Разработка и исследование биотехнической системы регулирования частоты сердечных сокращений для коррекции функционального состояния человека

Известно, что физически пассивный образ жизни повышает риск сердечно-сосудистого заболевания [65,62]. По данным экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и ученых Государственного научно-исследовательского центра профилактической медицины (ГНИЦПМ) Минздрава РФ, сердечно-сосудистые заболевания являются главной причиной смертности и инвалидизации трудоспособного населения. Ежегодно в мире от них умирают 12 миллионов человек, что составляет более 50% от общей смертности [12].

Для тех, образ жизни которых оказывается недостаточно физически активным, регулярные тренировки дают дополнительную нагрузку и способны снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний и смертности [70]. Поэтому Американская Ассоциация Кардиологов (англ. American Heart Association-АНА) рекомендует населению рационально планировать свою тренировку и для этого на ее сайте (http://www.americanheart.org) даются многочисленные советы для различных категорий людей и для различных программ физического развития тела (fitness).

В буквальном переводе с английского, слово «fitness» означает пригодность. Под этим термином понимается развитие оптимальных физических способностей, позволяющих «стойко переносить тяготы современной жизни» .

Разумное и целенаправленное использование тренажеров позволяет[ 19]:

• улучшить функциональное состояние сердечно — сосудистой системы, легких, центральной, периферической и нервной систем;

• увеличить выносливость организма, а как следствие и сопротивляемость его к нежелательным внешним воздействиям;

• проводить эффективные занятия с целью снижения веса;

• укрепить не только мышцы, но и весь опорно-двигательный аппарат;

• снять эмоциональную напряженность, в том числе избавить от негативных последствий стрессов.

Американская Ассоциация Кардиологов разработала, в зависимости от цели тренировки и состояния тренирующегося, рекомендации, отраженные в формуле «FIT», где F = frequency (частота) — количество занятий в неделюI = intensity (интенсивность) — уровень частоты сердечных сокращений (ЧСС) — Т = time (время) — длительность каждого сеанса или суммарная длительность тренировки в один день.

Одно из важнейших требований к процессу тренировки заключается в исключении перегрузки сердца, выражающейся в превышении ЧСС некоторых допустимых значений, что вредно сказывается на здоровье тренирующегося [70].

Современный спортивный тренажер, в том числе и велотренажер, должен обеспечить выполнение программы тренировки, задаваемой либо по рекомендациям AHA самостоятельно, либо по индивидуальной программе, задаваемой тренером или врачом. Контроль ЧСС и автоматическая поддержка его заданного значения представляет основную задачу при разработке тренажера.

Выбор тренажеров сейчас очень велик: велотренажер, степпер, гребной, беговая дорожка. Велотренажеры — наиболее распространенный тип. Занимая немного места, они очень удобно применяются в доме, спортзале и даже в офисе [64].

В настоящее время почти все модели велотренажеров, предлагаемые на российском рынке, обладают функциями регулирования (ручного или автоматического) момента нагрузки, измерения скорости, измерения ЧСС и показания времени тренировки. Но не все модели велотренажеров обладают функцией автоматической поддержки заданной ЧСС тренирующегося. Трудность состоит в том, что объектом управления является сердечнососудистая система испытуемого. Регуляция ЧСС при выполнении физических нагрузок представляет собой сложный процесс. В настоящее время нет модели сердечно-сосудистой системы, пригодной для автоматического управления ЧСС испытуемого.

Ведущие производители тренажеров, такие как Kettler, Tunturi выпускают некоторые модели велотренажеров, например KETTLER Ergometer ZX-1, КХ-1 и TUNTURI Е860, которые позволяют осуществлять автоматически регулирование момента нагрузки на педалях для поддержки заданного значения ЧСС. Основным недостатком этих моделей является то, что скорость вращения педалей не регулируется. Управляющим воздействием является мощность нагрузки, т. е. произведение момента на скорость вращения педалей. Диапазон управляющих воздействий при нерегулируемой скорости определяется диапазоном изменения момента. Конструктивные ограничения не позволяют осуществить диапазон изменения момента более 3−5 раз. Это приводит к большому перерегулированию ЧСС в переходных процессах, т. е. к перегрузке сердца. Расширение диапазона управляющего воздействия за счет изменения скорости вращения педалей является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является:

1. Изучение динамических свойств элементов системы регулирования ЧСС (включая модель ОУ) и синтез закона управления замкнутой системы. Публикаций по этим вопросам в литературе (включая интернет) найти не удалось.

2. Разработка автоматического велотренажера с расширенным диапазоном управляющих воздействий, что обеспечит снижение риска перегрузок сердца в переходных процессах.

Поддерживание программного значения ЧСС требуется при занятии фитнесс, в процессе тренировок спортсменов на выносливость, в тренировках по сбросу из лишнего веса, а также при кардиологических исследованиях [37,62,63,65].

Для регулирования ЧСС испытуемого необходимо создать систему управления, входом которой является желаемое (программное) значение ЧСС, а выходом — измеренное значение ЧСС испытуемого. Система управления тренажёра измеряет ЧСС испытуемого в реальном времени и вырабатывает рассогласование с программным значением ЧСС. Обратная связь, нейтрализующая рассогласование, реализуется в виде мощности нагрузки на педалях. Управляющий компьютер регулирует момент на педалях и с помощью звукового сигнала вырабатывает нужный ритм вращения педалей. Момент на педалях регулируется за счёт изменения магнитного поля в зазоре, где расположен диск, вращаемый педалями. Таким образом, автоматический тренажёр является системой с биологической обратной связью по пульсу, объектом управления которой является сердечно-сосудистая система испытуемого.

