УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ ДЫХАНИЯ И СЕРДЦЕБИЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК A61B5/08 H04B11/00 

Изобретение относится к областям медицины и ветеринарии, а именно к технике дистанционной диагностики параметров дыхания и сердцебиения, а также к прикладным областям, связанным с контролем состояния человека или животного в ответственных и экстремальных условиях.

Известно устройство для контроля за движением (заявка Великобритании N 21664773, 1986, кл. A 61 B 8/00).

Известное устройство является устройством для дистанционной диагностики, в основном дыхательной функции объекта наблюдения. Устройство построено на принципе доплеровской эхолокации подвижного участка поверхности тела объекта с выделением синхронным детектором сигнала разностной частоты отраженного и излученного сигналов. Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения параметров дыхания и сердцебиения за счет обеспечения линейности выходного эффекта измерителя величине смещения поверхности тела под влиянием диагностируемого процесса.

Предложенные устройства, как и прибор-прототип, построены на принципе анализа информации, заложенной в принимаемом ультразвуковом сигнале и обусловленной модуляцией этого сигнала на подвижной от дыхания и сердцебиения поверхности тела объекта. Принципиальным является то, что предложенные устройства осуществляют слежение за текущей фазой принимаемого сигнала в широком диапазоне ее отклонений и тем самым обеспечивают измерение с последующим спектральным анализом непосредственно исследуемой функции смещения поверхности тела объекта Δt вместо "свернутой" функции вида cos[γΔ(t)] без потери чувствительности устройства за счет увеличения (для избежания нелинейности) рабочей длины волны λ_o . Предложено 3 варианта конфигурации устройства, соответствующие используемому методу относительной фазовой дальнометрии.

Устройство по п. 1 формулы, как и устройство-прототип, работает по сигналу, отраженному от поверхности тела объекта. Состав устройства включает излучающую антенну и принимающую антенну, неподвижные одна относительно другой (установленные в едином корпусе или разнесенные в пространстве), узел когерентного преобразования, узел спектральной обработки и опорный генератор, обеспечивающий формирование излучаемого и опорного сигналов. Узел когерентного преобразования выполнен в виде линейного измерителя фазы (ЛИФ) принимаемого сигнала.

Устройство по п. 2 формулы реализует однопросветный вариант измерения смещения поверхности тела. В дополнение к узлам устройства по п. 1 в состав устройства введен автономный генератор, формирующий излучаемый сигнал и связанный с излучающей антенной. Этот генератор и излучающая антенна выполнены в виде автономного конструктивного элемента - датчика. Датчик выполнен в миниатюрном исполнении и размещен на объекте таким образом, что его излучающая антенна, подвержена смещению под влиянием исследуемого(ых) процесса(ов), например, в области солнечного сплетения при одновременной диагностике параметров дыхания и сердцебиения. Прием сигнала, модулированного смещением излучающей антенны, осуществляется неподвижной принимающей антенной с распространением сигнала только в одном направлении. Требуемая когерентность излучаемого и опорного сигналов обеспечивается внутренней стабильностью соответствующих независимых генераторов.

Третий вариант устройства (устройство по п. 3 формулы) в двухпросветной схеме измерения, подобной схеме первого варианта, предусматривает использование для дальнометрии вместо сигнала, отраженного от тела объекта, ответного сигнала, формируемого на подвижном участке поверхности тела объекта специальным датчиком - активным когерентным ультразвуковым приемоответчиком. Когерентность датчика предполагает сохранение в ответном сигнале структуры фазовой модуляции, заложенной во входном сигнале, в общем случае с умножением полной фазы входного сигнала на коэффициент трансформации, равный или отличный от 1.

В состав устройства входят все узлы устройства по п. 1. Вводимый в схему датчик содержит последовательно соединенные антенну приема, когерентный преобразователь (преобразователь частоты или просто усилитель при обеспечении пространственной развязки между антеннами) и антенну излучения. Как и в устройстве по п. 2, датчик размещается на объекте таким образом, что его антенны подвержены смещению под влиянием диагностируемого процесса.

