Смарт-пристрій моніторингу параметрів фізіологічного стану людини

Яценко, Олександр Юрійович
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6525
Назва:	Смарт-пристрій моніторингу параметрів фізіологічного стану людини
Автори:	Нечипоренко, Ольга Володимирівна Яценко, Олександр Юрійович
Дата публікації:	чер-2024
Короткий огляд (реферат):	Метою кваліфікаційної роботи бакалавра є дослідження смарт-пристрою моніторингу параметрів фізіологічного стану людини, що дозволила б комплексно вивчати фізіологічний стан людини в реальному часі. Об'єктом дослідження є смарт-пристрій моніторингу параметрів фізіологічного стану людини. Предметом дослідження є компоненти забезпечення системи моніторингу стану людини. Розвиток методів покращення здоров'я завжди буде однією з найголовніших задач людства. Саме тому дослідження та моделювання приладів, які б зробили завдання донесення плодів передової медицини до мас простішим, є дуже актуальною задачею. У процесі роботи було проведено аналіз існуючих показників здоров’я тих чи інших характеристик організму людини та визначення вимог до інтегрального показника, який поєднує ці розрізнені показники в єдиний. В результаті було отримано інтегральний показник фізіологічного стану людини. Була проведено робота по пошуку та дослідженню існуючих аналогів та світових досягнень в даній галузі. На даний момент існує багато рішень, проте проблемою більшості є вузькоспрямованість або ж велика похибка, що в категоріях людського здоров’я недопустимо. Надалі було необхідно змоделювати апаратно-програмний комплекс, який би зміг правильно відображати та прораховувати показники з високою точністю. Була проведена робота по підбору складових для моделі приладу та створення програми підрахунку показників людини. Результатом став смарт-пристрій моніторингу параметрів фізіологічного стану людини, що задовольняє майже всі поставлені задачі. Пристрій має малі габаритні розміри та є простим у використанні.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6525
Розташовується у зібраннях:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
Б_151_2024_Яценко.pdf Restricted Access		1.98 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
 
 
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ 
СИСТЕМ 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
на тему: СМАРТ-ПРИСТРІЙ МОНІТОРИНГУ ПАРАМЕТРІВ 
ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ 
 
 
 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти 4 курсу, 
групи АКІТ-2009 
 спеціальності 151 Автоматизація та 
комп’ютерно-інтегровані технології 
 Олександр ЯЦЕНКО 
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
Керівник Ольга НЕЧИПОРЕНКО 
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
Рецензент  
 (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) 
 
 
 
 
Черкаси 2024 року 
 
ЗМІСТ 
 
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ............................... 3 
ВСТУП ............................................................................................................... 4 
1 ПОНЯТТЯ ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ ТА СКЛАДОВІ 
ІНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗНИКА ............................................................... 6 
1.1 ФІЗІОЛОГІЧНИЙ СТАН ЛЮДИНИ ТА СКЛАДОВІ ІНТЕГРАЛЬНОГО 
ПОКАЗНИКА ................................................................................................. 6 
1.1 ІСНУЮЧІ МЕТОДИ ОЦІНКИ ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ........... 7 
1.2 СКЛАДОВІ ІНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗНИКА ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ 
ЛЮДИНИ ..................................................................................................... 13 
2 АНАЛІЗ АНАЛОГІВ ТА ЇХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ 19 
2.1 APPLE WATCH ULTRA 2 ........................................................................ 20 
2.2 OMEGA WAVE ........................................................................................ 22 
2.3 SAMSUNG GEAR S3 .............................................................................. 22 
2.4 ЕКГ-АПАРАТ KARDIAMOBILE 6L ........................................................ 28 
2.5 ПУЛЬСОМЕТР POLAR VANTAGE V2 ...................................................... 31 
2.6 Принципи роботи смарт-пристрою моніторингу параметрів 
фізіологічного стану людини ........................................................... 35 
2.7 АЛГОРИТМ МОНІТОРИНГУ ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ .............. 37 
3 СМАРТ-ПРИСТРІЙ МОНІТОРИНГУ ПАРАМЕТРІВ 
ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ .................................................... 46 
3.1 ОСНОВНІ СКЛАДОВІ СМАРТ ПРИСТРОЮ ............................................... 47 
3.2 АПАРАТНА ЧАСТИНА СМАРТ ПРИСТРОЮ .............................................. 49 
3.3 ПРОГРАМНА ЧАСТИНА СМАРТ-ПРИСТРОЮ ........................................... 56 
3.4 Опис інтерфейсів смарт-пристрою  оцінки фізіологічного стану 
людини ................................................................................................ 57 
ВИСНОВКИ ..................................................................................................... 63 
СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ .................................................... 64 
 
  
 
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ 
ПОЗНАЧЕНЬ 
 
BT – Bluettoth 
АДЖ – Автономне джерело живленням 
АкД – Акселерометричний датчик 
ЕС – Електродна система 
ЗП – Значущі показники 
МК – Мікроконтролер 
ПБП – Підсилювач біопотенціалів 
ПІТ – Підсилювач імпульсного струму 
ПМБ – Персональний мобільний пристрій 
ПСН – Перетворювач струм/напруга 
СВ – Світлодіод 
ФС – Фізіологічний  стан 
ФТ – Фотодіод 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВСТУП  
Насьогодні рівень автоматизації процесів в усіх відомих галузях досягає 
неймовірних висот у порівнянні з тим, що було 10 і навіть 5 років тому і цей 
процес з кожним днем стає тільки швидшим. Це стосується як наукової,  
військової, будівельної, економічної так і побутової сфери життя окремих груп 
людей та людства в цілому. 
Людство майже на протязі всього свого існування шукало способи 
покращення свого здоров'я, як і способи зробити це просто і доступно. І 
сьогодні вчені не покладаючи рук розробляються цю тему в самих різних 
напрямах від створення звичайних та звичних нам ліків і вітамінів до 
маніпуляцій з живими клітинами на молекулярному рівні. 
Тема підтримки та покращення здоров'я людини завжди була та буде 
актуальною, адже кожен хоче прожити своє життя якомога довше та 
комфортніше. Окрім внесення прямого вкладу в медицину, шляхом створення 
нових ліків, проведення досліджень і т.п. також існують непрямі. 
Метою роботи є дослідження смарт-пристрою моніторингу параметрів 
фізіологічного стану людини, що дозволила б комплексно вивчати 
фізіологічний стан людини в реальному часі. 
Фізіологічний стан один із значних медико-біологічних показників 
організму людини, що відбиває енергетичні витрати організму в умовах 
фізичних навантажень, а також відновлення організму при завершенні 
фізичної діяльності 
На даний момент в цій тематиці найбільш поширеними є так звані 
браслети або годинники, що носяться на руці, наприклад Apple Watch, 
AliveCor, QardioCore, Samsung Gear, Polar та інші. Проте доцільність побудови 
серйозних висновків на основі показників даних приладів зазвичай незначна. 
Ці прилади можуть вказати на якісь існуючи проблеми організму, наприклад, 
збитий темп серцевих скорочень може вказувати на реальні проблеми із 
серцем, але існує велика ймовірність значної похибки. Тому порівнювати дані 
прилади із професійними, стаціонарними і зазвичай дорогими аналогами не 
 
має сенсу. 
Об'єктом дослідження є смарт-пристрій моніторингу параметрів 
фізіологічного стану людини. 
Предметом дослідження є компоненти забезпечення системи 
моніторингу стану людини. 
Завданням дослідження є: 
1. Описати інтегрального показника, в якому будуть зібрані різні 
показники, що характеризують стан здоров’я людини взагалі та в 
реальному часі. Відштовхуючись від такого показника можна створити 
об’єктивну систему, яка б відображала стан здоров’я організму людини 
в комплексі. 
2. Дослідити методи, за допомогою яких було б можливо зібрати значні 
показники людини. 
3. Спроектувати апаратний та програмний комплекс, які б знімали 
показники в реальному часі та надсилали їх на особистий мобільний 
пристрій користувача і потім в окрему базу даних, де ці дані зберігалися 
б. 
 У роботі використано методи системного аналізу, математичної 
статистики, математичного моделювання, методи аналізу та обробки даних і 
метод обробки сигналів та об'єктивно-орієнтованого програмування. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 ПОНЯТТЯ ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ ЛЮДИНИ ТА 
СКЛАДОВІ ІНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗНИКА  
1.1 Фізіологічний стан людини та складові інтегрального показника 
Фізіологічний стан один із значних медико-біологічних показників 
організму людини, що відбиває енергетичні витрати організму в умовах 
виконання фізичних навантажень, а також відновлення організму при 
завершенні фізичної діяльності. 
Фізіологічний стан організму відбиває фізіологічні особливості 
організму, здатність та готовність організму до енергетичних витрат у процесі 
фізичної діяльності при екстремальних навантаженнях на організм. Цей 
показник представляє інтегральне значення, яке відбиває функціонування 
низки систем організму, енергетичного метаболізму. Безумовно, це стосується 
серцево-судинної системи організму, дихальної системи, роль яких у 
метаболізмі організму велика. Значну роль має стан опорно-рухової системи, 
локомоторної та скелетно-м'язової системи людини. Таким чином, 
фізіологічний стан – це інтегральний показник, що враховує стан, 
можливість та готовність тієї чи іншої системи організму, що бере участь у 
фізичній діяльності. Наприклад, якщо фізіологічний стан для одного виду 
діяльності буде високим, то для  іншого виду може бути низьким, так як у 
роботі беруть участь різні системи опорно- рухового апарату людини та 
скелетно-м'язової системи. У процесі навантаження, наприклад, під час бігу 
або плавання немає потреби в оцінці та моніторингу фізіологічного стану. 
Важливо оцінити, яким був фізіологічний стан на початку виконання завдання 
і наприкінці, і як змінився його фізіологічний стан. Таким чином, велике 
значення набуває знімання та реєстрація комплексу фізіологічних показників, 
що відображають діяльність систем організму  при фізичних навантаженнях, у 
реальному часі[3].  
Вивчення динаміки енергетичних витрат та фізіологічний стан 
організму людини дозволяє з'ясувати, наскільки організм ефективно 
використовує енергетичні ресурси, реалізує метаболізм та які потенційні 
 
можливості має організм. 
 
1.2 Існуючі методи оцінки фізіологічного стану людини 
Останніми роками існує відомий метод оцінки мінливості функцій 
організму на основі аналізу кардіоінтервалів. Метод запропонований 
професором Р.М. Баєвським із співавторами і називається Варіабельність 
серцевого ритму . Він дозволяє оцінювати рівень адаптації організму до 
фізичних навантажень при поточному рівні навантаження, Однак 
застосування цього підходу  не забезпечує комплексної оцінки фізіологічного 
стану організму в реальних умовах. 
Для вирішення завдання оцінки функціонального стану людини  
необхідно забезпечити знімання та реєстрацію біомедичних сигналів, оцінити 
значущі показники, та поточний рівень фізіологічного стану з урахуванням 
рівня фізичного навантаження. Незважаючи на необхідність оперативної 
оцінки стану людини відразу після завершення етапу  фізичної активності 
залишаються невирішеними проблеми розробки методів та системи оцінки 
фізіологічного стану під час навантажень, які б забезпечили оцінку в режимі 
реального часу. Для зниження витрат часу на проведення таких досліджень 
необхідно розробити пристрої, які можна було б носити з собою, наприклад 
щось схоже по габаритам на мобільний телефон, який дозволив би відразу 
після завершення етапу активності отримати показники фізіологічного стану 
організму і функціонального стану людини в режимі реального часу[2]. 
Таким чином, проблема своєчасної оперативної оцінки стану 
фізіологічного стану та функціонального стану людини у режимі реального 
часу стає актуальною.  
 
