Способ регистрации артериального пульса и частоты дыхания и устройство для его осуществления

 

Использование: в медицине, в кардиологии. Сущность изобретения: дистанционно регистрируют микроперемещение участка тела с помощью доплеровского локатора с частотой 10 - 100 ГГц, раскладывая сигнал на квадратурные составляющие. Выделение изменений фазы сигнала позволяет отделить дыхательные волны от пульсовых. Устройство для осуществления способа содержит передающий генератор, соединенный с излучателем, приемник отраженного сигнала, блок обработки с регистратором. Блок обработки с регистратором включает блок квадратурных составляющих доплеровского сигнала, выполненный по двухканальной схеме, блок фильтрации, блок выделения фазы сигнала, логический блок анализа фазы сигнала. Последний блок содержит блок выделения сигнала о частоте дыхания и блок выделения пульсового сигнала. Излучатель выполнен в виде передающей антенны, а приемник - в виде приемной. Передающий генератор имеет частоту излучения в диапазоне 10 - 100 ГГц. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицине, в частности кардиологии, и позволяет дистанционно определять параметры артериального пульса с одновременной регистрацией кривой дыхательной экскурсии.

Известны способы наблюдения за физиологическим состоянием больного путем регистрации перемещений участков тела или изменения их взаимного расположения, которые обусловлены эффектом комбинированного воздействия работы сердца, кровообращения и дыхания (авт. св. СССР N 316439, патент США N 4299233, N 4657025). Однако эти способы фиксируют только нарушение или изменение деятельности сердечно-сосудистой системы и процесса дыхания, но не позволяют раздельно измерять частоту пульсаций кровотока и интервалы дыхания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по совокупности признаков последовательности действий является способ наблюдения за артериальным пульсом и процессом дыхания путем регистрации перемещения тканей участка тела, вызванных комбинированным воздействием кровотока и дыхания, с использованием устройства, которое фиксирует наведенный в пульсирующих тканях электрический сигнал вихретокового преобразования, содержащий две составляющие: пропорциональную дыхательному циклу и пропорциональную степени кровонаполнения исследуемого участка, которая зависит от фазы дыхания. В этом решении, принимаемом в качестве прототипа, осуществляется выделение полезного сигнала фильтрацией путем вычитания "дыхательной" составляющей из основного суммарного сигнала, что обеспечивает надежное исследование процесса кровонаполнения, но не позволяет определять кардиоинтервалы с одновременной регистрацией кривой дыхательной экскурсии, по которым возможно производить оценку и прогнозирование психофизиологического состояния исследуемого объекта. Кроме того, известные способы наблюдения исследуемого объекта. Кроме того, известные способы наблюдения за деятельностью сердечно-сосудистой системы и дыхания, включая и прототип, не обеспечивают дистанционную бесконтактную диагностику и не исключают влияние случайных перемещений исследуемого тела или отдельных его участков на конечной результат.

Для исследования сердечно-сосудистой системы используются различные по конструктивному выполнению устройства, основанные на доплеровской локации пульсирующих органов, блок-схема которых включает датчики для излучения и приема сигнала, генератор, приемник и индикатор или средства регистрации. При этом для облучения объекта применяется генератор ультразвуковых частот (см. авт.с.в СССР N 245979, N 1297806, патент США N 4133444) генератор световых импульсов (патент США 4703758, заявка Японии) или лазер (заявка Японии 60-58969), а приемник и средства регистрации в зависимости от назначения могут иметь достаточно сложную схему.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, характеризующих структурную блок-схему, пригодную для реализации предлагаемого способа дистанционного наблюдения за артериальным пульсом и интервалами дыхания, является устройство для доплеровской локации кровотока, содержащее передающий генератор, подсоединенный через направленный ответвитель к датчику излучения, приемник, который соединен с направленным ответвителем и на входе с датчиком приема отраженного сигнала и включает детектор (смеситель) и усилитель, и блок обработки, подключенный через фильтр к выходу приемника (авт. св. СССР N 1480811). Это устройство работает в диапазоне ультразвуковых частот и не обеспечивает требуемое для реализации заявленного способа дистанционное измерение микроперемещений кожного покрова с последующим выделением "сердечного" и "дыхательного" сигналов, например, путем обработки квадратурных составляющих отраженного доплеровского сигнала.

Изобретение направлено на создание надежной методики дистанционного наблюдения за процессом дыхания и пульса с использованием доплеровского локатора, основанной на регистрации микроперемещений кожи с раздельным определением параметров процесса дыхания и пульса и пригодной, например, для последующего исследования психо-физиологического состояния контролируемого объекта.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе наблюдения за артериальным пульсом и интервалами дыхания путем регистрации перемещения тканей участка тела, обусловленных комбинированным воздействием пульсаций кровотока и дыхания, с последующим выделением посредством фильтрации полезного сигнала, дистанционно облучают кожный покров с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц и путем разложения отраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяют изменения его фазы. При этом из отраженного сигнала предварительно удаляют низкочастотные составляющие сигнала, обусловленные возможными перемещениями облучаемого участка, а суждение о психо-физиологическом состоянии исследуемого объекта выносят на основании анализа статистического распределения кардиоинтервалов.

