МОНИТОРНАЯ СИСТЕМА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/205 

Предлагаемая система относится к медицинской информационно-измерительной технике и может быть использована при непрерывном наблюдении по одному каналу связи одновременно за несколькими физиологическими параметрами, например, характеризующими деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной системы человека-оператора, в том числе в динамике, например, при повышенных требованиях, предъявляемых к измерительной аппаратуре, в частности, на борту летательного аппарата или в условиях космического полета.

Известны устройства и системы для мониторинга физиологических параметров (авт.свид. СССР №№1811380, 1814538; патенты РФ №№2089094, 2128004, 1181258; Фролов М.В. Контроль функционального состояния человека-оператора. - М., Наука, 1987, с.40-42 и другие).

Из известных устройств и систем, наиболее близкой к предлагаемой системе, является "Мониторная система физиологических параметров" (патент РФ №2089094, А61В 5/02, 1993), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система обладает повышенными эксплуатационными характеристиками, а именно автономностью, независимостью от источников питания, повышенной дистанционностью ввиду беспроводной связи с приемным блоком за счет введения дополнительных элементов, соединенных определенным образом.

Вместе с тем известная система обеспечивает уверенный прием физиологических сигналов только в радиусе единицы - десятки метров, что не всегда отвечает современным требованиям к подобным системам, в том числе и к системе скорой помощи, к системе дистанционных консультативных центров.

Технической задачей изобретения является увеличение дальности действия и повышение помехоустойчивости системы путем использования сложных сигналов с комбинированной фазовой и частотной манипуляцией на одной несущей частоте.

Поставленная задача решается тем, что в мониторной системе физиологических параметров, содержащей передающий блок, состоящий из первого датчика и генератора высокой частоты, с подключенной к выходу передающего блока передающей антенной и приемный блок, содержащий приемную антенну, радиоприемник, вход которого соединен с приемной антенной, блок демодуляции, содержащий первый фазовый детектор, и блок регистрации, выходы которого соединены с выходами блока демодуляции, передающий блок выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом первого датчика, частотного манипулятора, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом второго датчика, и усилителя мощности, выход которого соединен с передающей антенной, радиоприемник выполнен в виде последовательно включенных опорного генератора, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, формирователя управляющего сигнала, гетеродина, смесителя, второй вход которого соединен с приемной антенной, и усилителя промежуточной частоты, блок демодуляции выполнен в виде последовательно подключенных к выходу усилителя промежуточной частоты удвоителя фазы, первого блока ФАПЧ, первого делителя фазы на два и частотного демодулятора, выход которого соединен с первым входом блока регистрации, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы второго блока ФАПЧ и второго делителя фазы на два, выход которого соединен с вторым входом частотного демодулятора, третий вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы третьего блока ФАПЧ и третьего делителя фазы на два, последовательно подключенных к выходу усилителя промежуточной частоты первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго делителя фазы на два, сумматора, второй вход которого через третий фазовый детектор соединен с выходами усилителя промежуточной частоты и третьего делителя фазы на два, и четвертого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, а выход соединен с вторым входом блока регистрации.

Структурная схема мониторной системы физиологических параметров представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу указанной системы, изображены на фиг.2.

Взаимное расположение символьных частот сложных ФМн-ЧМн-сигналов показано на фиг.3.

Система содержит передающий блок 2 и приемный блок 8.

Передающий блок 2 состоит из последовательно включенных генератора 5 высокой частоты, фазового манипулятора 4, второй вход которого через первый аналого-цифровой преобразователь 3 соединен с выходом первого датчика 1, частотного манипулятора 15, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь 13 соединен с выходом второго датчика 11, и усилителя 16 мощности, выход которого соединен с передающей антенной 6.

Приемный блок 8 состоит из последовательно подключенных к приемной антенне 7 радиоприемника 9, блока 10 демодуляции и блока 14 регистрации.

Радиоприемник 9 содержит последовательно включенные опорный генератор 17, второй фазовый детектор 18, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя 29 фазы на два, формирователя 19 управляющего сигнала, гетеродина 20, смесителя 21, второй вход которого соединен с приемной антенной 7, и усилителя 22 промежуточной частоты.

