Способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма

Способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля жизнедеятельности организма.

Известен способ обнаружения местоположения живого объекта, включающий излучение радиочастотного сигнала, прием отраженного радиочастотного сигнала в месте излучения радиочастотного сигнала, выделение составляющей принятого радиочастотного сигнала, модулированной по амплитуде и фазе, соответствующим частоте пульса и/или дыхания живого неподвижного объекта, суждение по выделенной составляющей об обнаружении живого объекта (IEEE TRANSACTIONS ON BME, V. 33, 7, July, 1986, KUN-MU CHEN, D.MISRA, H.-R. CHUANG, "An X-band microwave Life-Detection system").

Однако данный способ имеет сложную техническую реализацию, высокий уровень фоновой составляющей полезного сигнала, не позволяет определять амплитуду движения организма.

Также известна электронная система для обнаружения живого объекта, содержащая модулятор и передатчик, состоящий из генератора, делителя мощности, передающей антенны, приемник, состоящий из приемной антенны, СВЧ-приемника, предусилителя/демодулятора, блока обработки сигнала, причем второй сигнальный выход делителя мощности соединен с управляющим входом СВЧ-приемника, при этом один из управляющих выходов модулятора соединен с управляющим входом СВЧ-приемника (патент DE №4241664, МПК G 01 S 13/04).

Недостатками данного способа являются дополнительные шумы, вносимые на входе СВЧ приемника до усиления, что ограничивает минимальный уровень принимаемого сигнала и снижает чувствительность и не позволяет определять дальность до живого объекта.

Наиболее близким является способ обнаружения местоположения живого объекта, включающий излучение радиочастотного сигнала, прием отраженного радиочастотного сигнала в месте излучения радиочастотного сигнала, выделение составляющей принятого радиочастотного сигнала, модулированной по амплитуде и фазе, соответствующим частоте пульса и/или дыхания живого неподвижного объекта, суждение по выделенной составляющей об обнаружении живого объекта, излучении радиочастотного сигнала с фиксированной длительностью Т_и, прием отраженного радиочастотного сигнала в фиксированный промежуток времени Т_п, равный по длительности фиксированной длительности Т_и излученного радиочастотного сигнала с задержкой τ_з между окончанием излучения радиочастотного сигнала и началом приема отраженного радиочастотного сигнала, при обнаружении модулированной составляющей измерение ее уровня, затем изменение длительности приема Т_п отраженного радиочастотного сигнала до уменьшения уровня модулированной составляющей относительно ее уровня для отраженного радиочастотного сигнала, принятого с фиксированной длительностью Т_и, и до момента окончания прихода отраженного радиочастотного сигнала (Патент РФ №2159942, МПК G 01 S 13/04).

Однако данный способ имеет сложную техническую реализацию, высокий уровень фоновой составляющей полезного сигнала, не позволяет определять амплитуду движения организма.

Задача настоящего способа заключается в увеличении точности измерений и возможности определения частоты, амплитуды движения организма вследствие сердцебиения и дыхания и степени соответствия норме физиологических параметров живого организма.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма включает излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, определение параметров организма согласно предложенному решению, перед определением параметров отраженный сигнал когерентно складывают с излучаемым электромагнитным сигналом, выделяют основную гармонику в спектре сложенного сигнала, по которой определяют частоту движения организма, а по величине гармоник, входящих в спектр, определяют амплитуду движения организма, по полученным величинам амплитуды и частоты судят о соответствии норме физиологических параметров жизнедеятельности организма.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

Фиг.1 Схема радиоинтерферометра на базе двойного волноводного тройника для контроля смещений грудной клетки пациента: 1 - двойной волноводный тройник, 2 - вентиль, 3 - СВЧ-генератор, 4 - детектор, 5 - аттенюатор, 6 - короткозамыкающий поршень, 7 - рупорная антенна, 8 - обследуемый организм, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - компьютер, 11 - источник питания.

Фиг.2. Блок-схема радиоволнового автодина на диоде Ганна: 12 - СВЧ-датчик, состоящий из генератора 13 и приемника 14; 15 - источник питания; 16 - аналого-цифровой преобразователь; 17 - компьютер; 18 - рупорная антенна; 19 - обследуемый организм.

Фиг.3. Временная зависимость переменной составляющей продетектированного сигнала периодическом движении объекта с амплитудой ξ=1.05λ.

Фиг.4. Спектр переменной составляющей продетектированного сигнала периодическом движении объекта с амплитудой ξ=1.05λ.

Фиг.5. Зависимость продетектированного сигнала от времени при движении грудной клетки вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений.

Фиг.6. Спектральное представление продетектированного сигнала.

