Разработка оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания и передачи данных по беспроводной оптической связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Вострикова Светлана Андреевна

• Вострикова Светлана Андреевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Вострикова Светлана Андреевна

Реферат

Глава 1. Аналитический обзор научно-технической литературы

1.1 Радиочастотный диапазон передачи данных

1.2 Беспроводная оптическая связь

1.2.1 Методы модуляции в технологиях беспроводной оптической связи

1.2.2 Анализ и исследование компонентной базы в системах передачи данных

1.3 Инструментальные средства мониторинга

1.3.1 Описание объекта отображения и признаков сознания

1.3.2 Обзор существующих систем и устройств мониторинга

1.3.3 Обзор измеряемых параметров в системах мониторинга

1.3.4 Исследование компонентной базы в блоке измерения параметров

1.4 Методы визуального отображения в системах мониторинга

1.4.1 Значение визуальных образных представлений для систем мониторинга

1.4.2 Упрощенные методы визуального отображения

1.4.3 Устройства отображения на основе светодиодов

Выводы к Главе

Глава 2. Разработка оптико-электронной системы визуального отображения и передачи данных

2.1 Концепция системы визуального отображения и передачи данных

2.2 Разработка конструкции устройства визуального отображения

2.2.1 Экспериментальный выбор устройства визуального отображения

2.2.2 Обоснование выбора типа устройства визуального отображения

2.2.3 Описание конструкции и принципа работы устройства визуального отображения

2.2.4 Определение координат цветности и режимов работы RGB светодиодов на устройстве визуального отображения

2.3 Разработка конструкции передающего модуля

2.3.1 Описание конструкции передающего модуля

2.3.2 Оптическое моделирование

2.4 Разработка конструкции приемного модуля

2.5 Разработка конструкции блока управления цветностью и обработки данных

Выводы к Главе

Глава 3. Разработка протокола передачи данных и схемы модуляции сигнала в атмосферном оптическом канале связи

3.1 Структура пакета данных

3.2 Выбор частоты передачи данных и модуляции светодиодов

3.3 Обоснование использования Манчестерского кодирования

Выводы к Главе

Глава 4. Макетирование системы визуального отображения и передачи данных135

4.1 Проектирование макета системы визуального отображения и передачи данных

4.2 Изготовление макета системы визуального отображения и передачи данных

4.3 Метод передачи данных

4.4 Результаты измерений скорости передачи данных

Выводы к Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1. Акт о внедрении

Приложение 2. Патент

Приложение 3. Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания и передачи данных по беспроводной оптической связи»

Актуальность темы.

Задача мониторинга затрагивает многие профессиональные области. Благодаря мониторингу осуществляется контроль за состоянием конструкций, развитием чрезвычайных ситуаций, обнаруживаются дефекты, отслеживается состояние окружающей среды. Мониторинг представляет собой сбор информации об объекте, которая обрабатывается, систематизируется, оценивается, анализируется и визуально представляется в удобном для оператора виде. Одной из практических задач является непрерывное отслеживание состояния пациента в отделениях реанимации и интенсивной терапии, так как встает вопрос отображения критических состояний человека или признаков ясного сознания. Объектом отображения выступают пациенты с хроническим нарушением сознания и отсутствием проявления функций жизнедеятельности. Медицинский персонал наблюдает за изменением физиологического состояния. По данным А.А. Потапова, ежегодно в России получают черепно-мозговую травму 600 000 человек, из которых 8% приобретают полную или частичную утрату осознанного действия. Общая статистика показывает, что 40% больных в результате тяжелых черепно-мозговых травм (ЧМТ) и каждый пятый больной после тяжелого инсульта попадают в отделения реанимации [1].

Существующие способы отображения в медицинских учреждениях основаны на прикроватных мониторах, обладающих рядом недостатков. Восприятие цифровой информации наблюдателем в условиях его высокой загруженности ограничено остротой зрения и существенно влияет на скорость принятия решения. В большинстве существующих систем мониторинга используется беспроводная связь в радиочастотном диапазоне, который с развитием устройств Интернета вещей все больше перегружен. Это может являться причиной наличия перекрестных помех и снижения скорости передачи данных.

К другим способам оценки состояния пациента относятся профессиональные и дорогостоящие решения, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) и ЭЭГ-скрининг [2]. Подобные системы неприменимы для мониторинга, так как являются стационарными, используются для выявления скрытого сознания и достаточно габаритны по размерам. Также данные системы противопоказаны пациентам во время проведения реанимационных мероприятий с использованием аппаратов искусственной вентиляции легких или искусственного кровообращения. Существуют и принципиальные ограничения, обусловленные патологиями или изменениями функционального состояния нервной ткани.

В РФ работа с такими пациентами регулируется федеральным законом «Об основах здоровья граждан РФ». Прекращение биологической жизни человека и его отключение от аппаратов жизнеобеспечения (эвтаназия) противоречит медицинской этике. Это означает, что каждый пациент, будучи гражданином или пациентом, имеет право на жизнь, а персоналом должны быть приняты во внимание любые мелкие признаки сознания. Существует ряд стран, таких как Нидерланды, Канада, Испания, Швейцария, Бельгия, Новая Зеландия, где эвтаназия полностью легализирована и регулируется соответствующими законами.

Разрабатываемая оптико-электронная система визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных по беспроводной оптической связи направлена на комплексное устранение вышеупомянутых недостатков в используемых системах доступными средствами. Для оперативного распознания изменения состояния объекта предпочтительна понятная система визуализации, увеличивающая скорость восприятия наблюдателя и позволяющая получать информацию об изменениях в виде комплекса данных. Для этого разрабатывается метод визуального отображения на основе упрощенного представления физиологического состояния в виде заданных цветовых координат и характерных режимов работы светоизлучающих диодов, приближенных к физиологическим явлениям в организме. В то же время для обеспечения дублирующего канала отображения и устранения недостатков систем, работающих

в радиочастотном диапазоне, актуальна система передачи данных по беспроводной оптической связи. Разрабатываемая оптико-электронная система должна обеспечивать безошибочную передачу данных и быть совместимой с существующими системами беспроводной оптической связи. Разрабатываемая система является универсальной и может быть использована не только для выработки и передачи комплекса данных о состоянии человека, но и может быть применима в широком спектре профессиональных областей. В частности, когда применение радиочастотного диапазона ограничено и важную роль играет устойчивость канала передачи данных к электромагнитным помехам.

Целью диссертационной работы является разработка оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с хроническим нарушением сознания и передачи данных по технологии беспроводной оптической связи.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих систем мониторинга, устройств визуального отображения и технологий беспроводной передачи данных.

2. Определить тип устройства визуального отображения, режимы работы светодиодов и цветовые координаты точек цветности излучения RGB светодиодов в соответствии с изменением физиологических параметров на цветовом пространстве МКО в наиболее отдаленных друг от друга эллипсах Мак Адама.

3. Разработать подсистему визуального отображения, а именно конструкцию устройства визуального отображения и конструкцию блока управления цветностью и обработки данных.

4. Провести расчет следующих блоков оптико-электронной системы: моделирование теплового распределения на устройстве визуального отображения и его оценочного нагрева в прямом контакте с кожей человека; оптическое моделирование для выбора количества источников излучения в блоке передачи данных и приемников излучения в блоке приема данных.

5. Разработать принцип построения подсистемы беспроводной оптической передачи данных комплексной оптико-электронной визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных по беспроводной оптической связи, позволяющий сохранить простоту конструкции блока передачи данных и фотоприемника, совместимого с высокоскоростными системами беспроводной оптической передачи данных.

6. Изготовить макет оптико-электронной системы по разработанной конструкции и провести измерение основных характеристик системы в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Методы исследования

В диссертации применялись экспериментальные методы исследования отдельных характеристик оптико-электронной системы визуального отображения посредством изменения цветности излучения светодиодов и передачи данных. Использовались численные методы моделирования и методы встроенной оптимизации с использованием программного комплекса «Zemax» и «COMSOL MuШphysics».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный блок управления цветностью и обработки данных, входящий в состав структурной схемы оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных по беспроводной оптической связи, содержащий в себе микроконтроллер с электрической схемой для считывания физиологических параметров, с заданным алгоритмом сопоставления данных и со схемой управления, позволяет принимать физиологические параметры с комплекса датчиков, изменять цветность излучения и режим работы светодиодов в зависимости от значений физиологических параметров для визуализации и более быстрого по сравнению с существующими системами отображения восприятия наблюдателем, а также формировать пакет данных для передачи по беспроводному оптическому каналу связи.

2. Предложенный метод визуального отображения позволяет представлять изменение состояния объекта в виде комплекса данных на основе их двухфакторного задания цветностью излучения относительно точки белого цвета (насыщение крови кислородом (цветовые координаты для состояния ниже границы нормальных значений х = 0.16, у = 0.22), частота сердечных сокращений (цветовые координаты для состояния ниже границы нормальных значений х = 0.26, у = 0.13, выше границы нормальных значений х = 0.36, у = 0.43) и температура тела (цветовые координаты для состояния ниже границы нормальных значений х = 0.18, у = 0.31, выше границы нормальных значений х = 0.41, у = 0.38), координаты в пределах нормы по всем трем параметрам х = 0.2, у = 0.59)) и режимом работы светодиодов для увеличения скорости восприятия и уменьшения ошибки идентификации.

3. Разработанная схема кодирования, использованная для передачи сигнала в подсистеме беспроводной оптической передачи данных комплексной оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных по беспроводной оптической связи, основанная на искажении фронта сигнала, позволяет передавать данные со скоростью 2.5 кбит/с на расстояние 2 метра, достаточной для мониторинга изменения состояния объекта при полной совместимости с существующими системами беспроводной оптической связи Ы-Б1 и при соблюдении требований по безопасности мощности источников излучения для глаз наблюдателя.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Разработана структурная схема комплексной оптико-электронной системы, собирающей данные о физиологическом состоянии человека, позволяющей увеличивать скорость восприятия данных наблюдателем по сравнению с существующими способами отображения и передавать данные по беспроводному оптическому каналу связи.

2. Разработан метод визуального отображения изменения физиологического состояния, измеряемого стандартным набором датчиков, состоящий в

двухфакторном задании изменения состояния объекта цветностью излучения и режимом работы светодиодов и интуитивно понятно отображающий типы контролируемого параметра и его отклонений.

3. Разработан принцип построения подсистемы беспроводной оптической передачи данных в составе комплексной оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных по беспроводной оптической связи, основанный на увеличении времени нарастания фронта сигнала для обеспечения совместимости разрабатываемой системы с существующими системами беспроводной оптической связи в канале VLC, а также повышения помехозащищенности.

Теоретическая и практическая значимость работы

Предложен способ мониторинга и визуализации критических состояний пациента посредством изменения цветности излучения и режимов работы светодиодов. Способ может быть адаптирован для решения задач мониторинга в широком спектре профессиональных отраслей.

Апробация результатов работы

По результатам, описанным в диссертационной работе, были представлены доклады на следующих международных и российских конференциях:

- Professional Lighting Design Convention 2018/2019 (Берлин, 2018);

- Финал международного конкурса студенческих докладов The Challenge 2018/2019 (Роттердам, 2019);

- VII, VIII, IX, X, XI Конгресс молодых ученых (2017-2022);

- Международная конференция ФизикА СПб 2020;

- 30 конференция по компьютерной графике и машинному зрению Graphicon;

- Школа-конференция по Оптоэлектронике, Фотонике и Нанобиоструктурам Saint Petersburg OPEN;

- Первый международный конгресс «Медицинская реабилитация: научные исследования и клиническая практика».

Личный вклад автора

Представленные в работе результаты моделирования, экспериментальные исследования и разработка макета выполнены лично автором или при его участии в соответствии с поставленными целями и задачами.

