FR2535964A1

FR2535964A1 - Apparatus for measuring, processing, storing and displaying biomedical signals

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Publication number: FR2535964A1
Application number: FR8219471A
Authority: FR
Original assignee: MESNARD GUY
Current assignee: MESNARD GUY
Priority date: 1982-11-17
Filing date: 1982-11-17
Publication date: 1984-05-18

Abstract

The invention relates to an apparatus of moderate price and which is portable, giving immediate information automatically. It gives information on the temperature of the surface of the body, electrocardiograms and electromyograms, heart sound, blood pressure and pulse. The apparatus is characterised by a modular structure. The signals, collected by sensors which convert them into electrical signals, then pass into various electronic and microcomputer processing units, giving more and more information. The apparatus has a personal as well as medical use: it makes it possible for everyone to do a regular health checkup conveniently. It also makes possible monitoring during particular activities such as sport. All or part of the equipment is solidly fixed to the body, by virtue of belts, armbands or a harness as appropriate, with a self-contained battery power supply.

Description

La présente invention concerne un appareillage de mesure, de traitement, de stockage et d'affichage de données biomédicales chiffrées, reposant sur des principes conduisant à une structure simple, fiable, de prix modéré, modulaire et portable, avec alimentation par piles ou éventuellement par énergie solaire et donnant des renseignements immédiats. The present invention relates to an apparatus for measuring, processing, storing and displaying encrypted biomedical data, based on principles leading to a simple, reliable structure, of moderate price, modular and portable, powered by batteries or possibly by solar energy and giving immediate information.

L'aspect modulaire est essentiel; cela permet de satisfaire à des besoins variés, depuis le contrôle de routine sommaire jusqu'à la centrale de mesure et de traitement. Ainsi l'appareillage pourra être implanté à différents niveaux de l'activité de santé et de l'activité médicale, par exemple pour un bilan de santé, pour un contrôle au cours d'activités particulières telles que les activités sportives, pour le suivi et le traitement des malades. Il est utilisable par tout individu et peut être posé sur un animal car il fonctionne automatiquement. The modular aspect is essential; this makes it possible to satisfy a variety of needs, from summary routine control to the measurement and processing center. Thus the apparatus can be installed at different levels of health activity and medical activity, for example for a health check, for control during particular activities such as sports activities, for monitoring and treatment of the sick. It can be used by any individual and can be placed on an animal because it works automatically.

L'appareil est essentiellement de type électronique et microinformatique. The device is essentially of electronic and microinformatics type.

Il fait le lien entre des appareils simples, très sommaires, d'utilisation manuelle, et les appareils sophistiqués que l'on trouve dans certains services hospitaliers.It makes the link between simple, very basic devices, for manual use, and the sophisticated devices found in certain hospital departments.

Il e donc une nature et une vocation originales. There is therefore an original nature and vocation.

Il faudra distinguer deux cas pour la mise en oeuvre: celui d'un sujet r qui est dans un état moyen de repos (c'est le cas le plus usuel, même s'il fait de l'exercice) et celui d'un sujet d qui se déplace. Dans tous les cas, les dispositifs de prise d'information sont solidaires du sujet. Les autres dispositifs, qui constituent la partie essentielle, peuvent être, suivant leur poids et leur volume, solidaires du sujet ou à part; cela va dépendre s'iî/s'agit d'un sujet r ou d. We will have to distinguish two cases for the implementation: that of a subject r who is in an average state of rest (this is the most usual case, even if he is exercising) and that of a subject of who moves. In all cases, the information gathering devices are integral with the subject. The other devices, which constitute the essential part, can be, depending on their weight and volume, integral with the subject or apart; it will depend on whether it is a subject r or d.

Les mesures concernent la température de surface du corps, la tension artérielle, 1'ECG (électrocardiogramme), I'EMG (électromyogramme), les bruits du coeur et de la respiration; d'autres mesures sont envisageables. On part de capteurs Ci, choisis pour leur commodité d'emploi (capteurs ole# surface) et leur bas prix de revient. Le choix ci-dessous n'est pas limitatif; des capteurs internes sont envisageables. Measurements include body surface temperature, blood pressure, ECG (electrocardiogram), EMG (electromyogram), heart and breathing sounds; other measures are possible. We start with Ci sensors, chosen for their ease of use (ole # surface sensors) and their low cost price. The choice below is not exhaustive; internal sensors are possible.

