Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

231

Потенциальная разрешающая способность радара по дальности в тканях человека, имеющих среднюю относительную диэлектрическую проницаемость ≈ 40, составляет:

Отраженные от раздела двух сред (например, воздух - кожный покров, ткани сердца - сосуды и т.д.), сигналы принимаются приемной антенной. После антенны сигналы поступают в строб-

преобразователь приемника, представляющий собой высокоскоростной электронный ключ.

Рис. 4.37 Спектр сигнала Строб-преобразователь открывается опорными импульсами, на время, равное длительности

опорного импульса (около 250-300 пс). Опорные импульсы вырабатываются формирователем им-

пульсов стробирования по сигналам задающего генератора с задержкой, определяемой цифровой управляемой линией задержки. Формируется рабочая зона РЛС, глубина которой намного меньше разрешающей способности РЛС по дальности и составляет 3,75-4,5 см в свободном пространстве и

0,59-0,71 см в тканях человека.

Движение объекта (сердца, грудной клетки) приводит к смещению принятого сигнала в окне строб-преобразователя и к соответствующему изменению амплитуды на его выходе. Интегрирующий усилитель выделяет низкочастотную составляющую этого сигнала.

Прием сигналов осуществляется из пространственного строба, находящегося на дальности, ко-

торая определяется задержкой опорного импульса в линии задержки. Отраженные сигналы, пришед-

шие с других дальностей, не попадают в приемный тракт РЛС, поскольку в это время он закрыт. Та-

ким образом, осуществляется пространственно-временная селекция принимаемых сигналов.

232

Рис.4.38 Проведение измерений Необходимо отметить, что скорость распространения электромагнитной волны в среде распро-

странения, а, следовательно, и время, необходимое для распространения волны от РЛС до сердца и в обратном направлении, имеет обратно пропорциональную зависимость от относительной диэлектри-

ческой проницаемости этой среды. Поэтому при зондировании тела человека скорость распростране-

ния волны в тканях человека уменьшается в среднем в 6 раз.

Выделенный низкочастотный аналоговый сигнал, несущий информацию о движении объекта,

поступает с выхода РЛС на плату аналогово-цифрового преобразователя и далее в персональный компьютер, где осуществляется обработка принятого сигнала, описание которой приведено в следу-

ющем разделе. Результаты обработки выводятся на дисплей монитора. На рис. 4.38 показан процесс измерений, а на рис. 4.39 приведен пример графика, полученного при измерении. В правой части графика мы видим сигналы только сердца, поскольку человек в это время задержал дыхание.

233

Рис.4.39 Пример принятых сигналов РЛС

Сверхширокополосная РЛС, описание которой приведено выше, имеет следующие технические

характеристики:

-дальность действия – 0,1-3 м;

-импульсная мощность видеоимпульсов, возбуждающих передающую антенну – 0,4 Вт;

-средняя мощность видеоимпульсов, возбуждающих передающую антенну – 240 мкВт;

-длительность видеоимпульсов, возбуждающих передающую антенну – 300 пс;

-частота следования видеоимпульсов, возбуждающих передающую антенну – 2 МГц;

-центральная частота спектра излучаемых импульсов – 1 ГГц;

-длительность излучаемых радиоимпульсов по уровню 0,1 от максимума – 4 нс;

-потенциальная разрешающая способность по дальности – 0,5 м;

-длительность импульса стробирования приемника – 250-300 пс;

-чувствительность приемника – -77дБм;

-динамический диапазон приемника – 34 дБ;

-диапазон доплеровских частот выделяемых сигналов – 0,16-40 Гц.

4.2.6. Обработка принятых сигналов.

Основная задача обработки - выделить из выходного напряжения, поступающего из аналоговой части РЛС в персональный компьютер (рис. 4.39), сигналы, вызванные движением сердца и максимально точно определить сердечный ритм и его вариабельность.

Эта задача распадается на несколько этапов.

На первом этапе из принятого сигнала удаляются высокочастотные составляющие, частоты которых лежат выше частоты пульса (шумы, сетевые наводки). На втором этапе из принятого сигнала удаляется низкочастотная составляющая, вызванная движением грудной клетки (дыхание) и

выделяется сигнал, вызванный движением сердца. На третьем этапе выполняется определение частоты сердечного ритма и находится его вариабельность.

Следует отметить, что удаление высокочастотных и низкочастотной составляющих из принятого сигнала с помощью обычной частотной фильтрации в данном случае непригодно. При частотной фильтрации происходит накопление сигнала в инерционной системе (фильтре) и,

следовательно, его усреднение за время накопления. В результате пропадает информация об

234

оригинальной форме сигнала при каждом ударе сердца и, соответственно, об изменении периода между его ударами (вариабельности сердечного ритма). Поэтому для выделения сигнала сердца из исходного сигнала применяются временные методы, описание которых приведено ниже.