Таблиця 1.1 – Базові методи оцінки функціонального стану людини 
Використовувані 
№ Метод Мета дослідження 
показники 
 
Визначення 
1 Проба PWC ЧСС 
фізичної працездатності 
Оцінка 
Проба 
2 працездатності серця при ЧСС 
Руфф'є 
фізичному навантаженні 
Проба Оцінка реакції на 
3 АТ 
Бюргера напруження 
Продовження таблиці 1.1 
Використовувані 
№ Метод Мета дослідження 
показники 
Проба Оцінка реакції на 
4 ЧСС, АТ 
Летунова напруження 
Ортостатична Оцінка реакції 
5 ЧСС, АТ 
проба ССС 
Проба 
Оцінка реакції на 
6 Бальсальви- АТ, ЧСС 
напруження 
Бюргера 
Оцінка 
7 МПК працездатності Об’єм кисню 
організму 
Оцінка реакції та 
8 ВСР адаптації організму до RR-інтервали 
різних умов зміни 
 
На жаль, у більшості робіт і досліджень, присвячених оцінці 
фізіологічного стану враховується лише обмежений набір показників. Це, 
перш за все, частота пульсу, частота серцевих скорочень, споживання кисню 
та виведення вуглекислого газу, частота дихання, об'єм легень, рівень 
оксигенації крові або інакше сатурація крові, індекс Р.М. Баєвського. Однак 
навіть перерахована кількість показників недостатня для опису та оцінки 
фізіологічного стану повністю. Безумовно, частина показників мають 
кореляцію між собою, наприклад, частота дихання та частота серцевих 
скорочень. Однак, ця кореляція спостерігається тільки для певного діапазону 
 
фізичних навантажень. Коефіцієнт кореляції суттєво знижується при високих 
рівнях фізичного навантаження [4]. 
Знання комплексу показників, що характеризують фізіологічний стан 
організму, потребує більш точного визначення цього показника. Склад 
комплексу характеризує фізіологічний стан, залежить від виду навантаження, 
від тих чи інших систем організму у діяльності людини. Склад комплексу 
фізіологічного стану для інтелектуальних навантажень буде один. Для 
енергетично витратних буде іншим. У зв'язку з цим необхідно запропонувати 
технологію, яка дозволить оптимізувати склад та структуру комплексу 
показників, що відбивають фізіологічний стан організму. Поряд із комплексом 
показників, що використовуються для опису фізіологічного стану, велике 
значення має формування інтегрального показника, який визначатиме рівень 
фізіологічного стану людини. На жаль, відомі методи оцінки інтегрального 
показника погано пов'язані з рівнем фізичного навантаження. Логічно, що за 
відсутності фізичного навантаження, рівень фізіологічного стану буде 
максимальним для конкретної людини. Перед фізичною активністю рівень 
фізіологічного стану організму має бути максимальним, при збільшенні рівня 
інтенсивності фізичних навантажень  рівень фізіологічного стану має падати, а 
при виснаженні фізичних сил інтегральний показник має мінімальне значення. 
На жаль, відомі підходи до оцінки рівня фізіологічного стану не забезпечують 
таку залежність і не дозволяють описати виснаження сил та резервів людини. 
У цьому також необхідно шукати  і пропонувати підходи до оцінки 
інтегрального показника фізіологічного стану людини [9]. 
Таким чином, наявність проблем методичного забезпечення для 
дослідження фізіологічного стану людини, обмеження існуючих методів 
медико-біологічних досліджень фізіологічного стану людини та оцінки 
динаміки відновлення фізіологічного стану вимагають акцентування уваги на 
розробці методів дослідження, які дозволять оцінювати приватні показники 
фізіологічного стану перед та одразу після закінчення фізичної активності. 
Необхідно оцінювати динаміку показників фізіологічного стану з метою 
 
оцінки показників  відновлення фізіологічного стану, вони мають бути 
мобільними і легко реалізовуватися в «польових» умовах. Вирішенню цієї 
проблеми слід приділити особливу увагу [1]. 
Фізіологічний стан організму людини є інтегральним показником, що 
відображає його готовність та здатність виконувати фізичну роботу на різних 
рівнях фізичного навантаження. Тому для оцінки фізіологічного стану людини 
необхідно визначити функціональний стан систем організму людини. 
Функціональний стан систем організму визначається  характеристиками цих 
систем організму. Приступаючи до розробки системи та методів оцінки 
фізіологічного стану людини необхідно обґрунтувати та сформувати приватні 
значущі показники фізіологічного стану людини, що відображають 
метаболізм організму та функціонування систем організму людини при 
фізичних навантаженнях. 
Для моніторингу фізіологічного стану та його оцінки система повинна 
включати елементи, що забезпечують знімання та реєстрацію БМС та даних 
людини, обробку сигналів та оцінку значущих показників для моніторингу 
стану за весь проміжок часу, оцінку приватних та інтегральних показників 
фізіологічного стану, оцінку динамічних показників фізіологічного стану до і 
після фізичної активності; завдання дозованих значень фізичного 
навантаження. З урахуванням сказаного біотехнічна система повинна мати 
таку узагальнену структуру (рис.1.1) 
 
 
 
Рисунок 1.1 - Структура системи моніторингу стану та оцінки 
фізіологічного стану людини 
 
Для використання запропонованої системи завдання віддаленого 
моніторингу стану людини у ній передбачені такі функції: 
- Синхронна реєстрація комплексу біомедичних сигналів, що 
характеризують поточний стан здоров'я та рівень фізіологічного стану для 
кожного виду навантаження сигналів акселерометрів; 
- Оцінка та зберігання значних показників, що характеризують 
кореляцію фізіологічних реакцій та  інтенсивність виконання фізичних 
навантажень; 
- Інформаційний та медичний супровід лікарем при появі у носія  
критичного стану або значного зниження рівня фізіологічного стану після 
навантаження; 
 Система моніторингу за людиною повинна забезпечувати функцію 
безперервного контролю стану здоров'я людини під час фізичної активності. 
Для реалізації всіх перерахованих вище функцій було запропоновано 
структуру системи оцінки фізіологічного стану людини, яка буде розглянута 
пізніше.  
За невеликий проміжок часу до початку фізичної активності у стані 
 
спокою здійснюється реєстрація всіх необхідних біомедичних сигналів та 
даних для моніторингу та оцінки комплексу значущих показників, що 
відображають вихідний рівень фізіологічного стану, який використовується 
для порівняння фізіологічного стану із показниками на наступних етапах. За 
вихідними записами біомедичних сигналів та даних проводиться оцінка 
значних показників та визначення поточного фізіологічного стану та рівня 
фізіологічного стану людини. Потім здійснюється оцінка змін (реакцій) 
фізіологічного стану під час фізичної активності з основних значущих 
показників. Відразу після завершення чергового етапу триває моніторинг стану 
фізіологічного стану. Проводиться  порівняння значень значущих показників з 
нормативними значеннями людини до фізичної активності. Інформація про 
різницю значень показників, відповідно і рівень фізичного навантаження, 
передається на сервер. 
Таким чином, найбільш важливим завданням, необхідним для оцінки 
фізіологічного стану організму людини, є формування комплексу показників 
що відображатимуть функціонування систем організму, формування 
інтегрального показника, який відображатиме рівень фізіологічного стану 
організму людини, а також технологію, яка дозволить кількісно оцінити 
значимість часткового показника в інтегральному показнику фізіологічного 
стану. 
Для оцінки функціонального стану людини під час фізичної активності 
застосовують різноманітні функціональні тести. Проте на практиці такі тести 
дозволяють оцінити ефективність роботи лише однієї певної системи 
організму людини. Тому підхід до вивчення організму із застосуванням  
функціональних спроб не зовсім вірний. Наприклад, оцінюючи частоту пульсу 
при виконанні, наприклад тренувань, або під час відновлення, не можна з 
упевненістю сказати, чи ці значення відображають функціональний стан ССС 
або вони ж пов'язані з особливостями вегетативної регуляції серцевої 
діяльності. 
Існують роботи оцінки стану людини за шкалою балів. Автори 
 
використовували комплексну апаратно-програмну методику EsTeck System 
Complex з метою оцінки стану ССС; стану вегетативної нервової системи 
(ВНС), мікроциркуляції та ін. 
Ряд дослідників запропонували підхід з використанням 10 бальних шкал 
та суми результуючих оцінок, які відображають поточний рівень 
функціональної готовності людини. 
У одній з робіт пропонується експрес-метод оцінки психофізіологічного  
стану на основі застосування алгоритмів аналізу газорозрядних зображень та 
оцінювати стани за балами. 
На даний момент у польових умовах для дослідження та оцінки 
фізіологічного стану використовується кілька інструментальних підходів. 
Перша група методів ґрунтується на визначенні поточного стану різних 
систем організму до початку фізичного навантаження. До недоліків методу 
можна віднести те, що не дає повністю інформацію про стан людини за рівнем 
фізичного навантаження, яку людина виконує. 
Друга група методів варта оцінки відновлення фізіологічного стану 
людини після навантаження. Ці методи дозволяють оцінювати поступове 
наростання фізіологічного стану після закінчення фізичної активності. Це 
означає, що ці методи медико-біологічних досліджень, спрямовані на знімання 
та реєстрацію БМС людини та  оцінку приватних показників фізіологічного 
стану.  
Для комплексної оцінки фізіологічного стану спочатку необхідно 
оцінити приватні показники фізіологічного стану людини, що характеризують 
фізіологічний стан в даний час, до і  після фізичної активності і динаміку зміни 
фізіологічного стану для кожного етапу фізичної активності. Фізіологічний 
стан організму характеризуватимемо одним інтегральним показником. Він має 
формуватися з урахуванням усіх значущих показників фізіологічного стану. 
 
1.3 Складові інтегрального показника фізіологічного стану людини 
Процес моніторингу стану та комплексної оцінки фізіологічного стану 
 
людини з використанням комплексу значущих показників під час фізичної 
активності здійснюється у 3 етапи (рис. 1.2). 
 
