримані значення зберігаються в пам’яті МК та можуть бути записані у базу даних для подальшої обробки. Такий підхід до проектування забезпечує надійність, ефективність та масштабованість системи моніторингу здоров’я. Рисунок 2.2 – Графік тиску в манжеті (пунктир) та серцевого ритму (суцільна лінія) DC-DC перетворювач забезпечує стабільне живлення мікроконтролера, компенсуючи коливання вхідної напруги. Він здатний приймати напругу в межах 4,5–9 В, при цьому вихідне значення залишається незмінним – 5 В, що гарантує надійну роботу електронних компонентів системи. 35 2.2 Гідропневматична схема манжети та алгоритм роботи системи Спочатку розглядається принцип гідропневматичного регулювання, що включає датчики тиску, двокамерну манжету, насос і керуючий клапан. Далі описується алгоритм функціонування системи, який забезпечує автоматизований процес вимірювання, аналіз отриманих даних та їх обробку. Рисунок 2.3 – Гідропневматична схема Гідропневматична схема являє собою сукупність компонентів, що забезпечують процес вимірювання артеріального тиску. Основним елементом є двокамерна манжета, яка включає повітряну та водну камери. Конфігурація пристрою (рис. 2.3) містить два основних тракти: − Пневматичний тракт, який включає двокамерну манжету (1), повітряний фільтр (2), компресор (3), зворотний клапан (4), електромагнітний клапан (5) та датчик тиску. − Гідравлічний тракт, що складається з двокамерної манжети (1), автоматичного воздухоотводу та датчика тиску. Така конструкція забезпечує ефективний контроль і точність вимірювання фізіологічних параметрів, оскільки враховує важливі аспекти роботи сенсорів, фільтрації сигналів, стабілізації живлення та передачі даних. Сенсори пристрою обираються з урахуванням їхньої здатності зчитувати дані з мінімальною 36 похибкою, а використання якісних фільтрів для усунення шумів гарантує коректні результати. Фільтри низьких і високих частот допомагають видаляти перешкоди та сторонні коливання, а застосування операційних підсилювачів, таких як AD9631, забезпечує необхідне підсилення без втрати точності. Гідропневматична схема не лише реалізує вимірювання артеріального тиску, а й забезпечує взаємодію між повітряною камерою, яка створює необхідний тиск на артерію, та водною камерою, що фіксує пульсаційні зміни внаслідок деформації судини. Крім манжети, система містить насоси, клапани та датчики, що забезпечують регулювання тиску та точність вимірювань. Розробка алгоритму роботи системи У структурі блок-схеми (рис. 2.4) використовуються ключові елементи: − Прямокутні блоки – відображають виконання конкретних операцій. − Ромбічні блоки – позначають місця прийняття рішень. − Овальні блоки – визначають початок і завершення алгоритму, містять назву програми або відповідну позначку. Ця схема встановлює взаємозв’язки між усіма компонентами системи, забезпечуючи її узгоджене функціонування. Рисунок 2.4 – Основні типи блоків Отже, на рисунках 2.5 та 2.6 наведено блок-схему алгоритму функціонування вимірювальної системи. 37 Рисунок 2.5 – Алгоритм роботи системи (частина 1) 38 Рисунок 2.6 – Алгоритм роботи системи (частина 2) Пристрій функціонує за чітко визначеним алгоритмом, що забезпечує послідовне виконання всіх етапів вимірювання. Спочатку манжета фіксується на зап’ясті, вимірювальний модуль розташовується на пальці, а електроди ЕКГ закріплюються на відповідних ділянках тіла, що підготовлює систему до збору даних. 39 Процес вимірювання включає кілька етапів: − Вимірювання температури тіла – активується сенсор, який реєструє показники. − Запуск модуля ЕКГ – реєструється електрична активність серця та параметри ритму. − Визначення пульсу та сатурації кисню (SpO₂) – рівень кисню серцевих скорочень встановлюються фотоплетизмографічним методом. − Оцінка рівня глюкози – активується інфрачервоний світлодіод, випромінювання якого проходить крізь тканини, а фотодіод фіксує інтенсивність світла та передає дані на обробку. − Вимірювання артеріального тиску – ЕМ-клапан закривається, компресор нагнітає повітря до рівня ����≥160 мм рт. ст. − Перевірка наявності пульсацій – при високому тиску компресор підвищує його до ����≥200 мм рт. ст., а за критичних значень – до ����≥240 мм рт. ст. − Якщо при ����≥240 мм рт. ст. пульсації не зникають, клапан відкривається, система виводить повідомлення про помилку. − Якщо пульсації відсутні, запускається програма обробки, яка аналізує амплітуду осциляцій, визначає середній артеріальний тиск та фіксує діастолічний показник. − Далі розраховується систолічний тиск (САТ). Якщо осциляції не виявлені, компресор повторно підвищує тиск до 200 мм рт. ст. − У разі успішного вимірювання система фіксує середній АТ, ДАТ і САТ, які зберігаються та відображаються на графічному дисплеї. Останній етап передбачає перевірку зв’язку з сервером та передачу отриманих даних. Якщо з’єднання немає, система виводить повідомлення про помилку та виконує до 9 повторних спроб підключення. У разі невдачі після дев’ятої спроби робота програми завершується. Після завершення вимірювання необхідно зняти манжету та датчики. 40 2.3 Оптимізація параметрів і вибір електронних компонентів Розробка принципової електричної схеми є ключовим етапом створення системи моніторингу фізіологічних параметрів людини. Основна її мета – забезпечити точність вимірювань, стабільність роботи пристрою та відповідність технічним вимогам. Процес проєктування передбачає визначення параметрів живлення, впровадження механізмів фільтрації сигналів та інтеграцію всіх компонентів у єдину функціональну систему для стабільної роботи пристрою. Розрахунок фільтра високих частот Фільтр високих частот – це електронна схема або пристрій, що пропускає частоти, які перевищують задану частоту зрізу (fc), водночас пригнічуючи нижчі частоти. Його основна функція – усунення низькочастотних шумів та дрейфу постійного струму, зберігаючи корисні високочастотні компоненти сигналу. Структурна схема електричного фільтра високих частот зображена на рис. 2.7. Рисунок 2.7 – Фільтр високих частот 41 Для реалізації фільтрації сигналу через фільтр високих частот обрана частота зрізу 1 Гц. На її основі виконано розрахунок компонентів схеми: − Частота зрізу: fc = 1 Гц − Коефіцієнт затухання (для фільтра Баттерворта): a = 1,414 − Для спрощення обчислень прийнято такі припущення: − Ємність конденсаторів: C = C11 = C13 − Опір резисторів: R = R14 = R16 Оскільки діапазон номіналів резисторів ширший, ніж у конденсаторів, спочатку обираються значення конденсаторів, а на їх основі розраховуються резистори: − Конденсатори: C11 = C13 = 10 мкФ − Резистори: R14 = R16 = 16 кОм − При встановленні значення R18 = 10 кОм розраховується: − R19 = R18 ∙ (2 - a) = 10000 ∙ (2 – 1,414) = 5860 Ом − Остаточні номінали: R18 = 10 кОм, R19 = 5,9 кОм − Коефіцієнт підсилення фільтра визначається за формулою: K = R19 / R18 + 1 = 1,59 Розрахунок фільтра низьких частот Фільтр низьких частот (ФНЧ) – це електронна схема, яка пропускає низькочастотні сигнали та придушує високочастотні складові, що перевищують частоту зрізу (fc). Основне призначення ФНЧ – виділення повільно змінюваних компонентів сигналу. Такі фільтри застосовуються у: − Аудіосистемах для зменшення шумів та покращення якості звуку. − Цифрових пристроях для згладжування сигналів перед їх аналізом [17]. ФНЧ може бути побудований на пасивних компонентах (резисторах і конденсаторах) або на активних схемах з операційними підсилювачами. Ефективність роботи фільтра залежить від крутизни спаду амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) та правильного вибору параметрів його компонентів. 42 Принципова електрична схема фільтра низьких частот представлена на рис. 2.8. Рисунок 2.8 – Фільтр низьких частот Для обробки сигналу з датчика тиску води встановлено частоту зрізу 50 Гц. На основі цього параметра визначаються компоненти схеми: − Частота зрізу: fc = 50 Гц − Коефіцієнт затухання (для фільтра Баттерворта): a = 1,414 − Для спрощення розрахунків прийнято: − Ємність конденсаторів: C = C17 = C18 − Опір резисторів: R = R12 = R14 Оскільки діапазон номіналів конденсаторів обмежений, спочатку обрані їхні значення, а потім розраховані резистори: − Конденсатори: C17 = C18 = 100 нФ − Резистори: R13 = R15 = 32 кОм − При встановленні R23 = 10 кОм, розраховується: − R24 = R23 ∙ (2 - a) = 10000 ∙ (2 – 1,414) = 5860 Ом − Остаточний номінал: R23 = 10 кОм, R24 = 5,9 кОм 43 Коефіцієнт підсилення фільтра визначається за формулою: K = R24 / R23 + 1 = 1,59 Розрахунок неінвертуючого підсилювача фотодетектора Неінвертуючий підсилювач – це схема операційного підсилювача (ОУ), що підвищує амплітуду сигналу без зміни його фазового зсуву. Вихідний сигнал зберігає фазу вхідного, що є критично важливим для систем, де необхідно підтримувати напрямок сигналу [17]. Електрична схема неінвертуючого підсилювача представлена на рис. 2.9. Рисунок 2.9 – Неінвертуючий підсилювач фотодетектора Вихідна напруга фотодіода ФД-21КП не перевищує 100 мВ, тому для досягнення 3 В необхідно підсилити сигнал у 30 разів. Відповідно, коефіцієнт підсилення дорівнює 30. Обрані номінали резисторів: R11 = 1000 Ом, R12 = = 34 Ом. 44 Розрахунок DC-DC перетворювача DC-DC перетворювач – це електронний модуль, що трансформує постійну напругу (DC) в інше значення, дозволяючи регулювати рівень вихідної напруги при збереженні стабільного напрямку струму [17]. Схема підключення DC-DC перетворювача для зниження та стабілізації напруги наведена на рис. 2.10. Рисунок 2.10 – Схема підключення DC-перетворювача в режимі пониження/стабілізації напруги Розрахунок підлаштовуючих резисторів для DC-DC перетворювача Для роботи перетворювача в режимі зниження напруги до 3.3 В обрано стандартне значення резистора R4 = 1 кОм (1000 Ом). Відповідно, номінали резисторів для отримання стабільного вихідного рівня 3.3 В становлять: − R4 = 1 кОм − R3 = 1,69 кОм Аналогічно, для стабілізації напруги до 5 В встановлюється R6 = 1 кОм (1000 Ом). Номінали резисторів для підтримання 5 В: − R6 = 1 кОм − R5 = 3 кОм 45 Схема підключення DC-DC перетворювача в режимі реверсного перетворення напруги представлена на рис. 2.11. Рисунок 2.11 – Схема підключення DC-перетворювача в режимі реверсного перетворення Розрахунок параметрів підлаштовуючих резисторів для DC-DC перетворювача передбачає реверсне перетворення напруги до -5 В. Визначені номінали резисторів для цього режиму складають: − R8 = 1 кОм − R7 = 3 кОм У цьому розділі детально описано функціональну схему пристрою, яка включає всі необхідні компоненти для вимірювання фізіологічних параметрів. Також розглянуто гідропневматичну схему, що є ключовим елементом у процесі вимірювання артеріального тиску. При виборі та розрахунку компонентів електричної принципової схеми враховані вимоги щодо точності, стабільності та надійності роботи системи. Окрему увагу приділено оптимальному підбору резисторів, конденсаторів та підлаштовувальних елементів, що забезпечують коректне функціонування всіх модулів пристрою. 46 РОЗДІЛ 3 ВИЗНАЧЕННЯ АПАРАТНИХ КОМПОНЕНТІВ СИСТЕМИ 3.1 Вибір мікроконтролера На основі функціональної схеми було виконано детальний аналіз та визначення електронних компонентів системи. Для реалізації пристрою обрано мікроконтролер STM32F103C8T6 Blue Pill (рис. 3.1), який оптимально відповідає технічним вимогам до системи моніторингу фізіологічного стану людини. Його архітектура ARM Cortex-M3 з частотою 72 МГц забезпечує високу обчислювальну потужність, необхідну для швидкої обробки даних з датчиків. Це дозволяє пристрою оперативно реагувати на зміни фізіологічних показників, таких як пульс, сатурація кисню, температура та інші параметри. Рисунок 3.1 – Виводи мікроконтролера STM32F103C8T6 Мікроконтролер має 64 КБ флеш-пам’яті та 20 КБ SRAM, що дозволяє не лише зберігати отримані дані, але й виконувати алгоритми обробки сигналів для нормалізації вимірювань та подальшого аналізу. Завдяки цьому пристрій працює надійно, без втрати даних чи зниження точності, що критично важливо для медичних застосувань. 