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы получены в рамках следующих НИР и НИОКР:

1. Грант РФФИ № 19-29-01066 «Методы анализа больших неструктурированных данных для разработки системы оценки прогноза восстановления интегративной функции мозга и создания методов лечения в условиях нарушенного сознания- сочетания выпадения и новой патологической интеграции организма». (2020-2022)

2. Грант для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга 2020 г. (победитель)

3. Грант для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга 2022 г. (победитель)

4. Прикладной НИР № 421245 «Разработка системы визуального отображения изменений физиологического состояния пациентов в коме и передачи данных по технологии беспроводной оптической связи».

Разработанный в рамках исследования способ визуального отображения изменения физиологического состояния пациентов с ХНС будет внедрен в процесс мониторинга отделения анестезиологии и реанимации РНХИ им А.Л. Поленова, филиала НМИЦ им. В.А. Алмазова Минздрава России.

Результаты диссертационной работы используются в практике научных исследований Института перспективных систем передачи данных Университета ИТМО.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 201 страницах, содержит 57 рисунков, 11 таблиц и список цитируемой литературы из 124 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи диссертационной работы. Представлены основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и публикации результатов.

Первая глава «Аналитический обзор научно-технической литературы» состоит из 4 разделов. Представлены результаты анализа существующих систем мониторинга и передачи данных по нескольким тематикам: типы устройств визуального отображения, существующие методы визуального отображения, обзор измеряемых параметров и датчиков, беспроводные технологии передачи данных в радиочастотном и видимом диапазоне, существующие типы модуляции, применяемые в системах беспроводной оптической связи.

Сравнение характеристик технологий беспроводной передачи данных представлено в Таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики беспроводных технологий передачи данных

Технология Bluetooth Wi-Fi Zigbee Р80 УЬС

Протокол данных 802.15.1 802.11n, 802.11ax 802.15.4 802.1 1ЬЬ 802.1 1ЬЬ

Диапазон длин волн Радиочасто тный Радиочастотн ый Радиочастот ный ИК диапазон Видимый свет

Рабочая частота 2.40-2.48 ГГц 2.4, 5, 60 ГГц; 2.4, 0.915, 0.868 ГГц 980, 1310, 1550 нм 400-700 нм

Скорость передачи 1 Мбит/c 20-100 Мбит/с 30-40 кбит/с 20-100 Мби^ 20-100 Мбит/с

Дальность действия 10-100 м До 10 м 5-75 м До 3 км До 5 м

Несмотря на повсеместное распространение радиочастотного диапазона в системах мониторинга, существуют ограничения: передача данных в радиочастотном диапазоне создает электромагнитные помехи для современных беспроводных систем медицинского назначения, работающих на аналогичной частоте. Беспроводная оптическая связь обладает оптимальными характеристиками для системы передачи данных и применима в тех случаях, где требуется высокая скорость восприятия, помехозащищенная и безопасность.

Аналогичный анализ был приведен для существующих методов визуального отображения и устройств на их основе. Был сделан вывод о необходимости разработки нового наглядного и интуитивно понятного способа представления информации о состоянии пациента. В основе предлагаемого способа лежит образная визуализация, что позволит увеличить скорость восприятия информации наблюдателем.

Анализ научно-технической литературы показал недостатки существующих систем мониторинга. Традиционный мониторинг посредством прикроватного

монитора представляет числовые данные на экране. Способность наблюдателя ограничена остротой зрения и минимальным углом зрения между рассматриваемым изображением и оптическим центром глаза, который должен быть равен 1 угловой минуте. В действительности это значение из-за увеличенного расстояния может быть меньше, поэтому текст может быть плохо различимым. Доказано, что зрительная система лучше приспособлена для распознавания форм, цветов и движений. Более эффективным является интуитивно понятный и простой метод визуального отображения в виде преобразования числовых данных в цветовые координаты или образный ряд на их основе. К дополнительным недостаткам существующих систем можно отнести отсутствие мобильности, высокую стоимость и использование радиочастотного диапазона для передачи данных. Таким образом, на сегодняшний момент не существует универсальной системы, которая отличается мобильностью, обеспечивает наглядное и интуитивно понятное считывание состояния объекта и передачу данных, защищенную от помех. Разрабатываемая система лишена обозначенных недостатков. Она обеспечит наглядное визуальное отображение состояния объекта, более высокую по сравнению с существующими системами отображения скорость восприятия информации наблюдателем, устойчивость к радиочастотным помехам, а также отсутствие в канале связи ошибок при передаче данных, приводящих к неправильной интерпретации исходного пакета данных.

Во второй главе представлены результаты разработки оптико-электронной системы визуального отображения изменения физиологического состояния и передачи данных. Описана структурная схема разрабатываемой системы визуального отображения и передачи данных на основе беспроводной оптической связи в инфракрасном диапазоне, представлены расчеты основных функциональных блоков системы и конструкции. Структурная схема разрабатываемой системы представлена на Рисунке 1.

USB

Рисунок 1 - Структурная схема системы визуального отображения и

передачи данных

В оптико-электронной системе разрабатываются две подсистемы: подсистема визуализации данных с комплекса датчиков (далее - подсистема визуального отображения) и подсистема передачи данных по беспроводной оптической связи (далее - подсистема беспроводной оптической передачи данных).

Подсистема визуального отображения представлена следующим образом. Датчики подключаются по последовательной шине I2C (Inter-Integrated Circuit) к микроконтроллеру блока управления цветностью и обработки данных. На микроконтроллере сигнал преобразовывается в цифровые значения и сравнивается с диапазоном значений в состоянии покоя и в пределах нормы (далее - диапазон нормальных значений). Изменение состояния пациента отслеживается посредством устройства визуального отображения на основе светодиодов. Цветностью излучения светодиодной ленты и режимом работы управляет микроконтроллер. Цветность излучения и режим работы светодиодов меняется в соответствии с состоянием объекта: параметр попадает в диапазон нормальных значений; параметр выходит за границу диапазона нормальных значений.

В случае отклонения значения от нормы сигнал тревоги с микроконтроллера передается на блок передачи данных (подсистема беспроводной оптической передачи данных). Пакеты данных передаются по атмосферному оптическому каналу связи с помощью матрицы ИК-светодиодов 2 х 2 на фотоприемник. Оптический информационный сигнал через атмосферный канал связи поступает на блок приема данных и далее передается с фотодиодов на трансимпедансные усилители. Усилители преобразовывают фототок фотодиодов в напряжение информационного сигнала. Сигнал на выходе трансимпедансных усилителей является инвертированным и поступает на инвертирующий сумматор для компенсации инверсии. На выходе инвертирующего сумматора находится фильтр высоких частот (ФВЧ) для исключения постоянной составляющей сигнала, а также фильтр низких частот (ФНЧ) для подавления в сигнале гармоник высокого порядка. Далее сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера в блоке приема данных, который анализирует, расшифровывает передаваемый пакет и передает его на преобразователь UART в USB интерфейс для последующего подключения к персональному компьютеру.

В следующих разделах описываются конструкции и модели основных блоков системы визуального отображения и передачи данных: конструкция устройства визуального отображения, конструкция блока управления цветностью и обработки данных, конструкция передающего модуля и конструкция приемного модуля. В качестве конструкции устройства визуального отображения был выбран браслет. Для выбранного устройства визуального отображения можно сформулировать следующие критерии, позволяющие безопасно использовать его в системах мониторинга:

- безопасный нагрев при контакте с кожей;

- низкое энергопотребление;

- простота эксплуатации и удобство размещения на теле пациента.

Результат теплового моделирования для выбранного устройства визуального

отображения представлен на Рисунке 2.

20 xlO"3 m

Рисунок 2 - Моделирование теплового распределения на устройстве

визуального отображения

Полученное значение средней температуры нижней части устройства визуального отображения равно 24°С и является безопасным для объекта отображения. Моделирование выполнено без учета влияния температуры человеческого тела. Для нагрева, приближенного к реальным условиям, необходимо учитывать усредненное значение температуры тела человека 36° и AT между максимальным и минимальным значениям температуры. Таким образом, предварительная оценка нагрева нижней части составит 36° и 42° в точке размещения светодиодов. Данное значение с учетом импульсного режима работы светодиодов является допустимым и не вызовет негативного воздействия на кожу пациента.

Следующий подраздел посвящен описанию работы подсистемы визуального отображения. Информирование об изменении состояния пациента производится изменением режимов работы светодиодов и цветностью их излучения. Для обеспечения однозначности восприятия информации наблюдателем цветовые координаты точек цветности излучения RGB светодиодов задаются эллипсами Мак

Адама для разных параметров на цветовом пространстве МКО (Рисунок 3). Один эллипс на диаграмме показывает, что все цвета, которые в него входят, будут неразличимы глазом среднестатистического наблюдателя.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Рисунок 3 - Эллипсы Мак Адама на цветовом пространстве МКО 1931 г.

Для однозначного различения наблюдателем оттенков цветов при изменении цветности излучения необходимо, чтобы координаты цветности излучения светодиодов были разнесены друг от друга и удалены относительно точки белого цвета. Для этого спектрометром был измерен спектр излучения светодиодов и координаты цветности для каждого режима работы. На Рисунке 4 в виде треугольника показан базис выбранной светодиодной ленты, который ограничивает гамму цветов в следующих координатах:

х= 0.7, у = 0.29; х = 0.16, у = 0.71; х = 0.13, у = 0.69.

Таким образом, цветности излучения светодиодов для каждого измеряемого параметра будут различимы и дадут безошибочное представление о типе и характере отклонения.

Рисунок 4 - Цветовое пространство с эллипсами Мак Адама, соответствующие

цветовым координатам, где Т - температура тела, Бр02 - насыщение крови кислородом, ЧСС - частота сердечных сокращений, Н - нормальное состояние Светодиодная лента располагается на устройстве визуального отображения. Устройство предназначено для отслеживания изменения физиологических параметров объекта по нескольким состояниям: значения физиологических параметров находятся в норме, значения физиологических параметров за нижней границей диапазона нормальных значений, значения физиологических параметров за верхней границей нормальных значений. При выходе значений за пределы нижней или верхней границы светодиоды излучают в диапазоне холодных или теплых цветов соответственно. Определение отклоняемого параметра наблюдателем происходит по режиму работы светодиодов. Изменение параметра насыщения крови кислородом индексируется последовательным включением светодиодов, температуры тела - изменением интенсивности излучения

светодиодов, частоты пульса - частотой мигания светодиодов. Режим работы и цветность излучения светодиодов определяют двухфакторный способ задания изменения физиологического состояния объекта.