 
Рисунок 1.2 - Етапи моніторингу та оцінки фізіологічного стану людини під 
час процесу фізичної активності 
 
Відповідно до запропонованої технології оцінки фізіологічного стану 
людини, процес комплексної оцінки фізіологічного стану людини в умовах 
фізичного навантаження описуватиметься наступним алгоритмом. Під час 
проведення медико-біологічних  досліджень для оцінки фізіологічного стану 
людина забезпечує підключення смарт-пристрою з метою реєстрації БМС та 
даних. Тому у процесі комплексної оцінки фізіологічного стану реалізуються 
такі процедури: 
Модуль 1. Знімання та реєстрація комплексу БМС та даних; 
Модуль 2. Виділення характерних точок БМС, зареєстрованих у людини 
до та відразу після завершення тестування, їх аналіз та обробка, розрахунок та 
формування комплексу приватних показників фізіологічного стану у поточний 
 
момент; 
Модуль 3.Формування інтегрального показника фізіологічного стану у 
поточний момент; 
Модуль 4. Оцінка поточного фізіологічного стану людини за значним 
показниками; 
Модуль 5. Оцінка рівня фізичного навантаження  та зіставлення його з 
значенням фізіологічного стану; 
Модуль 6. Продовження чи припинення виконання тесту залежно від 
стану людини (умовний блок).  
Модуль 7. Корекція режиму тестування; 
Модуль 8. Оцінка динаміки фізіологічного стану людини; 
Модуль 9. Формування висновку про динаміку фізіологічного стану 
людини протягом усього часу виконання фізичних вправ.  
Модуль 10. Умовний блок - закінчення моніторингу фізіологічного стану  
на вимогу. 
Для дослідження динаміки фізіологічного стану організму людини 
запропоновано  методи і часова діаграма оцінки статичних показників 
фізіологічного стану у фіксовані моменти часу, та динамічних показників 
фізіологічного стану у процесі виконання фізичних вправ/навантажень. 
Для цього застосовуються такі кроки: 
Крок №1:Оцінка поточного значення приватного показника, 
характеризує фізіологічний стан   людини, що спостерігається,   pi(t),i-  1̅̅,̅̅��̅  ,   де   
N   –   кількість   приватних   показників,   що використовуються для оцінки 
фізіологічного стану людини у фіксовані моменти часу Ці показники можна 
назвати статичними, тому що вони відбивають фізіологічний стан у 
фіксований момент часів; 
Крок №2: Визначення граничного значення частки фізіологічного стану; 
Крок №3: Визначення відносного поточного значення частки показника 
фізіологічного стану людини; 
 
Крок №4: Обчислення інтегрального показника фізіологічного стану 
IPфізіологічного стану(t) , або як пакунок приватних показників фізіологічного стану: 
 
IPфізіологічного стану(t)=p1(t).p2(t)...pN(t) =Π pi(t),   (1.1) 
 
або у вигляді вектору в N-мірному просторі ознак, або у вигляді N-
Сектор кругової діаграми. 
Для комплексного обліку всіх значимих перерахованих приватних 
показників та динаміки їхньої зміни нами пропонується N-секторна кругова 
діаграма. Значення інтегрального показника фізіологічного стану 
характеризуватиметься площею N- кутника (рис. 1.3). 
 
 
Рисунок 1.3 - Графічне подання інтегрального показника фізіологічного 
стану у стані вихідного тла 
 
Етап №1 - Оцінка статичних показників фізіологічного стану, які 
характеризують поточний фізіологічний стан людини, що досліджується у 
фіксовані моменти часу. Приватні значущі показники людини відбивають  
поточний стан здоров'я та рівень фізіологічного стану. На кожному етапі 
фізичної активності діяльність систем організму змінюватиметься. Відомо, що 
у здорових людей у нормі ЧССспокою 60-90 уд/хв. Інтегральний показник 
фізіологічного стану відбиває поточне значення фізіологічного стану, який 
визначається поточними значеннями приватних показників. Для оцінки 
 
фізіологічного стану необхідно оцінювати функціональний стан різних систем 
організму людини в режимі реального часу на основі обробки синхронних 
записів біомедичних сигналів та даних [12]. 
Крім того, при високих рівнях фізичної активності під час відновлення 
стану людини можуть виявитись ознаки екстрасистолії – поширеного виду 
аритмії. Тому відразу після завершення фізичної активності необхідно 
здійснювати обробку та детальний аналіз БМС та даних для інтегральної 
оцінки стану здоров'я  конкретної людини.  
Етап № 2 – Оцінка поточного стану при фізичній активності 
Під час фізичних навантажень важливо дистанційно протягом тривалого 
часу контролювати реакцію ССС на активну діяльність. Тому питання 
моніторингу та контролю серцевого ритму в реальному режимі часу з 
урахуванням рівня складності фізичної активності, отримання інформації про 
динаміку серцевих скорочень та має велике значення. 
Етап № 3 – Оцінка показника динамічного фізіологічного стану, 
характеризує динаміку змін інтегрального показника фізіологічного стану у 
процесі активних фізичних навантажень. Цей показник визначається за 
різницею фізіологічного стану до та після поточного тестування та відображає 
зміну метаболізму та рівня споживання енергоресурсів людиною. Оцінка 
значень фізіологічного стану до початку фізичної активності, між етапами 
активності і відразу після закінчення чергового етапу, на місці, де проводяться 
тестування, і під час відновлення, дозволяють вивчити реакцію життєво 
важливих систем організму людини на різні рівні виконуваних фізичних 
навантажень, адаптаційні механізми організму до роботи в екстремальних 
навантаження на організм. Доцільно оцінювати як значення фізіологічного 
стану організму у фіксовані моменти часу, так і його динаміку в проміжках 
часу між цією, а також при відновленні організму людини після фізичної 
активності. Чим менше зміна приватних показників, тим більше зберігається 
фізіологічний стан організму людини, що досліджується [10]. 
 
 
 
Рисунок 1.4 - Динамічний показник фізіологічного стану організму людини 
при різних станах 
 
Для оцінки динаміки зміни фізіологічного стану пропонується формула 
відносної зміни фізіологічного стану при виконанні фізичних вправ. Воно 
розраховується за такою формулою: 
 
(1.2) 
 
 
де фізіологічний стан(Т (k ) ) - показник фізіологічного стану людини до та після 
k-ого фізичної активності 
Для оцінки динаміки фізіологічного стану під час відновлення нами 
пропонується формула відносної зміни фізіологічного стану для кожного етапу 
відновлення, розраховуємо за формулою: 
 
 
(1.3) 
 
 
e
nd 
де фізіологічний стан( Т (k)) – показник фізіологічного стану людини 
після k-ї фізичної активності та наприкінці відновлення даної активності. 
  
 
2 АНАЛІЗ АНАЛОГІВ ТА ЇХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ 
ОСОБЛИВОСТЕЙ 
 
Для реалізації методів оцінки фізіологічного стану із застосуванням 
приватних та інтегральних показників фізіологічного стану необхідно 
використовувати мобільні інструментальні засоби, які забезпечують 
реєстрацію комплексу медико- біологічних показників організму з 
мінімальними втратами часу перед початком процесу фізичної активності та 
одразу після його закінчення. 
Для оцінки приватних показників фізіологічного стану можуть бути 
використані прямі та опосередковані методи дослідження.  
Однак для оцінки фізіологічного стану у реальному часі можуть бути 
використані лише непрямі методи оцінки: реєструються біомедичні сигнали та 
за ними оцінюються приватні показники, а на їх основі – інтегральний 
показник фізіологічного стану. 
Для оцінки фізіологічного стану непрямими методами можна 
використовувати різні пристрої, що носяться на основі розумних браслетів або 
нагрудних ременів. Рядом компаній - Polar (Фінляндія), Apple (США), 
Samsung (Корея), Xiaomi (Китай) – розроблено браслети та годинники на 
основі реєстрації сигналів ФПГ, ЕКГ та  рівня фізичної активності на зап'ястя 
(таблиця 2.1).  
Оцінка низки медико-біологічних показників здійснюється побічно, що 
призводить до значних похибок (до 30%) непрямої оцінки артеріального 
тиску, параметрів дихання. Єдиною перевагою таких систем є зручність 
використання. Для всіх перерахованих систем значним недоліком є 
можливість реєстрації сигналів тільки по одному каналу, що не відображає 
характерні енергетичні витрати і процес метаболізму організму людини [16]. 
Компанією Qardio розроблено міні-монітор ЕКГ QardioCore. Він є 
єдиним у світі монітором, розробленим для безперервного представлення 
 
біомедичних даних. Qardio Core також контролює ЧСС, ВСР та частоту 
дихання. 
 
 
 
Таблиця 2.1 - Сучасні аналоги смарт-пристрою 
Пристрій Тип Функція 
Apple Watch ЕКГ, ПП, 
Розумний годинник 
(США) SpO2  
ПП, АТ, 
Samsung (Корея), Розумний годинник 
SpO2 
Пристрій Тип Функція 
Розумний годинник, 
Xiaomi (Китай) ПП, SpO2 
браслет 
Polar (Фінляндія) Розумні часи ПП 
Polar (Фінляндія) Нагрудний ремінь ЕКГ 
QardioCore ЕКГ, ЧД, 
Нагрудний ремінь 
(США) ВСР  
Omegawave 
ПАК ВСР, ПП 
(США) 
«Омега – С»  
«Омега – М» 
ПАК ВСР, ПП 
 «Омега – 
Експерт» 
Esteck System ВСР, АТ, 
АПК 
Complex SpO2… 
 
2.1 Apple Watch Ultra 2 
Apple Watch Ultra 2 — це оновлена зручна, швидка та 
багатофункціональна версія популярної лінійки смарт-годинників від Apple, 
розрахована на активних людей. Має потужний процесор Apple S9, 1,9-
 
дюймовий OLED дисплей та автономність до 36 годин за нормального 
використання, а також до 72 годин в режимі економії енергії. У годинник 
Apple Watch Ultra 2 має широкий спектр сенсорів та датчиків, від пульсометра 
та пульсоксиметра до термометра[7]. 
 
Таблиця 2.2 - Деякі характеристики годиннику Apple Watch Ultra 2[6] 
Характеристика Значення 
Чип 4-ядерна система Neural Engine 
Можливості Wi-fi 4, Bluetooth 5.3 
підключення 
Живлення Інтегрований літій-іонний 
акумулятор 
Габарити пристрою 49 х 44 х 14,4 мм 
Вага 61,4 г 
До функцій цього приладу входить: 
1. GPS із частотою L1 і L5, GLONASS, Galileo, QZSS і BeiDou 
2. Компас 
3. Завжди ввімкнений висотомір із розширеним робочим діапазоном від –
500 м до 9000 м 
4. Датчик рівня кисню у крові 
5. Електричний датчик серцебиття 
6. Оптичний датчик серцебиття 3-го покоління 
7. Акселерометр для вимірювання сили прискорень 
8. До 256 g з функціями виявлення падіння і аварій 
9. Гіроскоп із широким динамічним діапазоном 
10. Датчик температури води 
11. Ємність 64 ГБ 
 
 
 
Рисунок 2.1 - Дисплей годиннику Apple Watch Ultra 2  
 
2.2 Omega wave 
Портативна система від компанії Omega wave застосовується для 
комплексної оцінки функціональної готовності людини до навантажень за умов 
тренувань з урахуванням оцінки адаптаційних змін у різних системах 
організму. Однак прилад оцінює медико-біологічні показники лише у стані 
спокою за 4 хвилини до початку фізичної активності. 
 
Рисунок 2.2 - Проведення тесту з Omega wave у стані спокою 
 
2.3 Samsung Gear S3  
Пристрій Gear S3 — це розумний годинник, який працює як 
традиційний годинник, але разом з тим дозволяє користуватися зручними 
програмами для здійснення телефонних викликів, відтворення музики та, що 
більш важливо, ведення здорового способу життя. Для кращої роботи, обробки 
 
та синхронізації персональних медичних даних краще підключити прилад до 
особистого телефону, хоча це і не обов’язково. 
 
 
Рисунок 2.3 - Екран розумного годинника Gear S3 
 
За допомогою програми S Health  можна цілодобово відстежувати 
фізичну активність носія.  При виконанні фізичних вправ впродовж більше 10 
хвилин разом з пристроєм Gear на руці він покаже мотивуюче повідомлення. 
Коли пристрій Gear розпізнає відсутність активності протягом більше однієї 
години, ви отримаєте сповіщення з вказівками щодо деяких вправ на розтяжку. 
Коли увімкнена функція автоматичного відстеження серцевого ритму або коли 
пристрій Gear розпізнає виконання фізичних вправ, серцевий ритм 
відстежується автоматично. Під час вимірювання серцевого ритму необхідно 
зручно надягнути Gear на руку вище зап’ястя. 
 