47 Різноманітні інтерфейси (UART, I²C, SPI, USB) забезпечують зручне підключення датчиків, таких як пульсометр, термометр, оксиметр та інших сенсорів. Вони також спрощують інтеграцію з мобільними пристроями та медичними серверами для віддаленого моніторингу, що робить систему гнучкою у розширенні функціональності. Компактність та низьке енергоспоживання STM32F103C8T6 роблять його ідеальним вибором для портативних моніторингових пристроїв. Він легко інтегрується у носимі девайси та домашні системи, забезпечуючи автономність та оптимальне використання енергоресурсів. Основні характеристики STM32F103C8T6 Інтерфейси та периферія − Аналогові входи (ADC): 10-канальний, 12-бітний − Комунікаційні порти: UART (3), SPI (2), I²C (2), USB Full-Speed − Периферійна підтримка: PWM, таймери, DMA − Живлення та тактування − Джерела живлення: 5 В (VIN, USB) або 3.3 В − Кварцові генератори: основний – 8 МГц, RTC – 32.768 кГц − Додаткові особливості − Світлодіоди: індикатор живлення та користувацький LED − Порти програмування: SWD, USB DFU (Bootloader) − Роз'єми: два ряди пінів (по 20) для зручного підключення до макетних плат − Програмне забезпечення: STM32CubeIDE, PlatformIO Така структура дозволяє ефективно використовувати мікроконтролер у вбудованих системах та автоматизованих рішеннях. 3.2 Вибір датчику тиску Для проведення вимірювань використовується датчик тиску MPXV5050GP, розроблений Motorola. Його технічні характеристики 48 забезпечують високу точність і стабільність у відповідних застосуваннях. Основні параметри датчика наведені нижче, що демонструє його відповідність вимогам моніторингової системи. Рисунок 3.2 – Передаточна характеристика датчика Технічні характеристики модуля MPXV5050GP: − Діапазон вимірювання: від 0 до 50 кПа − Напруга живлення: 4,75 – 5,25 В (номінальне значення 5,0 В) − Споживаний струм: 7,0 – 10 мА − Робочий температурний діапазон: від -40°C до 125°C − Вихідна напруга при мінімальному тиску (Pmin): 0,088 – 0,313 В (номінальне значення 0,2 В) − Вихідна напруга при максимальному тиску (Pmax): 4,587 – 4,813 В (номінальне значення 4,7 В) − Час реакції: 1 мс − Чутливість: 90 мВ/кПа − Максимальна відносна похибка: 2,5% 49 Датчик тиску формує вихідну напругу, значення якої залежить від диференціального тиску, тобто різниці між тиском у манжеті та атмосферним тиском у приміщенні. Основні технічні параметри цього датчика наведені у таблиці, а його передаточна характеристика представлена на рисунку 3.2. 3.3 Вибір датчику пульсу і сатурації Для реєстрації серцевого ритму використовується модуль MAX30102, який застосовує фотоплетизмографічний метод для визначення частоти пульсу та рівня сатурації кисню в капілярній крові (SpO₂). Датчик працює безконтактно, використовуючи інфрачервоне та червоне світлове випромінювання, що проходить крізь тканини, фіксуючи зміни у кровопостачанні. Структурна схема сенсора MAX30102 наведена на рис. 3.3, де відображено розташування основних компонентів, необхідних для вимірювання фізіологічних параметрів. Рисунок 3.3 – Структура модуля MAX30102 У крові містяться різні форми гемоглобіну, проте для оцінки рівня насичення киснем (SpO₂) враховують лише оксигенований та дезоксигенований гемоглобін, оскільки вони відіграють ключову роль у цьому процесі. У відбивній пульсоксиметрії світлодіоди випромінюють світло, яке проходить крізь тканини, 50 а фотодіод фіксує відбитий сигнал. Його амплітуда змінюється залежно від коливань об’єму крові в артеріях і капілярах. Цей відбитий сигнал, відомий як фотоплетизмографія (PPG), використовується для визначення частоти серцевих скорочень та рівня SpO₂. Його структура складається з двох компонентів: постійної та змінної. Як показано на рис. 3.4, постійна складова формується через поглинання світла статичними тканинами, такими як венозна, капілярна та артеріальна кров, і не залежить від серцевого ритму. Рисунок 3.4 – Компоненти сигналу фотоплетізмографії Змінна складова сигналу виникає через пульсуючий характер артеріальної крові. Оскільки артерії безпосередньо взаємопов'язані з серцем, потік крові змінюється відповідно до серцевих скорочень. Часовий інтервал між систолічними піками, який можна зафіксувати лише одним світлодіодом (наприклад, червоним), дозволяє визначити частоту серцевих скорочень, оскільки саме змінна компонента сигналу є критичною для реєстрації пульсу. Для розрахунку рівня кисневої сатурації (SpO₂) застосовуються два світлодіоди з різними довжинами хвиль: − Червоний − Інфрачервоний (ІЧ) 51 Ця технологія дає змогу оцінити співвідношення оксигенованого та дезоксигенованого гемоглобіну, що є ключовим для обчислення SpO₂. Оскільки амплітуда постійної та змінної складових сигналу відрізняється для кожного світлодіода, їх необхідно нормалізувати для коректного аналізу. Отриманий коефіцієнт R має пряму залежність від рівня SpO₂, що відповідає сатурації артеріального кисню (SaO₂). Після визначення коефіцієнта R можуть бути застосовані такі методи: − Криволінійне наближення − Пошукові таблиці для визначення точного значення SpO₂ Оцінка базується на емпіричних даних, на які можуть впливати такі чинники: − Тип шкіри − Загальний фізіологічний стан − Медичні особливості пацієнта Для досягнення максимальної точності вимірювань слід враховувати ці індивідуальні параметри. 