Для осуществления автоматического управления ЧСС необходимо создавать следующие компоненты:

• Измеритель ЧСС в реальном времени, который выдаёт значение ЧСС с минимальной задержкой;

• Нагрузочное устройство, которое позволяет управлять нагрузкой по моменту;

• Регулятор, который вырабатывает управляющие сигналы по моменту и звуковые сигналы указания скорости вращения педалей.

При разработке автоматического тренажера были поставлены и решены следующие задачи:

• Разработка и изготовление измерительной системы для получения фотоплетизмограммы (ФПГ).

• Разработка алгоритма и ПО для измерения ЧСС в реальном времени по данным ФПГ с использованием корреляционного анализа.

• Разработка системы управления моментом нагрузки велотренажера с использованием шагового двигателя (ШД), а также разработка блока управления ШД для данной системы.

• Разработка ПО звуковой системы указания ритма вращения педалей с использованием динамика из стандартного состава ПК.

• Разработка приемлемой модели ОУ и алгоритмов идентификации этой модели.

• Синтез регулятора для замкнутой системы автоматического управления ЧСС.

• Моделирование замкнутой системы управления для уточнения параметров модели объекта. Корректирование параметров регулятора.

• Проведение испытаний разработанной системы управления тренажером и определение его динамических свойств.

В данной работе были получены следующие научные результаты:

1. Предложена и разработана структура автоматического велотренажера с использованием звукового сигнала для указания скорости вращения педалей, которая позволяет расширить диапазон регулирования мощности нагрузки.

2. Разработана и испытана корреляционная система измерения ЧСС по данным ФПГ, обладающая повышенной помехоустойчивостью. Определены оптимальные параметры эталона для текущего корреляционного анализа.

3. Выбрана простая модель ОУ, пригодная для синтеза системы автоматического регулирования ЧСС и алгоритмы идентификации параметров модели для разомкнутой и замкнутой систем.

4. Выбраны постоянные настройки пропорционально-интегрального регулятора (ПИ-регулятора), обеспечивающие приемлемое качество регулирования для выбранной группы испытуемых.

5. Разработан и создан действующий макет автоматического велотренажера, на котором возможно проведение всех необходимых исследовательских работ для создания биотехнической системы регулирования ЧСС.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложений и списка литературы. В приложения вошли справочные материалы, программы и спецификации элементов из изготовленных плат.

Вывод:

Эксперименты, проведенные в данной диссертационной работе, позволили выполнить параметрические настройки для компонентов автоматического велотренажера. По результатам экспериментов были найдены приемлемые параметры эталона ФПГ, были идентифицированы параметры ОУ в разомкнутой и замкнутой системах, был синтезирован регулятор, обеспечивающий требуемые качества переходного процесса ЧСС для данной группы испытуемых. Конечные результаты показали, что разработанная структура автоматического велотренажера способна удовлетворить поставленным требованиям.

Стоит также отметить, что новый способ управления мощностью нагрузки позволяет значительно расширить диапазон управляющего воздействия. Кроме того, способ управления скоростью вращения педалей звуковым сигналом можно применить и в велотренажере с ременным типом нагрузки, который имеет более ограниченный диапазон регулирования момента нагрузки, но более низкую себестоимость. При изменении типа нагрузочной системы на ременный, мы получили похожие экспериментальные результаты. Всё это позволяет расширить конструктивное решение автоматического велотренажера и создать более дешёвые типы автоматических велотренажеров с тем же принципом работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований автором получены следующие основные научно-технические результаты:

1. Предложена и реализована новая структура автоматического велотренажера для регулирования ЧСС с использованием звукового сигнала для указания скорости вращения педалей, которая позволяет расширить диапазон регулирования мощности нагрузки. Расширение диапазона регулирования мощности нагрузки уменьшает перерегулирование в переходных процессах, что уменьшает риск перегрузки сердца испытуемого.

2. Определены оптимальные параметры эталона для корреляционного анализа длительностей кардиоинтервалов по данным фотоплетизмограммы. Использование оптимального эталона повышает помехоустойчивость измерения ЧСС.

3. На основе экспериментов создана модель объекта управления и выбраны постоянные настройки пропорционально-интегрального регулятора, обеспечивающие приемлемые параметры управления для выбранной группы испытуемых.

4. Разработано и реализовано экспериментальное оборудование в виде образца автоматического велотренажера, в составе которого входят следующие компоненты: измеритель ЧСС в реальном времени, цифровая система широкодиапазонного управления мощностью нагрузки, а также программный регулятор и система вывода и сохранения результатов эксперимента. На данном образце автоматического велотренажера возможно проведение необходимых исследовательских работ для создания биотехнической системы регулирования ЧСС.

Результаты, полученные из исследований в диссертационной работе, могут быть использованы на предприятиях — производителях тренировочного.

176 и медицинского оборудования. А также они могут быть полезны для исследования задач моделирования и управления биологическими объектами.