Les électrodes pour ECG et EMG sont classiques (les électrodes Ag-chlorure d'Ag étant préférées aux électrodes purement métalliques, malgré leur prix de revient plus élevé2.Pour les bruits, on a prévu un petit microphone électrodynamique, poutsa température orta retenu une sonde à résistance classique. Les précautions usuelles sont prises avant la pose, notamment pour les électrodes d'ECG et EN1G afin d'assurer un bon contact électrique. Pour la pression artérielle on a fait appel au transducteur LUX0503 fourni par National Semiconductor; il est utilisé avec un brassard comportant une chambre gazeuse, car il est destine à mesurer la pression de ce gaz en la transformant en un signal électrique qui varie proportionnellement. The electrodes for ECG and EMG are conventional (Ag-chloride Ag electrodes being preferred to purely metallic electrodes, despite their higher cost price. 2 For noise, a small electrodynamic microphone is provided, poutsa temperature orta retained a probe conventional resistance. The usual precautions are taken before installation, especially for the ECG and EN1G electrodes to ensure good electrical contact. For blood pressure, the LUX0503 transducer supplied by National Semiconductor was used; it is used with a cuff comprising a gas chamber, because it is intended to measure the pressure of this gas by transforming it into an electric signal which varies proportionally.

Pour recueillir de façon commode les signaux fournis par les capteurs, on a prévu divers types de porte-capteurs: capteurs sépares Ci munis d'une bande adhésive, sangles Si thoraciques ou abdominales, bracelets et brassards divers Bi pour les membres, positionnés sur le corps avec un serrage réglable. In order to conveniently collect the signals supplied by the sensors, various types of sensor holder have been provided: separate sensors Ci provided with an adhesive strip, straps If chest or abdominal, bracelets and various armbands Bi for the members, positioned on the body with adjustable clamping.

Le brassard Pi à chambre gazeuse destiné au capteur de pression peut être un brassard qu'on gonfle à la main, avec mesures lors du dégonflage progressif spontané: on détermine les pressions maximale et minimale du sang de façon automatique grâce à une analyse du signal au cours de la baisse de pression, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un stéthoscope ou a un système équivalent. The Pi gas chamber cuff intended for the pressure sensor can be a cuff that is inflated by hand, with measurements during spontaneous progressive deflation: the maximum and minimum blood pressures are determined automatically by analyzing the signal at during the pressure drop, without the need for a stethoscope or equivalent system.

Pour les mesures continues et entièrefnent automatiques, on a prévu, surtout zour les sujets d, un brassard dans lequel on fixe la pression moyenne au départ par un serrage approprie: avec une chambre gazeuse d'assez faible volume, le capteur de pression réagit aux variations de la pression sanguine. Un tel brassard n'est pas trop serre, afin de ne pas trop perturber l'écoulement du sang. On l'utilisera également, avec un serrage plus grand, pour perturber volontairement cet écoulement af n d'en examiner les conséquences sur d'autres signaux. For continuous and fully automatic measurements, a cuff is provided, especially for subjects, in which the average pressure is fixed at the start by appropriate tightening: with a gas chamber of fairly small volume, the pressure sensor reacts to changes in blood pressure. Such an armband is not too tight, so as not to disturb the flow of blood too much. It will also be used, with a larger tightening, to deliberately disturb this flow in order to examine the consequences on other signals.

Nous allons maintenant détailler les différentes parties du système électronique et microinformatique. Dans le cas ou ce système est étendu et doit être porté par le sujet (sujet d), on a prévu un gilet spécial ou harnais G portant à la fois les capteurs et tout le système. We will now detail the different parts of the electronic and microinformatics system. In the case where this system is extended and must be worn by the subject (subject d), a special vest or harness G has been provided carrying both the sensors and the whole system.