3.4 Вибір датчику серцевого ритму (ЕКГ) Модуль AD8232 (рис. 3.5) використовується як сенсор для моніторингу серцевого ритму та застосовується у системах реєстрації та обробки електрокардіографічних (ЕКГ) і електроміографічних (ЕМГ) сигналів. Рисунок 3.5 – Модуль AD8232 52 Модуль, створений компанією Analog Devices, поєднує вигідне співвідношення вартості та технічних можливостей у порівнянні з аналогами. Стандартний комплект містить плату AD8232, кабелі та електроди, що відображено на рис. 3.6. Рисунок 3.6 – Комплектуючі наліпки та електроди модуля AD8232 Основне призначення модуля – реєстрація електричної активності серця, яка представлена у вигляді електрокардіограми (ЕКГ) та передається у формі аналогового сигналу. Оскільки ЕКГ-сигнали мають низьку амплітуду і можуть спотворюватися шумами та перешкодами, модуль оснащений операційним підсилювачем із двополюсними фільтрами високих і низьких частот. Це дозволяє ефективно виділяти корисний сигнал, забезпечуючи його якісне підсилення навіть у складних умовах. Завдяки такій конструкції можна точно визначати інтервали серцевих скорочень та мінімізувати вплив перешкод [19]. Основні технічні характеристики модуля AD8232 − Споживання струму: 170 мкА − Напруга живлення: 2–3.5 В 53 − Кількість ЕКГ-відведень: 1 − Ослаблення фазового сигналу: 80 дБ − Тип вихідного сигналу: аналоговий − Фільтрація сигналу: • Високочастотний фільтр: 2-полюсний • Низькочастотний фільтр: 3-полюсний Сенсор AD8232 використовує двополюсне відведення, концепцію якого розробив Віллем Ейнтговен у 1913 році. Ця технологія дозволяє фіксувати різницю потенціалів між двома точками електричного поля завдяки встановленим електродам. Отримані дані дають змогу відстежувати серцевий ритм не лише під час фізичних навантажень чи тренувань, а й у стані спокою, що сприяє ефективному моніторингу роботи серцево-судинної системи. Окрім електрокардіографії (ЕКГ), модуль здатний реєструвати електроміограми (ЕМГ), що фіксують біоелектричну активність м’язів. Це значно розширює сферу його застосування, зокрема у біоніці, протезуванні та системах керування фізичними пристроями, таких як джойстики й клавіатури для технологій доповненої та віртуальної реальності. Таким чином, AD8232 є універсальним рішенням для вимірювання та аналізу біоелектричних сигналів, що робить його ефективним як у медичних, так і технічних застосуваннях [20]. 3.5 Вибір дисплею Для візуалізації зібраних та оброблених даних використовується OLED- дисплей SSD1309 (рис. 3.7). Це компактний монохромний модуль, призначений для текстового та графічного відображення інформації. Завдяки високій контрастності та відсутності необхідності в підсвічуванні, дисплей забезпечує чітке зображення навіть при слабкому освітленні. SSD1309 підтримує I²C та SPI інтерфейси, що сприяє його легкій інтеграції з мікроконтролерами, зокрема STM32 та Arduino. 54 Основні переваги модуля: − низьке енергоспоживання, − компактні габарити, − висока якість зображення. Ці характеристики роблять SSD1309 оптимальним вибором для портативних пристроїв та медичних систем моніторингу. Рисунок 3.7 – Модуль SSD1309 Технічні характеристики модуля SSD1309 − Тип дисплея: OLED, монохромний − Роздільна здатність: 128×256 пікселів − Діагональ екрану: 2.42 дюйма − Інтерфейси зв’язку: I²C − Робоча напруга: 3.3 В − Споживана потужність: Низька (залежить від кількості активних пікселів) − Драйвер дисплея: SSD1309 55 3.6 Вибір модулю WiFi Для організації бездротового зв’язку у системі використовується Wi-Fi модуль ESP-01, побудований на базі чипа ESP8266. Завдяки компактним розмірам і широким функціональним можливостям, він знайшов