 
 
Рисунок 2.4 - Схема задньої сторони годинника 
 
Треба пам’ятати про особливості даної функції, а саме: 
1. Точність результатів вимірювання сенсора серцевого ритму залежить 
від умов вимірювання та навколишнього середовища.  
2. Функція вимірювання серцевого ритму призначена лише для 
вимірювання серцевого ритму.  
3. Низька температура навколишнього середовища може впливати на 
результати вимірювання; взимку або у холодну погоду зігрійтеся 
перед вимірюванням серцевого ритму.  
4. Серцевий ритм рекомендується вимірювати у розслабленому стані та 
у положенні сидячи. Не рухайтеся під час вимірювання серцевого 
ритму. Це може призвести до отримання неточних результатів 
вимірювання. 
5. Паління або споживання алкоголю перед вимірюванням може 
вплинути на його результати. 
6. Не розмовляйте, не позіхайте та не дихайте глибоко під час 
вимірювання серцевого ритму. Це може призвести до отримання 
неточних результатів вимірювання. 
7. Оскільки для визначення сенсором серцевого ритму 
використовується світло, точність результатів вимірювання залежить 
від фізичних факторів, що впливають на поглинання і відбиття світла, 
такі як кровообіг/кров’яний тиск, стан шкіри та розташування і 
концентрація кров’яних судин. Крім того, у разі підвищеного або 
заниженого серцевого ритму результати вимірювань можуть бути 
неточними. 
8. Користувачі із тонким зап’ястям можуть отримати неточні результати 
вимірювань серцевого ритму через нещільність прилягання 
пристрою до шкіри, що спричиняє нерівномірне відбиття світла. 
Якщо вимірювання серцевого ритму здійснюються неналежним 
 
чином, перемістіть сенсор серцевого ритму пристрою вправо, вліво, 
вгору або вниз на зап’ясті, щоб відрегулювати його положення, або 
поверніть пристрій так, щоб сенсор серцевого ритму було міцно 
закріплено на внутрішній стороні зап’ястя. 
9. Якщо сенсор серцевого ритму забруднено, витріть його та повторіть 
спробу. Нещільність прилягання браслета пристрою до зап’ястя, 
викликана наявністю між ними волосин на тілі, бруду або інших 
предметів, може перешкоджати рівномірному відбиттю променів 
світла. Переконайтеся, що браслет прилягає щільно, перш ніж 
скористатися пристроєм. 
Залежно від вашого профілю ви можете швидко переглядати свою 
інтенсивність основного обміну речовин та активність впродовж дня. Також ви 
можете переглядати рівень своєї активності та кількість спалених калорій. 
 
Рисунок 2.5 - Інтерфейс відображення інтенсивності обміну речовин 
годиннику Gear S3 
 
 
 
Рисунок 2.6 - Інтерфейс відображення типу активності на годиннику 
Gear S3 
 
Здорова (     ) : фізична активність, наприклад, прогулянка або біг. Якщо 
протягом 10 хвилин поспіль ви йшли зі швидкістю понад 100 кроків на 
хвилину, пристрій Gear запропонує вам продовжити рух.  
Легка (      ) : час, протягом якого ви щось робили, проте фізичне 
навантаження було незначним.  
Неактивна (      ) : час, протягом якого ви взагалі не рухалися (протягом 
години або довше). Щоб допомогти вам підтримувати активний спосіб життя, 
пристрій Gear запропонує вам рухатися, якщо протягом останніх 50 хвилин ви 
нічого не робили. 
Пристрій Gear автоматично підраховує кількість пройдених кроків і 
вимірює подолану відстань. 
 
Рисунок 2.7 - Інтерфейс підрахунку зроблених кроків на годиннику 
Gear S3 
 
1. Під час відстеження кількості пройдених кроків відображення 
отриманих даних може відбуватися із затримкою. Може виникнути 
незначна затримка під час відображенням спливаючого вікна, що 
вказує на досягнення цілі. 
 
2. У разі використання функції відстеження кількості пройдених кроків 
в автомобілі або потягу, що рухаються, наявність зайвих вібрацій 
може призвести до неточного відображення отриманих даних. 
 
Рисунок 2.8 - Інтерфейс підрахунку пройдених поверхів на годиннику 
Gear S3 
 
1. Один поверх приблизно складає 3 метри. Виміряні поверхи можуть не 
збігатися з фактичною кількістю пройдених поверхів. 
2. Вимірювання кількості поверхів може бути неточним через 
навколишні умови, особливість рухів користувача, а також 
конструкцію будівлі. 
3. Кількість виміряних поверхів може бути неточною, якщо в отвір 
зниження тиску (сенсор атмосферного тиску) потрапляє рідина або 
сторонні речовини. У випадку наявності на пристрої Gear залишків 
миючих засобів, поту та дощових крапель промийте отвір зниження 
тиску (сенсор атмосферного тиску) чистою водою та ретельно 
висушіть перед використанням [8]. 
Окрім перелічених функції даний прилад має і багато інших, такі як 
рахунок зроблених кроків, пройдених поверхів, помічник для виконання  
фізичних вправ та ін., але прочитавши інструкцію та проаналізувавши 
отримані показники носіїв очевидно, що результати подібних приладів сильно 
неточні і похибку може створювати величезна кількість факторів від недоліків 
освітлення при вимірах до нещільного прилягання до поверхні шкіри через 
 
товстий ремінь годинника. Тому робити серйозні висновки основуючись на 
подібних приладах не бажано. 
 
2.4 ЕКГ-апарат KardiaMobile 6L  
KardiaMobile 6L – це персональний ЕКГ-апарат з 3 електродами, який 
записує вашу електрокардіографію(ЕКГ) та передає дані по бездротовій 
мережі на ваш смартфон або планшет. 
1. Містить два електроди на верхній поверхні для використання лівою 
та правою рукою та один на нижній поверхні для використання з 
оголеною шкірою лівої ноги. 
2. Живлення від змінної батареї, розташованої під нижнім електродом. 
Бездротовий Bluetooth передає дані ЕКГ на ваш смартфон або планшет.  
KardiaMobile 6L може записувати два типи ЕКГ: 
1. ЕКГ в одному відведенні: забезпечує одиночний перегляд електричної 
активності серця (ЕКГ знімається двома верхніми електродами) 
2. ЕКГ у шести положеннях: забезпечує шість переглядів електричної 
активності серця (ЕКГ знято з усіх трьох електродів). 
Миттєвий алгоритмічний аналіз («Миттєвий аналіз») серцевого ритму 
надається після завершення запису ЕКГ. Миттєвий аналіз вказує на 
нормальний синусовий ритм, миготливу аритмію, брадикардію, тахікардію або 
некласифікований результат як для ЕКГ в одному, так і шести положеннях. 
Система KardiaMobile 6L призначена для запису, зберігання та передачі 
одно- та двоканальних ритмів електрокардіограми (ЕКГ). В одно-канальному 
режимі KardiaMobile 6L може записувати Lead-I. У двоканальному режимі 
система KardiaMobile 6L може одночасно реєструвати відведення-I та 
відведення-II та отримувати відведення-III та монополярні відведення від 
кінцівок aVR, aVF та aVL. Система KardiaMobile 6L також відображає ритми 
ЕКГ та результати аналізу ЕКГ з платформи AliveCor KardiaAI, включаючи 
виявлення наявності нормального синусового ритму, миготливої аритмії, 
 
брадикардії, тахікардії та інших (Кожна з вимірюваних різниць потенціалів 
електрокардіографії називається відведенням. Відведення I, II і III 
накладаються на кінцівки: I - права рука (-, червоний електрод) - ліва рука (+, 
жовтий електрод), II - права рука (-) - ліва нога (+, зелений електрод), III - ліва 
рука (−) – ліва нога (+)). 
Система KardiaMobile 6L призначена для використання медичними 
працівниками, пацієнтами з відомими або підозрюваними захворюваннями 
серця та особами, які дбають про своє здоров'я. Пристрій не тестувався і не 
призначений для використання у педіатрії 
Частота серцевих скорочень розраховується як інтервал між 
послідовними ударами серця; або, точніше, як зворотний часовий інтервал між 
послідовними зубцями R у вашому комплексі QRS. Під час запису ЕКГ 
поточна частота серцевих скорочень вимірюється за середнім значенням цього 
зворотного розрахунку останні 5 секунд. Для збережених ЕКГ середня частота 
серцевих скорочень є середнім значенням цього зворотного розрахунку за всі 
30 секунд запису. 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 2.3 - Характеристика вихідної потужності передавача 
KardioMobile 6L 
Відстань поділу залежно від частоти передавача 
Номінальна 
(m) 
максимальна 
вихідна Від 150 Від 80 МГц 
Від 800 МГц 
потужність кГц до 80 МГц до 800 МГц 
до 2.5 ГГц 
передавача (W) d = d = 
d = [ 7 ] PE1 
[3.5] PV1 [3.5] PE1 
 
0.01 0.12 0.12 0.23 
0.1 0.38 0.38 0.73 
1 1.2 1.2 2.3 
10 3.8 3.8 7.3 
100 12 12 23 
 
Під час запису ЕКГ відображатиметься частота серцевих скорочень у 
реальному часі. Під час запису попередніх ЕКГ відображається середня 
частота серцевих скорочень, отримана під час цього запису.  
Частота серцевих скорочень розраховується як інтервал між 
послідовними ударами серця; або, точніше, як зворотний часовий інтервал між 
послідовними зубцями R у вашому комплексі QRS. Під час запису ЕКГ 
поточна частота серцевих скорочень вимірюється за середнім значенням цього 
зворотного розрахунку останні 5 секунд. Для збережених ЕКГ середня частота 
серцевих скорочень є середнім значенням цього зворотного розрахунку за всі 
30 секунд запису. 
Даний пристрій відноситься до категорії вузькоспрямований, але в той 
же час відносно точних. Масового використання прилад не набув через 
необхідність мати базу знань для безпечного та правильного користування, що 
суперечить ідеї його використання разом з персональним девайсом. 
 
 
Рисунок 2.9 - KardioMobile 6L та пов’язаний з ним персональний 
смартфон 
 
 Даний пристрій відноситься до категорії вузькоспрямованих, але в 
той же час відносно точних. Масового використання прилад не набув через 
необхідність мати базу знань для безпечного та правильного користування, що 
суперечить ідеї його використання разом з персональним девайсом. 
 
2.5 Пульсометр Polar Vantage V2  
Polar Vantage V2 - це годинник оснащений удосконаленою технологією 
для вимірювання частоти серцевих скорочень (ЧСС) на зап'ясті та GPS. З Polar 
Vantage V2 можна відстежувати процес тренування. 
Функції визначення тренувального навантаження та відстеження 
відновлення дозволять оптимізувати заняття та уникнути перенавантаження. З 
ним можна перевірити та визначити свої індивідуальні зони потужності, 
швидкості та ЧСС за допомогою тестів на ефективність у бігу та велоспорті. 
 
