Минобрнауки России ЮгоЗападный государственный университет
 Скачать 1.36 Mb.
|
|
Минобрнауки России Юго-Западный государственный университет Кафедра биомедицинской инженерии е ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА ПО ПРОГРАММЕ БАКАЛАВРИАТА 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, (код, наименование ОП ВО: направление подготовки, направленность (профиль)) профиль «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Мобильное устройство мониторинга температуры для системы (название темы) климатического контроля медицинских помещений Дипломный проект (вид ВКР: дипломная работа или дипломный проект) Автор ВКР ___________________________ К.А. Ульянцева (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Группа БМ-51б Руководитель ВКР ___________________________ Р.А. Крупчатников (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Нормоконтроль ___________________________ О.В. Шаталова (подпись, дата) (инициалы, фамилия) ВКР допущена к защите: Заведующий кафедрой ___________________________ Н.А. Кореневский (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Курск 2019 г. Минобрнауки России Юго Западный государственный университет Кафедра биомедицинской инженерии УТВЕРЖДАЮ: Заведующий кафедрой ____________________________ (подпись, инициалы, фамилия) «____» ___________ 20___ г. ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ ПО ПРОГРАММЕ БАКАЛАВРИАТА Студент Ульянцева К.А. и шифр 15-06-0113 группа БМ-51б (фамилия, инициалы) 1. Тема Мобильное устройство мониторинга температуры для системы климатического контроля медицинских помещений утверждена приказом ректора ЮЗГУ от «____» ________ 20___ г. № _____ 2. Срок представления работы к защите «____» ________ 20___ г. 3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования): задание руководителя 4. Содержание работы (по разделам): 4.1. Обозначения и сокращения 4.2. Введение 4.3. Анализ проблемы обеспечения климатического контроля в медицинских помещениях и постановка задач исследования 4.4. Медико-технические требования 4.5. Обоснование структурной схемы устройства 4.6. Выбор элементной базы 4.7. Разработка программного обеспечения и проверка его работоспособности 4.8. Заключение 4.9. Список использованных источников 5. Перечень графического материала: Плакат 1 – Схема электрическая структурная Плакат 2 – Схема электрическая принципиальная Плакат 3 – Алгоритм работы программного обеспечения Плакат 4 – Интерфейсные окна программного обеспечения Руководитель работы (проекта) _________________ Р.А. Крупчатников (подпись, дата) (инициалы, фамилия) Задание принял к исполнению ________________ К.А. Ульянцева (подпись, дата) (инициалы, фамилия) РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа изложена на 86 страницах, включает в себя 5 разделов, введение и заключение, 42 рисунка, 7 таблиц, 5 формул и 35 литературных источников. Перечень графического материала: Плакат 1 – Схема электрическая структурная, Плакат 2 – Схема электрическая принципиальная, Плакат 3 – Алгоритм работы программного обеспечения, Плакат 4 – Интерфейсные окна программного обеспечения. Ключевые слова: климатический контроль, мониторинг температуры и влажности, программное обеспечение, устройство мониторинга климатических показателей. Объект исследования – мониторинг показателей температуры и влажности, направленный на обеспечение климатического контроля в медицинских помещениях. Целью работы является разработка устройства и программного обеспечения, которое позволит осуществить климат-контроль в помещениях больницы. Основными задачами данной выпускной квалификационной работы являются: 1. Исследование предметной области и проведение анализа рассматриваемой проблемы; 2. Изучение методов и способов решения рассматриваемой проблемы, а также изучение технических аспектов предметной области; 3. Проектирование предложенного технического решения; 4. Разработка программного обеспечения для решения данной проблемы. Область применения: разрабатываемый прибор предназначен для измерения температуры и влажности наружного воздуха в медицинских помещениях и отображения текущих значений данных показателей на экране компьютера. ABSTRACT The final qualifying work consists of 5 sections, introduction and conclusion set out on 86 pages. It contains 42 figures, 7 tables and 5 formulas. 