застосування в IoT-пристроях. Модуль має вбудований стек TCP/IP, що забезпечує стабільне з’єднання з Wi-Fi мережами. Ключові особливості ESP-01: − Компактний дизайн і доступна вартість − Підтримка інтерфейсу UART, що забезпечує зручну інтеграцію з мікроконтролерами − Автономний режим роботи, що дозволяє використовувати модуль як незалежний мікроконтролер ESP-01 сумісний зі стандартами Wi-Fi 802.11 b/g/n, що гарантує швидку та ефективну передачу даних. Вихідна потужність передавача становить +20.5 дБм, що забезпечує надійний сигнал навіть у складних умовах. Зображення розташування пінів наведено на рис. 3.8. Рисунок 3.8 – Модуль ESP-01 56 Опис пінів модуля ESP-01: − GND – штифт заземлення, використовується для підключення до загальної лінії живлення. − TXD – вихід для передачі даних із модуля на зовнішній пристрій. − GPIO2 – універсальний вхід/вихід загального призначення. − CH_PD – контакт управління живленням модуля. − GPIO0 – ще один вхід/вихід загального призначення. − RST – контакт для скидання модуля ESP-01. − RXD – вхід для прийому даних. − VCC – контакт живлення 3.3 В. 3.7 Вибір ключових оптичних та електронних компонентів AD9631 – це високошвидкісний широкосмуговий підсилювач із низьким рівнем спотворень, що забезпечує стабільну роботу завдяки зворотному зв’язку по напрузі. Така конструкція сприяє експоненційній стабілізації часу та дозволяє досягти широкої смуги пропускання, що робить його ефективним для пристроїв, які раніше використовували підсилювачі зі зворотним зв’язком по струму. Рисунок 3.9 – Операційний підсилювач AD9631 57 AD9631 побудований на класичній схемі операційного підсилювача, що забезпечує передбачувану роботу та стабільність вихідного сигналу. Детальне розташування пінів і їхнє призначення відображено на рис. 3.9, що полегшує інтеграцію цього підсилювача в електронні схеми. Завдяки своїм характеристикам він є оптимальним вибором для вимірювальних приладів, систем зв’язку та обробки сигналів. Для прийому сигналу використовуватиметься кремнієвий фотодіод ФД-21КП, його зображення наведено на рис. 3.10, а технічні характеристики представлено на рис. 3.11. Рисунок 3.10 – Кремнієвий фотодіод ФД-21КП Фотодіод ФД-21КП ФД-21КП – це кремнієвий напівпровідниковий приймач, що працює в ближньому інфрачервоному спектрі. Основні характеристики: − Діаметр фоточутливого елемента: 1,55 мм − Спектральний діапазон: 0,4–1,1 мкм − Максимальна спектральна чутливість: 0,72–0,85 мкм − Робоча напруга: 10 В − Темновий струм: 0,017 мкА − Інтегральна токова чутливість: 3,3 мА/лм − Діапазон робочих температур: -60°C до +85°C − Маса: не більше 1,0 г 58 ФД-21КП широко застосовується в оптико-електронних системах, автоматизованих фотоелектричних пристроях та вимірювальній техніці. Технічні характеристики інфрачервоного світлодіода L-53F3C − Прямий струм: 20 мА − Робоча напруга: 2–18 В − Довжина хвилі випромінювання: 940 нм − Кут випромінювання: 20° − Діаметр корпусу: 5 мм − Потужність випромінювання при струмі 20 мА: 100 мВт Вибір електронних компонентів У цьому розділі проаналізовано та відібрано ключові компоненти для побудови системи моніторингу здоров'я людини з віддаленим збором та обробкою даних. При виборі враховувалися: − Технічні вимоги, − Сумісність із мікроконтролерною платформою, − Надійність та функціональність компонентів. − Основні елементи системи − AD8232 – реєстрація електрокардіографічних (ЕКГ) сигналів − MAX30102 – вимірювання пульсу та сатурації кисню (SpO₂) − Фотодетектори – оцінка рівня глюкози Для забезпечення високоякісної обробки сигналів обрано високошвидкісний широкосмуговий підсилювач AD9631, який мінімізує спотворення, що є критично важливим у медичних застосуваннях. Передача даних до серверних систем здійснюється через енергоефективний Wi-Fi модуль ESP-01, який забезпечує стабільне бездротове з’єднання. Таким чином, проведений аналіз дозволив вибрати оптимальні компоненти, що відповідають вимогам проєкту щодо точності, енергоефективності та компактності. 