Les divers signaux, fonction du temps, sont transmis à un système électronique de base comportant deux blocs. Dans le premier,El, le#ignaux sont d'abord amplifiés avec un gain reglabld#t un contrôle de zéro. Le réglage de base est fait en principe une fois pour toutes pour chaque individu; ainsi, pour les mesures systématiques ultérieures, le signal de sortie aura une signification précise dans chaque cas. C'est toujours une tension électrique variable au cours du temps; dans le cas du bruit du coeur (signal "phono"), on peut restituer le son. The various signals, which are a function of time, are transmitted to a basic electronic system comprising two blocks. In the first, El, the # ignals are first amplified with an adjustable gain and zero control. The basic setting is made in principle once and for all for each individual; thus, for subsequent systematic measurements, the output signal will have a precise meaning in each case. It is always a variable electric voltage over time; in the case of heart noise ("phono" signal), the sound can be reproduced.

Le deuxième bloc, E2, est prévu pour faire apparaître des tensions constantes représentant certaines caractéristiques des signaux; chacune apparaît aux bornes d'une capacité, qui en assure la conservation pendant le temps nécessaire à l'exploitation du résultat.Les techniques,analogiques, utilisées sont connues de l'homme de l'art et par conséquent ne seront pas décrites en détail. The second block, E2, is designed to reveal constant voltages representing certain characteristics of the signals; each one appears at the limits of a capacity, which ensures its conservation for the time necessary for the exploitation of the result. The analog techniques used are known to those skilled in the art and therefore will not be described in detail .

Ainsi le bloc E2 permet d'abord, pour les divers signaux, de déterminer des amplitudes ou amplitudes de variations sur la totalité du signal ou sur une partie (ex.:amplitude de l'onde R de 1'ECG). il permet d'autre part de déterminer des intervalles de temps simples caractéristiques des signaux, essentiellement temps s'écoulant entre des "pics" caractéristiques. Citons notamment le temps qui s'écoule entre deudpics R successifs de l'ECG, qui donne la période cardiaque ou pouls; on utilise une combinaison d'un comparateur basculant au passage de l'onde R, d'un monostable et d'une logique très simple isolant la durée correspondante qui est immédiatement transformée en un signal électrique proportionnel par une intégration. Thus, the block E2 makes it possible first of all, for the various signals, to determine amplitudes or amplitudes of variations over the whole of the signal or over a part (e.g. amplitude of the R wave of the ECG). it also makes it possible to determine simple time intervals characteristic of the signals, essentially time elapsing between characteristic "peaks". Let us cite in particular the time which elapses between successive deudpics R of the ECG, which gives the cardiac period or pulse; a combination of a tilting comparator when the R wave is used, a monostable and a very simple logic isolating the corresponding duration is used which is immediately transformed into a proportional electrical signal by integration.

Au total, dans un exemple de réalisation de bloc E2, ont été déterminés la fréquence cardiaque, les extremums de la pression artérielle, l'amplitude de l'onde R de l'ECG, l'amplitude maximale du bruit du coeur, la température moyenne sous le bras. In total, in an exemplary embodiment of block E2, the heart rate, the extremes of the blood pressure, the amplitude of the R wave of the ECG, the maximum amplitude of the noise of the heart, the temperature were determined. average under the arm.

L'électronique précédente est complétée, dans le cadre de la structure modulaire de l'appareillage, par des adjonctions successives non obligatoires,- pour affiner l'analyse des signaux. Il y a d'abord un ensemble destiné a fournir encore des amplitudes et des intervalles de temps, mais dans des conditions plus délicates que précédemment: parties de signaux, sélectionnées automatiquement, pics secondaires, etc., étude de signaux transformés par filtrage et par intégration sur un intervalle de temps donné. The preceding electronics are supplemented, within the framework of the modular structure of the apparatus, by successive non-compulsory additions, - to refine the analysis of the signals. First there is a set intended to still provide amplitudes and time intervals, but under more delicate conditions than before: parts of signals, selected automatically, secondary peaks, etc., study of signals transformed by filtering and by integration over a given time interval.