Во всех предложенных устройствах излучающей антенны излучается непрерывный немодулированный сигнал. Длина волны сигнала соизмерима с амплитудой смещения поверхности тела объекта под влиянием исследуемого процесса.

ЛИФ в устройствах по п.п. 1-3 охарактеризован на уровне функционального обобщения как устройство, обеспечивающее измерение изменяющейся фазы принимаемого сигнала в широком (более ±2π ) диапазоне отклонений относительно фазы опорного сигнала с линейной зависимостью выходного эффекта от величины отклонения фазы.

ЛИФ может быть построен на различных схемно-технических принципах, например на основе замкнутой следящей системы, на принципе коррекции значений фазы, измеряемых по модулю 2π , при достижении углов, кратных 2π , с использованием схем с фазовой автоподстройкой частоты, на основе цифрового измерителя фазы интегрирующего типа с квадратурными каналами приема. Квадратурные каналы также могут формироваться различными способами, например, с использованием аналоговых квадратурных смесителей, со взятием мгновенных отсчетов принимаемого узкополосного сигнала непосредственно на рабочей частоте устройства и другими. В 4 формулы представлен частный случай аналого-цифрового исполнения ЛИФ устройств по п.п. 1 или 2, или 3 с аналоговым формированием квадратурных сигналов и последующей цифровой оценкой текущей фазы по отсчетам значений квадратурных сигналов.

ЛИФ по п. 4 формулы содержит два квадратурных канала приема сигнала с выхода антенны. Каждый из каналов включает последовательно соединенные смеситель, фильтр, усилитель и схему выборки и хранения. В состав ЛИФ входят также фазовращатель на π/2 опорного сигнала одного из смесителей, мультиплексор выборок квадратурных сигналов обоих каналов, аналого-цифровой преобразователь этих выборок и вычислитль текущего значения фазы принимаемого сигнала.

Технический результат от исполнения изобретения заключается в следующем:
для устройства по п. 1 - обеспечено адекватное представление исследуемой функции Δt на входе узла спектральной обработки. В результате исключается искажение временной и спектральной структур исследуемого процесса, повышается уровень исследуемых составляющих спектра по отношению к уровню флюктуационных шумов и помех от побочных движений, исключается подавление малого сигнала, обусловленного сердцебиением, при совместном наблюдении процессов дыхания и сердцебиения, исключается зависимость в результатах измерений от глубины дыхания и расстояния от прибора до объекта;
для устройств по п.п. 2 и 3 - то же, что для устройства по п. 1; получен энергетический выигрыш в отношении сигнал / шум за счет использования активного излучающего датчика и (для устройства по п. 2) одностороннего распространения сигнала; практически полностью снята помеха в виде отражения от побочных участков тела объекта и окружающих предметов (использование датчиков эквивалентного случаю отражения от "блестящей точки" на теле объекта) при снятии необходимости в формировании узких диаграмм направленности.

Предложенные технические решения имеют одинаковое назначение, направлены на достижение одного и того же технического результата (повышение точности измерений), решаются одним и тем же путем и не могут быть охарактеризованы в одном независимом пункте. Это послужило основанием для их представления как группы изобретений в качестве вариантов выполнения одного устройства.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства по п. 1; на фиг. 2 - структурная схема устройства по п. 2; на фиг. 3 - структурная схема устройства по п. 3; на фиг. 4 - структурная схема устройства по п. 1 с аналого-цифровым ЛИФ по п. 4 формулы.

Устройство по п. 1 (фиг. 1) содержит опорный генератор 1, излучающую антенну 2 (излучатель), принимающую антенну 3 (микрофон), линейный измеритель фазы (ЛИФ) 4, узел спектральной обработки 5 и узел вывода 6. Антенны 2 и 3 неподвижны относительно друг друга.