59 ВИСНОВКИ У межах виконаної роботи проведено детальний аналіз сучасних методів моніторингу фізіологічних параметрів людини та розроблено концепцію інтегрованої системи, яка забезпечує безперервний контроль за ключовими показниками здоров’я. Досліджено порівняльні характеристики методів вимірювання пульсу, сатурації кисню, температури, електрокардіограми та артеріального тиску, що дозволило визначити найефективніші технології для застосування у портативній системі моніторингу. Контактні методи, такі як електрокардіографія та фотоплетизмографія, забезпечують високу точність, а безконтактні підходи, зокрема аналіз теплового випромінювання та колірних коливань шкіри, відкривають перспективи для дистанційного моніторингу. Встановлено, що оптичні характеристики біологічних середовищ мають критичне значення для коректного вимірювання концентрації глюкози, сатурації кисню та інших параметрів крові. Поглинання та розсіювання світла в тканинах впливають на точність сигналів, тому обрані сенсори й випромінювачі адаптовані до відповідного спектрального діапазону. Проаналізовано механізми передачі даних між сенсорами та контролером, що дозволило визначити найбільш оптимальні інтерфейси для інтеграції – I²C, SPI, UART та BLE. У зв’язку з вимогами до енергоефективності та стабільності зв’язку, для віддаленої передачі інформації обрано Wi-Fi модуль ESP-01 із підтримкою MQTT. Розроблена функціональна схема пристрою, яка включає мікроконтролер STM32F103C8T6, модулі збору біометричних даних, систему фільтрації сигналів та блок бездротової передачі інформації. Запропонована структурна конфігурація сприяє точному вимірюванню параметрів і зменшенню рівня шумів. Описано гідропневматичну схему манжети, що використовується для моніторингу артеріального тиску, та розроблено алгоритм роботи системи, який включає автоматизоване керування насосом, фільтрацію сигналів і визначення 60 ключових параметрів тиску методом осцилометричного аналізу. Виконано оптимізацію параметрів пристрою, зокрема розрахунок високочастотних і низькочастотних фільтрів, що забезпечують обробку сигналів датчиків, підсилювачі для корекції слабких сигналів фотодетекторів та стабілізацію живлення за допомогою DC-DC перетворювачів. Проведений аналіз дозволив розробити інтегровану систему моніторингу, яка відповідає сучасним вимогам щодо портативності, точності та стабільності вимірювань. Упровадження такої системи сприятиме підвищенню ефективності персонального контролю стану здоров’я та дистанційного медичного моніторингу. 61 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Anandhavalli D., Shanmuga Sundari N., Aparna Tharshini S., Pavithra P., Sona G. Patient Health Monitoring System Using IoT Techniques // SSRN Electronic Journal. – 2021. – DOI: 10.2139/ssrn.3852046. 2. Bezuglyi M., Bezuglaya N., Kuprii O., Yakovenko I. The non-invasive optical glucometer prototype with ellipsoidal reflectors // 2018 IEEE 59th Int. Scientific Conf. on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia. – 2018. – P. 1–4. – DOI: 10.1109/RTUCON.2018.8659864. 3. Coulby G., Richards D., Smith T., Hutchinson A. Towards remote healthcare monitoring using accessible IoT technology: state-of-the-art, insights and experimental design // BioMedical Engineering Online. – 2020. – URL: https://biomedical-engineering-online.biomedcentral.com/articles/s12938-020- 00825-9 (дата звернення: 28.04.2025). 4. De Michele R., Furini M. IoT Healthcare // GoodTechs '19: EAI Int. Conf. on Smart Objects and Technologies for Social Good, Valencia, Spain. – New York: ACM, 2019. – URL: https://doi.org/10.1145/3342428.3342693 (дата звернення: 20.04.2025). 5. Faulkenberry L. M. An introduction to operational amplifiers with linear IC applications. – 2nd ed. – New York: John Wiley and Sons, 2019. – 530 p. 6. IoT-Based Smart Health Monitoring System: Investigating the Role of Temperature, Blood Pressure and Sleep Data in Chronic Disease Management / Abdikarim Abi Hassan та ін. // IIETA. – URL: https://www.iieta.org/journals/i2m/paper/10.18280/i2m.220602 (дата звернення: 29.04.2025). 7. Keiser G., Kao F.-J. Biophotonic applications of optical communication devices // Proc. SPIE. – 2018. – Vol. 6991. – DOI: 10.1117/12.779945. – URL: https://www.researchgate.net/publication/253554280 (дата звернення: 15.04.2025). 