Фиг.7. Форма движения грудной клетки вследствие сердечных сокращений.

Фиг.8. Спектральное представление сигнала вблизи частоты сердечных сокращений.

Фиг.9. Зависимость продетектированного сигнала от времени вследствие движения грудной клетки у пациента при глубоком дыхании.

Фиг.10. Экспериментальные зависимости продетектированного сигнала от времени.

Фиг.11. Спектры продетектированного сигнала для двух мгновенных положений грудной клетки пациента - L₁; - L₂.

Способ заключается в следующем:

Излучение электромагнитного сигнала с помощью СВЧ-генератора 3, 13 (фиг.1 и 2) через рупорную антенну 7, 18 направляется на предполагаемое место расположения живого организма 8, 19. Отраженное излучение принимают через эту же рупорную антенну и когерентно складывают с излучаемым электромагнитным сигналом. Сложенный сигнал выбирают в качестве информативного сигнала. Результат сложения - информативный сигнал - выделяется с помощью детектора 4, 14 и подается на аналого-цифровое устройство 9, 16 для последующей его цифровой обработки на компьютере 10, 17. Из полученного сигнала выделяют основную гармонику в спектре информативного сигнала, которая является величиной, характеризующей частоту (пульс) движения организма. По величине гармоник, входящих в спектр, определяют амплитуду движения организма (например, Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.). Полученные величины амплитуды и частоты движения организма сравнивают с параметрами, соответствующими норме физиологических параметров жизнедеятельности организма.

Теоретическое обоснование методики измерений.

При невысоком уровне отраженного сигнала автодинной системы (фиг.2) измерений частота и амплитуда колебаний контролируемого объекта могут быть описаны соотношениями, аналогичными соотношениям в двойном волноводном тройнике (фиг.1).

При подаче в Н-плечо двойного волноводного тройника входного СВЧ-сигнала амплитуда высокочастотного тока I₀, возбуждаемого в Е-плече волноводного тройника в результате интерференции волн, отраженных от нагрузки в опорном плече и от измеряемого объекта, определяется амплитудами токов I₁ и I₂, наводимых в нагрузке Е-плеча волноводного тройника отраженными волнами, и разностью длин L измерительного и опорного плеч:

где τ=2L/u - время задержки электромагнитной волны в измерительном плече, u - скорость распространения электромагнитной волны, ω - частота СВЧ-сигнала. Начальный сдвиг фаз π соответствует минимуму ответвления энергии в Е-плечо тройника при равенстве длин измерительного и опорного плеч.

Полупроводниковый детектор с вольт-амперной характеристикой вида

установленный в Е-плече двойного волноводного тройника, позволяет регистрировать продетектированный сигнал, величина которого при малых уровнях СВЧ-мощности определяется выражением

где I_S - ток насыщения обратно смещенного диода, V - мгновенное значение напряжения на диоде, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

Если в измерительном плече волноводного тройника находится объект, совершающий продольное периодическое движение около положения равновесия L₀, описываемое функцией вида:

где ξ, Ω и ε - амплитуда, частота и начальная фаза механических колебаний, то переменная составляющая продетектированного сигнала (фиг.3) определяется выражением

где

С ростом амплитуды механических колебаний ξ до значений ˜0.12λ (λ=2πu/ω - длина волны зондирующего излучения) наблюдается монотонное увеличение амплитуды переменной составляющей продетектированного сигнала. При дальнейшем увеличении ξ временная зависимость продетектированного сигнала усложняется, амплитуда переменной величины достигает своего максимального значения, равного I_DO (фиг.3), а в спектре S продетектированного сигнала появляется большое число высших гармонических составляющих (фиг.4).

Из представления переменной составляющей продетектированного сигнала в виде разложения в ряд по функциям Бесселя:

где - приведенная амплитуда механических движении, следует, что амплитуды нечетных S_2n-1 и четных S_2n спектральных составляющих сигнала прямо пропорциональны функциям Бесселя J_2n-1(σ) и J_2n(σ), и связаны с ними соотношениями:

Отношения величин нечетных или четных спектральных составляющих продетектированного сигнала:

могут быть использованы для определения амплитуды σ механических движений.

Решая уравнение (8) или (9) относительно приведенной амплитуды механических движений σ, можно определить абсолютную амплитуду движений ξ измеряемого объекта

Дыхательные движения и сердечные сокращения вызывают периодические смещения грудной клетки человека. Для контроля периодических движений грудной клетки вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений в качестве источника СВЧ-сигнала в радиоинтерференционной схеме (фиг.1) использовался СВЧ-генератор 3 трехсантиметрового диапазона типа Г4-83, включенный через вентиль 2 в H-плечо двойного волноводного тройника 1. Продетектированный с помощью СВЧ-диода 4, расположенного в Е-плече волноводного тройника, сигнал через аналого-цифровой преобразователь 9 (АЦП) поступал в компьютер 10 для анализа.

