Distantsionny_kontrol_psikhofiziologicheskogo_sostoyania_s_pomoschyu_sverkhshirokopolosnoy_RLS

262

а) б)

Рис. 4.84 Сравнительные скатерограммы электрокардиографа (а) и СШП измерителя пульса(б).

а) б)

Рис. 4.85 Сравнительные спектрограммы электрокардиографа (а) и СШП измерителя пульса(б).

а) б)

Рис. 4.86 Сравнительные стандартные параметры электрокардиографа (а) и СШП измерителя

пульса(б).

Различие в измерениях, выполненных с помощью СШП измерителя пульса и с помощью стан-

дартного электрокардиографа, не превышает 5% по всем основным параметрам.

3.3.7. Заключение

263

Анализ работы и проведенные испытания СШП измерителя пульса позволяют сделать следую-

щие выводы:

1. СШП измеритель пульса обеспечивает надежное и качественное измерение вариабельности сердечного ритма. При этом имеются следующие преимущества:

Измерения с помощью СШП измерителя пульса выполняются проще и быстрее, чем измере-

ния с помощью прибора, использующего регистрацию ЭКГ, так как СШП измеритель пульса требует наложения всего одного датчика вместо 12-ти электродов ЭКГ. Это сокращает время подготовки к исследованию и упрощает проведение исследования.

Датчик СШП измерителя пульса крепится на руку, что обеспечивает больший комфорт для пациента, так как не требует снятия одежды и наложения эластического пояса, затрудняющего дыха-

ние.

Использование СШП измерителя пульса не требует применения специальных электропровод-

ных гелей, необходимых для качественного выполнения ЭКГ.

2. СШП измеритель пульса обеспечивает надежное и качественное определение скорости пуль-

совой волны в сегменте артерий мышечного типа. При этом имеются следующие преимущества:

С помощью двух датчиков одновременно регистрируются пульсовые волны на сонной и лу-

чевой артерии, что позволяет проводить измерения без использования электрокардиографа. Это поз-

воляет выполнять исследование более просто, удобно и быстро.

Алгоритм маркировки базальной точки пульсовой волны методом второй производной обес-

печивает надежную идентификацию начала пульсовой волны и позволяет с высокой точностью опре-

делять временной сдвиг, что обеспечивает необходимую точность измерения СПВ без применения электрокардиографических методик.

3. СШП измеритель пульса позволяет выполнить измерения ВСР и СПВ в ходе одного и того же сеанса исследования после однократного наложения датчиков. Это обеспечивает одновременную комплексную оценку ряда показателей, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы,

и, таким образом, существенно сокращает время обследования пациента.

4. Результаты верификационного эксперимента показывают, что СШП измеритель пульса обес-

печивает точность измерений на уровне стандартных медицинских приборов, предназначенных для

264

проведения исследований по измерению скорости пульсовой волны и вариабельности сердечного

ритма.

265

Зайцев А.В., Зиганшин Э.Г., Иммореев И.Я., Фесенко М.В.

4.4. Сверхширокополосный радар для дистанционной регистрации физиологических по-

казателей и общих двигательных реакций человека

Одной из важнейших проблем медицины является сохранение и восстановление высокой про-

фессиональной работоспособности человека – оператора, выполняющего ответственную работу, тре-

бующую постоянного внимания (машинист тепловоза, водитель рейсового автобуса, дежурный у пульта атомной электростанции или ракетной установки и др.). Для решения этой проблемы разрабо-

тан большой набор различных средств и методов. Однако, независимо от применения этих средств и методов, необходим постоянный мониторинг состояния человека – оператора в процессе выполнения им своих обязанностей. Одним из наиболее эффективных методов оценки и диагностики психофи-

зиологического состояния человека является метод анализа его функциональных состояний по сер-

дечному ритму (кардиоинтервалометрия) и по ритму дыхания.

Информация об изменении процессов адаптации организма к окружающей обстановке содер-

жится в ритме сердца и в ритме дыхания в скрытом для непосредственного восприятия виде и может быть выявлена с помощью методов математического анализа. Поэтому для реализации этих методов разработаны алгоритмы автоматической диагностики функционального состояния человека и создано программное обеспечение диагностических ЭВМ.

Получение исходной информации для указанной диагностики (ритм сердца, ритм дыхания) в

настоящее время доступно, в основном, с помощью контактных методов (электрокардиография, фо-

нокардиография, реография, спирометрия, электроэнцефалография и др.), что, в ряде случаев, создает большие, а иногда непреодолимые, трудности для осуществления мониторинга.

Можно привести ряд других примеров, когда бесконтактная дистанционная регистрация фи-

зиологических параметров является крайне необходимой:

- мониторинг больных в ожоговых центрах, когда подключение контактных датчиков невоз-

можно;

- мониторинг больных в реанимационных палатах, когда подключение контактных датчиков вызывает неудобства при движении или перемещении больных.

266

Указанная исходная информация для мониторинга психофизиологического состояния человека может быть получена с помощью сверхширокополосного (СШП) радара, способного дистанционно и бесконтактно регистрировать физиологические показатели человека на расстоянии до 8 метров.

Ниже рассматривается система дистанционной регистрации физиологических показателей че-

ловека, в которую кроме указанного радара, который является датчиком основных физиологических параметров человека – ритма сердца и ритма дыхания, входит система обработки информации, вы-

полняющая анализ полученных данных и определение функционального состояния человека.