При этом в устройстве для регистрации артериального пульса и частоты рыхления, содержащем передающий генератор, через направленный ответвитель, соединенный с излучателем, приемник отраженного сигнала, соединенный с первым входом блока обработки с регистратором, второй вход которого соединен с направленным ответвителем, блок обработки включает блок выделения квадратурных составляющих доплероского сигнала, выполненный по двухканальной схеме, входами подключенный к входам блока обработки, а выходами к входам блока фильтрации, сведенный с его выходами блок выделения фазы сигнала, содержащий последовательно подключенные к его входу блок выделения сигнала о частоте дыхания и блок выделения пульсового сигнала, при этом излучатель выполнен в виде передающей антенны, приемник отраженного сигнала в виде приемной антенны передающий генератор имеет частоту излучения в диапазоне 10-100 ГГц. Кроме того, блок выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, содержит фазовращатель 1 и 2 смесители, 1 и 2 делители и 1 и 2 предварительные усилители, при этом первый делитель входом подключен к входу блока выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, а первым и вторым выходами к 1 смесителю и фазовращателю соответственно, второй вход 1 смесителя соединен с выходом 2 делителя, а его вход с первым предварительным усилителем, связанным с выходом блока выделения квадратурных составляющих, вход второго делителя подключен к второму входу блока выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, его выход через первый вход второго смесителя связан со вторым предварительным усилителем, соединенным с другим выходом блока выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, а второй вход второго смесителя соединен с выходом фазовращателя.

Дистанционная регистрация перемещений кожного покрова дает достоверную и полную информацию о процессе дыхания и состоянии сердечно-сосудистой системы, которое определяется на основе анализа кардиоинтервалов, регистрируемых доплеровским локатором, работающим в диапазоне частот от 10 до 100 ГГц.

При этом точность и достоверность определения микроперемещений обеспечивается в изобретении как фазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т. к. фаза отраженного сигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора до облучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики) в режиме облучения объекта непрерывным монохроматическим немодулированным сигналом, так и выбором рабочей частоты, которая в заявленном СВЧ диапазоне обуславливает значительную фазовую модуляцию отраженного сигнала при изменении пульса на расстоянии до 5 м при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья, легких ширм и т.п.

Кроме того, электромагнитное облучение на отдельных участках выбранного диапазона (от 10 до 100 ГГц), как показали медицинские исследования, могут улучшать общее самочувствие пациентов и излечивать некоторые болезни.

Наличие блока коррекции тренда повышает достоверность регистрации "дыхательного" и "сердечного" сигнала, т.к. предварительно отфильтровывает (вычитанием) из квадратурного сигнала составляющую, обусловленную случайными макроперемещениями тела или его отдельных участков, и систематическое смещение нуля.

Логический блок анализа сигналов, выполненный на базе ЭВМ с высокой степенью точности и надежности, автоматически обрабатывает квадратурные составляющие, выделяя фазу отраженного сигнала и раздельно регистрируя параметры процесса дыхания и пульса.

На чертеже представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.

Наблюдение за артериальным пульсом и процессом дыхания для исследования психо-физического состояния осуществляется следующим образом.

Деятельность сердечно-сосудистой системы и дыхание оказывают комбинированное воздействие на кожный покров, проявляющееся в виде колебательных микроперемещений кожи. Для получения информации о параметрах процесса дыхания и пульса определяют микроперемещения кожного покрова путем его облучения с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц. При этом выделяют изменение фазы ϕ отраженного сигнала (которое линейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта), путем его разложения на квадратурные составляющие sin ϕ и cos ϕ, корректировки (фильтрации путем вычитания низкочастотного тренда) и преобразования синусной (l₂ sin ϕ) и косинусной (l₁ cos ϕ) квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы ϕ, вычисляемый в блоке выделения фазы как арктангенс отношения квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы вычисляемый в блоке выделения фазы как артктангенс отношения квадратурных составляющих ϕ arctg(l₂/l₁). Затем из полученного непрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы ϕ за счет перемещения отражающего объекта (т. е. облучаемого участка кожи), выделяют составляющие процессов дыхания и пульса, регистрируют параметры процесса дыхания (в виде кривой дыхательной экскурсии) и пульса (в виде кардиоинтервалов) и по ним оценивают психо-физиологическое состояние исследуемого объекта, используя известные в медицине методики.

Регистрация микроперемещений кожного покрова для дистанционного определения кардиоинтервалов и кривой дыхательной экскурсии осуществляется с помощью устройства для доплеровской локации.

