МОНИТОРНАЯ СИСТЕМА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2009 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 длительность сердечно-сосудистой и дыхательной системы человека-оператора, в том числе в динамике, например, при повышенных требованиях, предъявляемых к измерительной аппаратуре, в частности, в системах скорой помощи, дистанционных консультативных центров, на борту летательных аппаратов и т.д.

Известны устройства и системы для мониторинга физиологических параметров человека (авт. свид. СССР №№1181258, 1811380, 1814538; патенты РФ №№2089094, 2128004, 2297175; 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 является «Мониторная система физиологических параметров» (патент РФ №2297175, А61В 5/0205, 2005), которая и выбрана в качестве прототипа.

Данная система обеспечивает увеличение дальности действия и повышение помехоустойчивости путем использования сложных сигналов с комбинированной фазовой и частотной манипуляцией на одной несущей частоте.

Однако возможности известной системы используются не в полной мере. На одной несущей частоте возможна передача и аналоговых сообщений, например голосовых, за счет амплитудной модуляции.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем передачи аналоговых сообщений за счет амплитудной модуляции высокочастотного колебания одной несущей частоты.

Поставленная задача решается тем, что мониторная система физиологических параметров, содержащая в соответствии с ближайшим аналогом передающий блок с подключенной к его выходу передающей антенной и приемный блок, состоящий из последовательно включенных приемной антенны, радиоприемника, блока демодуляции и блока регистрации, при этом 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, и частотного манипулятора, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом второго датчика, а также 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 включенных 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, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы третьего блока ФАПЧ и третьего делителя фазы на два, первого фазового детектора, сумматора, второй вход которого через третий фазовый детектор соединен с выходом третьего делителя фазы на два, и четвертого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, а выход подключен к второму входу блока регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена источником аналоговых сообщений, амплитудным модулятором, усилителем-ограничителем и синхронным детектором, причем к выходу частотного манипулятора подключен амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом источника аналоговых сообщений, а выход подключен к входу усилителя мощности, к выходу усилителя мощности, к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены усилитель-ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, выход усилителя-ограничителя подключен к входу удвоителя фазы, к второму входу первого и третьего фазовых детекторов и к третьему входу частотного детектора.

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-АМ-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, амплитудного модулятора 35, второй вход которого соединен с выходом источника 34 аналоговых сообщений, 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, формирователь 19 управляющего сигнала, гетеродин 20, смеситель 21, второй вход которого соединен с приемной антенной 7, и усилитель 22 промежуточной частоты.

Блок 10 демодуляции содержит последовательно подключенные к выходу усилителя 22 промежуточной частоты усилитель-ограничитель 36 и синхронный детектор 37, второй вход которого соединен с выходом усилителя 22 промежуточной частоты, а выход подключен к третьему входу блока 14 регистрации, последовательно подключенные к выходу усилителя-ограничителя 36 удвоитель 23 фазы, первый блок 24 фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), первый делитель 27 фазы на два и частотный демодулятор 30, второй вход которого соединен с выходом усилителя-ограничителя 36, а выход подключен к первому входу 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, последовательно подключенные к выходу удвоителя 23 фазы третий блок 26 ФАПЧ и третий делитель 29 фазы на два, последовательно подключенные к выходу усилителя-ограничителя 36 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-ограничителя 36 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 со вторым входом блока 14 регистрации.

Мониторная система физиологических параметров работает следующим образом.

Датчик 1 передающего блока 2 обеспечивает регистрацию деятельности сердечно-сосудистой системы человека, датчик 11 обеспечивает регистрацию деятельности дыхательной системы человека, источник 34 аналоговых сообщений обеспечивает формирование аналоговых сообщений, например голосовых, которые необходимо передавать на пункт контроля.

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 M₂(t) (фиг.2, б) соответственно. Пример модулирующей функции m(t), отображающей аналоговое сообщение, показан на фиг.2, в.

Указанные модулирующие коды и моделирующая функция последовательно поступают на вторые входы фазового манипулятора 3, частотного манипулятора 11 и амплитудного модулятора 35, формируя тем самым сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией, частотной манипуляцией и

амплитудной модуляцией (ФМн-ЧМн-АМ)

u_c(t)=U_c[1+m(t)]cos[2πf_n(t)t+φ_k(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

где U_c, T_c, φ_c - амплитуда, длительность и начальная фаза сигнала;

m(t) - модулирующая функция, отображающая голосовое сообщение;

f_n(t)={f₁,f₂}- манипулируемая составляющая частоты, отображающая закон частотной манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₂(t) (фиг.2, в), при этом f_n(t)=const при nτ_Э<t<(n+1)τ_Э и может изменяться скачком Δf при t=nτ_Э, то есть на границах между элементарными посылками (n=1, 2, …, N₁);

φ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом

M₁(t) (фиг.2, а), при этом φ_k(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э и может изменяться скачком Δf при t=kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N₁).

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

u_г(t)=U_гcos(2πf_гt+φ_г).

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

где

f_прn=f_n(t)-f_г - промежуточная частота;

φ_пр=φ_с-φ_г.

В спектре данного сигнала с непрерывной фазой и индексом частотной манипуляции

m_f=(f₂-f₁)τ_Э=0,5

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

- частота сигнала, соответствующая символу «+1»;

- частота сигнала, соответствующая символу «-1»;

- средняя ("мнимая") частота сигнала.