Рис. 4.87 СШП радар.

СШП радар (рис. 4.87) состоит из электронного блока, антенны, источника питания, несущей конструкции на базе треножного штатива, карты аналого-цифрового ввода-вывода сигнала и персо-

нального компьютера. Отличительной особенностью радара является возможность регистрации ма-

лых по амплитуде (до 0.1 мм) возвратно-поступательных движений грудной клетки человека на рас-

стоянии до 8 метров. Этому, прежде всего, способствует использование антенны с узкой диаграммой направленности и высокая чувствительность фазового детектора приемника.

Радар имеет следующие технические характеристики:

-дальность действия: от 0.6м до 8м;

-диапазон частот спектра сигнала зондирования: 6.2 – 6.6 ГГц (по уровню -3дБ);

5.75 – 7.35 ГГц (по уровню -10дБ);

- импульсная мощность сигнала зондирования: 9 мВт;

267

-средняя мощность импульсной последовательности: 0.05 мВт;

-частота повторения импульсов зондирования: 2 МГц;

-ширина диаграммы направленности антенны: 80;

-потребляемая мощность: 1 Вт.

-диапазон частот измеряемых ритма сердца и ритма дыхания: 0.05 до 5 Гц (от 3 до 300 ударов в минуту).

Следует отметить, что в указанном выше диапазоне частот спектра сигнала зондирования элек-

тромагнитная энергия практически не проникает в тело человека и радар регистрирует только сигнал,

отраженный от грудной клетки.

Рис.4.88 Сигнал зондирования.

В качестве зондирующего сигнала использован короткий радиоимпульс (рис. 4.88). Использо-

вание такого сигнала позволяет построить систему обработки на базе высокочувствительного фазо-

вого детектора. Малая длительность сигнала позволяет стробированием приемника обеспечить защи-

ту от пассивных помех и переотражений, что позволяет производить измерения в помещениях с большим количеством неподвижных предметов и двигающихся объектов.

Функциональная схема радара представлена на рис. 4.89.

268

Рис. 4.89 Функциональная схема радара.

Генератор в каждом из периодов зондирования формирует пару коротких СШП импульсов, по-

добных импульсу, показанному на рис. 4.88. Первый импульс, пройдя через сверхвысокочастотный

(СВЧ) переключатель, СВЧ усилитель и антенный СВЧ переключатель, попадает в антенну и излуча-

ется в пространство. После этого СВЧ переключатель меняет свое состояние, направляя второй им-

пульс генератора в опорный канал приемника. А антенный СВЧ переключатель подключает антенну ко входу приемника. Отраженный от объекта импульс обрабатывается в приемнике совместно с опорным сигналом в СВЧ смесителе, имеющем два квадратурных канала. Обработанные в СВЧ сме-

сителе отраженные импульсы поступают в накопитель, где для каждого из квадратурных каналов происходит выделение и усиление сигнала в заданном диапазоне частот сердцебиения и дыхания.

Результат накопления оцифровывается с помощью карты АЦП и передается для дальнейшей обра-

ботки в систему обработки, выполненную на базе персонального компьютера.

Все модули электронного блока выполнены в отдельных экранированных корпусах (рис. 4.90, 4.91), что упрощает их настройку, согласование, а так же минимизирует взаимное влияние и внешние паразитные наводки.

269

Рис. 4.90 Модули электронного блока

Рис. 4.91 Электронный блок радара Дальность измерения определяется задержкой второго импульса генератора относительно пер-

вого. Управление этой задержкой осуществляется оператором с помощью команд, выдаваемых в блок синхронизации с персонального компьютера через карту АЦП. Таким образом, меняется поло-

жение сектора измерения (рис. 4.92), который определяется направленными свойствами антенны и разрешающей способностью зондирующего импульса, которая в данном случае составляет около 30

см. Малый сектор измерения позволяет практически исключить регистрацию движений объектов находящихся вне текущего положения сектора. В этом состоит основное преимущество короткоим-

пульсных СШП систем перед системами, использующими непрерывные сигналы или импульсные узкополосные сигналы.

270

Рис. 4.92 Сектор измерения Необходимость использования квадратурных каналов обусловлена малой амплитудой возврат-

но-поступательных движений грудной клетки человека. При этом исключается вероятность попада-

ния отраженного сигнала в область малой фазовой чувствительности СВЧ смесителя (фазового де-

тектора). Однако использование квадратурных каналов требует применение достаточно объемной математической обработки сигналов для восстановления формы истинного движения наблюдаемого объекта. На рис. 4.93 приведен фрагмент сигнала после восстановления формы движения грудной клетки при измерении ритма сердца и ритма дыхания человека.

Рис. 4.93 Сигнал, описывающий движение грудной клетки человека.

Большие колебания соответствуют движению грудной клетки. С 22-й по 38-ю секунды измере-

ния человек задержал дыхание и на этом интервале остался только сигнал, вызванный движением сердца.

Система обработки информации выполняет следующие функции:

1. Производит обработку и анализ сигнала, содержащего информацию о ритме сердца, ритме дыхания и двигательной активности человека. Производит выделение и раздельное отображение ин-

формации о частоте сердечных сокращений и частоте дыхания в текущем времени (рис. 4.94). Произ-