Устройство работает по сигналу, излучаемому антенной 2 и отражаемому от тела объекта. На излучающую антенну 2 подается непрерывный немодулированный сигнал рабочей частоты от опорного генератора опорного. Этот же сигнал поступает на ЛИФ 4 в качестве опорного. Диаграмма излучения-приема устройства (антенн 2 и 3) направляется на исследуемый объект в область, подверженную смещению под влиянием дыхания и/или сердцебиения, например в область солнечного сплетения. При этом отраженный от объекта сигнал оказывается промодулированным по фазе в соответствии с изменением расстояния от прибора до отражающего участка поверхности тела объекта под воздействием исследуемого процесса. Отраженный сигнал принимается принимающей антенной 3. Выход антенны 3 связан с ЛИФ 4, который обеспечивает измерение с устранением неоднозначности сдвига фазы принимаемого сигнала относительно опорного. Выходной сигнал ЛИФ подается на узел спектральной обработки 5, где производится частотная фильтрация сигнальной (полезной) составляющей на фоне шумов и помех от побочных движений, взаимное частотное разделение сигнальных составляющих, обусловленных дыханием и сердцебиением, их тонкий спектральный анализ, высокочастотная коррекция временных выходных сигналов и пр. Узел вывода 6 обеспечивает оценку числовых параметров исследуемого процесса и отображение выходной информации. Вывод информации может осуществляться на дисплей с отображением временных разверток и спектрограмм процессов дыхания и/или сердцебиения и их параметров, исполнительное устройство, устройство аудио- или визуализации наличия динамической составляющей и выходном сигнале устройства (для устройства, предназначенного для поиска людей в экстремальных ситуациях) и другие приборы в зависимости от конкретного назначения устройства.

Устройство по п. 2 (фиг. 2) содержит датчик 1, включающий в свой состав генератор 2 сигнала рабочей частоты и излучающую антенну 3, принимающую антенну 4. ЛИФ 5, узел спектральной обработки 6, узел вывода 7 и опорный генератор 8. Датчик 1 выполнен в миниатюрном виде и размещен на теле объекта так, что его антенна 3 подвержена смещению под влиянием дыхания и/или сердцебиения. Устройство работает по сигналу, излучаемому датчиком 1. В датчике от генератора 2 на антенну 3 подается непрерывный немодулированный сигнал. Излучаемый антенной 3 ультразвуковой сигнал промодулирован в соответствии с ее смещениями, в том числе под влиянием дыхания и сердцебиения. Этот сигнал принимается принимающей антенной 4. Выход антенны 4 связан с ЛИФ 5, который обеспечивает линейное измерение сдвига фазы принимаемого сигнала относительно опорного. Опорный сигнал поступает на ЛИФ от опорного генератора. Выход ЛИФ связан с узлом спектральной обработки 6 и далее с узлом вывода 7. Функции узлов 6 и 7 аналогичны функциям рассмотренных узлов 5 и 6 фиг. 1.

Устройство по п. 3 (фиг. 3) содержит опорный генератор 1, излучающую антенну 2, датчик 3, включающий в свой состав антенну приема 4, когерентный преобразователь 5 и антенну излучения 6, принимающую антенну 7. ЛИФ 8, узел спектральной обработки 9 и узел вывода 10. Подобно датчику устройства по п. 2, датчик 3 выполнен в миниатюрном виде и размещен на теле объекта так, что его антенны 4 и 6 подвержены смещению под влиянием исследуемого процесса.

Устройство работает по сигналу от излучающей антенны 2, когерентно переизлученному датчиком 4. На излучающую антенну 2 непрерывный немодулированный сигнал рабочей частоты излучения подается от опорного генератора 1. От этого же генератора на ЛИФ 8 подается опорный сигнал, когерентный сигналу рабочей частоты. Датчик 3 представляет собой активный когерентный приемоответчик. Его антенна приема принимает сигнал от излучающей антенны 2. Сигнал с выхода антенны 4 усиливается и когерентно преобразуется по частоте с сохранением структуры фазовой модуляции (в частном случае при обеспечении пространственной развязки между антеннами - просто усиливается) в преобразователе когерентном 5 и переизлучается антенной излучения 6. Ответный сигнал датчика 3 на входе принимающих антенны 7 промодулирован по фазе в соответствии со смещениями антенн 4 и 6 датчика 3 под воздействием дыхания и сердцебиения объекта. В ЛИФ 8 обеспечивается линейное измерение сдвига фазы принимаемого сигнала относительно опорного. Выходной сигнал ЛИФ подается на узел спектральной обработки 9, где, как и в схеме фиг. 1, производится частотная фильтрация и анализ компонентов исследуемого процесса. В узле вывода 10 проводится оценка числовых параметров исследуемого процесса и отображения выходной информации.