62 8. Krainyk Y., Darnapuk Y., Simakova I. Software System for Physical Activity Monitoring: Smart Watch Case // IDAACS-SWS 2020 - 5th IEEE Int. Symp. on Smart and Wireless Systems. – 2020. – DOI: 10.1109/IDAACSSWS50031.2020.9297093. 9. Le Greneur C., Sagot B. Non-Invasive Glucose Monitoring. Patent Landscape. – URL: https://www.knowmade.com/wpcontent/uploads/2015/09/Non- Invasive-Glucose_Patent_Landscape_2015_Flyer.pdf (дата звернення: 21.04.2025). 10. MedMag. Монітор пацієнта BeneView T5 [Електронний ресурс]. – URL: https://medmag.ua/medicinskim-uchrezhdeniyam/monitory- pacienta/monitorpacienta-beneview-t5 (дата звернення: 15.04.2025). 11. Noninvasive Blood Gas Monitoring. – URL: https://thoracickey.com/noninvasive-blood-gas-monitoring/ (дата звернення: 28.04.2025). 12. Warsi G. G., Hans K., Khatri S. K. IOT Based Remote Patient Health Monitoring System // 2019 Int. Conf. on Machine Learning, Big Data, Cloud and Parallel Computing (COMITCon), Faridabad, India, 14–16 Feb. 2019. – 2019. – DOI: https://doi.org/10.1109/comitcon.2019.8862248 (дата звернення: 18.04.2025). 13. Антонюк В. С., Бондаренко М. О., Ващенко В. А. та ін. Біофізика і біомеханіка : підручник. – К. : НТУУ «КПІ», 2022. – 344 с. 14. Баженов В. Г., Суслов Є. Ф., Лисенко Ю. Ю., Момот А. С. Електроніка. Лабораторний практикум. – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – 70 с. 15. Безперервний моніторинг глюкози [Електронний ресурс]. – URL: https://medikom.ua/nepreryvnyj-monitoring-glyukozy-guardian-connect- kievpechersk/# (дата звернення: 20.04.2025). 16. Галаган Р. М., Момот А. С. Комп'ютерне проєктування електронних схем. Комп’ютерний практикум: навч. посібник. – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – 419 с. 17. Гемоглобін (Hb, hemoglobin). – URL: https://donor.ua/pages/2029 (дата звернення: 27.03.2025). 63 18. Датчик тиску NXP (FREESCALE) MPXV5050GP PBF // Imrad. – URL: https://imrad.com.ua/ua/mpxv5050gp-pbf-7 (дата звернення: 07.04.2025). 19. Куц Ю. В., Лисенко Ю. Ю. Спеціальні розділи математики. Курс лекцій : навч. посібник. – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – 180 с. 20. Медичні монітори пацієнта – особливості конструкції та застосування [Електронний ресурс]. – URL: https://www.licarno.com.ua/medychnimonitory-pacziyenta-osoblyvosti- konstrukcziyi-ta-zastosuvannya/ (дата звернення: 16.04.2025). 21. Модуль AD8232 серцевого ритму ЕКГ // ЧП Ворон. – URL: https://voron.ua/uk/catalog/042194--modul-ad8232-serdechnogoritma-ekg (дата звернення: 07.04.2025). 22. Монітор пацієнта, Серія К. Керівництво користувача [Електронний ресурс]. – URL: https://rozetka.com.ua/goods/documents/189607064.pdf (дата звернення: 17.04.2025). 23. Муравйов О. В. Передача даних та сучасні методи обробки сигналів. Практикум [Електронний ресурс] : навч. посібник. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – 55 с. 24. Ось продовження оформленого списку використаної літератури згідно з ДСТУ 8302:2015: 25. Пальцевий фотоплетизмограф // Кафедра фізичної і біомедичної електроніки та комплексних інформаційних технологій. – URL: http://fbme.univer.kharkov.ua/2011/02/palcevyj-fotopletizmograf/ (дата звернення: 06.04.2025). 26. Петрик В. Ф., Протасов А. Г., Галаган Р. М., Муравйов О. В., Момот А. С. Бездротові технології в автоматизації неруйнівного контролю // Вчені записки ТНУ імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. – 2021. – Т. 32 (71), № 5. – С. 25–29. – DOI: https://doi.org/10.32838/2663-5941/2021.5/05. 27. Світлодіод інфрачервоний 5mm, 940нм L-53F3C // РКС Компоненти. – URL: https://www.rcscomponents.kiev.ua/product/svitlodiodinfrachervonyi- 5mm-940nm-l-53f3c_36517.html (дата звернення: 06.04.2025). 64 28. Стандартна електрокардіографія [Електронний ресурс]. – URL: https://empendium.com/ua/chapter/B27.V.25.1.1 (дата звернення: 19.04.2025). 29. Фотодіод ФД-21КП // Стандарт-прибор. – URL: https://standart- pribor.com.ua/product/fd-21kp-fotodiod/ (дата звернення: 06.04.2025). 30. Яковенко І. О., Клочко Т. Р., Леус О. О. Неінвазивний моніторинг складу макроелементів в крові // ХІ Міжнар. наук.-практ. конф. «Людина і космос», 2019. – Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2019. – С. 265. 65