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

После преобразования по частоте напряжение u_пр(t) (фиг.2, г) с выхода усилителя 22 промежуточной частоты поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 37 и на вход усилителя-ограничителя 36. На выходе последнего образуется напряжение (фиг.2, д)

U_пр1(t)=U_огрcos[2πf_прn(t)t+φ_k(t)+φ_пр], 0≤t≤T_c,

где U_огр - порог ограничения,

которое представляет собой сложный ФМн-ЧМн-сигнал на промежуточной частоте f_пр, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 37.

В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 37 образуется низкочастотное напряжение (фиг.2, е)

u_н1(t)=U_н1[1+m(t)],

где ;

пропорциональное модулирующей функции m(t) (фиг.2, в). Это напряжение фиксируется блоком 14 регистрации.

Напряжение U_пр1(t) (фиг.2, д) с выхода усилителя-ограничителя 36 поступает на первый вход частотного демодулятора 30 и на входы удвоителя 23 фазы фазовых детекторов 12 и 31.

При удвоении фазы принимаемый сложный ФМн-ЧМн-сигнал приобретает индекс частотной манипуляции m_f=1 и его сплошной спектр трансформируется в три дискретные составляющие на частотах 2f₁, 2f₂ и 2f₃. С помощью блоков ФАПЧ 24, 25 и 26 осуществляется фильтрация дискретных составляющих, а делители 27, 28 и 29 фазы (частоты) обеспечивают соответствие частот сигналов синхронизации и принимаемого сигнала. На выходе делителей 27, 28 и 29 фазы на два образуются гармонические колебания (фиг.2, ж, з, и)

u₁(t)=U_огрcos2πf₁t,

u₂(t)=U_огрcos2πf₂t,

u₃(t)=U_огрcos2πf₃t, 0≤t≤T_c,

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

С выхода частотного демодулятора 30 низкочастотное напряжение u_н3(t), пропорциональное двоичной последовательности M₂(t) (фиг.2, д), переданной 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)=U₄cos[2π(f₃-f₁)t+φ_k(t)],

u₅(t)=U₄cos[2π(f₂-f₃)t+φ_k(t)], 0≤t≤T_c,

где

которое суммируется в сумматоре 32

где

Это напряжение поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 33, на второй (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, к)

0≤t≤T_c,

где

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

u₀(t)=U₀cos2πf₀t

и напряжение u₃(t) с выхода делителя 29 фазы на два поступают на два входа фазового детектора 18 и сравниваются по фазе. Если указанные напряжения отличаются друг от друга по фазе (частоте), то на выходе фазового детектора 18 образуется напряжение. Причем амплитуда и полярность этого напряжения зависят от степени и направления отклонения промежуточной частоты f_пр=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 17 относительно символьных частот f₁ и f₂ (f₀=f_пр)

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

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает передачу не только дискретных, но и аналоговых сообщений. Это достигается за счет дополнительной амплитудной модуляции аналоговым сообщением высокочастотного колебания одной несущей частоты, предварительно проманипулированного по фазе и частоте, что приводит к образованию сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-ЧМн-АМ) на одной несущей частоте.

Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи физиологических параметров, характеризующих деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной системы человека-оператора, а также аналоговых сообщений на большие расстояния. Данные 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.

С точки зрения обнаружения сложных сигналов ФМн-ЧМн-АМ-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-АМ-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-ЧМн-АМ-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника. Тем самым функциональные возможности системы расширены.

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, в системах скорой помощи, дистанционных консультативных центров, на борту летательных аппаратов и т.д.

Система содержит передающий и приемный блоки. Передающий блок содержит первый и второй датчики, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, генератор высокой частоты, передающую антенну, фазовый манипулятор, частотный манипулятор, усилитель мощности, источник аналоговых сообщений и амплитудный модулятор.

Приемный блок содержит радиоприемник, блок модуляции и блок регистрации.

Радиоприемник содержит опорный генератор, второй фазовый детектор, формирователь управляющего сигнала, гетеродин, смеситель и усилитель промежуточной частоты.

Блок демодуляции содержит удвоитель фазы, первый, второй и третий блоки ФАПЧ, первый, второй и третий делители фазы на два, частотный демодулятор, первый, третий и четвертый фазовые детекторы, усилитель-ограничитель и синхронный детектор.

Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей системы путем передачи аналоговых сообщений за счет амплитудной модуляции высокочастотного колебания одной несущей частоты. 3 ил.

Мониторная система физиологических параметров, содержащая передающий блок с подключенным к его выходу передающей антенной и приемный блок, состоящий из последовательно включенных приемной антенны, радиоприемника, блока демодуляции и блока регистрации, при этом 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, и частотного манипулятора, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом второго датчика, а также 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 включенных 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 подключенные к выходу удвоителя фазы второго блока ФАПЧ и второго делителя фазы на два, выход которого соединен с вторым входом частотного демодулятора, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы третьего блока ФАПЧ и третьего делителя фазы на два, последовательно подключенные к выходу второго делителя фазы на два первого фазового детектора, сумматора, второй вход которого через третий фазовый детектор соединен с выходом третьего делителя фазы на два, и четвертого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя фазы на два, а выход подключен к второму входу блока регистрации, отличающаяся тем, что она снабжена источником аналоговых сообщений, амплитудным модулятором, усилителем-ограничителем и синхронным детектором, причем к выходу частотного манипулятора подключен амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом источника аналоговых сообщений, а выход подключен к входу усилителя мощности, к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены усилитель-ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, выход усилителя-ограничителя подключен к входу удвоителя фазы, ко второму входу первого и третьего фазовых детекторов и к третьему входу частотного демодулятора.