Приборы для дистанционной регистрации биосигналов

1.2 Приборы для дистанционной регистрации биосигналов

Устройство регистрация артериального пульса и частоты дыхания. 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 рисунке 1.3 представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.

Наблюдение за артериальным пульсом и процессом дыхания для исследования психофизического состояния осуществляется следующим образом. Деятельность сердечнососудистой 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  отраженного сигнала (которое линейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта), путем его разложения на квадратурные составляющие sin и cos, корректировки (фильтрации путем вычитания низкочастотного тренда) и преобразования синусной ( и косинусной ) квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы  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 . Затем из полученного непрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы  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.

Рисунок 1.3 - Устройство регистрация артериального пульса и частоты дыхания

1 - СВЧ-генератор; 2 – вентиль; 3 - направленный ответвитель; 4 - передающую антенну; 5 - блок выделения квадратурных составляющих, доплеровского сигнала, 6 - приемную антенну; 7 - блок фильтрации; 8 - блок обработки; 9,10 – делители; 11,12 - балансные смесители; 13 – фазовращатель; 14,15 - предварительные усилители доплероских частот; 16 - блок выделения фазы; 17 - блок анализа фазы сигналов, 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  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 ( характеризующего колебательный процесс микроперемещений кожного покрова, путем нелинейной фильтрации и регистрации кривой дыхательной экскурсии, а в блоке 19 из сигнала текущей фазы  удаляют "дыхательную" компоненту.

Устройство для дистанционного исследования функций дыхания. Устройство работает следующим образом. Обследуемый располагается в пространстве электромагнитного поля, источником которого является высокочастотный генератор с излучающей пластиной, в медицинском кресле в положении сидя. Пациент расслабляется, снимает напряжение, привыкает к позе. Установка экрана МД производится с помощью подъемника, во время процедуры установки и осуществляется в ручном или автоматическом режиме под управлением сигналов, поступающих с выхода ЦАП преобразователя на вход блока управления системы наведения. Измерения выполняются экраном датчиков МД с дистанции не менее 3 - 10 см до наиболее выступающей зоны передней стенки. На поверхности матрицы датчиков образуется рельеф, обладающий избирательными и фильтрующими свойствами, параметры которого зависят от роста, пола, веса и конституции обследуемого. Сигнал с i-ro датчика после демодуляции и фильтрации с помощью блока детекторов поступает на мультиплексор, с выхода мультиплексора на вход усилителя канала. Частота дискретизации, поступающая на управляющий вход мультиплексора, задается генератором известной схемы фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, опорной частотой ФАПЧ является частота сети - 50 Гц. С помощью ФАПЧ достигается компенсация сетевых помех и наводок на канал связи. Аналоговые сигналы с выхода канала поступают на вход АЦП преобразователя с частотой преобразования не менее 100 кГц, с выхода которого подаются на вход IBM-PC

Программное обеспечение состоит из программных модулей, реализующих соответствующие этапы сбора, обработки, отображения и документирования данных обследования пациентов [7].

Медицинский радиотермометр РТМ-01-РЭС. Рассмотрим построение диагностического медицинского радиотермометра РТМ-01-РЭС предназначенного для измерения внутренней (глубинной) температуры тканей по их естественному тепловому излучению в микроволновом диапазоне и измерения температуры кожных покровов по их тепловому излучению в инфракрасном диапазоне.

Радиотермометр является модуляционным нуль-радиометром со скользящей схемой компенсации отражений между биообъектом и антенной прибора. Упрощенная схема аппаратуры показана на рисунке 1.4.

1 – антенна; 2 – выключатель; 3 – циркулятор; 4 – радиометр; 5 – нагреваемый резистор; 6 – генератор опорного напряжения; 7 – усилитель; 8 – переключатель режимов; 10 – инструментальный усилитель; 11 – аналого-цифровой преобразователь; 12 – процессор; 13 – монитор; 14 – принтер.

В состав аппаратуры входят: антенна (аппликатор), радиодатчик, датчик температуры кожи, блок обработки информации, персональная ЭВМ (ПЭВМ). Измерение внутренней температуры производится контактным способом. При этом антенна прикладывается к коже пациента на проекции исследуемого органа или его части.

Мощность шумового сигнала в радиодиапазоне, поступающая на вход антенны, можно определить по формуле:

, (1.2)

где K – постоянная Больцмана (1,38-10^-23 Дж/град); Т - усредненная температура внутренних тканей (градусы Кельвина); В - полоса частот радиоприема (Гц);  - излучательная способность.

При полосе частот В = 100 МГц (10⁸Гц) и температуре тканей 310 К эта мощность составляет примерно 4 -10¹³ Вт.

На этом фоне необходимо измерять изменение температуры в 0,1 К, т.е. изменение мощности примерно на 10 ¹⁶Вт.

Указанная величина чрезвычайно мала и может быть измерена только при использовании специальных методов приема и обработки сигналов. Мощность излучения строго пропорциональна температуре тела, поэтому она может определяться при прочих неизменных условиях в градусах температуры.

Непосредственно за антенной установлен выключатель 2, который переключается из замкнутого в разомкнутое состояние 1000 раз в секунду. При замкнутом состоянии переключателя сигнал проходит через плечи а – в циркулятора и усиливается в радиометрической части прибора 4. При разомкнутом состоянии выключателя 2 в плечо с циркулятора 3 поступают шумы от нагреваемого резистора 5, которые отражаются от выключателя 2 и через плечи а – в циркулятора 3 также попадают на вход радиометра 4. В радиометре происходит усиление сигналов и сравнение их мощности (температуры) при двух положениях переключателя 2. Напряжение, пропорциональное разности температур ткани и нагреваемого резистора 5, нагревает или охлаждает резистор до тех пор, пока указанные температуры не сравняются.

