Носимый спирометр для мониторинга дыхательной функции спортсмена во время тренировок

Цель проекта

В последнее время в спортивной медицине уделяется все больше внимания проблемам спорта высоких достижений. Достижение высоких результатов в спорте возможно лишь при правильной организации тренировок.
В системе занятий спортом, наряду с выполнением комплексов, развивающих силу, ловкость, атлетизм, выносливость и волевые качества, первостепенное внимание уделяется обучению спортсмена правильному дыханию. Исследование функции дыхания в спорте, а так же контроль синхронизации его с движениями, позволяют выявить резервные возможности организма спортсмена и направить их на достижение высоких результатов.
Поэтому целью данного проекта является разработка носимого спирометра, который позволит контролировать дыхание спортсмена во время тренировок.

Существующие решения

На сегодняшний день мировое лидерство в сфере производства оборудования для спирометрии завоевала компания Мicro Мedical LTD.
Спирометр MicroLab предназначен для определения 36 показателей функции легких и визуализации кривых поток/ объем и объем/время на цветном дисплее.
Полученные результаты возможно передавать по интерфейсу RS-232 и хранить в ПК, а так же проводить тесты в режиме реального времени с визуализацией графиков.
Используется турбинный датчик потока воздуха, питание от сети или встроенных аккумуляторов. Цена — от 98 000 рублей.
Спирометр MicroLoop имеет небольшие размеры, возможность работы от встроенных аккумуляторов и специальную пластиковую
сумку для транспортировки. В спирометре используется турбинный датчик потока, не требующий калибровки и позволяющий проводить максимально точные измерения даже малых потоков. Определяет 34 показателя дыхания. Прибор используется в различных медицинских учреждениях для оценки функции легких, а также для проведения исследований на выездах. Цена — от 81 000 рублей.
Рассмотренные устройства позволяют проводить обследования у спортсмена, находящегося в состоянии покоя. Однако зачастую выявить дефекты дыхания возможно лишь при наличии физической нагрузки.

Описание предлагаемого решения

Предлагаемый спирометр является компактным, выполняется в виде легкого беспроводного устройства в пластиковом корпусе. Благодаря конструктивным особенностям корпуса, спирометр легко помещается
во рту спортсмена (крепится к небу или за щекой). Это позволит осуществлять диагностику непосредственно во время выполнения спортсменом упражнений. Устройство будет работать от низковольтной батарейки.

Рисунок 1 - Возможный внешний вид прибора в сборе

Для регистрации воздушного потока предполагается использование миниатюрного датчика давления. Очевидно, что использование
такого датчика требует разработки мембраны, которая предотвратит попадание влаги, но в то же время не снизит его чувствительности.

Рисунок 2 - Датчик давления для регистрации воздушного потока

Использовать показания с датчика напрямую нельзя, т. к. присутствуют различного рода шумы. Для первичной обработки сигнала с датчика предусмотрен аналоговый канал нормализации. После канала нормализации данные поступают на микроконтроллер, который осуществляет цифровую фильтрацию.
Дальнейшая передача информации осуществляется по беспроводному соединению с компьютером тренера, где с помощью специального программного обеспечения в режиме реального времени отображаются данные спирометрии.
Беспроводное соединение создается миниатюрным модулем радиоканала безопасной для человека мощности.
Получая данные в режиме реального времени, тренер может следить за тем, правильно ли спортсмен синхронизирует дыхание с действиями. На основании полученных данных возможно внесение коррективов в программу тренировок.
Ключевой особенностью данного устройства будет его мобильность, а не высокая точность, т. к. тренеру важно знать лишь общие характеристики дыхания (момент вдоха, выдоха и задержки дыхания) для осуществления контроля синхронизации с движениями обследуемого, а не тонкие нюансы для постановки диагноза.

Необходимые исследования

Проект находится на начальной стадии реализации. Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

Выбор или разработка датчика потока воздуха для носимого спирометра.
Проектирование микросхемы регистрации спирометрических данных.
Разработка алгоритма цифровой фильтрации.
Разработка корпуса устройства.
Разработка прототипа устройства.
Создание программного обеспечения.
Испытание устройства.

Состояние проекта на сегодняшний день

На сегодняшний день разработан макет, позволяющий проводить испытания датчиков давления.
В результате проведенных экспериментов был получен сигнал дыхания.
Ввиду сильной зашумленности сигнала, необходимо продолжить испытания датчиков с целью выбора подходящего и разработать алгоритм цифровой фильтрации для выделения кривой дыхания.

Рисунок 3 - Сигнал полученный от датчика давления во время дыхания