Блок 10 демодуляции содержит последовательно подключенные к выходу усилителя 22 промежуточной частоты удвоитель 23 фазы, первый блок 24 ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), первый делитель 27 фазы на два и частотный демодулятор 30, выход которого соединен с первым входом блока 14 регистрации, последовательно подключенные к выходу удвоителя 23 фазы второй блок 25 ФАПЧ и второй делитель 28 фазы на два, выход которого соединен с вторым входом частотного демодулятора 30, третий вход которого соединен с выходом усилителя 22 промежуточной частоты, последовательно подключенные к выходу удвоителя 23 фазы третий блок 26 ФАПЧ и третий делитель 29 фазы на два, последовательно подключенные к выходу усилителя 22 промежуточной частоты первый фазовый детектор 12, второй вход которого соединен с выходом второго делителя 28 фазы на два, сумматор 32, второй вход которого через третий фазовый детектор 31 соединен с выходами усилителя 22 промежуточной частоты и второго делителя 29 фазы на два, и четвертый фазовый детектор 33, второй вход которого соединен с выходом второго делителя 29 фазы на два, а выход соединен с вторым входом блока 14 регистрации.

Мониторная система физиологических параметров работает следующим образом.

Датчик 1 передающего блока 2 обеспечивает регистрацию деятельности сердечно-сосудистой системы человека, а датчик 11 обеспечивает регистрацию деятельности дыхательной системы человека.

Датчик 1 содержит электроды, которые крепятся на наблюдаемом человеке (спортсмене, водителе транспорта, рабочем, космонавте, летчике, пациенте с различными сердечно-сосудистыми нарушениями и заболеваниями и т.д.).

Датчик 11 также содержит электроды, которые также крепятся на наблюдаемом человеке.

Аналого-цифровые преобразователи 3 и 13 преобразуют измеренные параметры, характеризующие деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем наблюдаемого человека, в цифровые модулирующие коды M₁(t) (фиг.2, а) и М₂(t) (фиг.2, б) соответственно.

Указанные модулирующие коды последовательно поступают на вторые входы фазового 3 и частотного 11 манипуляторов, формируя тем самым сложный сигнал с комбинированной фазовой (ФМн) и частотной (ЧМн) манипуляцией.

Uc(t)=Vc·Cos[(2πfn(t)·t+ϕk(t)], 0≤t≤Тс,

где Vc, Tc - амплитуда и длительность сигнала;

fn(t)={f₁, f₂} - манипулируемая составляющая частоты, отображающая закон частотной манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₂(t) (фиг.2, б), при этом fn(t)=const при nτэ<t<(n+1)·τэ и может изменяться скачком Δf при t=nτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (n=1, 2,..., N₁);

ϕк(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг.2, а), при этом ϕк(t)=const при Кτэ<t<(К+1)·τэ и может изменяться скачком Δϕ при t=Кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2,..., N₂).

Этот сигнал после усиления в усилителе 16 мощности излучается с помощью передающей антенны 6 в эфир, улавливается приемной антенной 7 и поступает на первый вход смесителя 21, на второй вход которого поступает напряжение гетеродина 20

Uг(t)=Vг·Cos(2πfгt+ϕг).

На выходе смесителя 21 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.2, в).

Uпр(t)=Vпр·Cos[2πfпрn(t)·t+ϕк(t)], 0≤t≤Tc,

где fпрn(t)=fn(t)-fг - промежуточная частота,

Vпр=1/2К₁·Vc·Vг;

К₁ - коэффициент передачи смесителя.

В спектре данного сигнала с непрерывной фазой и индексом частотной манипуляции

mf=(f₂-f₁)τэ=0,5

символьные частоты f₁ и f₂ подавлены. Указанные символьные частоты определяются следующим образом (фиг.3):

f₁=fcp-1/(4τэ) - частота сигнала, соответствующая символу +"1";

f₂ ⁼fcp+1/(4τэ) - частота сигнала, соответствующая символу -"1";

fcp=f₀=fпр=(f₁+f₂)/2 - средняя ("мнимая") частота сигнала.