Зависимость переменной составляющей продетектированного сигнала от времени при изменении положения грудной клетки вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений представлена на фиг.5.

Спектральное представление продетектированного сигнала (фиг. 6) позволяет разделить движение грудной клетки вследствие дыхательных движений (частота движения f_дых составляет 0.16 Гц) и сердечных сокращений (частота сердечных сокращений f_серд=1.4 Гц).

Из спектрального представления переменной составляющей продетектированного сигнала, приведенного на фиг.6, определялось отношение между величиной первой (частота 0.16 Гц) и третьей (частота 0.48 Гц) гармоник

величина которого оказалась равной 6, здесь J₁ и J₃ - функции Бесселя первого и третьего порядков соответственно. Из решения уравнение (10) относительно приведенной амплитуды механических движений σ определялась абсолютная амплитуда движений ξ, грудной клетки вследствие дыхательных движений.

Измерения проводились при частоте зондирующего сигнала 9.8 ГГц. Для спектра, приведенного на фиг.6, амплитуда ξ_дых движений грудной клетки вследствие дыхательных движений оказалась равной ˜0.14λ, что составляет 4.5 мм.

Для определения амплитуды ξ_серд движений грудной клетки вследствие сердечных сокращений использовалось отношение амплитуды S_1дых первой гармоники продетектированного сигнала с известной амплитудой механических колебаний ξ_дых и амплитуды S_1серд первой гармоники продетектированного сигнала при движении грудной клетки вследствие сердечных сокращений, которое может быть представлено в виде

Отношение S_1серд/S_1дых для спектра, приведенного на фиг.5, равно 9. Из решения уравнение (11) определяем амплитуду движений грудной клетки вследствие сердечных сокращений ξ_серд, величина которой составила 0.35 мм.

Исключение дыхательных движений в результате задержки дыхания позволяет зафиксировать форму движения грудной клетки вследствие сердечных сокращений (фиг.7) и отфильтровать спектральное представление сигнала вблизи частоты сердечных сокращений (фиг.8).

При глубоком дыхании у пациента фиксируется зависимость продетектированного сигнала от времени в радиоинтерференционной схеме измерений, характерная для продольного периодического движения измеряемого объекта с амплитудами, сравнимыми и превышающими длину волны зондирующего радиоизлучения (фиг.9).

При глубоком дыхании спектр продетектированного сигнала становится обогащенным высшими гармоническими составляющими. При этом оказывается возможным определение амплитуды движений грудной клетки по номеру гармоники m с максимальной амплитудой в спектре продетектированного сигнала с использованием соотношения:

Расчеты показали, что при глубоком дыхании у пациента (фиг.9) максимальной по амплитуде в спектре продетектированного сигнала становится 11-я гармоника основной частоты, соответствующей частоте дыханий пациента. В этом случае согласно соотношению (12) амплитуда движения грудной клетки составляет 1.02λ, или 3.3 см.

Измерения с помощью автодина на диоде Ганна. В основу метода контроля периодических движений грудной клетки вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений с помощью автодина на диоде Ганна положена зависимость изменения режима его работы под действием СВЧ-сигнала, отраженного от грудной клетки пациента. Для направленного зондирования живого объекта СВЧ-датчик снабжался рупорной антенной. Конструктивно измерительный прибор состоит из выносного датчика с рупором и цифрового блока индикации, соединенных между собой кабелем. Измерительный датчик представляет собой волноводную секцию (сечение канала 23÷10 мм²). В качестве активного элемента использовался диод типа 3А723, помещенный в зазор стержневого держателя. Частота и мощность СВЧ-генератора могла перестраиваться в результате перемещения поршня и изменения питающего напряжения на диоде Ганна. В блоке индикации измерительного прибора проводится обработка сигнала СВЧ-генератора и отображение информации в аналоговой или цифровой форме. Предусмотрена возможность подключения к блоку индикации осциллографического индикатора, анализатора спектра сигнала механических колебаний и имеется возможность сопряжения прибора с микро-ЭВМ. Блок схема радиоволнового автодина на диоде Ганна представлена на фиг.2.

Многочастотная радиоволновая интерферометрия движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением. Использование в радиоинтерферометре на базе двойного волноводного тройника в качестве источника СВЧ-сигнала генератора качающей частоты позволяет реализовать методику определения мгновенных положений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением.