Cet ensemble comprend un bloc hybride H comportant une partie analogique et une partie hybride spécialisées et un système microinformatique I standard mais réduit à un minimum de boîtiers. Le -microprocesseur contrôle les signaux fonctiorlsdu temps par un test de niveau ou la détection de fronts montants ou descendants après mise en forme. Il produit deisignaux d'aiguillage, de sélection,... On peut aisément introduires des variantes par changement de programme. This set includes a hybrid block H comprising an analog part and a specialized hybrid part and a microinformatics system I standard but reduced to a minimum of boxes. The microprocessor controls the functional time signals by a level test or the detection of rising or falling edges after shaping. It produces signals for referrals, selection, etc. Variations can easily be introduced by changing the program.

Les techniques adoptées dans les blocs H et I, connues de l'homme de l'art, nedseront pas présentées en détail. A titre d'exemple, les mesures suivantes ont été prévues avec un bloc H particulier: intervalle entre l'onde R de l'ECG ellle début de la diastole repéré sur le signal donnant la pression sanguine, intervalle eNtre l'onde R et le premier bruit du coeur, amplitudes de l'ensemble des ondes de l'ECG et inti # valles de temps correspondants. The techniques adopted in blocks H and I, known to those skilled in the art, will not be presented in detail. For example, the following measures have been planned with a particular H block: interval between the R wave of the ECG ellle beginning of the diastole identified on the signal giving the blood pressure, interval between the R wave and the first heart noise, amplitudes of all ECG waves and corresponding time intervals.

Le système I comprend trois parties connectées aux mêmes bus: une partie
M qui comprend le microprocesseur,quelques registres et un boitier d'interface pour les échanges d'information avec l'extérieur,une partie mémoire ROM, RI, et une partie mémoire RAM (R2). On a choisi pour le système I la technolo
gie CMOS pour bénéficier d'une faible consommation et des autres avantages
de cette technologie. On a choisi pour M le 6100 et le 6101 d'lntersil travail
lant sur 12 bits. La partie R2, fonctionnant sur piles, peut contenir des programmes. Les parties Ri et R2 ont des capacités de stockage qui dépendront des tâches prévues pour le système I (cf. ci-dessous). System I has three parts connected to the same buses: one part
M which includes the microprocessor, some registers and an interface box for exchanging information with the outside, a ROM memory part, RI, and a RAM memory part (R2). We chose technolo for system I
CMOS to benefit from low consumption and other advantages
of this technology. We chose for M the 6100 and 6101 from lntersil working
lant on 12 bits. The R2 part, running on batteries, can contain programs. Parts Ri and R2 have storage capacities which will depend on the tasks planned for system I (see below).

L'appareil décrit jusqu'ici est muni d'un bloc d'affichage classique AI à cristaux liquides, pour les grandeurs précédentes numérisées. Ceci correspond au cas où leur évolution est assez lente. Il y a des boutons pour l'affichage successif des diverses grandeurs et des boutons de remise à zéro pour prendre de nouvelles valeurs. Ce bloc peut être monté sur un bracelet de poignet
Un bloc d'enregistrement V, utilisant une mini-imprimante à aiguille ou thermique est prévu pour conserver des résultats successifs obtenus sur un ou plusieurs sujets. Ces blocs d'affichage ou d'enregistrement utilisent des techniques connues de l'homme de l'art. Les commutations et remises à zéro peuvent être rendues automatiques.The apparatus described so far is provided with a conventional AI liquid crystal display block, for the previously scanned quantities. This corresponds to the case where their evolution is quite slow. There are buttons for successive display of the various quantities and reset buttons for taking new values. This block can be mounted on a wrist bracelet
A V recording block, using a mini needle or thermal printer, is provided to store successive results obtained on one or more subjects. These display or recording blocks use techniques known to those skilled in the art. The switching and resetting can be made automatic.

Dans le cas d'activités qui empêchent la lecture ou pour lesquelles le bloc d'enregistrement serait trop volumineux (notamment pour les sujets d), divers dispositifs utilisant des techniques connues de l'homme de l'art ont été prévus. Un bloc F permet de transformer les signaux électriques analogiques en signaux sonores d'amplitude ou de fréquence variables. Un autre bloc T permet de transmettre par câble (sujet r) ou par radio (sujet d) tout ou partie des résultats à un centre spécialisé qui recueille et exploite les résultats. In the case of activities which prevent reading or for which the recording block is too large (in particular for subjects d), various devices using techniques known to those skilled in the art have been provided. A block F transforms the analog electrical signals into sound signals of variable amplitude or frequency. Another block T makes it possible to transmit all or part of the results by cable (subject r) or by radio (subject d) to a specialized center which collects and uses the results.