Аналого-цифровое построение ЛИФ по п. 4 формулы требует использования вычислителя, реализующего расчет текущей фазы сигнала из значений выборок сигналов квадратурных каналов. В схеме устройства по п. 1 с ЛИФ по п. 4 (фиг. 4) указанный вычислитель реализован программным путем в микроЭВМ, позволившей решить ряд других задач устройства в целом. Схема фиг. 4 включает в себя ранее рассмотренные опорный генератор 1, излучающую антенну 2 и принимающую антенну 3. Схема содержит два квадратурных канала приема 4 с и 4s, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель 5, фильтр 6, усилитель 7 и схему выборки и хранения (СВХ) 8. Опорный сигнал на смеситель канала 4s подается через фазовращатель (ФЭВР) 9 на π/2 . Схема содержит также мультиплексор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, микроЭВМ 12 и аппаратуру вывода 13. В микроЭВМ 12 реализованы следующие программные блоки: блоки оценки текущей фазы сигнала (блок ОТФС) 14: блок спектральной обработки (блок CO) 15; блок подготовки данных к выводу (блок ПДКВ) 16.

Блок ПДКВ совместно с аппарурой вывода 13 образует узел вывода 17.

Опорный генератор 1 выполнен в виде единого генератора рабочего сигнала и тактовых импульсных сигналов управления СВХ 8, мультиплексора 10, АЦП 11, микроЭВМ 12 и аппаратуры вывода 13. Объединенные информационные входы смесителей квадратурных каналов и входы этих смесителей по опорным сигналам (для канала 4s), с включением Ф3ВР 9) образуют соответственно информационный и опорный входы ЛИФ, а выход программного блока ОТФС - его выход.

Снимаемый принимающей антенной 3 входной информационный сигнал преобразуется смесителями 5 и фильтрами 6 в два низкочастотных сигнала U_c(t) и U_s(t) - аналоговых по выходу усилителей 7 и дискретизированных с частотой дискретизации F_g по выходу СВХ 8. При фазовом сдвиге в опорных сигналах смесителей 5, равном π/2 , квадратурные сигналы U_c(t) и U_s(t) представляют собой огибающие косинусной и синусной составляющих принимаемого высокочастотного сигнала и адекватно отражают структуру его модуляции. Мультиплексор 10 за один такт дискретизации поочередно коммутирует выборки квадратурных сигналов на групповое АЦП 11, откуда их квантованные значения поступают на программный блок ОТФС 14.

В блоке ОТФС использован алгоритм оценки фазы интегрирующего типа:
,
где
ϕ(t_n) - оценка текущей фазы принимаемого сигнала на момент времени t_n = n/n_g, в начале цикла измерения ϕ(t_o) устанавливается равным 0;
n, k - номер такта дискретизации на цикле измерения;
Δϕ(t_n) - приращение фазы на n-м такте дискретизации.

Величина Δϕ(t_n) на каждом такте дискретизации рассчитывается по следующей формуле:

где
U_c,s(t_n) - значения косинусной и синусной выборок сигналов на входе блока ОТФС на n-м такте дискретизации,
Δ U_c,s(t_n)= U_c,s(t_n)-U_c,s(t_n-i) - приращения соответствующих выборок на n-м такте дискретизации.

Выходная информация ЛИФ в виде оценки текущей фазы сигнала поступает в программный блок спектральной обработки 15. Функции блока CO 15 и узла вывода 17 рассмотрены ранее при описании соответствующих узлов схемы фиг. 1.