 
Рисунок 2.10 - Зображення пульсометра Polar Vantage V2 
 
1. Recovery Pro – унікальне рішення для відстеження процесу відновлення – 
допомагає запобігти перетренування та травмам. Воно вимірює, наскільки 
відновився ваш організм, і надає зворотний зв'язок щодо відновлення та 
рекомендації. 
2. Досягніть ідеального обсягу тренувань для отримання максимальної 
ефективності за допомогою Training Load Pro. Ця функція надає повну 
картину навантажень, що зазнають різних систем організму під час занять, 
допомагаючи зрозуміти, як вони впливають на ваші результати. 
3. Тест на ефективність бігу допомагає вам відстежувати свій прогрес та 
визначати індивідуальні зони потужності, швидкості та ЧСС. 
4. Тест на ефективність у велоспорті дозволяє дізнатися про вашу 
функціональну порогову потужність та встановити індивідуальні зони 
потужності. 
5. Тест на відновлення м'язів ніг показує, чи готові ваші ноги до високо-
інтенсивного тренування, всього за пару хвилин і без будь-якого 
спеціального обладнання - вам потрібний лише годинник. 
6. Використовуючи функцію Hill Splitter, ви зможете дізнатись, як проходили 
ділянки підйомів та спусків під час тренування. Ви отримаєте детальну 
інформацію про профіль висот вашого тренування та зможете порівняти 
 
відповідні дані різних занять. Hill Splitter™ автоматично визначає всі 
підйоми та спуски, використовуючи дані про вашу швидкість, дистанцію та 
висоту. Ця функція показує докладну інформацію про ваші показники 
(дистанцію, швидкість, підйом та спуск) по кожному пагорбу на маршруті. 
 Даний годинник-пульсометр майже нічим не відрізняється від 
своїх аналогів, але на відміну від інших досить непогано вимірює ЧСС з 
мінімальною похибкою. Інші самостійні та взаємодіючі зі смартфоном функції 
ідентичні аналогам. 
Технології фірми Esteck System Complex пропонуються для дослідження 
організму людини загалом, оцінки стану ВНС, рівня стресу, стану серцево- 
судинної системи. Esteck Complex використовується для контролю динаміки 
комплексу показників, що характеризують рівень фізичного стану. Система 
забезпечує оцінку значення варіабельності серцевого ритму ВСР, ПП та SpO2 
але лише у стаціонарних умовах.  
 
 
Рисунок 2.11 - Проведення тесту з Esteck System Complex у стані спокою 
 
Розроблено різні Апаратно-програмні комплекси (АПК)Програмно- 
апаратні комплекси (ПАК) з метою оцінки функціонального стану та 
працездатності здоров'я. АПК для знімання та реєстрації ряду фізіологічних 
сигналів та даних у людини для комплексної оцінки її функціонального та 
фізичного стану на основі показників, що характеризують діяльність серцево-
 
судинної, дихальної, нервової систем. ПАК «Омега – С», «Омега – М», «Омега 
– Експерт» призначені для експрес-контролю рівня адаптації організму 
людини до фізичних навантажень. Основним недоліком таких ПАК є 
можливість їх застосування лише у стаціонарних умовах, неможливість 
проведення досліджень у «польових» умовах.  
Комплекс ФАЗАГРАФ використовується для обробки тільки ЕКГ 
сигналу при дослідженні рівня адаптаційних резервів серцево-судинної 
системи людини за допомогою тесту навантаження з 20 присіданнями за 30 
секунд. 
Всі перелічені системи, що носяться, підтримують реєстрацію тільки 
одного, максимум 3-х біомедичних сигналів для оцінки поточного стану носія, 
а, отже, не забезпечують комплексну оцінку фізіологічного стану людини під 
час фізичної активності. Їх використання для оцінки фізіологічного стану під 
час процесу фізичної активності ускладнюється через великий розмір 
пристрою, що носиться. 
Проведений аналіз показав, що як і в закордонній, так і у вітчизняній 
практиці досі відсутні об'єктивні методи оцінки, компактні апаратно-
програмні комплекси для реєстрації та обробки комплексних фізіологічних 
сигналів, що дозволяють проводити комплексну оцінку фізіологічного стану 
людини в умовах фізичної активності. Також варто відзначити, що суттєвим 
обмеженням щодо їх практичного застосування є високий рівень фізичного 
навантаження безпосередньо в процесі проведення тестування.  
Таким чином, можна зробити висновок, що методи та системи оцінки 
стану людини, зокрема оцінки фізіологічного стану, різноманітні, засновані на 
реєстрації одного або декількох біомедичних сигналів або на результатах 
використання функціональних проб для одного або декількох показників. Ці 
методи та системи не забезпечують комплексну оцінку стану різних систем 
організму людини та комплексної оцінки фізіологічного стану особливо 
у польових умовах. Відсутні методи та системи комплексної оцінки 
фізіологічного стану за комплексом приватних значущих показників 
 
фізіологічного стану, оперативної оцінки фізіологічного стану за 
інтегральним показником фізіологічного стану людини за різних рівнів 
фізичного навантаження. Тому виникає необхідність у створенні смарт 
пристрою для реєстрації комплексу БМС, що відбивають діяльність різних 
систем організму в режимі реального часу. 
 
2.6 Принципи роботи смарт-пристрою моніторингу параметрів 
фізіологічного стану людини 
Для розробки смарт пристрою моніторингу стану та оцінки 
фізіологічного стану людини під час фізичної активності необхідно визначати, 
які інформаційні перетворення має виконувати цей пристрій, яким вимогам 
вона повинна задовольняти для забезпечення моніторингу стану здоров'я та 
оцінки рівня фізіологічного стану людини. 
Смарт пристрій людини для моніторингу та оцінки фізіологічного стану 
має забезпечувати: 
1. Знімання та реєстрацію БМС носія за весь час проведення тестування, 
на основі яких оцінюватимуться значущі показники про стан та 
фізіологічного стану з використанням алгоритмів інтелектуальної 
обробки та аналізу БМС; 
2. Аналіз та обробку БМС та даних, формування комплексу значущих 
показників для моніторингу поточного стану здоров'я людини 
(статичні показники); оцінку динаміки фізіологічного стану 
(динамічні показники) за допомогою особистого комп'ютера 
людини(смартфону) ; 
3. передачу комплексу значущих показників фізіологічного стану 
людини на сервер для них зберігання у базі даних та подальшого 
аналізу; 
4. Оцінку динаміки стану та фізіологічного стану людини за даними, 
збереженим на сервері , коригування значущих показників, аналіз 
динаміки фізіологічного стану; 
 
5. передачу комплексу значущих показників на смарт пристрій та 
сервер; 
6. оперативне інформування лікаря про стан здоров'я людини, рівні 
динаміки фізіологічного стану для забезпечення можливості надання 
людині інформаційної підтримки або екстреної медичної допомоги 
лікарем. 
З урахуванням інформаційних перетворень, які має здійснювати система 
віддаленого моніторингу, пропонується система інтелектуального 
моніторингу стану та оцінки фізіологічного стану з багаторівневою 
структурою. У  смарт- пристрої системі оцінки фізіологічного стану 
перетворення повинні здійснюватися послідовно. У цьому система повинна 
мати кілька рівнів. На кожному рівні ї системи смарт пристрою вирішуються 
конкретні завдання, які забезпечують цільові функції знімання та реєстрації 
біомедичних сигналів та даних, моніторингу поточного стану та оцінки 
фізіологічного стану. 
Кожен рівень багаторівневої системи містить елементи управління та 
виконавчі елементи, які забезпечують можливість безперервного 
інтелектуального моніторингу стану здоров'я досліджуваної людини в 
реальному режимі часу. Прийняти рішення щодо надання необхідної медичної 
допомоги. 
 
 
Рисунок 2.12 - Структура смарт-пристрою моніторингу та оцінки стану 
людини під час фізичних навантажень 
 
Таким чином, система моніторингу фізіологічного стану та оцінки 
фізіологічного стану організму має просторово-розподілену структуру, яка 
 
дозволяє розподіляти завдання, що вирішуються системою моніторингу за 
різними рівнями, забезпечує високу ефективність знімання, реєстрації, 
обробки та аналізу біомедичних сигналів, дозволяє відстежувати поточний 
стан та оцінювати значення рівня фізіологічного стану весь час фізичної 
активності. 
Як було зазначено, для моніторингу стану людини, що досліджується 
та комплексної оцінки її фізіологічного стану під час фізичної активності 
процесу і смарт-пристрій моніторингу повинен мати просторово-розподілену 
ієрархічну структуру та використовувати інтелектуальний режим роботи для 
ефективного використання обчислювальних ресурсів мобільних пристроїв та 
системи загалом. Інтелектуалізація полягає в режимах використання для 
контролю стану здоров'я і фізіологічного стану обмеженого набору сигналів, 
що реєструються, а також алгоритму аналізу та обробки отриманих сигналів. 
Цільова функція даного режиму - забезпечення точності та достовірності 
реєстрації, передачі та обробки сигналів в умовах тривалої автономної роботи 
при проведенні фізичної активності. 
 
2.7 Алгоритм моніторингу фізіологічного стану людини  
Розглянемо алгоритм моніторингу та оцінки фізіологічного стану 
використанням інтелектуального режиму роботи під час процесу фізичної 
активності. Функціонування цієї системи можна поділити на два етапи: 
1. моніторингу поточного фізіологічного стану людини під час 
навантажень; 
2. комплексної оцінки фізіологічного стану для конкретних моментів: 
до та після виконання кожного етапу фізичних вправ. 
У зв'язку з необхідністю відстеження ЧСС та потужності тіла, рук і ніг 
за весь час моніторингу стану людини необхідне закріплення на тілі системи 
електродів та датчиків для знімання та реєстрації ЕКГ сигналів та сигналів 
акселерометрів (АкС) з допомогою малогабаритного пристрою – смарт-
пристрою моніторингу параметрів фізіологічного стану людини. 
 
При проведенні медико-біологічних досліджень в процесі фізичних 
навантажень в умовах фізичної активності, для зменшення кількості 
електродів і забезпечення мінімального їх зміщення в умовах виконання 
фізичного навантаження, а також підвищення якості ЕКГ сигналу, що 
реєструється, доцільно застосовувати метод реєстрації одно-канального ЕКГ 
шляхом підключення 3-х електродів, їх один – нейтральний, два із трьох 
електродів доцільно закріплюють на нагрудному ремені. 
На нагрудному ремені, що фіксується на грудній клітці тіла людини, 
закріплюються: два електроди ЕКГ, датчик акселерометра, що характеризує 
рухи тіла. Потрібна особлива конструкція нагрудного ременя зменшення 
методичних похибок реєстрації ЕКГ сигналу і набору сигналів акселерометрів 
за умов фізичної активності. Інші датчики акселерометрів закріплюються на 
нозі та руці. Таким чином, здійснюється реєстрації ЕКГ сигналу і сигнали 
одного акселерометра на грудній клітці тіла людини, і сигнали 4-х (або 8) 
акселерометрів, закріплених на нижніх і верхніх кінцівках людини для 
реєстрації БМС. 
Зв'язок смарт-пристрою та датчиків активується через канал Bluetooth . 
Далі необхідно здійснити підключення до сервера бездротовим каналом 
WLAN 
У системі віддаленого моніторингу людини та оцінки її фізіологічного 
стану в умовах фізичної активності пропонується використовувати 
персональний смарт-пристрій в інтелектуальному режимі роботи для 
ефективного використання обчислювальних ресурсів системи. Протягом 
усього часу процесу фізичної активності необхідно здійснювати моніторинг та 
оцінку значущих показників. 
Так як тривалість фізичної активності може тривати від кількох хвилин 
до декількох годин, для збільшення автономності смарт-пристрою необхідно 
використовувати режим мінімізації енергозбереження. 
Режим енергозбереження полягає в тому, що в смарт пристрої 
людини для дискретизації ЧСС і сигналів акселерометрів на виході 
 
визначається  мінімальна частота дискретизації (на виході оцінюється 
тривалість кардіоциклу TRR). Сигнали ЧСС та акселерометрів передаються на 
смарт-пристрій, а потім на персональний телефон людини, при цьому немає 
необхідності у збереженні відліків ЕКГ сигналу та сигналів акселерометрів. 
Значення TRR та  в дискретні моменти часу за поточний етап процесу 
фізичної активності зберігаються в оперативній пам'яті смарт-пристрою та 
пересилаються на сервер. 
Для проведення оцінки фізіологічного стану людини з мінімальною 
похибкою необхідно підключити всі канали реєстрації та встановити 
підвищену частоту дискретизації сигналів. На першому етапі оцінювалася 
лише тривалість значення TRR, але в другому етапі – ряд показників ЕКГ 
сигналу. 
Алгоритм реєстрації біомедичних сигналів та оцінки значущих 
показників фізіологічного стану наведено на рисунку 1.3. 
 