Так как в спектре принимаемого сложного ФМн-ЧМн-сигнала символьные частоты f₁ и f₂ подавлены, то радиоприемник 9 осуществляет слежение за средней ("мнимой") частотой fcp.

После преобразования по частоте напряжение Uпр (фиг.2, в) с выхода усилителя 22 промежуточной частоты поступает на первый вход частотного демодулятора 30 и на входы удвоителя 23 фазы, фазовых детекторов 12 и 31.

При удвоении фазы принимаемый сложный сигнал приобретает индекс частотной манипуляции mf=1 и его сплошной спектр трансформируется в три дискретные составляющие 2f₁, 2f₂ и 2f₃. С помощью блоков ФАПЧ 24, 25 и 26 осуществляется фильтрация дискретных составляющих, а делители 27, 28 и 29 частоты обеспечивают соответствие частот сигналов синхронизации и принимаемого сигнала. На выходах делителей 27, 28 и 29 частоты образуются гармонические колебания (фиг.2, г, д, е):

U₁(t)=Vпр·Cos2πf₁t,

U₁(t)=Vпр·Cos2πf₂t,

U₃(t)=Vпр·Cos2πf₃t, 0≤t≤Tc,

которые поступают на входы частотного демодулятора 30 и фазовых детекторов 12, 31 и 33.

С выхода частотного демодулятора 30 двоичная последовательность М₂'(t) (фиг.2, з), переданная с помощью частотной манипуляции, поступает на первый вход блока 14 регистрации.

На выходах фазовых детекторов 12 и 31 образуются следующие низкочастотные напряжения соответственно:

U₄(t)=V₄·Cos[2π(f₃-f₁)·t+ϕк(t)],

U₅(t)=V₄·Cos[2π(f₂-f₃)·t-ϕк(t)], 0≤t≤Tc,

где V₄=1/2К₂·Vпр²;

K₂ - коэффициент передачи фазовых детекторов;

которые суммируются в сумматоре 32

U_Σ(t)=V_Σ·Cos[2πf₃·t-2π(f₂-f₁)/2·t+ϕк(t)]·Cos[2π(f₂-f₁)/2],

где V_Σ=2·V₄.

Это напряжение поступает на информационный вход фазового детектора 33, на опорный вход которого подается гармоническое колебание U₃(t) с выхода делителя 29 фазы на два. На выходе фазового детектора 33 образуется низкочастотное напряжение [фиг.2, ж, M₁'(t)]

Uн(t)=Vн·Cos[2πf₃·t-2π(f₂+f₁)/2·t+ϕк(t)]=Vн·Cosϕк(t), 0≤t≤Tc,

где Vн=1/2К₂·V_Σ·V_пр;

f₃-(f₁+f₂)/2=0,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.2, а).

Это напряжение поступает на второй вход блока 14 регистрации.

Для обеспечения симметричности частот f₁ и f₂ относительно частоты f₀ опорного генератора 17 используется система фазовой автоподстройки частоты, состоящая из опорного генератора 17, фазового детектора 18 и формирователя 19 управляющего сигнала.

Напряжение опорного генератора 17

U₀(t)=V₀·Cos2πf₀·t

и напряжение U₃(t) с выхода делителя 29 фазы на два поступают на входы фазового детектора 18 и сравниваются по фазе. Если указанные напряжения отличаются друг от друга по фазе, то на выходе фазового детектора 18 образуется напряжение. Причем амплитуда и полярность этого напряжения зависят от степени и направления отклонения промежуточной частоты fпр=f₃ от частоты f₀ опорного генератора 17. Данное напряжение через формирователь 19 управляющего сигнала воздействует на гетеродин 20, изменяя его частоту f_г так, чтобы сохранилась симметричность частоты опорного генератора относительно символьных частот f₁ и f₂ (f₀=fпр).