35 literary sources were used to write the work. List of graphic material: Poster 1 – Diagram of electrical structural, Poster 2 – Circuit diagram of electrical, Poster 3 – the Algorithm of the software, Poster 4 – Software interface windows. Key words: climate control, monitoring of temperature and humidity, software, monitoring device of climate indicators. The object of the study – monitoring of temperature and humidity, aimed at providing climate control in medical facilities. The aim of the work is to develop a device and software that will allow to carry out climate control in the premises of the hospital. The main objectives of this final qualifying work are: 1. Research of the subject area and analysis of the problem under consideration; 2. The study of methods and methods of solving the problem, as well as the study of technical aspects of the subject area; 3. Design of the proposed technical solution; 4. Development of software to solve this problem. Field of application: the developed device is designed to measure the temperature and humidity of the outdoor air in medical facilities and display the current values of these indicators on the computer screen. Разраб. Пров. Н.контр Утв. Изм. Лис. № докум. Подп. Дат Лит. Лист Листов 5 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Мобильное устройство мониторинга температуры для системы климатического контроля медицинских помещений Пояснительная записка 86 Ульянцева Кореневский Т.контр Крупчатников У ЮЗГУ – БМ51б Шаталова СОДЕРЖАНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7 ВВЕДЕНИЕ 8 1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КЛИМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В МЕДИЦИНСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9 1.1 Необходимость создания комфортных условий в помещениях медицинского назначения 9 1.2 Анализ существующих средств контроля климатических показателей в помещениях 17 1.3 Обобщение результатов анализа и постановка задач исследования 27 2 МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ 32 3 ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 41 4 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 43 4.1 Датчик температуры и влажности 43 4.2 Ethernet-модуль ESP-12E 44 4.3 Дисплей 47 4.4 Блок питания 49 4.5 Блок USB-интерфейса 54 5 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРОВЕРКА ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТИ 57 5.1 Программное обеспечение 57 5.2 Назначение устройства 58 5.3 Проверка работоспособности программы 58 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82 Изм Лист №докум Подп Дата Лист 6 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ На отдельных листах: Плакат 1 – Схема электрическая структурная; Плакат 2 – Схема электрическая принципиальная; Плакат 3 – Алгоритм работы программы; Плакат 4 – Интерфейсные окна программного обеспечения. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 7 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ АЦП – Аналого-цифровой преобразователь; ВБИ – внутрибольничная инфекция; ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения; ЛПУ – лечебно-профилактическое учреждение; ПО – программное обеспечение; ПК – персональный компьютер; ПЭВМ – Персональная электронно-вычислительная машина; ЮЗГУ – Юго-Западный государственный университет. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 8 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ ВВЕДЕНИЕ Микроклимат – это сочетание физических факторов, которые оказывают влияние на теплообмен человека с окружающей средой, его самочувствие, работоспособность, здоровье и производительность труда. Микроклимат оказывает влияние практически на все процессы, происходящие в живом организме. Под влиянием температурного воздействия в организме начинаются процессы, включающие биофизическую и биохимическую фазы изменений и достигающие уровня сложных физических реакций. При определенном уровне их напряжения в организме могут развиваться патологические процессы. Микроклимат помещений лечебных учреждений определяется сочетанием температуры, влажности, подвижности воздуха, температуры окружающих поверхностей и их тепловым излучением. Параметры микроклимата определяют теплообмен организма человека и оказывают существенное влияние на функциональное состояние различных систем организма, самочувствие и здоровье. Оптимизация микроклимата в помещениях больницы способствует благоприятному течению и исходу болезни, т.к. компенсаторные возможности больного ограничены, чувствительность к неблагоприятным факторам окружающей среды повышена. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 9 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ 1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КЛИМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В МЕДИЦИНСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Необходимость создания комфортных условий в помещениях медицинского назначения Создание комфортных условий в помещении является важной социальной задачей, так как внутренняя среда оказывает непосредственное влияние на состояние здоровья человека. Понятие температурного комфорта для каждого человека индивидуально [1]. Тепловой комфорт человека зависит не только от надетой на него одежды и степени его подвижности, но и от параметров микроклимата помещения [2]. Микроклимат – совокупность факторов воздушной среды, отражающая влияние на теплообмен организма человека в помещении [3]. Благоприятным является микроклимат, когда количество теплоты, произведенной организмом человека, равно количеству теплоты, отданного человеком в окружающую среду [2]. Выделяют пять основных параметров микроклимата в помещениях [3]: 1) температура воздуха; 2) влажность воздуха; 3) скорость движения воздуха; 4) тепловое (инфракрасное) излучение; 5) температура нагретых поверхностей отопительных приборов. Самым важным фактором комфортности является показатель температуры в помещении. Например, низкие температуры провоцируют отдачу тепла организмом человека, тем самым снижая его защитные функции. Если человек, находясь в помещении, будет постоянно страдать от переохлаждения, то подверженность частым простудным или же Изм Лист №докум Подп Дата Лист 10 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ инфекционным заболеваниям гарантирована. Аналогичная ситуация складывается и с очень высокой температурой в помещении (более 27 ºС). Борясь с жарой, организм выводит соль из организма. Данная ситуация чревата снижением иммунитета, нарушением водно-солевого баланса, который, как известно, регулирует работу многих систем в организме. Вторым по значимости фактором, оказывающим влияние на теплообмен человека, является влажность воздуха. Её физиологическая роль состоит в том, что температура воздуха будет оказывать неблагоприятное воздействие при выраженной степени насыщения воздуха парами воды [2]. В меру влажный воздух (φ=40-60%) создает комфортные условия для работ и отдыха. К примеру, в зимний период он способствует укреплению иммунитета, так как не позволяет пересыхать слизистой и становиться уязвимым для вирусов, в летний период при комфортной влажности легче переносить жару и поддерживать здоровое состояние кожи. Очевидно, что с повышением температуры воздуха происходит увеличение влагосодержания [4]. Из этого следует, что влияние температуры воздуха на организм человека неразрывно связано с показателем влажности в помещении. Неблагоприятное воздействие как высокой, так и низкой влажности оказывает существенное влияние на показатель температуры в помещении. Так, например, большая влажность при температуре воздуха выше 25 ºС способствует перегреванию организма вследствие затруднения отдачи тепла путем испарения воды с поверхности кожи. Даже при отсутствии видимого потоотделения (при 15-20 ºС) человек теряет через кожу около 0,4-0,6л воды в сутки и с выдыхаемым воздухом – 0,3-0,4 л. Из этого следует, что в результате перегревания наблюдается ухудшение самочувствия, ощущения тяжести и духоты. Значительная влажность в сочетании с низкой температурой воздуха способствует охлаждению организма. Это объясняется тем, что теплоемкость водяных паров больше теплоемкости воздуха, поэтому на нагревание Изм Лист №докум Подп Дата Лист 11 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ холодного сырого воздуха расходуется больше тепла. Такое состояние микроклимата в помещении отрицательно сказывается на состоянии здоровья человека, так как продолжительное пребывание людей в сырых, плохо отапливаемых помещениях понижает сопротивляемость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, а также к ревматизму, туберкулезу и заболеваниям почек. Объективно оценить влияние показателя температуры в помещении на организм человека возможно при измерении влажности в помещении, так как между данными показателями существует прямая взаимосвязь. Следует отметить, что для мониторинга температуры в медицинских помещениях необходимо уделять особое внимание пациентам, которые находятся на лечении. Поэтому для комфортного пребывания пациента в палате больницы целесообразнее осуществлять мониторинг температуры совместно с измерением показателем влажности. Одним из нормативных документов, устанавливающих правила оценки параметров микроклимата помещений жилых и общественных зданий, является ГОСТ 30494-2011 [5]. Помещения согласно СНиП 41-01-2003 классифицируются на три группы [6]. К первой группе относятся помещения жилых, общественных и административных зданий. Ко второй группе относятся производственные помещения, различаемые по степени тяжести выполняемой физической работы на: легкой, средней и тяжелой тяжести. К третьей группе относятся помещения лечебно-профилактических (ЛПУ), учебных и дошкольных учреждений. В Российской Федерации существуют разнообразные лечебно- профилактические учреждения (ЛПУ) [7]. К ним относятся: 1) Больничные учреждения (больницы различной мощности); 2) Диспансеры (противотуберкулезный, кожно-венерологический, онкологический, психоневрологический и т.