 
Рисунок 2.13 - Алгоритм реєстрації БМС та оцінки показників фізіологічного 
стану людини під час процесу фізичної активності 
 
При моніторингу стану людини за умов його фізичної активності з 
метою відстеження поточного стану формується ковзне вікно з шириною L1, 
а при оцінці фізіологічного стану (до і після початку фізичної активності при 
реєстрації ЕКГ і сигналу ФПГ) формується ковзне вікно з шириною вікна L2. 
Тут L1 < L2, оскільки потрібно більш висока точність оцінки показників 
фізіологічного стану, зокрема артеріального тиску, ніж оцінки ЧСС.  
Алгоритм виділення характерних точок сигналів ФПГ також необхідний на  
 
першому етапі для оцінки та аналізу характеристик сигналів ФПГ. За допомогою сигналів 
ФПГ можна оцінити частоту серцевих скорочень, рівень насичення крові кисень, 
артеріальний тиск. Оцінюючи вищевказані параметри, нас цікавлять точки максимальних 
ФПГ сигналів. До сих пір алгоритми на основі диференціальних  рівнянь 
використовуються  для виявлення характерних точок  ФПГ .  Оскільки рівень SO2 
залежить від амплітуди і форми кривої сигналів ФПГ, для розрахунку рівня насичення 
артеріальної крові необхідно використовувати набір з 2 сигналів ФПГ, отриманих на двох 
довжинах хвиль оптичного сигналу з урахуванням особливостей спектру поглинання 
(відбиття) оксигемоглобіну і де оксигемоглобіну. Це оптичне випромінювання в діапазоні 
довжини хвилі 600 – 700 нм, при якому червона область є найбільшою відмінністю 
оптичної щільності окисленої крові і крові зі зниженим вмістом гемоглобіну. Інший 
діапазон оптичного випромінювання від 810 - 960 нм, який знаходиться в інфрачервоній 
області спостерігається зворотний ефект: оптична щільність крові при збільшенні 
насичення крові киснем. Положення максимальної точки ФПГ визначається 
знаходженням R-зубців ЕКГ. Після того, як положення R-зубця визначено, index_R з 
інтервалом ширини TRR, положення максимальної точки ФПГ сигналів, яка називається 
P-точка index_P(i), визначається наступним чином: 
 
index _ P(i) = max ppg(index _ R(i): index _ R(i +1))  
 (2.1)   
        
Аналогічно  визначається точка мінімальних сигналів ФПГ, вона називається  V-
точкою і визначається інтервалом з шириною інтервалу ТRR.  Точка  index_V (i) 
визначається наступним чином: 
 
index _V (i) = min ppg(index _ P(i): index _ P(i +1))  
 (2.2) 
 
Відомо, що під час систоли серце забезпечує вивільнення крові в аорту. У  міру 
збільшення фізичної активності збільшується об'єм і частота викиду крові до  аорти. 
Роботу, виконану серцем, можна розглядати як можливий потенціал серцевої діяльності, 
 
який в основному визначається величиною ударного об'єму шлуночків і середнім 
артеріальним тиском. Шлуночки міокарда в період скорочення повідомляють про 
потенціальну енергію крові. Далі, в момент вивільнення, потенціальна енергія, згідно з 
законом  енергозбереження, трансформується в кінетичну енергію рухомої крові.  
Циркулююча  кров забезпечує безперервний запас поживних речовин і кисню до  клітин 
м'язової тканини. Вся корисна робота, виконана серцем за один кардіологічний цикл. 
 
 
Рисунок 2.14 – Алгоритм обробки показників 
 
Попередня обробка синхронізованих записів БМС використовується для  
підвищення точності визначення інтегральних та  значущих показників ФС. 
Цей етап обумовлений необхідністю  придушення різних завад і шумів під час 
зйомки і реєстрації біомедичних сигналів. В умовах фізичної активності на 
 
запис БМС сильно впливають низькочастотні артефакти і дрейф ізолінії.  
Шуми і перешкоди викликані поляризацією електродів, впливом 
дихання, поганим контактом електродів і датчиків реєстраційного каналу ФПГ 
з поверхнею тіла, зміщенням світлодіодів і фотодіода оптрону відносно 
кровоносної судини, на якій зареєстрована ФПГ. Необхідно враховувати 
можливу низьку інтенсивність корисного світлового потоку, що відбивається 
від пульсуючої судини. Це викликає відносно високий рівень шуму, який 
виникає не тільки через сигнали, що   виникають при функціонуванні 
організму, а й через вплив зовнішнього середовища під час реєстрації БМС. 
Для кожного біомедичного сигналу існують різні алгоритми придушення 
завад. 
Розглянемо реєстраційний канал ЕКГ.  
При зніманні  та реєстрації ЕКГ завжди є низькочастотні артефакти. Для 
їх придушення рекомендується попередня обробка ЕКГ частотою зрізу не 
менше 0,5 Гц. Однак недоліком його використання є видалення 
низькочастотних компонентів ЕКГ разом з дрейфом ізолінії, що впливає на 
оцінку показників ФС.  
Для придушення таких завад та згладжування ЕКГ сигналу 
пропонується використання медіального фільтру. Медіальний фільтр 
представляє собою групу ковзаючих фільтрів. Для аналогічного фільтра 
шириною 2n-1 вихідний сигнал y(t) для поточного віддарунку  t формується з 
вхідного часового ряду …xt-1, xt, xt+1 за наступною формулою: 
 
                        y(t) =med(xt-n, xt-n+1,…, xt-1, xt, xt+1,…, xt+n-1,xt+n) 
 (2.3) 
 
Принцип роботи медіанних фільтрів полягає в заміні інтервалу часу 
центрального відрахунку. Такий фільтр буде використовуватися для усунення 
аномальних підрахунків і спонтанних викидів незалежно від їх амплітудних 
значень. Для спрощення алгоритмів обробки даних рекомендується 
використовувати непарну кількість підрахунків. Перевага методу, який  
 
розглядається, полягає в тому, що фільтр працює на тимчасовій області  і не 
вимагає великих обчислювальних ресурсів. Розглянемо метод видалення 
дрейфу ізолінії для вхідної ЕКГ з частотою дискретизації Fd. Нехай S0(t) – 
вихідний сигнал. ЕКГ. 
Алгоритм розрахунку потужності серця за ЕКГ сигналом зображено на 
рисунку 2.15. 
 
 
Рисунок 2.15 – Алгоритм розрахунку потужності серця за ЕКГ сигналом 
 
Етап 1: Застосування медіанного фільтра для сигналу S0(t) з розміром 
інтервалу 0.2/Fd. Тоді на виході фільтра утворюється відфільтрований сигнал 
S1(t), який являє собою згладжений (усереднений) сигнал в інтервалі.  
Етап 2: Медіальний фільтр використовуються повторного з розміром 
інтервалу 0,6/Fd для фільтрації S1(t), отримуємо відфільтрований сигнал  S2(t). 
Етап 3: Сигнал S3(t) утворюється шляхом віднімання S2(t) від S0(t): 
 
   S3 (t) = S0 (t) − S2 (t)    
 (2.4) 
 
Далі необхідно здійснити згладжування відфільтрованого сигналу S3(t) 
 
з використанням поліноміальних згладжувальних фільтрів Савицького – 
Голея. Перевагою такого підходу є фільтрація високочастотних шумів і 
перешкод, що становлять значну частку сигналів, за  критерієм мінімуму 
квадратної похибки.  
При аналізі сигналів ФПГ спостерігається поява високочастотних 
перешкод через артефакти, дрейф ізолінії, зміні контакту оптичного датчика з 
областю  тіла, зміщення оптичного датчика відносно кровоносної судини. Для 
попередньої фільтрації таких шумів і перешкод сигналу ФПГ доцільно 
використовувати низькочастотну фільтрацію, а після цього - згладжувальну 
фільтрацію з використанням фільтра Савицького – Голея.  
  
 
3 СМАРТ-ПРИСТРІЙ МОНІТОРИНГУ 
ПАРАМЕТРІВ ФІЗІОЛОГІЧНОГО СТАНУ 
ЛЮДИНИ 
 
 
3.1 Основні складові смарт пристрою 
Смарт пристрій повинен складатися із двох складових частин: власне 
апаратна частина смарт-пристрою, що проходить тестування, що забезпечує 
реєстрацію сукупності біомедичних сигналів, а також технічні засоби, що 
реалізують програми автоматизації досліджень фізіологічного стану людини, 
обробки та аналізу медико-біологічної інформації, оцінки приватних та 
інтегрального показників фізіологічного стану людини. До цих технічних 
засобів відносяться: смарт-пристрій для моніторингу фізіологічного стану 
людини, комп'ютер сервера, де зберігаються дані та персональний мобільний 
телефон користувача [18]. 
1. Програмна частина представляє сукупність програмних засобів, що 
реалізуються технічними засобами АПК. До складу програмної 
частини входять: 
2. програмні засоби смарт-пристрою моніторингу. Вони забезпечують 
синхронну реєстрацію біомедичних сигналів, їх дискретизацію, 
формування файлів даних та передачу на смарт-пристрій; 
3. програмні засоби смарт-пристрою. Вони забезпечують попередню 
обробку біомедичних сигналів, оцінку значущих показників 
фізіологічного стану, оцінку приватних та інтегрального показників 
фізіологічного стану як при фізичній активності, так і до і після  з 
метою оцінки динаміки фізіологічного  процесу загалом. 
4. програмні засоби сервера . Вони забезпечують формування бази 
записів (даних) показників фізіологічного стану людини, яка 
пройшла діагностику при різних рівнях фізичного навантаження. При 
цьому виявляються закономірності динаміки зниження та 
відновлення фізіологічного стану під час проведення фізичної 
активності до та після їх завершення. Додатково вони забезпечують 
контроль за станом здоров'я людини з метою запобігання 
 
екстремальних станів людиною, які можуть призвести до серйозних 
проблем здоров'я людини. 
Як зазначалося раніше, смарт-пристрій (рис. 3.1) забезпечує знімання та 
реєстрацію ЕКГ, ФПГ, рівня фізичної активності за допомогою 
акселерометрів, закріплених на тілі  та кінцівках, цифро-аналогового 
перетворення сигналів, формування файлів даних (дискретних відліків 
реєстрованих сигналів) для передачі через канал бездротового зв'язку, 
завдання необхідних параметрів каналів реєстрації біомедичних сигналів; 
режим інтелектуального моніторингу [14]. 
• Для точної та об'єктивної оцінки ряду показників фізіологічного 
стану людини, наприклад, швидкості поширення пульсової хвилі 
смарт-пристрій повинен забезпечувати синхронну реєстрацію 
всіх необхідних БМС, що характеризують діяльність різних  
систем організму людини в умовах фізичної активності; 
• Забезпечувати людини комфортні умови для тривалого 
безперервного моніторингу фізіологічних показників, наприклад 
залежності ЧСС та його похідних показників як функція фізичної 
активності людини, мати мінімальні габарити та вагу; 
• Для забезпечення тривалого безперервного моніторингу 
фізіологічного стану людини система реєстрації повинна мати 
необхідну автономність; 
• Для моніторингу фізіологічного стану людини в польових 
умовах, в умовах фізичних навантажень, система реєстрації 
повинна забезпечувати якісне знімання та реєстрацію БМС на тлі 
цілого ряду перешкод. 
Усі перелічені вимоги спрямовані на підвищення ефективності 
функціонування смарт-пристрою та забезпечення тривалого безперервного 
моніторингу фізіологічного стану людини в умовах фізично активної 
діяльності [13]. 
 