а) б) в)

Рисунок 5 - Цветность излучения светодиодов на устройстве визуального

отображения: за пределами нижней границы значений в норме (б); за

пределами верхней границы значений (в) Для определения конструкции передающего и приемного модуля, количества ИК светодиодов и фотоприемников было проведено оптическое моделирование. Количество источников излучения и фотоприемников определяется расстоянием между блоком передачи данных и блоком приема данных, при котором достигается максимальное распределение освещенности активной области фотодиода. Оптическая модель была построена в программе Zemax. В качестве источника и приемника оптического излучения ближнего ИК диапазона был выбран светодиод ARPL-1W-EPL38 Ж940 и кремниевый фотодиод FDS100 от компании Thorlabs, который обладает необходимой спектральной чувствительностью в соответствии с выбранными ИК светодиодами для передачи данных с центральной длиной волны 940 нм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вострикова Светлана Андреевна, 2022 год

Литература

Г Teasdale G., Jennett В. Assessment of coma and impaired consciousness. A practical scale//The Lancet. 1974. Y 304.N7882. P. 81-84. llttps: 7doi.org 10.1016.SO 140-6736(74)91639-0

2. Folstein M.F., Folstein S.E., McHugh PR. "Mini-mental state1': A Practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician // Journal of Psychiatric Research. 1975. V 12.N3.P. 189198. https://doi.org/10.1016/0022-3956(75)90026-6

3. Guger C., Allison В . Kammerhofer A , Guttmann F . Yon Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Aimen J.. Laureys S., Heilmger A.; Ortnei R ChoW. MindBEAGLE-Anew system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom IS Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). 2017. P 3008-3013. https://doi.org/10.1109/SMC.2017.8123086

4. Tlnbaut A., Chatelle С , Stender J., Demertzi A, Bernard C., HustmxR, Laureys S ., Bruno M.-A. PET imaging in altered states of consciousness: Coma, sleep, and hypnosis // PET and SPECT in Neurology. 2014. P. 965-986. https://doi.org/10.1007/978-3-642-54307^t_47

5. Brain Function and Responsiveness ш Disorders of Consciousness / ed by MM Monti, WG Sanita. Springer, 2016. P. 1-6. https://doi. org/10.1007/978-3-319-21425-2

6. Cruse D., Chennu S., Chatelle C., Bekmschtein T.A., Femandez-Espejo D . Pickard J D . Laureys S , Owen A.M Bedside detection of awareness in the vegetative state: a cohort study // Hie Lancet. 2012. V. 378. N 9809. P. 2088-2094. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(11)61224-5

7. Li X., Tan X., Wang P, Ни X., Dong Y, Zhang X., Luo В Chronic disorders of consciousness: a case report with longitudinal evaluation of disease progression using 7T magnetic resonance imaging //BMC Neurology. 2020. Y. 20. P 396. https://doi.org/10.1186/sl2883-020-01973-0 '

References

1, Teasdale G., Jennett B Assessment of coma and impaired consciousness A practical scale The Lancet. 1974, vol 304, no. 7882, pp. 81-84. https://dai.org/10.1016 S0140-6736(74)91639-0

2. Folstein M.F., Folstein S.E., McHugh P R "Mini-mental state": A Practical method for grading the cognitive state of patients for the clinician. Journal of Psychiatric Research, 1975, vol. 12, no. 3, pp. 189-198. https://doi.org/10.1016/0022-3956(75)90026-6

3 Guger C.: Allison B , Kammerhofer A., Guttmann F., Yon Oertzen T.J., Spataro R., La Bella V., Annen J., Laureys S., Heilmger A., Ortner R, Cho W. MindBEAGLE - A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom. Proc. of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2017, pp 3008-3013. https: /doroi-gTO. 1109/SMC.2017.8123086

4 Thibaut A , Chatelle C , Stender J., Demertzi A., Bernard C , Hustinx R., Laureys S., Bruno M.-A. PET miagmg in altered states of consciousness: Coma, sleep, and hypnosis. PET and SPECTin Neurology, 2014, pp. 965-986. https://doi.org/10.1007/978-3-642-54307^47

5. Brain Function and Responsiveness in Disorders of Consciousness. Ed. by MM. Monti. W.G. Sanita. Springer, 2016. pp. 1-6. https://doi. oig'10.1007/978-3-319-21425-2

6. Cmse D., Chennu S., Chatelle C., Bekinschtem T.A., Femandez-EspejoD.. Pickard J.D., Laureys S-, Owen AM Bedside detection of awareness in the vegetative state: a cohort study. The Lancet, 2012, vol. 378, no. 9809, pp. 2088-2094. https://dororg.T0.1016/S0140-6736(11)61224-5

7. Li X., Tan X., Wang P., Dong Y., Zhang X. Chronic disorders of consciousness: a case report with longitudinal evaluation of disease progression using 7 T magnetic resonance imaging. BMC Neuwlogy, 2020, vol 20, pp. 396. https://doi.org/10.1186/sl2883-020-01973-0

8. Kremneva Е., Sergeev D., Zmeykma Е., Legostaeva L : Piradov M. Chrome disorders of consciousness: role of neuroimaging // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V 886. P. 012011 https /. doi org/10.1088/1742-6596 886 1. 012011

9. Cam J.A., Spivak N.M., Coetzee J.P., Crone J.S., Johnson M A., Lutkenhoff E.S., Real C., Buitrago-Blanco M., Vespa P.M., Schnakers C., Monti MM. Ultrasonic thalamic stimulation in chronic disorders of consciousness // Brain Stimulation. 2021. V 14. N 2. P. 301-303. https:. doi.org 10.1016 j brs.2 021.01.008

10. Бакунин И.С., Кре\гаева Е.И, Кузнецов A.B и др Хронические нарушения сознания / под ред. академика РАН М.А. Пирадова. М.: Горячая линия — Телеком, 2020. 288 с. https://doi. org/10.25780/0006

11. Пирадов M A., Супонева НА., Сергеев Д.В., Червяков А.В., Рябинкина Ю.В , Синицын Д О., Пойдашева А.Г., Кремнева Е.И., Морозова С.Н., Язева Е.Г., Легостаева Л А. Структурно-функциональные основы хронических нарушений сознания // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2018. Т. 12. № 5. С. 6-15. https://d01.0rg/l 0.25692/ACEN.2018.5.1

12. Янковская JI B , Пицко Д В Мониторинг в кардиологических блоках интенсивной терапии 7 Международный журнал сердца и сосудистых заболеваний. 2016. Т. 4. № 12. С. 52-62.

13. Degtiareva S.A., Kondratieva Е.А., Smirnova I.G., Polukhin I.S., Andreev Y.S., Bougrov YE Visual control and data transmission system by Li-Fi technology for patients in a vegetative state/ unresponsive wakefulness syndrome and minimally conscious state // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1697. P. 012172. ttps://doi org/10.1088/1742-6596/1697/1/012172

14. Lovik RD Abraham J.P, Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device // Neuromodulation 2011. V. 14. N 6. P. 501-511. https: //doi. org/10.1111/j. 1525-1403.2011.00396.x

Авторы

Вострикова Светлана Андреевна — научный сотрудник. Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, https://oiad.oi-g 0000-0001-9539-8418, [e-mail] Погорелова Кира Олеговна — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, о^/0000-0002-4455-1117, [e-mail] Ширяев Даниил Сергеевич — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, 1й1р8://опйд. 01^ 0000-0001 -8612-0297, с181шуае\'@11то т

Полухин Иван Сергеевич — ведущий инженер, Университет ШЬЮ, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, ЬМрэ:// orCTd.org/0000-0001-6817-7871, [e-mail] Андреев Юрий Сергеевич — инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, https://orcid.org/0000-0001-7806-8652, [e-mail]

Смирнова Ирина Геннадьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Е2 57195684395, https://orcid.org 0000-00018357-3987, igsIniгnova@:itшo.m

Кондратьева Екатерина Анатольевна — доктор медицинских наук, руководитель группы изучения минимального сознания, Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт имени профессора А.Л. Поленова, филиал ФГБУ «НМИЦ им В.А. Алмазова», Санкт-Петербург, 191014, Российская Федерация; старший преподаватель, Военно-медицинская академия им. С.М Кирова, Санкт-Петербург, 194044, Российская Федерация; старший научный сотрудник, Федеральный научно-клинический центр реаниматологии и реабилитологии, Москва, 107031, Российская Федерация, 23 57191545581, https://orcid.org 0000-0003-1715-7585, [e-mail] Бугров Владислав Евгеньевич — доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, 33 8321276100, Шрк//агс1<101£ 0000-0002-13 65-9184, vtedislav [e-mail]

Статья поступила в редакцию 21.12.2021 Одобрена после рецензирования 0S. 03.2022 Принята к печати 30.03.2022

8. Kremneva E., Sergeev D., Zmeykina E., Legostaeva L., Piradov M. Chronic disorders of consciousness: role of neuroimaging. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 886, pp. 012011. https://doi. org/10.1088/1742-6596/886/1 012011

9 Cam J.A, Spivak N.M., Coetzee J.P, Crone J.S., Johnson M.A., Lutkenhoff E.S., Real C., Buitrago-Blanco M., Yespa P.M., Schnakers C., Monti MM. Ultrasonic thalamic stimulation m chronic disorders of consciousness. Brain Stimulation, 2021, vol. 14, no. 2, pp. 301-303. https: doi.org 10.1016/j brs. 2021.01.008

10 Bakulin I S., Kremneva E.I., Kuznetsov A.Y et al. Chronic Disorders of Consciousness. Moscow, Gorjachaja Linija-Telekom Publ., 2020, 288 p. (in Russian), https://doi.org/10.25780/0006

11. Piradov M.A., Suponeva N.A., Sergeev D.Y., Chervyakov AY, Ryabinkina Yu.Y, Sinitsyn D O., Poidasheva A G., Kremneva E.I., Morozova S.N., Yazeva E.G. Structural and functional basis of chronic disorders of consciousness. Annals of Clinical and Experimental Neurology, 2018, vol. 12, no. 5, pp. 6-15. (in Russian), https ://doi.org/10.25692/ACEN.2018.5.1

12. Yankovskaya L.V., Pitsko D.V. Monitoring in cardiologic intensive care units. International Heart and Vascular Disease Journal, 2016, vol. 4, no. 12, pp. 52-62. (in Russian)

13. Degtiareva S.A., Kondratieva E.A., Smirnova I.G., Polukhin I S., Andreev Y.S., Bougrov YE. Yisual control and data transmission system by Li-Fi technology for patients in a vegetative state/ unresponsive wakefulness syndrome and minimally conscious state. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1697, pp 012172. ttps://doi.ocg/l 0.1088/1742-6596 1697/1 012172

14. Lovik RD , Abraham J.P, Sparrow E.M. Surrogate human tissue temperatures resulting from misalignment of antenna and implant during recharging of a neuromodulation device. Neuromodulation, 2011, vol.14, no. 6, pp. 501-511. https://doi. org/10.1111/j. 1525-1403.2011.00396.x

Authors

Svetlana A. Vostrikova — Scientific Researcher, ГГМО University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, https://orcid.org 0000-00019539-8418, [e-mail]

Юга О. Pogorelova — Engineer, ГГМО University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation https://orcid.org/0000-0002-4455-1117, pogorelovakira @itmo .ru

Daniil S. Shiryaev — Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, https://orcid.org/0000-0001-8612-0297, dshiryaev@itmo ru

Ivan S. Polukhin — Leading Engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation https://orc1d.0rg/OOOO-OOOl-6817-7871,1spolukhin@1tmo.n1

Yurii S. Andreev — Engineer, ITMO University, Sauit Petersburg, 197101, Russian Federation, https://orcid.org/0000-0001-7806-8652, yura. [e-mail]

Irina G. Smirnova—PliD, Associate Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, gg 57195684395, https//orcid. org 0000-0001 -8357-3987, igsmimova@itmo ni

Ekateiina A. Kondratieva — D. Sc. (Medicine), Head of MCS Study Group, Polenov Neurosurgical Institute (Branch of Ahnazov National Medical Research Centre), Saint Petersburg, 191014, Russian Federation; Senior Lecturer, Military Medical Academy named after S.M. Kirov, Saint Petersburg, 194044, Russian Federation; Senior Researcher, Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology, Moscow, 107031, Russian Federation, 0 57191545581, https://orcid.org/0000-0003-4715-7585, [e-mail]

Vladislav E. Bougrov — D. Sc. (Physics & Mathematics), Professor, Head of Laboratory, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, 0 8321276100, https:/orcid.org/0000-0002-1365-9184, vladisla v.bougrov@itmo .ru

Received 21.12.2021

Approved after renewing OS. 03.2022

Accepted 30.03.2022

Работа доступна по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial»

Система интеллектуального освещения и передачи данных на основе HGBLV светодиодов

•АС. ШИМЕЙ1, о.л. кош шал ', U.C. ПОЛУХЯН*, С. А. щеглов. е.л.яЕгтгЁвл', М-Л. аднв&я&дОв1. a.t. ьмтв'

