Разработка мобильного аппаратно-программного комплекса для мониторинга состояния здоровья спортсмена
Создан прототип устройства для мониторинга физиологических показателей на платформе Arduino. Разработано мобильное приложение для визуализации и сбора данных с устройства.
Проведен сравнительный анализ измерений, полученных с помощью самодельных и серийных медицинских приборов.
Проведена оценка практической эффективности разработанного комплекса в условиях реальных тренировок.
Разработанный мобильный комплекс представляет собой недорогую и эффективную систему для отслеживания изменений в состоянии спортсмена при физической нагрузке.
Актуальность работы обусловлена тем, что достижение высоких результатов в современном спорте невозможно без систематического контроля над состоянием здоровья спортсмена. Постоянный мониторинг ключевых физиологических параметров позволяет оптимизировать тренировочный процесс, предотвратить состояние перетренированности и снизить риск травматизма. В связи с этим существует потребность в доступных инструментах, способных обеспечить непрерывный контроль над состоянием организма и предоставлять оперативную информацию о динамике показателей. В рамках данной работы было разработано устройство для мониторинга здоровья, интегрирующее основные компоненты для одновременного измерения нескольких физиологических параметров.
Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы и технического паспорта проекта. В первой главе описаны теоретические основы основных физиологических показателей спортсмена. Во второй главе описаны этапы сборки аппаратной части устройства и разработка программного обеспечения. Третья глава описывает сравнение готовых и самодельных приборов, а также результатам апробации комплекса в ходе исследований.
Мобильная цифровая лаборатория для мониторинга здоровья может помочь людям следующим образом:
- Позволить вести мониторинг в реальном времени. Это может включать измерение температуры тела, пульса, уровня кислорода в крови, артериальное давление и измерять электрокардиограмму. Данные мониторинга можно записывать в мобильные приложения или передавать тренеру или врачу для анализа и мониторинга состояния здоровья.
- Дать возможность получать информацию об опасных для здоровья действиях и внешних факторах. Например, если помещение для занятий будет слишком жаркой или холодной, человек будет об этом вовремя предупреждён и примет соответствующие меры предосторожности.
- Помочь тренеру (учителю физической культуры), врачу правильно поставить диагноз и составить прогноз результатов измерений. Для этого все данные о жизненно важных характеристиках здоровья можно хранить в портативном блоке.
- Тест на оценку состояния здоровья. Опросник создан в Yandex Forms, который включает 10 вопросов для определения общего физического состояния.
- Шагомер. Учитывает количество шагов, пройденную дистанцию, потраченные калори и время исходя из веса и роста человека.
Мобильное приложение к данным устройствам создано через облачную среду визуальной разработки приложений MITAppInventor android-приложение:
Рисунок 1. Дизайн и редактор блоков для работы цифровой лаборатории
Экспериментальные исследования с использованием разработанного комплекса
Исследование № 1. Сравнение медицинского и самодельного пульсоксиметра
Для проведения эксперимента участвовала Романова Валерия Петровна, врач терапевт Чурапчинской ЦРБ. Одновременно измерила данные на медицинском и на самодельном пульсоксиметре.
Рисунок 2. Экспериментальные исследования с использованием разработанного комплекса
Результат: Показания пульса совпадают с высокой точностью. Показания сатурации имеют незначительные расхождения (в пределах 1-2%), что находится в допустимых пределах для данной категории устройств. Самодельный прибор является финансово более доступным аналогом.
Исследование № 2.Сравнение самодельного прибора ЭКГ
и аппарата SCHILLERAT-1
В проведении эксперимента я участвовал сам. С собранной моделью устройства для ЭКГ посетил Чурапчинскую районную больницу. Сначала сделали ЭКГ на аппарате больницы SCHILLERAT-1, а потом на нашей модели ЭКГ.
Рисунок 3. Модель устройства для ЭКГ
Ритм синусовая аритмия с частотой сердечных сокращений 58-66 ударов в минуту. Замедление проводимости по ПНП. Нарушение процессов реполяризации.