Устройство содержит передающий СВЧ-генератор 1, вентиль 2, направленный ответвитель 3, передающую антенну 4, блок выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала 5, приемную антенну 6, блок фильтрации 7, блок обработки 8. Блок 5 выполнен по гомодинной двухантенной схеме на баллансных смесителях с двумя квадратурными каналами (двухканальным) и содержит делители 9 и 10, балансные смесители 11 и 12, фазовращатель 13 и предварительные усилители доплероских частот 14 и 15.

Блок обработки 8 содержит блок выделения фазы сигнала 16 и логический блок анализа фазы сигналов 17, который включает блок выделения сигнала о частоте дыхания 18 и блок выделения пульсового сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Облучение пульсирующего органа (участка поверхности кожи) осуществляется передающей антенной 4, выполненной, например, в виде конического рупора с узкой диаграммой направленности основного лепестка, сигнала сверхвысокой частоты в диапазоне от 10 до 100 ГГц на которую поступает: от передающего СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и направленный ответвитель 3. Отраженный сигнал, содержащий доплеровскую частоту, модулированный периодическими процессами биения пульса (кровотока) и дыхания, воспринимается приемной антенной 6 и поступает на вход блока 5 к делителю 10, который разделяет его на две равные части и направляет на входы балансных смесителей 11 и 12 квадратурных каналов. Опорный сигнал, ответвленный направленным ответвителем 3 от излучаемого сигнала с передающего генератора 1 после вентиля 2, поступает на делитель 9, где разделяется, аналогично делителю 10, на две части, одна из которых направляется на второй вход балансного смесителя 11, а другая через фазовращатель 13 на второй вход балансного смесителя 12. Квадратурные составляющие доплеровского сигнала с выходов балансных смесителей 11 и 12 поступают на идентичные предварительные усилители доплеровской частоты 14 и 15, где они усиливаются до необходимой величины и затем поступают на блок фильтрации 7, который удаляет низкочастотные смещения относительно нулевого уровня, обусловленные случайными перемещениями облучаемого объекта. С выхода блока коррекции тренда 7 сигналы поступают на блок 16, где преобразуются в текущую фазу ϕ отраженного сигнала.

Логический блок анализа 17 состоит из блоков 18 и 19 и обеспечивает выделение составляющих процесса дыхания и пульса и их регистрацию путем обработки сигнала в следующей последовательности. В блоке 18 происходит выделение "дыхательной" компоненты из сигнала текущей фазы ϕ, характеризующего колебательный процесс микроперемещений кожного покрова, путем нелинейной фильтрации и регистрации кривой дыхательной экскурсии, а в блоке 19 из сигнала текущей фазы ϕ удаляют "дыхательную" компоненту.

Формула изобретения

1. Способ регистрации артериального пульса и частоты дыхания, включающий регистрацию перемещения тканей участка тела, обусловленных комбинированным воздействием кровотока и дыхания с последующим выделением полезного сигнала, отличающийся тем, что участок тела дистанционно облучают электромагнитными волнами сверхвысокой частоты в диапазоне 10 - 100 ГГц доплеровским локатором, отфильтровывают низкочастотные составляющие, обусловленные перемещениями исследуемого участка, раскладывают сигнал на квадратурные составляющие и регистрируют изменение фазы сигнала.

2. Устройство для регистрации артериального пульса и частоты дыхания, содержащее передающий генератор, через направленный ответвитель соединенный с излучателем, приемник отраженного сигнала, соединенный с первым входом блока обработки с регистратором, второй вход которого соединен с направленным ответвителем, отличающееся тем, что блок обработки с регистратором включает блок выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, выполненный по двухканальной схеме, входами подключенный к входам блока обработки, а выходами - к входам блока фильтрации, связанный с его выходами блок выделения фазы сигнала, соединенный с его выходом логический блок анализа фазы сигнала, содержащий последовательно подключенные к его входу блок выделения сигнала о частоте дыхания и блок выделения пульсового сигнала, при этом излучатель выполнен в виде передающей антенны, приемник отраженного сигнала в виде приемной антенны, а передающий генератор имеет частоту излучения в диапазоне 10 - 100 ГГц.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала содержит фазовращатель, первый и второй смесители, первый и второй делители и первый и второй предварительные усилители, при этом первый делитель входом подключен к входу блока выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, а первым и вторым выходами - к первому смесителю и фазовращателю соответственно, второй вход первого смесителя соединен с выходом второго делителя, а его выход - с первым предварительным усилителем, связанным с выходом блока выделения квадратурных составляющих, вход второго делителя подключен к второму входу блока выделения квадратурных составляющих доплеровского сигнала, его выход через первый вход второго смесителя связан с вторым предварительным усилителем, соединенным с другим выходом блока выделения квадратурных составляющих сигнала, а второй вход второго смесителя соединен с выходом фазовращателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1