1 VHmhjitafcl И1 ХЮ.-ГлшПпсрс^! ' СЛОТУ IIL IIII I^lBjXd. Î'JIII. ! ■ nrlc|W. |и E-JÏUM. tfZttTftMuiU*

Аншланш

E'il ||Х1-Г>.1 ГШ II U dl4>l LUd.JUdLL LHL-IL-I1J 1ШН11Ш)Ш11В)1|1 КЙЩШН, :iivim iw> jxuiuh LiLp.-jLi-iy данных uu инднмнкч y IHipfllMI IIu.hi.iiiaiiHU LJk'M jua. I l.llue MipiLh lL-pL1L-JILKII ILJI LXl^llIlltriHh h il jlLi.L.I CII1II. U KUIEipUU .l.'II ILLpL lii'IIL .I3HILU '. НСНШЬ kl ЛИ IL Крайний h pi IL I ¡LiL.l №1ИЧ'НГШ111'

on*. Рачралиа i jiij tïEid y л^ан-дс!: ил

UILItjUL L liKI II3.1V"ILII ИЛ С IKLIU.lb'JU-IklIEHLM lipi»[l№IK'IU IXOJ. КШЦ]К1Л l№ IHUUIL'I mI IdU-JEL pil IUUI L'ULlUpHII ULBLI3|LII ILH ]ф|| CUXJiaHL'IlHII L'KLIfKl-LLII LILpL.I J'III JVIUUI. {hVldL'IL IL LML '

I k'I I il H ILIk_' I HUL ML 31 I. IV'ILIMЛ

!!■>_■ ! LipjKlll'UJLKlE HLMI imif UBL НИ

II iqUL E4HMICII Up4HT3 p Jl IL L J£L. Д|1 L(M.^1'

иил cikioili ри:|ш\чatu lxlmj LS'I

LUI':iiLOIKBU9IIIJI ILM I |L ..:M ILLMI KL^M I HHIl'II [Й^ИШШ II BLlL'3LJUtjilllLI '13CIUT-hia: лирик 1l[ihl-ihkîi npL.:. тжсшмш LXlIIU. UlipL I'J.IlNI.I HHIEIlUa.lLIELJL IU-paULCpU СНГНШЛ11 IILpL lil'EH ДДЦт них IM» Bll.lLI^IUUy IIHiy'IL'IlLlEj: HBty IJilSI 4 IL E4N3 J_ IIEII IE I IL'i.K>"a MU^V.ID ■ ими. E] U4UIIIL HL1 L"' NI ILL4.".I'." ЗиПаНИЛ ICU'ILL'JBU К :il ILL.LII lltpL JUl'LIE SblflfUIIU

tiuch.'jKi.fCHiiL' lui lia. ABU ичнвки.чим. UHHil\li npi:.K:jjB:iL-iiit.-bi и*.~ч:ыи i

нижних IIIUriLlI IIÛ J-:L'Mll.lLh. .ILL'iL JTil'

вдитуды ........у.шриыиншнщ изм -

нала s h3i.il- кома.itK'.-jioj'.i 'ijk.i j на

ILLtlCHK E H Mil IpaEyp (КНКЛШ YL3IMÏI Il LILIIVCHuil DUC I J.II. IXklUUI X HLl"_VIDL ■ ru LUI lU.'JJl' Il ()||||й.-аи]||| a'ML.LHL;, .Ш Ш.К iiflKi uiuimîkh iL_'l .111 13 кани.чи :iqy. ■ JJ'LIL ЦЕЛ щцимиму tMUty .3.EH CULIlit-,1H С a M IL.LIL I \ .31 JUÏI ÏCI.iy:iJI3lllL-ri ni 'Ll'ILI IL Ш '.Tf E~IU.HI L-y'ILJLL I HLHHCJ II IL:+,■.".

фишьииииулприпанных uu -iia-kit* IDpai рта. ih i;iji ПН рачных lhl-MiipiiLA j| ;>ili:ljIjIH uliil.iiljIjIii ni.iyiL1'-giu: йСШиШХ, ни ч^иппшшннш H IlL-pL.ia'lL". KptlL'l ИЛ.'ЗЛ LHU I UJHU1U I:l М[И|ШЕЦ||.1<» К 1 DC.IIE'KIIIIKI M ÎÏULILV 'Ll'XI lia HK1HII I ipoiivi I E.

h", i ИНН глш: (ЖШЯйОЛё iVl Il |4I|IL"| Il II.IL tviirmu L'IIM-aL. ÛUtUpUULU I: ïISI l'HHIL IIIN HHJIIMUMV ПИу, Lï-t-'!. KÎiS IF'-tBc i ETUI«?.:. a.iJLii hhiuk: ucbl-

IULHL1L. 'iL-.aUHLKLIUpaiLlIElipUHilHHUC EIL ■

Ik'.IK I: ifiC L |L LipihEUKU'J 1HLI. Пид| »

Lî HJL'EMiuip: ир.ян l\mljiI'.il pa mm

lin; IHI.iy'IJŒI I LIIL-JCKU «VÎLIEuiÉ IL^I Ы h^llCpMA MHLUÛLL-EIHN .IL1I ■ 1ММИ JB3U-

м:ми ;и|> ма:1:1'.- L4M.iaL-j ;|il<| i i:i.il

yL-ЛНПНЯ I.IX 'IlI.KKBLKU. {>JII(IHpL-HLH ■

ix> un -liil-elmu il.iil-.'.I'Jili.i lia истузь-'HHÎIII IIL 4igt<4HCI pL'LVpea . I. IX pLa.LII UUH II UL'LKHhJILKlEX L4ipUIILCIB. H Oll'l Ul С II3IM HBILL-EID I ОАНП-КЯ JIX }J F J iLrjçht .r ri JlГ.1, ; | I. 2 | и MNEIJJKIÛ irpL*. I-Шшспй IL'.ML'.likittJM, ULBLLLl-IIIH; C'jJ

i:.'. i.uli:i:k;i мл л livjli un a'J" iiltil.iu'iii и |] ПН|Г| ILXUEI.WhlIIII 11'Д. hUk

:шкнн11С|фг|рны^П lux и KiïSIl. миду. iar;-ii'Ilm li1! 3i3i^ii[iuauHuiEiEiJM ljii ■ iia.Daaa: icpai iiuu и ■■ i j il.j h il-l' lutitiiiulii IHNE4HCJ JIL l'j^J 1Щ If П" É W 1МИГ T |"É ЦЦ ILiaElU, HU ÏLIJKJUJLI .|i.-L'. KIH|T_hLlL\ чув tllBTC.1 ИМ 1Ш r»LIL-3 pLl.ltiii.- I ыу KHUH ■ Ml! l|lU3 Шфиомннканн. {}jimB]>L»LI I

IHH IIL^ILILUIL'I UHI 1УШЮ1 L'.iiaaiLua 4iiHiuiia.iLiHHU, Qjnit^.iprmLii ДИ 1 il.iîî ulicihk;ULII^.-IIIIX. зипряЕМл^ъ. u ¿«'IHLI ■

4.-JUHH L KLIIEICLIEItlKÏi 'IL. JHUlLHHjpilLlI EH-PCIIUIIIIIULIN ULULUILIIIIS 4 l'j'hn-.i.jl i H 'J I.' Hl '

Lightnrny;, IH'L'\, .1 'рамках юм i rifrcin

ÏUKKIID LU*Wl№llk ПЁВЦИН VI[paH.EL-IDIIX yillJBIKH. Il ILMl I HK.-3 lan IL l ly 4LI II Hl.

Ifu.iHUHUHUi:. s Li h'i l-ik;j l мал ни

HhLIH»L ЖШЧ'-СД. IILIIEI.lLn'Ull музь-3 ШШиЦШНШ IID .I.I3I3IC HUIIHU .1.14 yBlLlII'KIIHH EHÏIlILÏi 4IQJJKIL-3II Lipil U-pa.LlL.ll.JI'.lii ILLpL IU"IL данник. |Л -t>J. I Ьн 'пит L'ia_Mii d^.iu'Lii. dp зиалуьлшк! ■i ia.ip'.iLlLi: LILJK.U'IM -Mil IUL L I UIII 'L il iJLiiif jKM.-i.-jHHiiiiii :il|>. la'ui ^циших

и ILi.1l KM HL-|]HIB |7. rj. HU IK y.VlimiE UHHHMHHH StMipULiLM ШШН UL-BLUIU-IEIEX. I lEIk; CyUlUL-En'Hll LKL'I LUI J L №IL'

МЕ|Ж|МК.:|Ы11 y ИрШНШ UtttJHLiLI LUI

31 i.Ly-iLiiiia nu upuiuniL'iy JJ.4LI. iiuuhh

HC ILpL-JUlJUUI-JMFI IlL-pL.U'Itl .JilllllUX 3IM

в||димаму Kmiit:iy

lî iLa'. iL'HiULÎ; paûii i зшмн нри^ц-iHUia II pa;pjNih[;|;|3 tut II ма ur-BLIl^LIIIIH f HLLUI.lb gtIBailllUX JiCiHtt -ГЛ L- l|l' I! Kl IHùii Г. Jl. ILJ.V IK'ji I IL|V|.|- 1И lainiu» йнцвийВ UL.1LHI paViibj ли .'JK.JJL'L LipraillltH|IU L"7aDtLILHLiLO ЩГ"

ii.'iliîlhuiti кaiia.u lbi^ii Ou thaï[>.!■.■ i и

МИ ULpi^lLI'Itl.UlUIM^UtUIMLlMIICltMllil!

a FI ; Fi, зфн pLïi и i îïii и ih LifLiiapiix aii-

MLHLHIEH lut1 НИКГЕН 11 *L l|-1ILIIILH L.' V1I[UH-

.'jliiihu ни пришкиау ¡Î.4LI. И Liim

BCIL-EBMH L ÎEJI.M |TLIJU:illL-L Ш.12Г1Н IID

pa ipaÛLiih.ij 4Npiii3i3ia.iLHtiû fflemi i VI iivpu.iai'JidKJ il ИШКЯШШШ mil.kîii

LILIШИЦ 11113 IEÏULI1.IELIX .HIX IIL|V.I^III ■ ICI L>Kt^aillHI«y h.ML.I.iy t TU'IKIE ipLIIim MiiiiiiMyua uuiuûiiK.

OlIhLâKKr L 114.' |4'ЧЫ

/Lin il"k" 11Ы.1ЧЫЛ iieili ïiii. i_a: ж'й iit.n: lipL.^klKOlU H pLUJIIIIUHaHbJ < "Д upi>L-M'.IIILPL IJI'Lllh IE K.'IULIIItUt lipHLM'.! 3it|^a Ji'.iui'.-L jl ipciiiL'3 uti па. киншр-■JLtKH ^ULTVUHUiÉ KLnillElhdLIIEIIEIÛ CK11U I pML 11. I k-p.-jaJiHJI^llH чаль (."Д LipiK-M'.|||L[V.-.IJl-itti ч л |î;i:ij. FttJËlt'-(."jj.. s HNiupuii KpaLHuii jjpiLt11 a. i.l iiîm K-iKi'MLitH к pj-ipu-iVi ШШ ЕЗЧ :it: ihh um.'jjLuuaHidii п nu ia ui ok;ikiiiii. J йИШШ K.JH1LI1LLIM JI'.I IhL II'.' lai'.i : . H К KElHipLLI.JL-py DALI. JlpiEÎiuiLaH 'IUÎ.-3L L4KT34III3 И "i M.ll piEIEIJ J1K фнНЕЕ^11НК1ии L- :illll KIUIÛ L1lt3 LMUÎË. .MjIl.iy.TIEptiSaH-iiuii liile cri Maipi!i:i.i МШЧ'СД Ч'.рс i L1HHHJLJUL4; UpnL-l pUIIL EHN IIUL lyiUCJ tia Mil I |1UUy |||L*i K'JipilLMI II Ihl^ll ШННШ lu lipilÔHMHKpL.IJHlIlLLI. U >Vip4ÎlL llKl. I JL" L1I3 H1LI L'y MM npj l"LLS II J LILIIL4 Л1 Il'H I.LH IIUL".'3L.iyiUllli:Û uThp(KÏU3 UL

NJKI.LI.IHLIJII .'JUIIIIX LBH1H IIHhLipU-

L'iia lia mu.\v.uuhh il liï ml ieieh KpuLiiu-IU KpHL I iL 1.1J 01,1 Ni'L/l'.i IHILaH н ч-ly'IL-IEIEH И k ,13kl.U L" ||||>1||Ь.|Н LI3ljklH .v.Liiij ИЗО ILM. IJulxii in.пал ашшя (M-iji л .:aiijk'Ji jKMHNiiL- ul piM-tua i рива-,'jaLi.. j a Ka'KL'iBL hlîtûllili i iliilt.il ki-.4.ii: .i .Е1Е1Е1ЕЛ 31 -i HiiuiLil i: ihi i*1 lu.'ii pa-

tmi [9].