Souvent il sera avantageux de conserver dans le bloc R2 les résultats en vue d'un#xploetation ultérieure. Often it will be advantageous to keep the results in block R2 for later # xploetation.

Une analyse plus détaillée des signaux fournis par le bloc El est assurée par les extensions suivantes, dont la réalisation est connue de l'homme de l'art.A more detailed analysis of the signals provided by the block El is ensured by the following extensions, the realization of which is known to those skilled in the art.

Un bloc D assure l'échantillonnage, la conversion et le stockage des échantillons dans le bloc R2 pour les différents signaux, avec l'aide du système I complet. Ceci est réalisé à prix modique compte tenu des faibles fréquences associées aux signaux. Oni choisi de stocker 16 ou 32 échantillons pour un signal, chaque valeur étant codée sur huit bits.A block D ensures the sampling, the conversion and the storage of the samples in block R2 for the different signals, with the help of the complete system I. This is achieved at low cost given the low frequencies associated with the signals. We have chosen to store 16 or 32 samples for a signal, each value being coded on eight bits.

Le bloc D comporte essentiellement un multiplexeur, un compteur, un convertisseur analogique-digital. Grâce au système I, on a pu prévoir d'opérer sur une partie du signal choisie à volonté avec une période d'échantillonnage variable, ce qui permet l'étude détaillée de certaines parties. Block D essentially comprises a multiplexer, a counter, an analog-digital converter. Thanks to system I, it was possible to plan to operate on a part of the signal chosen at will with a variable sampling period, which allows the detailed study of certain parts.

Un bloc d'affichage A2 a été prévu pour visualiser les courbes à partir d'échantillons. OnXa sélectionné un micro-écran à cristaux liquides de (2,5x1,7) cm pouvant être monté, avec l'électronique associée, sur un bracelet de poignet. A display block A2 has been provided for viewing the curves from samples. OnX has selected a (2.5 x 1.7) cm liquid crystal micro-screen that can be mounted, with associated electronics, on a wrist bracelet.

Mais par ailleurs, on# prévu que le bloc T puisse être connecté, permettant la transmission des résultats au fur et à mesure, indépendamment du stockage dans le bloc R2.But moreover, it is expected that the block T can be connected, allowing the transmission of the results as and when, independently of the storage in the block R2.

On a prévu en outre de faire subir aux signaux initiaux des transformations mathématiques orthogonales pour aboutir à des signaux contenant la même information globale, mais avec une autre présentation qui peut faciliter par exemple,la détermination d'anomalies. Les transformées sont obtenues à partir des échantillons fonctionldu temps, grâce à des programmes convenables: on a prévu les transformées de Fourrier, de Walsh, de Haar, SH et SGS . Un programme implanté dans le bloc R1 permet d'obtenir toutes les transformées. Provision has also been made to subject the initial signals to orthogonal mathematical transformations in order to arrive at signals containing the same global information, but with another presentation which may facilitate, for example, the determination of anomalies. The transforms are obtained from time-function samples, thanks to suitable programs: the Fourrier, Walsh, Haar, SH and SGS transforms are provided. A program implemented in block R1 makes it possible to obtain all the transforms.

Les transformées peuvent être affichées par le bloc A2. The transforms can be displayed by block A2.

Le système I peut enfin être utilisé pour l'interprétation automatique et le diagnostic. System I can finally be used for automatic interpretation and diagnosis.

En ce qui concerne les interconnexions entre blocs, il faut distinguer le cas où on utilise un petit nombre de modules et celui où ce nombre est élevé. Dans le premier cas les connexions se font entre des nappes de fils par des connecteurs volants. Pour le second cas, on a prévu une autre solution. With regard to the interconnections between blocks, a distinction must be made between the case where a small number of modules are used and the case where this number is high. In the first case, the connections are made between layers of wires by flying connectors. For the second case, another solution has been provided.