Нагреваемый резистор представляет собой тонкую керамическую пластину малой площади. На внешней стороне пластины нагреваемый резистор выполнен в виде миниатюрного пленочного элемента. Этот резистор имеет сопротивление 50 Ом и согласован с плечом с циркулятора.

Таким образом, измерение внутренней температуры тканей заменяется измерением температуры нагреваемого резистора, что упрощает построение аппаратуры. На нагреваемом резисторе установлен преобразователь температура-напряжение. Напряжение с выхода преобразователя поступает на усилитель 7 и далее на переключатели режимов 8, а затем на аналого-цифровой преобразователь 11, служащий для связи с ПЭВМ.

В ПЭВМ, состоящей из процессора 12, монитора 13 и принтера 14, осуществляются следующие операции:

¾ фиксация данных пациента;

¾ фиксация анамнеза;

¾ фиксация данных измерений температуры, привязанных к позиции датчиков.

Данные по температуре обрабатываются и могут быть отображены на мониторе или принтере в виде термограммы или в виде поля температур.

Таким образом, рассмотрено устройство и принцип действия компьютеризированного радиотермометра РТМ-01-РЭС. Аппарат обладает долговременной стабильностью показаний. Благодаря специальным схемам он может работать при значительном изменении температуры окружающей среды. Введение устройства выборки - хранения убыстряет процесс измерения, особенно при скрининговых исследованиях.

Радиотермограф “РАСКАТ”. В экспериментальных исследованиях использовали многоканальный радиотермограф РАСКАТ, разработанный совместно ИРЭ РАН и НПО ВЕГА-М.

Этот прибор представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из высокочувствительного приемника дециметрового диапазона волн (радиометра), комплекта антенн-аппликаторов (по числу каналов) с устройствами крепления на голове и теле человека, персонального компьютера типа IВМ и пакета программного обеспечения.

Передача информации с радиометра на компьютер осуществляется в цифровом виде через стандартный порт RS-232. В приборе предусмотрен светодиодный контроль качества установки антенн-аппликаторов на теле (голове) человека. Имеются датчики температуры кожи под антеннами и датчик комнатной температуры.

С учетом постоянной времени интегрирования минимальный период исследуемых процессов составлял 40 с.

Исследования проводили в экранированной камере фирмы "Belling & Lee", обеспечивающей ослабление радиопомех более 100 дБ. Антенны-аппликаторы устанавливались на голове испытуемого в соответствии с международной системой отведений при электроэнцефалографии 10 — 20. В первые 10 мин записывалось "фоновое" распределение температур, после чего давалась команда на начало физиологического теста. После окончания теста запись продолжалась еще 10 мин.

Для радиотермографии "изображение" синтезируется следующим образом: перед началом сеанса на экран дисплея выводится сменная маска исследуемого объекта — голова человека представленная рисунке 1.5, в соответствии с которой производятся расстановка антенн-аппликаторов и дальнейшая привязка получаемой информации к изображению объекта.

Рисунок 1.5 - Маска головы

Полученные от всех антенн сигналы интерполируются по поверхности исследуемого участка, и результат интерполяции налагается на маску. Затем можно выбрать "кадр", относительно которого будут наблюдаться изменения температурных полей при различных физиологических пробах, и выровнять по нему температурное поле. Таким образом, получаемые карты температурных полей показывают относительные изменения глубинной температуры, вызванные внешним воздействием на организм человека.

Похожие работы

Степень влияния условий производственной среды и трудового процесса на функциональное состояние организма

Скачать

128511

8

9

... лекарств. Можем сделать вывод, что физиология трудовой деятельности — раздел физиологии, посвященный изучению изменений функционального состояния организма человека под влиянием его трудовой деятельности и обосновывающий методы и средства организации трудового процесса, направленные на поддержание высокой работоспособности и сохранение здоровья. В задачи физиологии труда входит изучение ...

Проблемы и перспективы развития технических средств таможенного контроля как части таможенной инфраструктуры РФ

Скачать

120254

5

3

... форме, что в итоге приведет к сокращению административных расходов; Ø   содействовать реализации торговой политики с учетом социально-экономических и инвестиционных задач. 1.2   Технические средства таможенного контроля как часть таможенной инфраструктуры Все элементы инфраструктурного обеспечения деятельности таможенной службы можно разделить на три большие группы [46]: 1)         ...

Разработка системы оперативно-диспетчерского контроля и управления канала

Скачать

275218

32

4

... К. Сатпаева» для просмотра и ввода информации системы оперативно-диспетчерского контроля и управления, создаваемые на Visual Basic. Специфика используемого в системе оперативно-диспетчерского контроля и управления РГП «Канал им. К. Сатпаева» ПО такая, что разработка ПО, как таковая, может производиться только при создании самой системы. Применяемое ПО является полуфабрикатом. Основная задача ...

Технология защиты леса

Скачать

346436

4

0

... биологических и химических средств защиты леса от хвое- и листогрызущих насекомых». Наставление разработано на основе обобщения результатов исследований по совершенствованию технологий изменения средств защиты леса от вредителей на базе современной авиационной техники. Данный документ рассматривает такие важные для лесозащитной практики вопросы, как определение целесообразности авиационной борьбы ...