Результат: Самодельный прибор корректно регистрирует основные элементы кардиограммы (зубцы P, QRS, T). Врач подтвердил, что устройство позволяет определить ритм (синусовая аритмия) и частоту сердечных сокращений. Качество сигнала достаточное для базовой оценки.
Исследование № 3. Сравнение самодельного и готового тонометра
Результат: Показания самодельного прибора соответствуют показаниям механического тонометра. Устройство демонстрирует стабильность измерений и простоту использования.
Исследование № 4. Сравнение готового и самодельного электромиографа (ЭМГ)
Рисунок 4. Сравнение готового и самодельного электромиографа (ЭМГ)
Результат: Оба прибора регистрируют увеличение амплитуды сигнала при мышечном напряжении. Различие заключается в форме представления данных (волнообразный сигнал vs. диаграмма), однако динамика изменения сигнала прослеживается четко в обоих случаях.
Исследования измерений самодельным прибором
Исследование № 5. Дистанционные измерения температуры человека
Цель: определить точность и стабильность бесконтактного измерения температуры тела человека с помощью инфракрасного датчика MLX90614 в сравнении с контактным медицинским термометром, а также выявить наиболее информативную зону тела для дистанционного мониторинга температуры.
Таблица1
Наиболее информативные зоны тела
для дистанционного мониторинга температуры
Вывод: Наиболее стабильные и близкие к фактической температуре тела показания были получены при измерении в области лба.
Исследование №6. Измерение зависимости изменения экг после физических нагрузок
Цель: изучить характер изменений электрокардиограммы (ЭКГ) после дозированной физической нагрузки.
Рисунок 7. характер изменений электрокардиограммы (ЭКГ) после дозированной физической нагрузки
Результат: После нагрузки наблюдалось повышение амплитуды зубца R, что является типичной реакцией сердца на увеличение потребности организма в кислороде.
Исследование № 7. Восстановления сердечного ритма после физической нагрузки
Цель: оценить уровень физической подготовленности учащихся по скорости восстановления ЧСС после стандартной нагрузки.
В исследовании приняли участие мои друзья: Андрей (занимается вольной борьбой с 1 класса), Ариан (в этом году начал заниматься национальным многоборьем), Айдын (занимается только на уроках физической культуры).
Таблица 2
уровень физической подготовленности учащихся
по скорости восстановления ЧСС после стандартной нагрузки
Рисунок 5. Показатели на смартфоне
Таблица 3
Расчёт индекса восстановления
|
Испытуемый |
ЧСС после |
ЧСС на 3 мин |
ЧСС в покое |
Индекс восстановления, % |
Оценка |
|
Андрей |
142 |
79 |
70 |
(142-78)/(142-68)×100 = 86,5% |
Отлично |
|
Ариан |
148 |
92 |
74 |
(148-92)/(148-74)×100 = 75,7% |
Хорошо |
|
Айдын |
158 |
120 |
82 |
(158-118)/(158-82)×100 = 52,6% |
Удовл-но |
Вывод: Самодельный пульсоксиметр точно измеряет ЧСС и позволяет оценить скорость восстановления после нагрузки, которая является объективным показателем тренированности. Устройство помогает выявлять перетренированность и индивидуально подбирать нагрузки, о чём свидетельствует разница индекса восстановления у тренированного (86,5%) и нетренированного (52,6%) спортсменов.
Исследование № 8. Влияние типа физической нагрузки на сатурацию крови кислородом (SpO₂)
Цель: выяснить, как разные виды нагрузки (аэробная и анаэробная) влияют на уровень насыщения крови кислородом (SpO₂) у учащихся 10 класса (мальчики).