Jli.iLyp KouuuiKHiHuii fia aa ДЖ1 ik-pL.iaklUILli IE 3ipHLMHUii l'^-.iH'.LM

ri.aLciij чален '.iiifv-.iïiiULi'ju ûuLqiti-I L" ÎÏC I SIК U f11T |TÉ> ПТЦПМ1 ULlMMU-IILinilB. I JK_ .LI M Ml |4;...rLIL III^IJflHUIIIIU

L- кзна-Еыкш Lhapi-. iiii'.'. LUIHICI auiiH'.iû

L4> Ш||К||ГЗ 4 Mjl U jtl t'I. HLtlCHUI.lldMEl 1ШЙП UU'3ULy iqKIU>\:iCLIEILH (VI и фи-[ElUpiânillHLIUlIC I'.jICL Itl Ml'll. H u-

ti atTOTExmtKA,.

Рис Ь Зависимости

ВМТООа ОШИбвИ сигнала EVM от мсс^дмА ЧАСТОТЫ сигмам от срасиого кристалла светодиода

• -омы»

л 1»|>лм ЮМБса

• доим. Й M^ffl

• моим rubí.,

KU в красной части спектра a иол тира pota выше. чем в синей Но расчетам.

IHCpf et II 4CCKHH ВЫНфЫШ in OtVICC высокой фиючувствите-иаккли на при см мин сюроне больше, '»см от более высокою уровня и «лучения синею Kpiu. Txi.ta на передающей сюроне. На pite. 3 покатаны спектр мтлуче-HIU белою RGBH -CJX с Kuppc.utpofluut-нон две! ивой teMiicpaiypoft Ги| около 10000 К а кривая сиекфальной чувствительности ||юто.цюда PDS¡00.

В иштвой конфигурации paipaóo-ion ли ¡i приёмопередатчик имеет ма-фш> i« 16 /tlfBH -СД, а ■ кяиемпжм устройстве сигнал регистрируется ма фиисй н i 4 фоюприёмннкиа

Сиемармм освещения

Концепциянодралумсвас! иод-стройку параметров освещения под биологические нотречнккпи человека. II ре лл ai ас мал система передачи данных пи шатает и смена i к цвет нос tu ихтучеиия Ирак i (пески во всём цветовом пространстве. чю nú sao шел «адана п. раынчные сценарии ni ос веще -ими в помещениях.

I lee. te. д овин tut пока тыкиот. чю для хирошею самочувствия и продуктивной работ, и iMcttcHitc искусственною освещения в течение дня должно быть максимально úihsko к игие-не инк» естественное о (10). Так. Ги источников и tT> чеиня ло.Ежна главно повышаться oí 2700 к рано утром до 6500 К в поддень н снова плавно но-нижаться до 2700 К к концу рабочею дня. На рис. 4 покатаны фоки рафии передающс! о моду ta с Т„ 6500, 4000 и 2700 К. н область вотможною ивме-

нения цветности источников нету чеши на иветивим I рафике МКО 1976 г. (обозначен* чёрным трсуюльником. в вершинах ко юрою укзшш цветовые координат каждою кристалла СД). ">го один ит сценариев. реал и-|>1'мы\ ■ рафабо глиной сдаст еме при сохранении стабилыино каната передачи донных.

Рафаботанный СД приемо-передатчик ио1вотает со ставать освещённость на рабочем месте, расположенном на расстоянии 1,5-2 м от СД ма-1р|щы, до 450 л к.

>КС1ИрИЧСН1Х1ЬНОС

исследование канала с ваш

Ди опенки переда!очных характе-рнстик со илнносо канала сааш рас-смафивалмсь сшнальныс соимлдия ратных видов молуляпни снгна.юв. по ко юры м можно определи и. амплитуду ВС кюри ошибки И ТИПЫ шумов, В01-дейстаувощнх на канал сжахн. Для получения сш нал иных ситаеддий и определения 1ависнмости амплитуды вектора ошибки ЕУМ ог несущей ча-сюты сигнала с 1енераюра с ш налов ирои шидьмои формы КеухёцНг МХ195А на СД ирнёмопередагенк подаваьзеь псевдослучайная послсловшсльмость /.а сшнал с клиентски о приемопередатчика наблюдался ма осиил-леи рифе СХЯ0204А.

На нетадемстаоваиные а иерсламс .ынныч кр1»ста.1лы подавалось напряжение смешения с кингрошера 1)АШ. подключённою к ПК. «и юширим «давались сценарии оевешеши (рмс. I).

На рмс. 5 приведены I рафики и виси моею амплшуды вектора ошибкм

or несушей частот cm ttaia при ратных шиах мидулаими. лжжчнля фаю-вая манипуляция Bf*SK. квадратурная фав>ваа манипуляция QPSK, 16-ио-ншионная KBa.ipaiy рная модуляция /бОЛМ, 32-иошционная квадратурная мидуляция S2QA.l/и М - но шпион -ная квадратурная модуляння 64QAM Все ншерениа проведены при фиксированной ашшсгуде модулирующей ешмала.

При иесушей частоте cmi мала вблити 40 МГц наблюдается минимум ЕУМ но всем исследованным типам модулацин. Ьы.ш исслеловл ны сигналы с iklbocom модуляпин 10 МГц и. соогаетслвснно. еимволыюй скоростью 10 МЬод. Как видно ит рис. 5. при мсиильтовамим фа ювых машшулацмн амплитуда ¿ТА/ выше, чем при мс1кхлкшвамнм квадра! урной амплитуд ной модуляции. Гак как при н шенеинн фана ейiнала фото«|риём-ник pet нстрирует итме1«енме уровня итдучения. сравнимое с урианем шумов, вошнкаю! фаювые помехи Эю видно и ит сш на.1Ыкмо cosae-ииа BPSK си!иала. гак как искажение ючеж в ячейках сихдас! внтуаль-н ый »ффекл сферн •веский сим меi рии относительно центра сидвелдиа [II), что свмдспельствует о наличии фа-юво| о сдвига сигнала пли же фаю-вою дрожания

Далее были исследованы каракте-риешки си1 налов с квадра «урной амплитудной модуляцией ратной жми-HiioHHLVT и. Ит сш на.тьиых ео1Всиий (JAM сигналов видии, что вошнкае! ра юрос ючек диаграммы aoapyi со* отвегствующих им ношцш1, что ио-ка 1ываед волаейсгвие на канал сва ш аддитивтно бе.кмо гауссова шума (II]. В святи с этим сужение шкюсы сш нала может у меныиагь число ошибок. но для сохранения биювий скорое iи необходимо увеличивать число бит на символ: с 4 до 6 < пере ход ot J6QAM к 64QAM). Так. шачение ЕУМ синшлось до 5 «иг» 1югери биювий скорое 1 и при мосдудириваннн сигнала модуляцией 64QAM с несушен частотой 40 Ml ц и символьной скоростью 7 МЬод.

В таблице нокаишы тначения амплитуды вектора ошибки в режиме включения только красною крнста.1-да и в режиме реалн киши сценария HCL - н»лу 'ьаки все крмстал.иа. Качество 1агреда(и1 данных не меняется при работе всех кристаллов СД чти нолволяс! нсполкювать |фе,1ложен

28

.I ßETOTEXHMA i* 2ЯМ М 6

Taáiuua

Bektop ошибки l'hiklu im раямыл NDjviaaiú (utioii aKiaut lmiulu - 40 MI ul

Bai ищуща— лк.% Tum» Hfuna kl красим kfwtujl ят,% t nISUiytWIMui рпеш Midi (Нгирм Ht 1

tPSK II 12

QHX 11 II

ttQAM * 9

UQM • 6

ь*для 5 6

ну ю aeu) дм передачи данных и одновременно умрааЛЯП. UBL'ttlOL'luu и» лучения в ПОМеШСИИН

Нсследимаиие рассмотренных Bullae liiiioB сшиалиа во мжиим обусловлено пиша ш> дальнейшей интеграции системы. Ранее (9) мы солдат скш прсийрашвакна сигнала, но-нюлаюшис перепоешь au iu.i ною срелстнешюс Hi Fi модема иаСД ма-ipuuy. Дл* реаликжаннош кана-и на *(;ДИЧ'Д при подключении к ПК че-pci И гFi модем И paipaooiaiiiiue схемы upeoöfia ювания сшнала ми получали (раисприривади) скорость и рис-сгаанне передачи а 24 Móhi с и 2 м cooiacicrHciiHo.

Заключение

Ра ipaóoiaiibi н ииоиш.а.*ны модули. по1Воляюишс иерелаяипь данные по видимому шлученнм и олповременно реал и швы вал ь npuicsBu.il»-ные сценарии освещения. охаагы-имшис почт всю цветовую |ам-му иве твою нросгражлвл. пшена« цвепмкпь щдучения пи протоколу DALI Саповой канал питал свою схожее!ь с милслыо ридкочас roí nulo канала с аддитивным белым laye-сивым шумим, но тилыа) для амнлн-1удны\ 1UUUB модуляций Дда фаю-вых манипуляции принцип рабо!Ы UO.IYIIpoBO IHIIkOBlJX фоюириемни-коа luíul' i дополни дельные фаю-вые искаженна на приемной стороне. 11р*< передаче но видимому нтлуче-нию наирамую радиочастотных ein -налов uc.lecooópa ino уменьши!к по-.KH.-V сш IO.U itpai сохранении ои го-вин скорое lit дда у меныиеииа уровня шумов - iiyicm увеличения килнчсо-ва от на символ.

Ьлаюдарноч:! ь

Paôora выполнена при поддержке Министерства науки и высшего oôpa шваниа РФ в рамках Федеральной iipoipaMMU «Исследования н paipaôoiKH но ирииригегиым направлениям paiBHiua иаучш>-тех-iio.'jotическо! и комплекса России на 2014 2020 годы», шифр 201714-582-0001 -084. соглашение V' I4_58I.2I.0029. уникальный идеи i ифика i i*p RKMEÊI58I17X0029.

СПИСОК. IИ 1LPA Г\РЫ

1. Нам П., Им L. Wan g ), Скеп С. What is Li-Fi? Journal иГ Lightwave Tech ■ nology 2016. - \Ы. 34. - P. 1533-1544.

2. Kajhhanttan S McKendry JJ D . flermidarf J et at. Л review of gallium nitride LED* fur mulu gigabit per wcocid visible llghl data communicalKin.* Sem icooductor Science and Technology. 2017 \Ы 32. So. 2 - P I 40

3 Hang Y. Wang Y. Chi N . YuJ.. Shun}]; H. Demonstration of 575-Mb s downlmk and 125 Mb \ uplink bi-directional Sf M WDM \ шЫс light commun) cation isung RGB LEO and pbosphur4)ased LED Opt Express 2013 Vi>L2l С. 1203 120«.

4. Сохли G.. AU К h al id A.M.. fAriuiflm P.. Сатин R.. Ciammella E. 3 4 Gbit s visible optical wireless transmission based on RGB LED ; Opt. Expie» 2012 Vol 20 P B501 B506

5. Wu FM.. Lin С Т.. Wei С.С.. ChenCW. Chen Z Y Huang HT 3.22-Gb s WDM увйИс light communication of a single RGB LEO cmpkis inx earner-less amplitude and phase modulation < OFC Conference 2013 P. 1-3.

6. H.. FU. Lin C.T.. Wei C.C.. Chea С К. Chen Z Y Huang If Т.. Chi X Pcrfomuncc ("ompunson of OFDM Signal and CAP Signal Over High Capacity RGB LED Based WDM V iabie Light Communication 1LEE Photonics Journal. 2013. \bl. 5. la.4.

7. Cim. С.1Г, Яш RU. 1м, Y.C., Lw К. Yeh C.H N on-flickering 100 m RGB visible hubt cammuroeation transmission Hised on a CMOS image sensur Opt Exprc» 2018. Ш. 26. P. 707V 7084.