Блок 14 регистрации может представлять собой персональный компьютер с встроенными или дополнительно включенными на его вход двумя аналого-цифровыми преобразователями, входы которых являются входами блока 14 регистрации, и набором соответствующих известных алгоритмов, таких, например, как цифровая фильтрация, статистическая обработка, анализ отдельных составляющих сигнала (интервалометрия), а также различные сервисные функции (долговременная запись, хранение, сортировка и сравнение информации, варианты отображения и т.д.). Такая реализация блока 14 регистрации позволяет осуществить более качественное разделение комплексных физиологических сигналов с выходов блока 10 демодуляции на составляющие, уменьшить влияние помех, артефактов и т.д. и расширить эксплуатационные удобства.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение дальности действия и повышение помехоустойчивости системы. Это достигается путем использования сложных сигналов с комбинированной фазовой и частотной манипуляцией на одной несущей частоте.

Сложные сигналы с комбинированной фазовой и частотной манипуляцией на одной несущей частоте открывают новые возможности в технике передачи физиологических параметров, характеризующих деятельность сердечнососудистой и дыхательной систем человека-оператора, на большие расстояния.

Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи, следует отнести проблему установления надежной связи в каналах при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых сигналов, что затрудняет прием и снижает достоверность передачи физиологических параметров, характеризующих деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека-оператора.

Попытки преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложный ФМн-ЧМн-сигнал, благодаря своим хорошим корреляционным свойствам, может быть "свернут" в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность "свернутого" импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а, суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-ЧМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-ЧМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-ЧМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-ЧМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Изобретение относится к медицинской информационно-измерительной технике и может быть использовано при непрерывном наблюдении по одному каналу связи одновременно за несколькими физиологическими параметрами, например, характеризующими деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной системы человека-оператора, в том числе в динамике, например, при повышенных требованиях, предъявляемых к измерительной аппаратуре, в частности, на борту летательного аппарата или в условиях космического полета. Система содержит передающий блок и приемный блок, которые связаны с передающей антенной и приемной антенной соответственно. Передающий блок содержит первый и второй датчики, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, частотный манипулятор и усилитель мощности. Приемный блок содержит радиоприемник, блок демодуляции и блок регистрации. Радиоприемник содержит опорный генератор, второй фазовый детектор, формирователь управляющего сигнала, гетеродин, смеситель и усилитель промежуточной частоты. Блок демодуляции содержит первый, третий и четвертый фазовые детекторы, удвоитель фазы, первый, второй и третий блоки ФАПЧ, первый, второй и третий делители фазы на два, частотный демодулятор и сумматор. Система обеспечивает увеличение дальности действия и повышение помехоустойчивости системы путем использования сложных сигналов с комбинированной фазовой и частотной манипуляцией на одной несущей частоте. 3 ил.

Мониторная система физиологических параметров, содержащая передающий блок, состоящий из первого датчика и генератора высокой частоты, с подключенной к выходу передающего блока передающей антенной, и приемный блок, состоящий из приемной антенны, радиоприемника, вход которой соединен с приемной антенной, блока демодуляции, содержащего первый фазовый детектор, и блока регистрации, входы которого соединены с выходами блока демодуляции, отличающаяся тем, что передающий блок выполнен в виде последовательно включенных генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом первого датчика, частотного манипулятора, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом второго датчика, и усилителя мощности, выход которого соединен с передающей антенной, радиоприемник выполнен в виде последовательно включенных опорного генератора, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, формирователя управляющего сигнала, гетеродина, смесителя, второй вход которого соединен с приемной антенной, и усилителя промежуточной частоты, блок демодуляции выполнен в виде последовательно подключенных к выходу усилителя промежуточной частоты удвоителя фазы, первого блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), первого делителя фазы на два и частотного демодулятора, выход которого соединен с первым входом блока регистрации, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы второго блока ФАПЧ и второго делителя фазы на два, выход которого соединен с вторым входом частотного демодулятора, третий вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы третьего блока ФАПЧ и третьего делителя фазы на два, последовательно подключенных к выходу усилителя промежуточной частоты первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго делителя фазы на два, сумматора, второй вход которого через третий фазовый детектор соединен с выходом усилителя промежуточной частоты и четвертого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, а выход соединен с вторым входом блока регистрации, при этом второй вход третьего фазового детектора соединен с выходом третьего делителя фазы на два.