Включение ЛИФ по п. 4 в схемы устройств по п.п. 2 и 3 полностью идентично приведенному на фиг. 4.2

Изобретение относится к медицинской и ветеринарной диагностической технике и к прикладным областям, связанным с контролем состояния человека в особо ответственных или экстремальных условиях. Устройство предназначено для определения параметров процессов дыхания и сердцебиения диагностируемого объекта. Работа устройства основана на дистанционном измерении и последующем спектральном анализе малых смещений поверхности тела объекта под влиянием дыхания и сердцебиения. Предложены 3 варианта устройства с обработкой сигналов, отражаемых от тела объекта, а также измеряемых и переизлучаемых специальными автономными датчиками, размещенными на теле объекта. В качестве излучаемого используется ультразвуковой непрерывный немодулированный сигнал с длиной волны, соизмеримой с амплитудой смещения поверхности тела под влиянием дыхания и сердцебиения. В устройстве применяется метод относительной фазовой дальнометрии, вместо синхронного детектора в тракте когерентного приема использован линейный (с устранением неоднозначности) измеритель фазы принимаемого сигнала. Этим достигается повышение точности и надежности измерения. 3 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Ультразвуковое устройство дистанционной диагностики, использующее для излучения ультразвуковой непрерывный немодулированный сигнал, содержащее опорный генератор, излучающую антенну, принимающую антенну, узел когерентного преобразования и узел спектральной обработки, при этом информационный вход узла когерентного преобразования связан с принимающей антенной, его вход по опорному сигналу - с опорным генератором, его выход - с узлом спектральной обработки, излучающая антенна подключена к опорному генератору, а излучающая и принимающая антенны неподвижны одна относительно другой, отличающееся тем, что узел когерентного преобразования выполнен в виде линейного измерителя фазы. 2. Ультразвуковое устройство дистанционной диагностики, использующее для излучения ультразвуковой непрерывной немодулированный сигнал, содержащее опорный генератор, излучающую антенну, принимающую антенну, узел когерентного преобразования и узел спектральной обработки, при этом информационный вход узла когерентного преобразования связан с принимающей антенной, его вход по опорному сигналу - с опорным генератором, его выход - с узлом спектральной обработки, отличающееся тем, что в него введен генератор, связанный с излучающей антенной, генератор и излучающая антенна выполнены в виде автономного конструктивного элемента - датчика, размещаемого на объекте так, что излучающая антенна подвержена смещению под влиянием исследуемого процесса, а узел когерентного преобразования выполнен в виде линейного измерителя фазы. 3. Ультразвуковое устройство дистанционной диагностики, использующее для излучения ультразвуковой непрерывный немодулированный сигнал, содержащее опорный генератор, излучающую антенну, принимающую антенну, узел когерентного преобразования и узел спектральной обработки, при этом информационный вход узла когерентного преобразования связан с принимающей антенной, его вход по опорному сигналу - с опорным генератором, его выход - с узлом спектральной обработки, излучающая антенна подключена к опорному генератору, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные антенна приема, когерентный преобразователь и антенна излучения, последние выполнены в виде автономного конструктивного элемента - датчика, размещаемого на объекте так, что антенны приема и излучения подвержены смещению под влиянием исследуемого процесса, а узел когерентного преобразования выполнен в виде линейного измерителя фазы. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что линейный измеритель фазы содержит два квадратурных канала приема и подключенные к их выходам последовательно соединенные мультиплексор выборок сигналов, аналого-цифровой преобразователь этих выборок и реализованный в микроЭВМ блок оценки текущей фазы сигнала, выход которого является выходом линейного измерителя фазы, при этом каждый из квадратурных каналов состоит из последовательно соединенных смесителя, фильтра, усилителя и схемы выборки и хранения, информационные входы смесителей квадратурных каналов и входы смесителей квадратурных каналов по опорным сигналам, причем для одного из них с включением фазовращателя на π/2 попарно объединены, образуя соответственно информационный и опорный входы линейного измерителя фазы, опорный генератор выполнен в виде единого генератора опорного сигнала и тактовых импульсных сигналов управления и связан по сигналам управления со схемами выборки и хранения, мультиплексором, аналого-цифровым преобразователем и микроЭВМ.