8. Ana M.A., BermakA. 160 m visible llg^it communication link using hybnd un dcrxampled phase-frequency shift on-off keying and CMOS image sensor Opt. Express. 2019. - \Ы.27. - P.2478-2487.

9. Kaz)Tcva OA, РаЫШп I S.. Shin -an D.S . Shcheglov S.A.. BoaxUin A.I., CaneT CZ. JUimJdlm О. I Vonwv Y.A, OJnMvuJm M.A. Btmgnn I F. Wireless local data transmission network through LED lighting, compatible »ith 1ЕЕЕЯ02.11 pmtocvil communication systems Journal of Physics: Conference Scnes. 2019. Vol 1236. No. I P 012085.

10 Ho/errni Л Human Centric Lighting Architectural SSL - 2012. No. 6. P 20 26

11. Льтсы A.A, Kuceiee В В Численное моделирование и аиалнл восдей-ствиа искажении па ofdm qam енг-иал iV Itia Сараг. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика Ииформатика 2013 Т. 13. Ля 3. С. 104 110

МтмритптИГМО

•<Я£ППЕХИНИА. У)У> M 6

29

SPbOPEN 2021_IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2086(2021) 012080 doi:10.1088/1742 -6596/2086/1/012080

Development of visual display and data transmission system for patients with chronic disorders of consciousness

S A Degtiareva1, D S Shiryaev1, Y S Andreev1,1 S Polukhin1, E A Kondratieva2, I G Smirnova1 and V E Bougrov1

1 Faculty of Laser Photonics and Optoelectronics, Saint-Petersburg, Russia

2 Polenov Neurosurgical Institute, the Branch of Almazov National Medical Research Centre, Saint-Petersburg, Russia

[e-mail]

Abstract. The monitoring is integral part for patients with chronic disorders, as such cases require serious attention to save their life and predict recovery. Physiological signs such as heart rate, hemodynamic, temperature, saturation are collected from biomedical sensors to bedside monitors that medical staff could detect unexpected life-threatening conditions being around the patients. However, it is a tough job to being stuck at monitor for every person. Furthermore, such continuous supervision may lead to difficulties due to human error. Thus there is a need to capture, display all physiological changes visually and give a medical emergency about health conditions when they are out of the normal range. The main objective is the development of the optoelectronic system for visual monitoring and data transmission of patients in a coma by optical wireless communication.

1. Introduction

A coma is a deep state of prolonged unconsciousness as a result of traumatic brain injury, stroke, brain tumor, diabetes, hypothermia or an infection. The number of accidents happens very high when the patients are admitted in the Intensive Care Unit (ICU) [1]. Coma usually lasts for less than 2 to 4 weeks in itself, then a patient may wake up into a vegetative state/unresponsive wakefulness state (VS/UWS) or minimally conscious state (MCS). It requires operative action to preserve their life and brain function as well as visual controlling of basic physical cues.

Diagnosis of chronic disorders of consciousness is a threat to the patient's life and requires a continuous monitor of the values on bedside monitors, even in the face of the increased workload of medical personnel. In the meantime, patients are admitted to the rehabilitation unit after without any monitoring system after ICU, cause he or she is considered stable. Nevertheless, the need to monitor the physiological parameters remains.

Imaging techniques, including functional magnetic resonance imaging, EEG, and FDG positron emission tomography have great potential to predict the diagnosis of VS/UWS and MSC [2-5]. They can be used to investigate metabolic and functional impairment of the brain. However, diagnosis of the VS/UWS and MSC should be based on a patient's clinical history and on simple visual observations as well. Therefore, monitoring systems should be applied.

Recently developments provide more convenient and comprehensive medical monitoring. Some of them are focused on system that collect health parameters [6-7]. Other developments are dedicated to

(J) H Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution K^H^B of this work must maintain attribution to the authorts) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

SPbO PEN 2021

IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series

2086(2021) 012080 doi:10.1088/1742-6596/2086/1/012080

wireless patient monitoring systems [8-9]. However visual module is not implemented to monitor physical changes in real-time. Thus, there is a need to develop a system that helps to read vital physiological parameters, display their changes in real-time and indicate a deterioration or improvement of the patient's internal state. The development of a visual display object with established light-emitting diodes allows to represent physiological changes by controlling parameters and send them by optical wireless communication immediately.

2. Methods

A current system has 2-3 sensors on the patients. It is designed to collect the values of physiological parameters from sensors, display received data according to specified scenarios of light-emitting diodes on a visual object, and transmit data to a server or personal computer using optical wireless communication technology for viewing. The system will help to read the state of patients with chronically impaired consciousness, such as the vegetative state (such vital functions as heart activity and breathing are preserved), the state of minimal consciousness (pain stimuli, environmental eye-tracking persist) the syndrome of unresponsive wakefulness (cognitive functions are preserved).

Biomedical sensors Data analysis and processing Display and transmission

Ill

Photodetector Receiving and signal decoding

Figure 1. Diagram of the visual display and data transmission system.

The most important indicators of patient physiological state as measured signals were selected: heart rate (sensor working range 60-120 beats per minute), arterial oxygen saturation (sensor working range 95-99%), body temperature (sensor working range 36-38 degrees).

Under signs of these types of depression of consciousness, the most important indicators of the physiological state of patients as pulse rate, arterial blood oxygen saturation, and body temperature were selected as measured signals. The block diagram is presented in Figure 1 below.

A working principle is shown in Figure 2.

A bracelet with established light-emitting diodes is currently offer as a visual object. It visualizes the physiological parameters of patients in several scenarios: the values of physiological parameters are normal, the values of physiological parameters are lower than normal values, the values of physiological parameters are higher than normal values. If the values are in the range of normal values, the scenario is implemented in the form of pulsating green color. When the values are outside

SPbOPEN 2021_IOP Publishing

Journal of Physics: Conference Series 2086(2021) 012080 doi:10.1088/1742 -6596/2086/1/012080

Acknowledgments

We thank Almazov Research Medical Centre for its great contribution and consulting support. This work was supported by RFBR grant № 19-29-01066/2020

References

[1] Manonmani A, Arivalagan M, Lavanya M and Sellakumar S 2020 Coma patient

monitoring using brain computer interface Int. J. of Psychosocial Rehabilitation 24 3701-10

[2] Suiter E 1992 The brain response interface: Communication through visually-induced

electricalbrain responses J. Microcomput. Appl. 15 31-45

[3] Edlow B L, Wu O and Giacino J 2013 Functional MR1 and Outcome in Traumatic coma

Curr.Neurol, andNeurosci. Rep. 13 375

[4] Bates D 2001 The prognosis of medical coma J. of Neurology, Neurosurger and Psychiatry 71

20-23

[5] Heiss W D 2012 Pet in Coma and in vegetative state Eur. J. of Neurol. 19 207-211

[6] Kansal N, Dhillon H 2011 Advanced Coma Patient Monitoring system Internation

Journal ofScientific and Engineering Research 2

[7] Kamel M, George L E 2013 Remote Patients Tracking and Monitoring System

International J.of Computer Sci. and Mobile Computing 2

[8] Muneeswaran D, Praveen T 2020 Implementation of body movement detection system for

comapatients using WSN Int. J. of Grid and Distributed Computing 13 161-166

[9] Malika, Rana C, 2013 An Indoor Wireless Zigbee based Patient Monitoring system for

Hospitals Int. J. of Engineering Sci. Research- IJESR 4

Journal of Physics: Conference Series

1697 (2020) 012172

doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012172

Visual control and data transmission system by Li-Fi technology for patients in a vegetative state/unresponsive wakefulness syndrome and minimally conscious state

S A Degtiareva1, E A Kondratieva2,1 G Smirnova1,1 S Polukhin1, Y S Andreev1and VE Bougrov1

'Faculty of Laser Photonics and Optoelectronics, ITMO University, 49 Kronverksky prospect, Saint-Petersburg, Russia

2Polenov Neurosurgical Institute, the Branch of Almazov National Medical Research Centre, 12 Mayakovskaya street, Saint-Petersburg, Russia

E-mail: [e-mail]

Abstract. Due to the development of high technologies, there is a need to use computer systems to support the increasingly complex types of human activities. It provides high accuracy and speed of various research and medical examinations. Taking into account the daily workload of doctors in the Intensive Care Unit, remote medical diagnostics systems are being implemented in many referral hospitals to predict the course of diseases. Decision-making is the result of processing certain information, the medical history patients based on the use of accumulated knowledge. Therefore, it can be concluded that automatic and visual control systems make the diagnosis process more accurate and easier. The aim of the work is to develop an optoelectronic system for visual monitoring and data transmission for patients in a coma by Li-Fi technology.

1. Introduction

The concept of Li-Fi technology is currently attracting a great deal of interest in many research areas. Medical practice is one of them. The principle of Li-Fi (Light Fidelity) is to change the light intensity of the LED light bulb at a very high speed. The LED intensity is modulated so rapidly that human eyes cannot notice. Currently, the transfer rate for Li-Fi technology is 10 Gbit/s using various types of modulation [1-3]. One of the most important advantages of Li-Fi is that it could be used in hospitals and medical settings that require the lack of RF signals which affect the medical equipment. Wirelessly transmitting data from the patient to the machines cluttering hospital rooms creates the risk of electromagnetic interference. For example, a group of researchers in South Korea proposed that some machines use Li-Fi. The team used visible light communications to transmit readings from an electroencephalograph over a distance of about 50 centimeters [4]. Thus, the implementation of wireless data transferring from medical devices exempt patients from large number of cables during surgery or other procedures and avoids interference on a crowded radio spectrum.

Li-Fi technology does not use the radio frequency spectrum and can be used where Wi-Fi is not available. Another important advantage of technology is high security: because of the signal will not spread through walls, it is difficult to intercept that. Due to its advantages, Li-Fi has a lot of life applications.

(cc) (X) Content from this work may be used under the tenns of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution K^KEHiif this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

Journal of Physics: Conference Series

1697 (2020)012172 doi:10.1088/1742-6596/1697/l/012172

The aim is a Li-Fi-based optoelectronic system for visual monitoring of vital signs from bedside monitor and transmission of its changes in cases of emergency.

2. Medical preconditions

A coma is a deep state of prolonged unconsciousness as a result of traumatic brain injury, stroke, brain tumor, diabetes or an infection. But coma usually lasts for less than 2 to 4 weeks in itself, then a person may wake up into a vegetative state/unresponsive wakefulness state (VS/UWS) or minimally conscious state (MCS). Patients in VS/UWS and MCS either do not perceive reality at all or perceive it partly. It requires operative action to preserve life and brain function as well as visual controlling of basic physical clues such as heart rate, pulse, body temperature.

The continuous visual-based monitoring of the VS/UWS and MCS coma patients could be more convenient and comprehensive, cause the usual monitoring process can lead to tough load for medical health cares. Imaging techniques, including functional magnetic resonance imaging, FDG positron emission tomography are proven to be useful in determining the diagnosis of VS/UWS and MSC [5]. However, diagnosis of the VS/UWS and MSC should be based on a patient's clinical history and on simple visual observations as well. In this context the development of blanket with established light-emitting diodes allows to facilitate control process, that is commonly used in Intensive Care Unit, Critical Care Unit and Emergency Rooms of hospital. Thus, in the emergency cases, doctor is able to monitor patient condition efficiently to reduce time consumption.

3. Method

3.1. Monitoring system for patients in a coma by pain assessment

A diversity of pain for patients with prolonged disorders of consciousness (PDOC) - VS/UWS and MSC is defined by the International Association for the Study of Pain (IASP) as unpleasant sensory and emotional experience related to real or potential tissue damage...» [6]. It raises the question of whether sensory or emotional experience is possible for such illnesses. It is obvious that the conscious perception of pain in this category of patients is non-existent. Simultaneously, some processes which are afferent signals of pain are constantly presented in a patient with congestive heart failure. They are spasticity, contractures, calcifications and polyneuromyopatliy.