Для удаления высокочастотных составляющих из принятого сигнала использован алгоритм,

производящий вычисление, так называемого, «скользящего среднего». Эта операция выполняется по формуле:

1 n

ym n xi i 1

где: хi – отсчеты исходного сигнала, ym – отсчеты сигнала после усреднения, n – число от-

счетов в интервале усреднения.

Рис.4.40. Удаление высокочастотных составляющих сигнала (усреднение по 200 отсчетам, ча-

стота дискретизации 250 Гц)

Каждый отсчет сигнала после усреднения ym принимается равным среднему значению отсчетов исходного сигнала хi на интервале, состоящем из n отсчетов. Момент появления усредненного отсчета сигнала tm берется в середине этого интервала. После вычисления величины ym весь интервал сдвигается на один отсчет и процедура усреднения повторяется для получения отсчета ym+1 в момент времени tm+1. На рис. 4.40 показан результат удаления высокочастотных составляющих сигнала.

Черным цветом показан исходный сигнал, красным цветом - сигнал после усреднения.

Удаление из принятого сигнала низкочастотной составляющей, вызванной движением грудной клетки, производится за два шага. На первом шаге формируется кривая, аппроксимирующая сигнал дыхания, для чего из исходного сигнала удаляются составляющие, вызванные движением сердца. На

235

втором шаге аппроксимирующая кривая вычитается из кривой исходного сигнала, что позволяет скомпенсировать сигнал дыхания и получить сигнал движения сердца, в значительной мере очищенный от других сигналов. Для получения кривой, аппроксимирующей сигнал дыхания,

исходный сигнал на некотором временном интервале заменяется полиномом необходимого порядка,

коэффициенты которого определяются по методу наименьших квадратов.

В разработанной программе аппроксимация сигнала дыхания реализована двумя видами полиномов:

1.Полином 1-ой степени (аппроксимация прямой).

2.Полином 2-ой степени (аппроксимация параболой).

Рассмотрим подробнее, каким образом реализован данный метод:

1.Полином 1-ой степени.

y a x b

Коэффициенты полинома определяются из уравнений [Е.С. Вентцель "Теория

вероятностей"]:

где mx, my, a2[X], a1,1[X,Y] – статистические моменты, определяемые по формулам:

В программе эта операция реализована так же в "скользящем окне" – на интервале,

содержащем заданное число отсчетов, определяются коэффициенты полинома, вычисляется значение аппроксимирующей функции с учетом этих коэффициентов и полученное значение вычитается из значения исходной функции в точке, находящейся в середине интервала. Затем интервал определения коэффициентов сдвигается на один отсчет и вся процедура повторяется для следующей точки. Расчет ведется до окончания исходной последовательности. На рис. 4.41 показана реализация процедуры выделения сигнала сердца при аппроксимации сигнала дыхания полиномом 1-й степени.

Красным цветом показан исходный сигнал, зеленым цветом – аппроксимирующая функция, синим цветом – очищенный сигнал сердца.

237

Рис.4.42 Аппроксимация параболой, интервал 600 отсчетов По очищенному сигналу сердца выполняется определение частоты сердечного ритма и

находится его вариабельность.

Эта процедура реализуется за несколько шагов:

1.Пороговая обработка данных.

2.Определение положения локальных максимумов сигнала сердца на временной оси.

3.Расчет интервалов вариабельности сердечного ритма.

Пороговая обработка может производиться при различных как положительных, так и отрицательных значениях порога. Можно изменить полярность пороговой обработки на отрицательную – тогда в результирующей последовательности останется информация о значениях данных, величина которых находится ниже порогового уровня. На рис. 4.43 показан пример пороговой обработки при нулевом уровне порога.

238

Рис. 4.43 Пороговая обработка сигналов сердца По данным пороговой обработки определяется положение максимумов (рис. 4.44).

Теперь, получив расположение локальных максимумов сигналов сердца на временной оси

(моменты "удара" сердца), мы можем провести вычисление и вывод на экран графика зависимости временных интервалов между ударами сердца от порядкового номера удара по всей записи или по выбранному участку записи. Программа позволяет провести усреднение данных в пределах заданного числа ударов сердца. Эта операция дает возможность, при необходимости, уменьшить влияние заведомо некорректных показаний приборов (артефактов) на функцию вариабельности сердечного ритма, не искажая общей её закономерности.

Рис. 4.44 Определение максимумов сердечного ритма С помощью указанной программы обработки можно произвести верификацию

сверхширокополосной РЛС, сравнивая ее показания с показаниями электрокардиографа. Это позволит определить погрешность дистанционного мониторинга сердечной активности с помощью РЛС. Программа позволяет производить сдвиг графика функции вариабельности электрокардиографа относительно графика функции вариабельности РЛС. Эта операция дает возможность сравнивать интервалы между одинаковыми по порядковому номеру ударами сердца. Несоответствие номеров ударов сердца может появиться в результате различных временных задержек сигнала в РЛС и в электрокардиографе, поскольку в РЛС сигнал проходит больше стадий обработки, чем в электрокардиографе.

Результаты сравнения данных РЛС и электрокардиографа приведены в следующем разделе.