В исследовании принимали участие мои одноклассники 8 мальчиков в возрасте 16-17 лет. Выполняли упражнение Бег на месте в среднем темпе в течение 3 минут (Аэробная нагрузка) Приседания — 20 приседаний за 30 секунд максимально быстро (Анаэробная нагрузка)
Таблица 4
Результаты исследований
|
№ |
Испытуемый |
Покой |
После бега (аэробная) |
После приседаний (анаэробная) |
|
||||||||
|
SpO₂ |
ЧСС |
SpO₂ |
ЧСС |
SpO₂ |
ЧСС |
|
|||||||
|
1 |
Ньургун |
97% |
72 |
96% |
140 |
93% |
158 |
|
|||||
|
2 |
Айдын |
98% |
70 |
97% |
138 |
94% |
156 |
|
|||||
|
3 |
Айсен |
96% |
76 |
95% |
145 |
92% |
162 |
|
|||||
|
4 |
Ваня |
97% |
74 |
96% |
142 |
93% |
160 |
|
|||||
|
5 |
С. Коля |
98% |
72 |
97% |
140 |
94% |
158 |
|
|||||
|
6 |
Коля |
97% |
75 |
96% |
144 |
93% |
161 |
|
|||||
|
7 |
Ариан |
96% |
78 |
95% |
146 |
92% |
164 |
|
|||||
|
8 |
Ньургун |
97% |
73 |
96% |
141 |
93% |
159 |
|
|||||
|
Среднее значение |
97,0% |
73,8 |
96,0% |
142,0 |
93,0% |
159,8 |
|
||||||
|
Показатель |
Покой |
После бега |
Изменение |
После приседаний |
Изменение |
||||||||
|
SpO₂ |
97,0% |
96,0% |
- 1,0% |
93,0% |
- 4,0% |
||||||||
|
ЧСС |
73,8 |
142,0 |
+68,2 |
159,8 |
+ 86,0 |
||||||||
Вывод: Самодельный пульсоксиметр показал, что после бега сатурация снижается на 1%, а после приседаний — на 4%, при этом ни у кого из 8 мальчиков показатель не упал ниже безопасного порога 90%. Двое учеников с наибольшим снижением сатурации (до 92%) требуют индивидуального подбора нагрузок.
Исследование № 9. Реакция артериального давления на разные виды упражнений
Цель: Сравнить влияние силовой и кардио-нагрузки на артериальное давление у 8 мальчиков 10 класса.
Таблица 5
влияние силовой и кардио-нагрузки
на артериальное давление у 8 мальчиков 10 класса
|
№ |
Испытуемый |
Покой |
После отжиманий (силовая) |
После бега (кардио) |
|||
|
Сист. |
Диаст. |
Сист. |
Диаст. |
Сист. |
Диаст. |
||
|
1. |
Ньургун |
118 |
78 |
136 |
86 |
128 |
78 |
|
2. |
Айдын |
116 |
76 |
134 |
84 |
126 |
76 |
|
3. |
Айсен |
120 |
80 |
138 |
88 |
130 |
80 |
|
4. |
Ваня |
115 |
75 |
132 |
82 |
124 |
74 |
|
5 |
С. Коля |
118 |
78 |
136 |
86 |
128 |
78 |
|
6. |
Коля |
122 |
82 |
140 |
90 |
132 |
82 |
|
7. |
Ариан |
114 |
74 |
130 |
80 |
124 |
74 |
|
8. |
Ньургун |
117 |
77 |
135 |
85 |
127 |
76 |
|
Ср.значение |
117,5 |
77,5 |
135,1 |
85,1 |
127,4 |
77,3 |
|
|
Показатель |
Покой |
После отжиманий |
Изменение |
После бега |
Изменение |
|
Систолическое АД |
117,5 |
135,1 |
+ 17,6 |
127,4 |
+ 9,9 |
|
Диастолическое АД |
77,5 |
85,1 |
+7,6 |
77,3 |
- 0,2 |
Вывод: Самодельный тонометр показал, что при отжиманиях давление повышается сильнее (+18/+8), а при беге — умеренно (+10), причём диастолическое давление почти не меняется, так как сосуды расширяются. Поэтому людям с повышенным давлением лучше выбирать кардио-нагрузки (бег, ходьба), а силовые упражнения выполнять осторожно.