One more issue is the influence of nociceptive afferentation without pain experience on the possibility of consciousness recovery. Traditionally, pain therapy is aimed at stopping pain experience. Assuming that patients with heart failure feel no pain, the stabilization of autonomic parameters may be insufficient. The main task to solve this issue is studying the functional features of the central nervous system. The group of patients highlighted in recent years with the phenomenon of "covert consciousness" is of particular interest. During the studies of the response to pain stimulus (PS), the informative significance of the scale for assessing pain in patients in a coma and device for the study of cardiac interval using the ANI monitor were studied (analgesia-nociception index). AM monitor was used for 29 patients with congestive heart failure (9 patients in a VS/UWS and 20 patients in MCS). The age of the patients ranged from 22 to 56 years (the average age is 34.75 ±11.54).

The average value of the ANI index for patients in a VS/UWS is - 67.44 ± 10.73 before PS, 49.55 ± 14.49 during PS, and 73.66 ± 10.48 30 minutes after. The average score on the scale for assessing pain for patients in a VS/UWS during PS is 1.44 ± 1.07. The average values of the ANI index in patients in MCS: 66.25 ± 14.11 before, 45 ± 16.12 during PS and 66.55 ±18.1 after. The average score on the pain scale in patients in MSC during the PS is 3.6 ± 1.83. A comparison of the average values of the ANI index between two groups of patients before, during PS and 30 minutes after PS did not reveal statistically significant differences (p> 0.05).

Thus, the same dynamics of changes in the ANI index was noted both in the initial and in response to PS. The initial value of ANI index was higher than 66.25, indicating the absence of pronounced vegetative reactions in the dormancy paradigm.

Journal of Physics: Conference Series

1697 (2020) 012172

doi:10.1088/1742-6596/1697/1/012172

Heart rate

Sp02

Sp02 S

Figure 2. Layout of light emitting diodes.

Light-emitting diodes have a permanent lighting effect in the absence of critical changes. In case of changing one of them, the group of diodes lights up in red, infrared diodes transmit information via infrared light to the photodetector module. Arduino receives a signal coming from the photodetector and send it to the local network.

3.3. Methods for measuring in bedside monitor

The principle of operation for cardiometry module is based on measuring cardiac action potential using electrodes on the surface of the patient's body. The electrical signals are converted into an ECG after processing, which is displayed on the monitor screen and used to calculate heart rate.

The principle of operation for the thermometry module is based on measuring the resistance of the temperature sensor. The resistance of a thermistor is measured using electrical circuits and converted to a temperature value displayed on the monitor display.

Arterial oxygen saturation (Sp02) is measured by Sp02 sensors. A measuring range of the ratio of modulation index (A) of two in-phase modulated signals is expressed in units of saturation (Sp02). The relationship between Sp02 and A is determined as the calibration curve, %.

4. Summary and discussion

Obviously, the role of visual diagnostic system has greatly evolved in the last years. The interpretation is not anymore limited for the monitoring of brain activity, pain assessment or other characteristics on the bedside monitor. Visual analysis was suggested to provide sufficient information, but it can be tune-consuming for clinicians. The development of an automated visual control system should make it more feasible in clinical settings.

The optoelectronic system for monitoring patients in a coma was developed to read vitally important bodily characteristics from a distance and respond to patients alarms promptly by using high-speed wireless communication technology. It will help to control the physical state instead of being in stuck into the monitor. Although Ethernet transfer technology is an essential feature of modern bedside monitor, data transmission Li-Fi technology is faster and can be used where Wi-Fi is not applicable. It does not replace bedside monitoring, but may be a flexible way of continuous surveillance within the care unit. Further scientific and measurement results will be presented in the next articles.

Simplex connection from bedside monitor to blanket as visual object was realized. Currently set-up of the data transmission system is in the process. Testing in the Intensive Care Unit of Polenov Neurosurgical Institute (branch of Almazov National Medical Research Centre) is the next step.

International Conference PhysicA.SPb/2020_IOP Publishing

Journal ofPhysics: Conference Series 1697 (2020)012172 doi:10.1088/1742-6596/1697/l/012172

In conclusion, the visual control system represents a very useful tool for the assessment of patients in a vegetative state or state of minimal consciousness. The received information should be combined with behavioral evaluations to improve the prognosis and diagnosis of the patients.

Acknowledgments

We thank Almazov Research Medical Centre for sharing us data devices involved in the project and contribution on medical testing.

Faculty of laser photonics and optoelectronics at ITMO University thanks Triton company for technical support during the project development.

The reported study was supported by RFBR, research project № 19-29-01066/2019.

References

[1] Zhang M, Shi M, Wang F, Zhao J, Zhou Y, Wang Z and Chi N 2017 4.05-Gb/s RGB LED-based

VLC System Utilizing PS-Manchester Coded Nyquist PAM-8 Modulation and Hybrid Time-frequency Domain Equalization Optical fiber communication Conf, (San-Diego) W2A.42

[2] Dirnitrov S and Haas H 2015 Principle of LED Light Communications (Cambridge: Cambridge

University Press) p 207

[3] Islim M S et al. 2017 Towards 10 Gb/s orthogonal frequency divisionmultiplexing-based visible

light conimunicationusing a GaN violet micro-LED Photon. Research 5 A35-43

[4] Dhatchayeny D, Sewaiwar A and Tiwari S 2015 Experimental biomedical EEG signal

transmission using VLC IEEE Sensors J. 15 5386-87

[5] Bates D 2001 The Prognosis of Coma J. of Neurology, Neurosurger and Psychiatry 71 20-23

[6] Brennan F, Cousins M and Carr DB 2007 Pain Management: A fundamental human right

Anesthesia & Analgesia 105 205-211

Visual Control System Based on Nociception-Analgesia Index for Patients in a Vegetative State/Unresponsive Wakefulness Syndrome and Minimally Conscious State

Svetlana Degtiareva1, Ivan Polukhin1, Irina Smirnova1, Ekaterina Kondratieva2 and Vladislav Bougrov1

1ITMO University, Saint-Petersbnrg, Russia [e-mail]@yandex.ruI [e-mail] I [e-mail] - Polenov Neurosurgical Institute, the Branch of Alrnazov National Medical Research Centre. Saint-Petersburg. Russia [e-mail]

Abstract. Considering people who are in a coma, doctors have to rely on physical clues and information provided by monitoring systems. It is commonly used for patients in a vegetative state, as contact with them is difficult. Taking into account the typical workload of the doctor, they require several tools to monitor the coma depth, since it is hard to perform a clinical evaluation hourly. Therefore, visual perception and monitoring of physical state for coma personnel proved to be more convenient for prompt decision-making, hi a number of cases, it would be possible to make prognosis for their recovery and monitor effectiveness of treatment courses. Visual control system based on RGB led strips according to the AM range of values was created. In conclusion, the connecting scheme of ANI monitor with implementation of visual object was presented.

Keywords: ANI-rnonitoring. Coma. Index of Analgesia, Nociception.

1 Introduction

Caring for health is somehow linked with the automatic systems [1]. Special attention is paid to healthcare industry because monitoring and controlling physical signs like temperature, pressure, humidity, lights are more effective instead of being in stuck into bedside monitor. It should be mentioned monitoring of coma patients is tough job for staff to control each patient's 24 hours, that may lead to difficulties due to human error. Thus, automatic products are the main interest for more convenient and comprehensive medical monitoring.

Copyright © 2020 for this paper by its authors. Use permitted under Creative Commons License Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

" Publication is supported by RFBR grant №19-29-01066/2020

2 S. Degtiareva, I. Polukhin, I. Smirnova, E. Kondratieva, V. Bougrov

The main idea is to develop a non-intrusive visual control system without compromising the patients' privacy which can display any patient data in any part of body and issue a timely warning by visible light.

2 Relevance

Diagnostic methods for assessment of impairment of conscious level are still widely used in the treatment in an Intensive Care Unit. It includes tests of orientation, attention, memory, language and visual-spatial skills. At first, J. Bennett invented Glasgow Coma Scale (GCS) for reliable and objective way of recording the conscious state of a person in 1974. The Mini-Mental State Exam (MMSE) by Folstein M.F. was developed in 1975 as test of cognitive function among the elderly [2]. Nevertheless, traditional neuropsychological tests are not enough as a daily routine screening tool and require continuous supervision by a paramedical assistant. Besides physiological assessment is a critical step for the detection of signs of consciousness.

Recent applied developments opened up new avenues for research and exploration in the all fields including medical and health care industry. They are able to make a better description of what consciousness actually is. Samuli Siltanen from University of Helsinki proposed electrode helmet, using electrical impedance tomography, however, it was found information is not easily extracted from the results since electricity flows throughout the body whereas x-rays travel only in straight lines [3]. The main drawback is application after surgery, before removing stitches and in the presence of head wounds is possible. Akane Oyama, Shuko Takeda proposed completely different method, the eye tracking-based cognitive scores for sensitive detection of cognitive impairment [4]. The ubiquity of liaptic technology created new care model advanced medical tools simultaneously. As an example. Far Eastern Federal University VR/AR Center conducts resear ch on the use of VR / AR technologies in rehabilitation program for stroke patients with impaired motor functions.

In Intensive Care Unit special attention is paid to bedside monitors for prompt evaluation after surgery under general anesthesia. They are Analgesia Nociception Index Monitoring, Bispectral index Monitoring, MedStorm. [5]. Even through presented methods are extremely important for coma patients, there has been no complex method for reading physical signs of coma patient and simultaneous displaying on textile visual control system so far. We present approach of reading Analgesia Nociception Index from monitor and further visual interpretation on a visual object. ANI Technology was chosen as available technology in Almazov Research Medical Centre participating as partner. Jacket was offered as the initial visual object.

3 Medical preconditions

The main idea of the proposed method is that the binary image is transformed into a geometric graph where each node corresponds to the peti position at some point during writing and edges model the pen movement between nodes. This way, the initial A coma is a deep state of prolonged unconsciousness as a result of traumatic brain injury.

Visual Control System Based onNociception-Analgesia Index for Patients in a Vegetative... 3

stroke, brain tumor, diabetes or an infection [6]. But coma usually lasts for less than 2 to 4 weeks in itself, then a person may wake up into a vegetative state/unresponsive wakefulness state (VS/UWS) or minimally conscious state (MCS). Patients in VS/UWS and MCS either do not perceive reality at all or perceive it partly. It requires operative action to preserve life and brain function as well as visual controlling of basic physical cues such as heart rate, pulse, body temperature.

The continuous visual-based monitoring of the VS/UWS and MCS coma patients could be more convenient and comprehensive, cause the usual monitoring process can lead to a tough load for health-care professionals Imaging techniques, including functional magnetic resonance imaging, FDG positron emission tomography is proven to be useful in determining the diagnosis of VS/UWS and MSC. However, diagnosis of the VS/UWS and MSC should be based on a patient's clinical history and on simple visual observations as well. In this context the development of visual control system with established light-emitting diodes allows to facilitate control process, which is commonly used in Intensive Care Unit, Critical Care Unit, and Emergency Rooms of hospital. Thus, in the emergency cases, the doctor is able to monitor patient condition efficiently to reduce time consumption.

4 Analgesia-nociception index for predicting of hemodynamic reaction

Currently, it is possible to make pain assessment by determining the nociception and analgesia index using air ANI monitor. This technology has been proposed for long-term monitoring of nociception. ANI monitoring is a non-invasive technique that can be used in patients of all age groups to avoid effects of over or under-dosing of analgesics during surgeries. ANI technology also monitors the parasympathetic tone, which provides information about the patient's comfort, i.e. the appearance of pain or stress.

The ANI index is expressed on a scale between 0 and 100 %. It expresses the relative amount of pi tone present as compared to sum of sympathetic and pS activities. When level of anesthesia is more than pain, it is between 50 and 70, patient has a dominant parasympathetic tone and possibly less pain/nociception. When the ANI index is lower than 50, hemodynamic reactivity is veiy likely. Thus, clinicians make a decision which analgesics are preferable.

Figure 1 shows elements of the ANI monitor.