 
 
Рисунок 3.1 - Структура смарт-пристрою для реєстрації, обробки та 
передачі даних людини на сервер 
 
Перелічені вимоги необхідно враховувати під час обґрунтування та 
розробки структури пристрою, елементів та електронних компонентів 
пристрою. 
 
3.2 Апаратна частина смарт пристрою 
3.2.1 Канал реєстрації ЕКГ 
Знімання і реєстрація ЕКГ у людини під час тестування здійснюється за 
одно-канальною ЕКГ смарт-пристроєм. Він включає електродну систему (ЕС) 
та підсилювача біопотенціалів, що забезпечує придушення синфазної 
мережевої перешкоди та посилення різницевого ЕКГ сигналу. Для 
забезпечення низького рівня міографічних перешкод у сигналі, що 
реєструється під час фізичних  навантажень реєстрація ЕКГ сигналу 
здійснюється з грудного відведення. Забезпечення високої якості реєстрація 
сигналу ЕКГ досягається використанням у розробленому пристрої електронної 
компонентної бази Analog Front End. У змодельованому  пристрої 
використовується AD8232. Він працює із низьким  споживанням струму 170 
 
мкА при напрузі живлення від 2,5 до 3,5[16]. 
 
 
Рисунок 3.2 – ЕКГ модуль AD8232 
 
AD8232 – модуль розроблений для вимірювання імпульсів електричної 
активності серця. Ця активність позначається скороченням ЕКГ чи 
електрокардіограма.  
Електрокардіографія використовується для діагностики різноманітних 
захворювань серця. 
Отримані дані можна подати у вигляді аналогових показань. Такі 
сигнали мають досить великий рівень шуму, дана плата сприяє отриманню 
більш чистого сигналу. На платі є світлодіод, здатний блимати у такт серцевого 
ритму. 
 
Таблиця 3.1 - Характеристики ЕКГ модулю AD8232 
Характеристика Значення 
Робоча напруга 2-3,5 В 
Споживання струму ≈170 мкА 
Вихідний сигнал Аналоговий 
 
Габарити 36 х 31 х 18 мм 
 
 
 
3.2.2 Канал реєстрації сигналів ФПГ   
Включає систему пульсоксиметричних датчиків, це оптичний датчик на 
основі пари світлодіодів та фотодіодів, підсилювача імпульсного струму та 
перетворювача струм/напруга. Найчастіше датчики та випромінювачі 
поміщають на палець або на мочку вуха. Для просвічування використовують 
два світлодіоди, довжини хвиль яких узгоджені з піками спектру поглинання 
оксигемоглобіну. HbO2 і дезоксигемоглобіну HbR: λ1= 650 нм в області 
червоного кольору та λ2= 940 нм в інфрачервоній ділянці. У цілях забезпечення 
найкращих метрологічних характеристик для моделювання був використаний 
інтегрований сенсорний модуль MAX30102 компанії Maxim Integrated, що 
забезпечує мінімальне енергоспоживання та високу точність реєстрації 
пульсової хвилі та оцінки сатурації крові. MAX30102 працює від джерела 
живлення з напругою 1,8 В.. 
Датчик серцевого ритму (пульсу) MAX30102 – інтегральний датчик 
пульсу та насичення крові киснем. У датчику зібрані оптимізовану оптику, два 
світлодіоди, фотодетектор, високоточний аналоговий підсилювач та 
перетворювач, цифровий обробник та інтерфейсний модуль. Для підключення 
датчика до контролера використовується послідовний інтерфейс I2C. 
У датчику використовується два світлодіоди: червоного та 
інфрачервоного спектру. Є можливість керувати струмом через світлодіоди (від 
0мА до 50мА) так і тривалістю імпульсів (від 200мкс до 1,6мс) для 
забезпечення максимальної точності вимірювань. Для калібрування датчика є 
вбудований датчик температури. 
 
Таблиця 3.2 - Характеристики ФПГ модулю MAX30102 
 
Характеристика Значення 
Робоча напруга 3.3 В  
Споживання струму під час роботи ≈1.2 мА 
 Максимальна частота інтерфейсу 400 кГц 
Габарити 18 x 14 x 3 мм 
 
Рисунок 3.3 - Модуль MAX30102 
 
3.2.3 Канал реєстрації сигналу фізичної активності  
Включає три цифрових акселерометричних датчиків (АкД). Для цієї 
модуляції використовуємо цифровий 10- розрядний акселерометр ADXL345 
фірми Analog Devices. 
 
 
Рисунок 3.4 - Акселерометр ADXL345 
 
Акселерометр ADXL345 – це крихітний мікропотужний трьохосьовий 
акселерометр високої роздільної здатності (13 біт). Діапазон вимірювання 
положення коливається до ±16 g. Результат вимірювання віддається у вигляді 
16-розрядних чисел у додатковому коді та через цифрові інтерфейси SPI/I2C. 
Даний акселерометр ADXL345 ідеально підходить для використання в 
мобільних пристроях – він вимірює статичне прискорення (викликане 
гравітацією) у задачах визначення відхилення, або динамічне прискорення, 
спричинене рухом чи ударами. Заявлена висока роздільна здатність 
акселерометра (4·10-3 g/LSB) дозволяє точно відстежувати зміну відхилення 
менш ніж на 1.0°. Режим зниженого енергоспоживання датчика дозволяє 
реалізувати інтелектуальне керування  
 
Таблиця 3.3 - Характеристики акселерометру ADXL345 
Характеристика Значення 
Робоча напруга 3.3–5 В  
Споживання струму  400 мкА 
 Діапазон вимірювань Від +/-2g до +/-16g 
 
Габарити 20 x 15 x 3 мм 
 
3.2.4 Мікроконтролер  
Призначений для керування роботою смарт-пристрою людини та 
реалізації інтелектуального режиму моніторингу. Мікроконтролер 
STM32F407VG з архітектурою ARM-32 фірми ST Microelectronics, що 
включає 12-розрядний АЦП, дозволяє оцифрувати сигнал дискретних відліків. 
Аналоговий вихідний сигнал AD8232 надходить на АЦП, вбудований 
мікроконтролер, який дозволяє проводити реалізацію алгоритмів у реальному 
часі з мінімальними витратами енергії. 
Налагоджувальна плата STM32F407G-DISC1 створена спеціально для 
дослідження роботи високопродуктивних мікроконтролерів серії STM32F407 
для дослідження в аудіо-додатках. Вона включає вбудований інструмент 
налагодження ST-LINK/V2-A, один цифровий акселерометр ST-MEMS, один 
цифровий мікрофон, один аудіо ЦАП із вбудованим драйвером динаміка класу 
D, світлодіоди, кнопки та роз'єм USB OTG Micro-AB. 
 
 
Рисунок 3.5 - Мікроконтролер STM32F407VG 
 
 
 
Рисунок 3.6 - Схема мікроконтролеру STM32F407VG 
 
Модуль бездротового зв'язку Bluetooth (BT) – модуль HC-05, який 
працює в радіусі 10 метрів зі швидкістю передачі даних до 1.3 Мбіт/с. 
Всі аналогові сигнали, що реєструються, надходять на вхід 
мікроконтролера (МК), далі вони перетворюються в цифровий код за 
допомогою вбудованого в МК аналого-цифрового перетворювача. Далі ці 
сигнали формуються у файли синхронних записів БМС, які через бездротовий 
канал Bluetooth надсилаються до смарт-пристрою. 
Блок живлення (автономне джерело живлення) забезпечує безперервну 
тривалу роботу смарт-пристрою. Цей блок складається з модулів заряду та 
перетворення напруги. 
 
 
3.3 Програмна частина смарт-пристрою  
Структура програмного комплексу, що використовується в смарт 
пристрої людини, має такий вигляд (рис. 3.7). 
1. Модуль бази даних(БД). Призначений для запису та зберігання у БД чи 
зчитування даних із БД індивідуальної інформації про людину, яка 
пройшла діагностику. 
2. Модуль тестування смарт-пристрою людини. Забезпечує перевірку 
підключення та працездатності смарт-пристрою людини, що здійснює 
знімання та реєстрацію з людини біомедичних сигналів, управління 
режимами роботи смарт-пристрою, перевірку підключення мобільного 
комп'ютера людини до сервера. 
3. Модуль аналізу та обробки БМС та обчислення значущих показників. 
Забезпечує попередню фільтрацію сигналів, обчислення статистичних 
приватних показників фізіологічного стану. 
4. Модуль оцінки фізіологічного стану. Здійснює обчислення нормованих 
приватних фізіологічних показників людини на різних етапах фізичної 
активності  з урахуванням заданого рівня фізичної активності. 
 
 
 
Рисунок 3.7 - Структура програмного комплексу персонального 
мобільного комп'ютера(смартфону) 
 
5. Модуль зберігання даних у пам'яті смарт-пристрою. Здійснює 
формування бази даних нормованих приватних показників та інтегрального 
показника фізіологічного стану. 
6. Модуль передачі даних через бездротовий канал зв'язку. Забезпечує 
ініціалізацію модуля та завдання параметрів каналу передачі даних 
Bluetooth від смарт пристрою людини до мобільного комп'ютера людини та 
каналу передачі даних WLAN від смарт-пристрою до сервера. 
 
3.4 Опис інтерфейсів смарт-пристрою оцінки фізіологічного 
стану людини 
Для розробки програм смарт-пристрою людини використовувалися 
 
інструменти GUI у MATLAB. Для демонстрації роботи програмної складової 
були взяті власні значущі показники.  
На екрані дисплея пристрою поетапно повинні відображатися біомедичні 
сигнали, що реєструються, і дані, отримані зі смарт-пристрою через карти 
пам'яті. Значення приватних та інтегрального показників фізіологічного стану 
формуються після завершення процесу реєстрації БМС та даних у 
досліджуваному інтервалі часу щонайменше 30 секунд.  
На рис. 3.8 - 3.9 представлені інтерфейси програмного комплексу смарт-
пристрою для поточних значних показників фізіологічного стану конкретної 
людини. Після запуску головної програми моніторингу  фізіологічного стану 
завантажується головне меню програмного комплексу. Забезпечується вибір 
моменту часу дослідження фізіологічного стану на початок і після фізичної 
активності та після перерви.  
Після запуску програми дослідження здійснюється завантаженням 
синхронних записів біомедичних сигналів, що реєструються з людини та 
передаються від смарт-пристрою до персонального смартфону. Ці записи 
включають записи сигналів ЕКГ, ФПГ та фізичної активності.  
На екрані послідовно відображаються записи сигналів ЕКГ і ФПГ з 
шумами і перешкодами і подальша їх обробка з метою видалення перешкод і 
шумів. Для подальшої обробки біомедичних сигналів задаються фрагменти 
синхронних записів БМС: забезпечується вибір моменту початку та 
тривалості записів, а також завдання значення частоти дискретизації. 
 