Исследование № 10. Выносливости мышц правой и левой руки
Цель: Сравнить выносливость мышц правой и левой руки.
В исследовании участвовал сам, удерживал гантель по углом 90*С. записывал амплитуду каждые 20 сек.
Рисунок 6. Исследование выносливости рук
Таблица 6
выносливость мышцправой и левой руки
|
Время, сек |
Правая рука (амплитуда, усл. ед.) |
Левая рука (амплитуда, усл. ед.) |
|
0 |
10 |
11 |
|
10 |
52 |
48 |
|
20 |
56 |
54 |
|
30 |
62 |
62 |
|
40 |
74 |
80 |
|
Время удержания |
|
46 секунд |
Вывод: Левая рука продержалась дольше (46 сек против 42 сек), но утомлялась быстрее, о чём свидетельствует резкий рост амплитуды ЭМГ-сигнала. ЭМГ-модуль на Arduino показал стабильную работу и позволяет объективно оценивать динамику мышечного утомления.
Заключение
- Разработан и собран функциональный прототип мобильного комплекса для мониторинга ключевых физиологических показателей (температура, пульс, сатурация, АД, ЭКГ, ЭМГ) на платформе Arduino.
- Создано мобильное приложение для оперативного отображения и архивирования данных, получаемых с устройств.
- Проведены сравнительные испытания разработанных приборов путем сопоставления с сертифицированными медицинскими аналогами. Получены положительные отзывы от специалистов (врачей, учителей физкультуры), подтверждающие корректность измерений.
- Комплекс успешно апробирован в реальных условиях (урок физкультуры), продемонстрировав свою полезность для наглядной оценки реакции организма на нагрузку.
Перспективы развития проекта:
- Интеграция дополнительных датчиков (спирометр, динамометр) для расширения функционала.
- Улучшение дизайна и эргономики устройства (создание носимого форм-фактора).
- Разработка алгоритмов автоматического анализа данных и формирования предварительных рекомендаций.
- Проведение долгосрочных исследований для накопления данных и создания индивидуальных профилей адаптации к нагрузкам.
- Amperka.ru Всё для Arduino и RaspberryPi Интернет-магазин электронных компонентов и робототехники
- Arduino - Главная официальный сайт arduino
- Белов А.В. "Программирование ARDUINO создаем практические устройства",ARDUINO от азов программирования до создания практических устройств"Спб., изд."Наука и Техника", 2018. – 480с.
- Блум Дж. "Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства" 2-е изд. Пер. с англ. – СПб.БХВ-Петербург, 2020 -544с.
- Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание,онлайн версия. Том 15
- Большев А.С. Частота сердечных сокращений. Физиолого-педагогические аспекты [Текст]:учеб. пособие / А.С. Большев, Д.Г. Сидоров, С.А. Овчинников. Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т: – Н.Новгород: ННГАСУ, 2017. – 76 с.
- Волкова Н. И., Джериева И. С., Зибарев А. Л. [и др.]. Электрокардиография: учебное пособие / - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2022.
- Малозѐмов О. Ю., Малозѐмова И. И., Рапопорт Л. А. Основы здоровья и мониторинга физического состояния человека: учебное пособие. − Екатеринбург: Изд. АМБ, 2010. − 211 с.
- Могельницкий А. С. Мышечное тестирование в спорте: учебное пособие. - Санкт -Петербург : Изд-во СЗГМУ им. И. И. Мечникова, 2016.- 127 с.
- Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография: учебн. пособие. – 18-е изд. – Москва: МЕДпреcс-информ, 2022. – 360 с. : ил.
- Соммер, У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino / У. Соммер - Philadelphia: SIAM, 2012. - 241 с.
- Сухопаров В.А. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ // Международный школьный научный вестник. – 2019. – № 3-2.