Les liaisons sont établies et coupées automatiquement par signaux logiques; par extension, il en est de même pour les réglages et les sélections. Un automate programmable AP sert de pilote.The connections are established and cut automatically by logic signals; by extension, the same is true for settings and selections. A PLC programmable controller serves as a pilot.

) L'appareillage peut enfin être relié à un système informatique classique. ) The equipment can finally be connected to a conventional computer system.

On peut envisager de le commander à distance. We can consider ordering it remotely.

Claims

1. Measuring, processing, storage and display apparatus for encrypted bio-medical data, characterized by a simple and modular structure, of moderate price, reliable, portable, powered by batteries or possibly from solar energy, giving immediate and automatic information, which can be implemented at different levels of health and medical activities, usable directly by any individual and can be placed on an animal.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that it allows measurements relating to the surface temperature of the body, or the electrocardiogram, or the arterial pressure and the pulse, or the sounds of the heart and of the respiration, or muscle activity (electromyograms), or any combination of these.

3. Apparatus according to claims 1 and 2, characterized, in addition to the use of conventional sensors (temperature sensor, ECG probes and electro-myograms), in that it uses a miniature electrodynamic microphone as a sound sensor and a pressure sensor existing in a gas chamber transforming it directly into an electrical signal.

4. Apparatus according to claims 1, 2 and 3, characterized in that it uses separate self-adhesive sensors or fixed on sensor carriers forming a chest or abdominal belt, a vest or a harness, a bracelet or an armband , or a combination of these devices.

5. Apparatus according to claims 1,2,3 and 4, characterized in that it com # carries one or more cuffs provided with a gaseous chamber with adjustable pressure provided with the sensoryte pressior ~ envue to measure the blood pressure or simply inserted to act on blood flow to facilitate analysis or diagnosis.

6. Apparatus according to claims 1 and 2, characterized in that it comprises analog type electronics, which can be powered by batteries, allowing the determination of some fundamental characteristics of the function / time signals collected (frequencies, amplitudes, intervals of characteristic times #, translating them into a DC voltage with a precise meaning.

7. Apparatus selorjes claims 1 and 2, characterized in that it comprises, in addition to the electronics mentioned in claim 6, a microinformatics block also powered by batteries, comprising microprocessor,

ROM and RAM, for more elaborate treatments of the same type as in 6.

8. Apparatus according to claims 1,2,6 and 7 characterized in that the results are put in digital form and read directly on a liquid crystal display.

9. Apparatus according to claims 1,2,6 and 7, characterized in that it comprises a printer for recording successive values.

10. Apparatus according to claims 1,2, 6 and 7, characterized by a transformation of the electrical voltages into sound signals of variable amplitude or frequency.

11. Apparatus according to claims 1 and 2, characterized in that the necessary electronic and microinformatics blocks are fixed by strap or harness on the subject for automated biomedical checks during physical activities or any other nature causing a displacement of the subject .

12. Apparatus according to claims 1 and 2 characterized by a transmission of the results as and when they are obtained by cable or by radio for a centralized collection and operation.

13. Apparatus according to claims 1 and 2 characterized in that the results are stored in RAM for later analysis.

14. Apparatus according to claims 1 and 2, characterized in that it comprises a block allowing the sampling and the digitalization of the signals function of time provided by the sensors and amplified, the samples being stored in RAM, printed or transmitted by cable or by radio.

15. Apparatus according to claims 1,2 and 14 comprising an electronic signal restitution in the form of cpurbes appearing on a miniature liquid crystal screen can be mounted on a bracelet.

16. Apparatus according to claims 1,2 and 14, characterized in that it comprises a microinformatic block transforming the signals sampled by the Fourier, Walsh, Haar, S and SCOS transformations with storage, printing, display on screen at liquid crystal or cable or radio transmission.

17. Apparatus according to claims 1 and 2 characterized in that the commands and interconnections to be established between the various blocks are performed by a programmable controller.

18. Apparatus according to claims 1 and 2 characterized by a connection5, direct or radio with a system for controlling the apparatus and processing the results for diagnosis.