д.); Изм Лист №докум Подп Дата Лист 12 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ 3) Амбулаторно-поликлинические учреждения (городские, районные, стоматологические поликлиники, медико-санитарные части, врачебные здравпункты на предприятиях и т.д.); 4) Учреждения охраны материнства и детства (родильные дома, детские консультации, ясли, дома ребенка); 5) Санаторно-курортные учреждения; 6) Учреждения скорой медицинской помощи; 7) Санитарно-противоэпидемические учреждения (центры гигиены и эпидемиологии, противомалярийные станции, дезинфекционные станции и т.д.). Обеспечение микроклимата в зданиях медицинского назначения или ЛПУ является сложной, требующей специальных знаний, опыта и нормативных документов, задачей из-за наличия в одном здании больницы помещений различных классов частоты [8]. Так, например, в помещениях классов чистоты А и Б относительная влажность не должна превышать 60% [2]. Кроме того в помещении больничной палаты круглый год необходимо поддерживать параметры воздуха на уровне теплового комфорта для человека, которые нормируются по температуре и влажности воздуха в зоне обитания людей [9]. Расчетные параметры микроклимата для помещений постоянного пребывания больных должны приниматься в соответствии с требованиями СНиП 31-06-2009 [10, 11]. Отопительные и допустимые показатели микроклимата на рабочих местах персонала должны определяться в соответствии с СанПиН 2.2.4.3359- 16 [10, 12]. К примеру, оптимальными значениями температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в помещениях общего профиля соответственно являются для холодного периода года – 21-22 °С, 30-45%, 0,1 м/с; для теплого периода года – 23-24 °С, 30-35%, 0,15 м/с [10, 13, 14]. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 13 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ В настоящее время в больничных палатах, как правило, нет средств охлаждения воздуха. Это приводит к тому, что в жаркое лето создает крайне тяжелые условия для людей, находящихся в этих помещениях. Особенно это неблагоприятно отражается на физическом состоянии людей, имеющих различные заболевания сердечно-сосудистой системы [9]. Расчетную температуру воздуха помещений больниц, родильных домов и других лечебных стационаров определяют по СанПиН 2.1.3.2630-10 [15]. Рекомендуемая расчетная температура воздуха помещений лечебных, профилактических, вспомогательных и научно-исследовательских учреждений приведена в таблице 1.1 [2]. Таблица 1.1 – Расчетная температура для различных классов частоты помещений различных ЛПУ Наименование помещения Класс частоты Расчетная температура, °С 1 2 3 Операционные, послеоперационные палаты, реанимационные залы (палаты), в том числе для ожоговых больных, палаты интенсивной терапии, родовые, манипуляционные- туалетные для новорожденных А 21-24 Послеродовые палаты, палаты для ожоговых больных, палаты для лечения пациентов в асептических условиях, в том числе для иммуннокомпрометированных Б 21-23 Послеродовые палаты с совместным пребыванием ребенка, палаты для недоношенных, грудных, травмированных, новорожденных (второй этап выхаживания) Б 23-27 Изм Лист №докум Подп Дата Лист 14 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ Продолжение таблицы 1.1 1 2 3 Шлюзы в боксах и полубоксах инфекционных отделений В 22-24 Рентгенооперационные, в том числе ангиографические Б 20-26 Стерилизационные при операционных Б 20-27 Палатные секции инфекционного отделения, в том числе туберкулезные В 20-26 Палаты для взрослых больных, помещения для матерей детских отделений В 20-26 Шлюзы перед палатами для новорожденных В 22-24 Процедурные магнитно- резонансной томографии В 20-23 Процедурные и асептические перевязочные, процедурные бронхоскопии Б 22-26 Процедурные с применением аминазина В 20 Процедурные для лечения нейролептиками В 18 Кроме того немаловажным аспектом при анализе данной проблемы является взаимосвязь распространения внутрибольничных инфекций (ВБИ) и микроклимата в помещении. За последние десятилетия в нашей стране и за рубежом отмечается рост гнойно-воспалительных заболеваний, вызванных инфекциями, которые по определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) принято называть внутрибольничными [16]. В настоящее время ВБИ являются одной из основных причин заболеваемости и смертности госпитализированных больных. Присоединение ВБИ к основному заболеванию нередко сводит на нет результаты лечения, увеличивает послеоперационную летальность и длительность пребывания больного в стационаре. Изм Лист №докум Подп Дата Лист 