Устройство для бесконтактной регистрации траектории центра тяжести человека

Устройство для бесконтактной регистрации траектории центра тяжести человека

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к гигиене, и может быть использовано при проведении массовых профилактических осмотров детей, подростков и призывников, а также взрослых на основе дистанционной регистрации траектории центра тяжести тела человека, находящегося в свободной вертикальной позе, попеременно в двух плоскостях - сагиттальной и фронтальной с одновременным получением количественных характеристик состояния опорно-двигательной системы (ОДС), параметры которой определяются с помощью радиолокационного метода. При этом устройство - микроволновый доплеровский радиолокатор содержит приемник с квадратурными каналами, что обеспечивает измерение фазы отраженного от человека сигнала, которая линейно связана с микроперемещениями облучаемого участка поверхности тела человека на уровне 5-го поясничного позвонка относительно неподвижной антенны радиолокатора. Устройство работает в присутствии одежды обследуемого, стоящего в свободной вертикальной позе на ровной поверхности пола. Наличие в устройстве блока измерения и анализа фазы отраженного сигнала обеспечивает надежную регистрацию и анализ траектории перемещения центра тяжести тела человека в гбризонтальной плоскости на уровне 5-го поясничного позвонка, что позволяет оценить состояние опорно-двигательной системы исследуемого объекта.

Уровень техники в области, к которой относится изобретение, включает следующие решения:

1. Устройство доплеровской локации для регистрации артериального пульса и частоты дыхания, который позволяет регистрировать артериальный пульс и кривую дыхательной экскурсии при исследованиях психофизиологического состояния людей и животных. Недостатком такого устройства является отсутствие блока измерения и анализа фазы отраженного сигнала, что существенно уменьшает точность измерения (Патент РФ №2000080, кл. А61В 5/02).

2. Способ регистрации артериального пульса и частоты дыхания и устройство для его осуществления, который позволяет дистанционно определять параметры артериального пульса с одновременной регистрацией кривой дыхательной экскурсии. Недостатком такого устройства является отсутствие в схеме устройства блока усиления на промежуточной частоте (работа по гомодинной схеме, то есть с одним генератором), что снижает точность измерения (Патент №2053706, кл. А61В 5/02).

3. Способ наблюдения за психофизиологическим состоянием пациента путем регистрации перемещений участков тела, которые обусловлены эффектом комбинированного воздействия работы сердца, кровообращения и дыхания. Недостатком этого способа является фиксация только нарушения или изменения деятельности сердечно-сосудистой системы и процесса дыхания, но не раздельное измерение частоты пульсаций кровотока и интервалов дыхания (авт св. СССР №316439, кл. А61В 8/02, 1971 г).

4. Способ оценки психофизиологического состояния пациента и устройство для доплеровской локации, который позволяет проводить терапевтическое воздействие на пациента КВЧ-облучением с одновременным исследованием психофизиологического состояния пациента. Недостатком такого устройства является работа устройства на одну антенну и отсутствие в схеме устройства блока усиления на промежуточной частоте (работа по гомодинной схеме, то есть с одним генератором), что снижает точность измерения (Патент №2071718, кл. А61В 5/02).

5. Способ регистрации артериального давления и частоты дыхания и устройство для его осуществления» (RU 2345704 С2, 10.02.2009), в котором имеется блок бесконтактной регистрации фазы отраженного от поверхности человека сигнала для вычислений микроперемещений кожного покрова путем его облучения доплеровским локатором СВЧ в диапазоне от 10 до 100 ГГц. Блок содержит передающую антенну, соединенную через вентиль с первым выходом передающего генератора, приемную антенну, первый и второй смесители, направленный ответвитель, фазовый детектор-квадратор, соединенный через аналого-цифровой преобразователь с блоком вычисления и анализа фазы отраженного от тела человека сигнала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по совокупности признаков является устройство для регистрации частоты дыхания (RU 2345704 С2, 10.02.2009), в котором имеется блок бесконтактной регистрации фазы отраженного от поверхности человека сигнала для вычислений микроперемещений кожного покрова путем его облучения доплеровским локатором СВЧ в диапазоне от 10 до 100 ГГц.

Мобильность и портативность заявляемого устройства позволяет проводить обследование в условиях детских садов и общеобразовательных школ, что существенно увеличивает объемы обследований. Пропускная способность данного устройства составляет 20-25 детей в час.

Технический результат, получаемый при использовании заявляемого изобретения, направлен на обеспечение дистанционного наблюдения за процессом перемещения центра тяжести тела человека, находящегося в свободной вертикальной позе, с использованием доплеровского локатора, основанного на регистрации микроперемещений облучаемого участка поверхности тела в районе 5-го поясничного позвонка, с определением параметров перемещения центра тяжести тела и пригодного для последующего исследования функционального состояния опорно-двигательной системы контролируемого объекта.

Заявляемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость», т.к. известны устройства, включающие в себя блоки, аналогичные блокам в заявляемом устройстве (патенты РФ №2000080, №2053706, RU 2345704 C2, 10.02.2009), при этом задачи, решаемые в указанных патентах, отличаются от задач, решаемых в заявленном устройстве.

Заявляемое устройство (см. чертеж) включает в себя следующие блоки: СВЧ-генератор 1 (передатчик), вентиль 2-1, защищающий передатчик от отраженного сигнала, передающую антенну 4 (А_прд), направленный ответвитель 3, приемную антенну 5 (А_прм), вентиль 2-2, обеспечивающий прохождение гетеродинного сигнала на смеситель опорного канала 7, смеситель приемного канала 6, гетеродинный генератор 8 (гетеродин), делитель мощности 9, вентиль 2-3, обеспечивающий развязку смесителя приемного канала 6 и смесителя опорного канала 7, фазовый детектор-квадратор 10 (ФД-КВ), аналого-цифровой преобразователь 11 (АЦП), блок вычисления и анализа фазы 12. Приемник выполнен по супергетеродинной схеме с квадратурными каналами синусным (sin φ) и косинусным (cos φ).

Устройство работает следующим образом. Облучение участка поверхности тела в районе 5-го поясничного позвонка осуществляется передающей антенной 4, имеющей узкую диаграмму направленности излучения (8° телесного угла), конструктивно выполненной в виде конуса и излучающей электромагнитное колебание на частоте 60 ГГц. Отраженное от тела человека э.-м. колебание приходит в приемную антенну 5, конструктивно выполненную аналогично передающей антенне, в смеситель приемного канала 6, на второй вход смесителя 6 приходит часть сигнала гетеродина, прошедшая через делитель мощности 9 и вентиль 2-3, в результате на выходе смесителя 6 образуется сигнал промежуточной частоты f=200 МГц, содержащий доплеровскую добавку за счет микроперемещения облучаемой площадки на теле обследуемого человека в процессе поддержания вертикальной позы. Часть сигнала передатчика 1, отличающаяся от частоты гетеродинного генератора 8 на 200 МГц, через направленный ответвитель 3 поступает на смеситель опорного канала 7, на второй вход которого подается с делителя мощности 9 часть мощности гетеродинного генератора 8, в результате на выходе смесителя 7 образуется сигнал промежуточной частоты, но уже без доплеровской добавки, т.к. этот сигнал формируется внутри устройства и не выходит за его пределы. Сигналы промежуточной частоты с выходов смесителей 6 и 7 поступают на вход фазового детектора - квадратора 10, на выходе которого формируются квадратурные сигналы sin φ и cos φ доплеровской частоты. С выхода фазового детектора - квадратора 10 квадратурные сигналы подаются на двухканальный аналого-цифровой преобразователь 11, в котором они дискретизируются и в цифровом виде поступают в блок вычисления и анализа фазы 12, в котором по текущим значениям квадратурных составляющих вычисляется фаза φ отраженного сигнала, пропорциональная величине микроперемещения облучаемой площадки, относительно передающей антенны 4.

Блок 12 может быть выполнен на базе персонального компьютера, что позволяет с помощью специальной программы вычислять мгновенную фазу отраженного от объекта сигнала и получать в режиме реального времени как изменение текущей фазы отраженного сигнала на несущей частоте (микроперемещение облучаемой площадки относительно антенны), так и текущее изменение статистических и спектральных параметров величины мгновенных перемещений центра тяжести тела человека.

1. Устройство бесконтактной регистрации фазы отраженного от тела человека сигнала для вычисления микроперемещений и траектории центра тяжести человека, содержащее передающую антенну, соединенную через вентиль с первым выходом передающего генератора, приемную антенну, первый и второй смесители, направленный ответвитель, фазовый детектор-квадратор, соединенный через аналого-цифровой преобразователь с блоком вычисления и анализа фазы отраженного от человека сигнала, отличающееся тем, что приемная антенна соединена с первым входом первого смесителя, второй вход которого соединен через соответствующий вентиль с первым входом делителя мощности, второй вход которого соединен с гетеродинным генератором, а третий через соответствующий вентиль соединен с первым входом второго смесителя, второй выход передающего генератора соединен через направленный ответвитель со вторым входом второго смесителя, при этом выходы первого и второго смесителей соединены с двумя входами фазового детектора-квадратора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающий генератор выполнен с возможностью работы на частоте 60 ГГц.