 
 
 
 
     
   
  
     
 
   
 
 
 
 
Рисунок 3.8 - Екранне меню із синхронними записами БМС до обробки 
сигналів 
 
При завершенні оцінки приватних показників фізіологічного стану, їх 
нормування та оцінки інтегрального показника фізіологічного стану на екрані 
формується графічне представлення отриманих показників у формі 
багатокутника. 
 
 
Рисунок 3.9 - Зразкове відображення синхронних записів БМС для вибраних 
фрагментів часу та результати їх обробки 
 
Точність та достовірність результатів дослідження фізіологічного стану 
залежить від великої кількості факторів. Безумовно, це й коректність та 
 
адекватність моделей, використаних при розробці компонентів 
інформаційного забезпечення, насамперед моделі фізіологічного стану 
конкретної людини, це й коректність методів дослідження, розроблених на 
основі запропонованих моделей та компонентів інформаційного забезпечення, 
це й коректність розробки інструментального забезпечення та його 
програмно-алгоритмічного забезпечення і коректність проведення самих 
досліджень. Таким чином, результати експериментальних досліджень 
фізіологічного стану є свого роду мірою достовірності та коректності розробки 
всіх перерахованих вище компонент смарт-пристрою для оцінки та 
моніторингу фізіологічного стану людини. 
Надалі, за відсутності існуючого приладу, для демонстрації роботи 
програми значення вносились вручну, Вони являють собою порогові 
показники фізіологічного стану при рівні максимального фізичного 
навантаження, Відразу після закінчення тестування має проводитись 
реєстрація біомедичних сигналів (ЕКГ та ФПГ) за допомогою розробленого 
макета. Реєстрація сигналів та оцінка стану повинна проводитись не менше 1 
хвилини для отримання достовірної вибірки. Отримані дані мають 
надсилатись та зберігатись у базі даних для подальшої обробки.  
На наступному етапі має проводитись синхронний запис біомедичних 
сигналів безпосередньо під час процесу  фізичної активності. Здійснюється 
запис ЕКГ сигналу з використанням грудного відведення та ФПГ із 
використанням двохвильового пульсоксиметра. Пульсоксиметричний датчик 
кріпиться на пальці. З метою оцінки вихідного рівня фізіологічного стану має 
проводитись дослідження стану  м'язового спокою перед початком фізичної 
активності. 
Далі, відразу після кожного акту фізичної активності, що виконується, 
і після закінчення і відновлення, має здійснюватися реєстрація комплексу 
БМС для оцінки поточного фізіологічного стану і його динаміку. 
Отримані результати зберігатимуться у базі даних  для подальшої 
обробки. На основі отриманих результатів мають оцінюватися приватні 
 
показники фізіологічного стану, а також інтегральний показник фізіологічного 
стану до та після фізичного навантаження, а також формуватися залежності 
комплексу значущих показників: ЧСС, ВСР, зміни сатурації крові SpO2, 
QT/TQ, ВРПВ, EQRS/TRR залежно від рівня фізичної активності. За допомогою 
цих показників можна порахувати відносні приватні показники фізіологічного 
стану та інтегральний показник фізіологічного стану людини.  
Після завершення реєстрації БМС всі дані будуть зберігатися в пам'яті 
карти смарт-пристрою для подальшого обчислення динаміки приватних та 
інтегрального показників фізіологічного стану. Після отримання приватних та 
інтегрального показника фізіологічного стану дані будуть пересилатися на 
сервер  та персональний телефон користувача. 
Результати характеру зміни показник наведені в таблиці 3.4. 
 
Таблиця 3.4 - Характер зміни показників на прикладі особистих показників 
 
 
Аналіз наведених формул нормування приватних показників та оцінки 
інтегрального показника фізіологічного стану людини виявив, що 
максимальне значення інтегрального показника фізіологічного стану до 
нормування дорівнюватиме 1,53 при значеннях всіх приватних показників 
рівних 1,0. Після нормування інтегрального показника фізіологічного стану 
значення нормованого інтегрального показника фізіологічного стану будуть у 
діапазоні від 1,0 до 0. 
Виявлено коректність запропонованого підходу до оцінки 
фізіологічного стану за інтегральним показником. Позначимо, Абс. – 
Абсолютне значення. Норм. – нормоване значення приватних показників, 
IPnorm-нормоване значення інтегрального показника фізіологічного стану, воно 
 
визначається за поточним інтегральним показником до максимального 
показника фізіологічного стану. 
Результати проведених досліджень на прикладі особистих показників 
наведено в таблиці 3.5. 
 
 
Таблиця 3.5 - Результати дослідження 
 
 
Для наочного уявлення значень приватних та інтегрального показників 
фізіологічного стану та їх динаміки, результати досліджень представлено у 
вигляді кругової діаграми, їх значення наведено на рис. 3.10. 
 
 
 
Рисунок 3.10 - Динаміка змін інтегрального показника фізіологічного стану 
 
Що ступінь тренованості людини нижче, то нижче динаміка 
фізіологічного стану між черговими етапами фізичної активності. Якщо рівень 
фізіологічного стану вищий, то рівень його готовності людини до фізичних 
навантажень вище.  
ВИСНОВКИ 
 
Розвиток методів покращення здоров'я завжди буде однією з 
найголовніших задач людства. Саме тому дослідження та моделювання 
приладів, які б зробили завдання донесення плодів передової медицини до мас 
простішим, є дуже актуальною задачею. 
У процесі роботи було проведено аналіз існуючих показників здоров’я 
тих чи інших характеристик організму людини та визначення вимог до 
інтегрального показника, який поєднує ці розрізнені показники в єдиний. В 
результаті було отримано інтегральний показник фізіологічного стану людини. 
Була проведено робота по пошуку та дослідженню існуючих аналогів та 
світових досягнень в даній галузі. На даний момент існує багато рішень, проте 
проблемою більшості є вузькоспрямованість або ж велика похибка, що в 
категоріях людського здоров’я недопустимо. 
Надалі було необхідно змоделювати апаратно-програмний комплекс, 
який би зміг правильно відображати та прораховувати показники з високою 
точністю. Була проведена робота по підбору складових для моделі приладу та 
 
створення програми підрахунку показників людини. Результатом став смарт-
пристрій моніторингу параметрів фізіологічного стану людини, що 
задовольняє майже всі поставлені задачі. Пристрій має малі габаритні розміри 
та є простим у використанні. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Aldersons, A., & Buikis, A. (2011, August). Mathematical  algorithm 
for heart rate variability analysis. In Proceedings of the  11th WSEAS 
international conference on applied informatics and  communications, and 
Proceedings of the 4th WSEAS International  conference on Biomedical 
electronics and biomedical informatics,  and Proceedings of the international 
conference on Computational  engineering in systems applications (pp. 381-
386).  
2. Arzeno, N. M., Deng, Z. D., & Poon, C. S. (2008). Analysis of  first-
derivative based QRS detection algorithms. Biomedical  Engineering, IEEE 
Transactions on, 55(2), 478-484. 
3. Carney, R. M., Blumenthal, J. A., Freedland, K. E., Stein, P. K.,  
Howells, W. B., Berkman, L. F., & Jaffe, A. S. (2005). Low heart  rate variability 
and the effect of depression on post-myocardial  infarction mortality. Archives of 
internal medicine, 165(13), 1486.  
 
4. Hall, M., Thayer, J. F., Germain, A., Moul, D., Vasko, R., Puhl,  M., 
& Buysse, D. J. (2007). Psychological stress is associated with  heightened 
physiological arousal during NREM sleep in primary  insomnia. Behavioral 
sleep medicine, 5(3), 178-193. 
5. Kovács, P. (2012, February). ECG signalgenerator based on  geometrical 
features. In Annales Univ. Sci. Budapest., Sect. Comp  (Vol. 37, pp. 247-260). 
6. Oweis  R.  J.  QRS  Detection  and  Heart  Rate  Variability  Analysis:  
A  Survey / Oweis R. J., Al-Tabbaa B. O. Biomed. Sci. and Eng. 2014. Vol. 2, 
№ 1.  P. 13–34.  
7. Savitzky A. Smoothing and differentiation of data by simplified least 
squares procedures. Analytical chemistry / Savitzky A., Golay M. J.  36(8).2015. 
- 1627-1639. 
8. Zhang, J. (2007). Effect of age and sex on heart rate variability in  
healthy subjects. Journal of manipulative and physiological  therapeutics, 
30(5), 374-379. 
9. Мікроконтролер STM32F407G-DISC1. [Електронний ресурс]. – 
режим доступу: https://arduino.ua/ru/prod1122-plata-razrabotchika-
stm32f407vg-discovery 
10. Годинник Apple Watch Ultra 2 – посібник 
користувача.[Електронний ресурс] – режим доступу: https://my-
apple.com.ua/apple-watch-ultra-2-gps-cellular-49mm-titanium-case-with-blue-
black-trail-loop-s-m-mrf53 
11. Годинник Samsung Gear S3 – посібник виробника по 
використанню. [Електронний ресурс] - режим доступу: 
https://www.samsung.com/ua/support/model/SM-R760NDAASEK/ 
12. Довгий Я. Фулерени // Світ фізики. – 2000. – № 3. – С. 10–17. 
13. Кушаковський, М.С. Метаболічні хвороби серця (Міокардії – 
міокардози – міокардіодистрофії – кардіоміопатії) / М. С. Кушаковський;– 
Київ.: ООО «Видавництво «Фоліант», 2000.– 128с. 
 
14. Методичні вказівки до вивчення курсу “Мікропроцесорна 
техніка”: Розділ “Програмування мовою асемблера” для студ. спец. 
7.090803 всіх форм навчання / Уклад.: Т.О.Терещенко, О.В.Хоменко, 
Л.М.Батрак. – К.ІВЦ “Видавництво Політехніка”, 2001. – 64с. 
15. Мікропроцесорна техніка. Друге видання. Доповнене / Ю. І. 
Якименко, Т. О. Терещенко, Є. І. Сокол, В. Я. Жуйков, Ю. С. Петергеря. За 
ред. Т. О. Терещенко. – Київ, 2004. – 440 с. 
16. Терещенко Т. О. Мікропроцесорні пристрої: навч. посібник для 
студентів зі спец-ті «Електроніка» / Т. О. Терещенко, В. А. Тодоренко, Л. 
М. Батрак, Ю. С. Ямненко. – К.: Кафедра, 2017. – 244 с. ISBN 978-617-7301-
37-9 
17. Терещенко Т.О., Петергеря Ю.С. Методичні вказівки до 
виконання курсових робот з курсу “Мікропроцесорні пристрої управління 
та обробки інформації” для студентів спеціальності 7.090803 – “Електронні 
системи” усіх форм навчання – К.: НТУУ “КПІ”, 2000 – 56 с. 
18. Царьов Р.Ю. Біометричні технології: навч. посіб. [для вищих 
навчальних закладів] / Р.Ю. Царьов, Т. М. Лемеха. – Одеса: ОНАЗ ім. О.С. 
Попова, 2016. – 140 с.: іл.
Репозиторій ЧДТУ