Для определения величины абсолютных смещений грудной клетки у пациента при глубоком дыхании использовался радиоинтерферометр на базе двойного волноводного тройника, в Н-плечо которого подавался СВЧ-сигнал с линейным законом изменения частоты от времени ω(t):

где Т - временной интервал изменения частоты от ω_min до ω_max.

При подаче в H-плечо волноводного тройника частотно-модулированного СВЧ-сигнала наблюдается частотная зависимость продетектированного в Е-плече сигнала.

Минимумы на частотной зависимости продетектированного сигнала согласно соотношению (3) соответствуют частотам, при которых разность длин L измерительного и опорного плеч кратна целому числу полуволн.

С учетом выражения, связывающего длину волны λ с постоянной распространения β:λ=2π/β, для частот ω₁ и ω₂, при которых на расстоянии L укладывается соответственно k полуволн и k+1 полуволна, справедливы соотношения:

и

Если L - это расстояние от плоскости, проходящей через измерительное плечо на расстоянии от оси симметрии тройника, равном длине опорного плеча до измеряемого объекта, находящегося в свободном пространстве, то - фазовая постоянная волны в свободном пространстве. Вычитая почленно (14) из (15), получим выражение, позволяющее проводить абсолютные измерения расстояния L до живого объекта, путем определения положения минимумов на частотной зависимости продетектированного в Е-плече волноводного тройника СВЧ-сигнала:

В случае когда диапазон изменения частоты зондирующего СВЧ-сигнала ω_max-ω_min значительно превышает величину ω₂-ω₁, при известном временном законе модуляции частоты ω(t) СВЧ-сигнала возможно использование разложения в ряд Фурье временной зависимости продетектированного сигнала вида с последующим выделением спектральной составляющей, соответствующей разностной частоте ω₂-ω₁. При этом погрешность определения разностной частоты ω₂-ω₁ уменьшается с увеличением диапазона изменения частоты зондирующего СВЧ-сигнала, что приводит к повышению точности определения расстояния.

Экспериментальные результаты. В качестве источника СВЧ-сигнала использовался СВЧ-генератор 3 качающей частоты измерителя КСВН и ослабления типа Р2-67, работающий в диапазоне частот 8-12 ГГц и включенный через вентиль 2 в H-плечо двойного волноводного тройника 1 (фиг.1).

Временной интервал Т изменения частоты СВЧ-сигнала от ω_min до ω_max выбирался существенно меньше характерных времен смещений грудной клетки вследствие дыхательных движений. В эксперименте временной интервал Т изменения частоты СВЧ-сигнала составлял менее 0.1 с.

Зависимости переменной составляющей продетектированного сигнала с линейным законом изменения частоты СВЧ-сигнала от времени для двух мгновенных положений грудной клетки пациента при глубоком дыхании представлена на фиг.10.

С использованием Фурье-преобразования рассчитывался спектр (фиг.11) продетектированного сигнала для мгновенного положения грудной клетки пациента и определялся период T₀ основной гармоники f₀ продетектированного в E-плече сигнала.

Величина ω₂-ω₁ согласно (13) рассчитывалась с использованием выражения:

Мгновенное положение L грудной клетки пациента вычислялось с помощью выражения (16). Амплитуда движения грудной клетки ΔL определялась как разность мгновенных положений L₁=2,620 м и L₂=2,655 м грудной клетки в соответствующие моменты времени

Вычисленная с помощью соотношений (16) и (18) амплитуда движения грудной клетки при глубоком дыхании у пациента составила 3.5 см, что соответствует результатам измерений, выполненных с использованием приведенной выше методики одночастотной радиоволновой интерферометрии.

Измеренные значения частоты и амплитуды движения грудной клетки вследствие сердцебиения и дыхания являются стандартными для функционирования здорового человека, поэтому можно сделать вывод о том, что жизнедеятельность проконтролированного организма находится в норме.

Таким образом, используя двойной волноводный тройник или автодинную систему, можно определить наличие движения организма вследствие сердцебиения и дыхания, а также величины частоты и амплитуды этих движений, а по ним судить о физиологических параметрах жизнедеятельности организма.

Способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма, включающий излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, определение параметров жизнедеятельности организма, отличающийся тем, что перед определением параметров отраженный сигнал когерентно складывают с излучаемым электромагнитным сигналом, выделяют основную гармонику в спектре суммарного сигнала, по которой определяют частоту движения грудной клетки организма, а по максимальной величине амплитуд гармоник, входящих в спектр, определяют амплитуду движения грудной клетки организма вследствие сердцебиения и дыхания, по полученным параметрам амплитуды и частоты движения грудной клетки судят о соответствии норме физиологических параметров жизнедеятельности организма.