15 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ При анализе заболеваний, вызванных внутрибольничными инфекциями (ВБИ), было выявлено, что их частота и продолжительность находятся в прямой зависимости от состояния воздушной среды помещений больниц [16]. К примеру, низкий уровень влажности приводит к пересыханию слизистой оболочки в носу и горле, которая является естественной защитой против инфекций, передающихся воздушным путем. Поэтому без данной защиты человек намного более уязвим для простуды, гриппа и других вирусов. Так показания нормального уровня относительной влажности для организма человека должны составлять порядка 50% RH. При уровне влажности менее 40% может быть нанесен большой, а зачастую и непоправимый вред здоровью пациента. Одними из первых симптомов чрезмерно сухого воздуха являются воспаленные глаза и сухость в горле. Поскольку глаза особенно чувствительны, то тонкий слой влаги на роговице имеет свойство быстро испаряться. Пересушенный воздух также ведет к образованию избыточной пыли, что пагубно сказывается на здоровье пациентов с заболеваниями легочных путей. Помещения операционных являются одним из самых ответственных звеньев в структуре больничного здания с точки зрения важности хирургического процесса, а также обеспечения особых условий микроклимата, необходимых для удачного его проведения и завершения [16]. В частности, контроль температуры и влажности в помещениях операционных больниц необходим для соблюдения [17]: – комфортных условий для работы персонала, использующего специализированную одежду из плотного материала; – микробиологической чистоты воздуха, так как интенсивность выделения микроорганизмов напрямую зависит от температуры среды; – предотвращения негативных физиологических симптомов, таких как Изм Лист №докум Подп Дата Лист 16 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ высыхание слизистой оболочки у людей. В помещениях операционного блока основными источниками тепловыделения являются люди и освещение. Медицинский персонал, проводящий операцию, одет в специальные защитные костюмы, шапочки и фильтрующие повязки на рот и уши. Поэтому в процессе проведения длительных (до 4–5 ч) операций медицинский персонал испытывает значительные физические нагрузки, которые вызывают усиленное потоотделение, что сопровождается значительными тепло-влажностными нагрузками на помещение операционной [13]. Также в операционных залах и других чистых помещениях очень важно предупредить возникновение разряда статического электричества, которое возникает при относительной влажности воздуха ниже 40%. Это может помешать работе врачей и опасно для жизни пациентов во время операции. Кроме того, из-за возникнувшей искры могут воспламениться газы, используемые анестезиологами. Не менее опасна ситуация из-за нарушения работы электронных приборов в результате разряда, как в операционной, так и в реанимации и в других палатах, где жизнь пациента зависит от работы аппаратуры. При операциях и открытых ранах влага тканей нашего организма быстрее испаряется, следовательно, возникает опасность возникновения экссудации. Так при увлажнении помещения, мы предупреждаем эту ситуацию, а также, в послеоперационный период или при наличии открытых ран, например ожогов, ускоряем их заживление. Этот метод влажного заживления ран получил в последние годы широкую поддержку врачей- специалистов. В свою очередь следует отметить, что при нарушении микроклимата в операционных повышается риск распространения инфекционных заболеваний и появления осложнений в реабилитационный период. Оптимальный уровень влажности в операционной составляет 50 процентов [18]. При снижении этого показателя до значения менее 40 процентов Изм Лист №докум Подп Дата Лист 17 ЮЗГУ. 120340.014 ПЗ повышается риск нанесения непоправимого вреда здоровью пациентов, образования избыточной пыли. Именно поэтому соблюдение оптимального уровня влажности воздуха в операционных, соответствующего требованиям санитарно-гигиенических норм, является такой же важной задачей, как обеспечение здоровых микроклиматических условий в детских садах. В частности, поддержание относительной влажности выше 40% необходимо в родильных залах и в послеродовых палатах, так как новорожденные очень чувствительны к недостаточной влажности в помещении. Особое внимание так же следует уделить помещениям, в которых находятся больные с нарушениями дыхательных путей и легких, так как при недостаточной относительной влажности их состояние значительно ухудшается. В медицинских учреждениях, где находятся больные преклонного возраста чрезвычайно важно увлажнение, поскольку и кожные покровы, и слизистые, и дыхательные пути пожилых людей требуют постоянного дополнительного увлажнения. |