Fig. 1. Elements of ANI monitor

4 S. Degtiareva, I. Polukhin, I. Smirnova, E. Kondratieva, V. Bougrov

Tliey are a single sensor and a dual sensor. The sensor itself is divided into two areas: adhesive area and the other active region which is covered with a conductive gel. A dual sensor is applied 011 the patient's chest. Electrodes are connected to the acquisition device using the cable. The last one is connected to the ANI monitor.

5 Methods

5.1 Visualization method

Jacket-based visual system with established light-emitting diodes is a current offer and selves as primary prototype. It consists of 6 strips of 29 light-emitting diodes with pixel addressing. The matrix 6x29 is presented in Figure 2.

Fig. 2. Light-emitting diodes as color matrix on a visual object

Each element is setting the color code in the HEX format (0: 0; 0) for addressing specific light elements.

5.2 ANI-index interpretation method

The principle of data interpretation in accordance with the range of values from 0 to 100 % is presented. During treatment, the patient monitor is continuously monitoring the coma patient to transmit the important information. It based on the ANI index and the lighting effects on a j acket. ANI range from 0 to 100% was divided into 3 ranges or lighting effects for the jacket: lower than 50%, 50-69%, 70-100%. Jacket is light up depending on which range the ANI index falls. The latest simplifies the observation of physiological sign and increases the monitoring effectiveness. Moreover, using the ANI index interpretation method during anesthesia it is possible to predict the risk of a hemodynamic reaction in response to nociceptive stimulation.

Visual Control System Based onNociception-Analgesia Index for Patients in a Vegetative. ■■ 7

cable. It lights up depending on the ANI index (nociception and anesthesia index) and range it falls.

Fig. 6. Construction scheme of visual control system

7 Results

The visual control system, integrated in the ANI-monitoring scheme, was developed. The jacket-based visual control system was tested in the Intensive Care Unit in Polenov Neurosurgical Institute. The average values of ANI index for patients in a VS/UWS and MCS were measured. It was found previously that the ANI index is 10 minutes ahead of the change in hemodynamic response parameters within nociceptive stimulation during general anesthesia. So, in conclusion, the visual control system allows to make the process of informing about timely medical intervention faster. However clinical judgment should always be used when interpreting the ANI index in conjunction with other available clinical signs.

References

1. A. Goswami, T.Bezbomali and K.C. Sarma: Design of an embedded system for monitoring and controlling temperature and light» proceedings, of IJEER Vol 1, No. 1, pp. 27-36,2009

2. M F. Folstein. S. E. Folstein and P. R. McHugh: Mini-Mental State: A Practical Method for Grading the Cognitive State of Patients for the Clinician. Journal of Psychiatric Research. Vol. 12, No. 3,pp. 189-198 (1975)

3. Dhatchayeny D. Sewaiwar A. Tiwari S: Experimental biomedical EEG signal transmission using VXC. IEEE Sensors Journal 15 5386-87 (2015)

4. Novel Method for Rapid Assessment of Cognitive Impairment Using High-Perfomiance Eye-Tracking Technology

5. R Abdullaev. E.Yildirim. B. Cilik: Analgesia Nociception Index: Heart Rate Variability Analysis of Emotional Status. Cureus Vol.11 (2019)

6. Bates D: The Prognosis of Coma. Journal of Neurology, Neurosurger and Psychiatry 71 2023 (2001)

7. Brennan F, CousinsM and Can- DB: Pain Management: A fundamental human right. Anesthesia & Analgesia 105 205-211 (2007)

углсродные наЕсотруйкн. фсрролемЕлсолержаизЕЕИ полнметилг ндроси.юкеан с доозв^ес-ееисм многостсннш углеродных наЕютрумиг и без нкх. 'Злсктричсекли контакт изготое-лсееных мембраЕ! сил проверсЕЕ методом спектроскопнЕЕ тока. наведенного электронным лучом (tHICf. Разрабочанние методы и материалы могут оып> нслошяваш для ища-ееия июпшчалкншЕ гибких iKopiannvecjaix онточлектрэппых устройств.

Ли iори рлооты вирлллют йагодарЕЕОстъгифошаносовучо поддержку ГФФН в рачки* проекта -ПсрсЕЕекшва".

] loMep проекта S-, I ч 1 : dftO«i

Система внзуального контроля н передача данных по технологии Li-Fi для пациентов в вегетативном состоянии и состоянии минимального сознания

Делшцжка СА', Бы put В.ИЛ СшфИиьа ИГЛ Полунин U.C..

AiUpcv-ь ЮиС.', KobUpHTbuti Е.А.^

1 Vtifíbepeiílel LLÏVIO

-'[Jl LXl t jlu. ipf Л. л. Пи.Il-nubil

«-■nil: r-.dLL-Cy U.PL". нУЧ'^Г LlimljtL'llL

В ciLiy развития Басашпхвашпй появляется нсо&ищвпгаь ееслольтовиггь компьютерные системы для подделки псе более сложееыз видов человеческий уитттлогти "Зго обеспечивает высокую точность ei скорость ЕЕровсддлся ра'1ЛЕЕЧЕЕЫх исследовании л медяцннеждх осиотрое_ Учитывая ежедневную загрузку врачей отделения hhtchchboíé тс ранил. во мееое лх лечебво-двиностеошх центрах ВЕвдрябогся днстакЕ(ионныс е лстеми мелпл.шсске!i диагностики в целях icpoi ееозееровзпеея течения эаоолсваЕЕИн. Так как црлпн-IK решений н iLiie i с i результатом ойравогкЕЕ определенной ннфор*Еа1ЛЕЕЕ. m нсторни болезни и базЕфуется ем ееспользовании накопленных знании. можно сделать вывод, что ав-то!ЕатЕЕЗЕ1роваЕЕн:ые л витуалыше системы коЕгтроля способшы ослегчить процеди воспри-ятзея информации и сделать Егронесс днаг нос пекл более точееым. дополнив, се антомяппи-рованвЕОЕЕ составляющей ее объектом визуального контроля. Цель работы - разработка оее-тико-члсктролэЕонсван kei ¡\¡i.ij,eioeo контроля л передачи :ejiieiux iueieiljijioeï в- коме еео ЕЕСДЕЕМОМу евегу.

1 [ р M Ч L* H L'H M L' ГСХЛМЛ □l'llll l.Í-1'L В ГЕКТШЕ Ч L.J El EEIE ЛГКОН I El LHI EElhL' I El h'IE

ЬоЛЬЦЕаЯ ПСрСЕЕеКТЛВа ЕЕрЕЕМСНеННЯ (КСЕЕрОВОДЕЕОН ЕЕСреДаЧЕЕ ДаЕЕНЫХ еео видимому снегу ЕЕаходнгся во мноенх наЕЕравлен иях, оде do л? лее* — mlmei 111IEK kj н практика. Принцип работы L1-3-1 U.iohl Fidelity) заключается в пзмсекпееи ннтснснеееостп света светодиодных неточнпков с 0япень високои скоростью, коiорыи не зшетен человеческому глазу. В настоящее время скорость передачЕЕ еео данной тгхнолоезис «нлишап MJ I бнт/с с ессноль-чованвкм различных веедов модуляции [1-3]. Актуальность теппшиа Li-Fi как метода ЕЕередичЕЕ дазшых в медицине объясняется отсутствием влиязлея »лектромаЕзлгтиих помех El j передачу н1ЕформаЕ(ин. ttiir.npeiiEic бос проводной ЕЕСредачЕЕ даиЕЕЫх от сенсоров. уста-новлсееных ва ice ее jjjei ejj [ j. к меднци некому оборудоваЕппо могло бы репшть дрстаточеео серьезную проблемус большим количеством ЕЕроводов во время проведсЕЕИя операЕ(И1Е л.чл др)'ПЕ\ процедур. ТсхнолоЕ ия Li-Fl не исЕЕО.чъзлч^трзлиочаетопЕЫ]| спектрн может использоваться гам, еде Wi-Fi недостулен. tuic одеео ваглЕЕое прстЕущеетво тешажнтш

21>4

Оплти il j екпцнмные прийоры

высчжая эащизцслзюсть: световой енгзэал не проникает через стены. a aniu civ невот-UŒKHO nqnillllL В TO "AL" ВрСМЛ ПрСДЪЯВЛЯЮ ICH ВЫСОКЕГе ТрСООВаННЯ К СКЛС11Ш ЕЕСрС-.I34JJ öo.ujei I i.i объемов дазиЕЫ*. таким показателям Kai; скорость обработки ■[ 1Еоследую-шая обработка енпзалов па мобшьЕЕЫх если иных устройства*. елу-лащих в качестве ссрЕЕ-ошв,

Системы мониторинга ieo*Eoiaior быстрее 1Еолучз!гь необтодиыуто информацию о пациенте и следить та ¡1 ¡ill;неймячи состояния больного во время лпшш, ню ш^иьва для мониторинга состояееив (Зольных в реанимации и палатах beiitlleechheeoh тершшы. В таком случае функция передачи длнвеых ею видимому шпуобеспршш бы своевременное ■Еслуче нз1я лjEi Eijii содерсказцих свсдсзлен о пациенте. В работе рассматривается система ввЕчуальвсово козагрч.чн и передачи донееых с скмндекспойЕ евятью монитор - Li-fi людуль с j.ljEi 13IBIE03Î 3ibllthoctlio зилучения (текущее предложение - 3ia оеззове одеяла \ для непрерывного мониторинга основееьгх параметров житнедеятсльностн. МовЕвггары вгоэво-ляют следить за -электрокардиограммой, частотой 31ульса. дыхаЕЕИя, земззературои ршнч-ееых участков тела, артерналшым н венозным давленном и т. д. Современные пололи нн-формз|рутото&отклоз1ениз1 данззых доказателен в ограниченном пространстве. На данззын момент модуль работает от сети 220 вольт н визуализирует три вгараметра: частотзво-сср-дечзвое сокращение. темЕЕературу тела, давлсвЕнс (озвредс;еяются фуззкциямвЕ конзфетного монитора). Одеяло на основе ветроешЕык К<> H лент щроти к нрвЕкроватвЕому монитору посредством разработанного кабе:ЕЯ- получает .тайные но протокол)' RS232. лшу-алвЕЗЕЕрует полученные данные в виде нвета и в случае отклонезввщ перелает еем но видимому свету во вееснжзозо сеть на фотопрЕЕСМЕЕВЕК.

Ii работе проведен процесс прототиннрованив и первичное anpooausui макета в лабораторных условиях. Работа вынолвсезза в сотрудничестве с отделением авЕасгстиолозвпв н рсашзмито:зоЕ шз Россзпеского ЕЕа-учвЕО-нсследовательскозо ненрох.ирургичссх»го khctie-тутаниенн профессора AJL Поленова.

Список литературы

]. Mcnjin: Zhüiij. Meng Shi. Kuniin Waiç. Iiaqi ZJioo. Yiiigun Zhou, ZhL\m Wang, and Chi U.OS-GbA KOB LE&based VlC System U<j]ji"irii; PS-MaLicheüer Coded NyquLsT FAM-H Modulation and Hybrid Tee-frequency Dcmun limualLzatBon", 2017 1. Svilen [JimLlrav. Harald Maas "Principle of LED Lig.N СшшшиияЬив" ID I ! 3. Mohamed Suiyan Ыип. Kicoido X. Ксгтевга. Xjangyu Не. Lnyuan \lo. Stetàn Vufcv, Shaun lola_ Seo11 Watson. \ikolao> Hamiedaki*. Richard V. Pcniy. laEiH. White. Anthony L. Kelly. Lrdan üu. Harald Haas. ±ad Martin U. Dawson "Towards HJ üb-'H orthogonal frequency divLSLonmultip]cMni>-bascd visible light coEiuuuniL-аЛlonus-jnga <iaM vjolel micno-LbD", JU1T ■I. С. Cha le He. D. Le-ietilàrili. <}. Noidunuiie "ülcclrophy^iology in Disorders and

Ci in и » 4M in from convert lonal ttti visual analysis to brain computer LnLcrtäeci"