RU155677U1 - Устройство съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов - Google Patents

Abstract

Устройство съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов при удаленном мониторировании работы сердца человека, дыхания, определении уровня эмоциональной напряженности по голосу, включающее устройство съема и модуль засекречивания сигналов, отличающееся тем, что устройство съема акустических биомедицинских сигналов представляет собой ларингофонную гарнитуру с высокочувствительным конденсаторным микрофоном, который соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, который соединен с модулем засекречивания сигналов, который выполняет многоуровневое вейвлет-преобразование и многополосное шифрование акустических биомедицинских сигналов в частотной области перед передачей по каналу связи.

Description

Полезная модель относится к средствам съема акустических биомедицинских сигналов и их защиты при передаче по каналам связи, а более конкретно к устройству получения микрофоном ларингофонной гарнитуры из области шеи человека звуков работы сердца, дыхания и речи, их преобразования в цифровой вид с последующим шифрованием перед передачей по каналу связи.

Устройство съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов используется при удаленном мониторировании работы сердца человека, дыхания, определении уровня эмоциональной напряженности по голосу, средства защиты передаваемой биометрической информации соответствуют отечественным и зарубежным требованиям по обеспечению безопасности биомедицинских персональных данных.

Телемедицина в России, как и за рубежом, находит все более широкое применение при оказании доступной медицинской помощи населению, в экстремальных условиях и чрезвычайных обстоятельствах. Системы телемедицины на основе современных телекоммуникационных технологий успешно используются для проведения удаленных медицинских консультаций, обучения по различным видам диагностики и лечения как в реальном времени, так и в отложенном режиме. В последние годы, при эксплуатации действующих систем телемедицины и создании новых, особое место отводится решению задач, связанных с обеспечением информационной безопасности персональных биометрических данных при их передаче по каналам связи.

Из уровня техники съема биомедицинских сигналов человека известно устройство диагностики [ЕР 1051945 А2, Remote Diagnostic Technologies Limited London W8 6AB (GB), 15.11.2000, МПК - A61B 5/00], содержащее медицинские датчики (пульсоксиметр, капнометр, измеритель артериального давления и т.п.), подключенные к процессору, который включает ПК и модемы. Оператор устройства свободно управляет гарнитурой, содержащей микрофон и наушники, и следит за дисплеем. Медицинские сигналы с датчиков, изображения, полученные с камеры, и звуковые сигналы, полученные с помощью микрофона обрабатываются процессором и передаются удаленно для использования практикующим врачом, имеющим соответствующие процессор и монитор для диагностирования состояния пациента. Диагностическое устройство и центр обработки данных хранит соответственные идентичные библиотеки контекстно точных вспомогательных экранов включая, например, графические файлы, иллюстрирующие работу устройства. Изображения, полученные с камеры, хранятся и в памяти устройства и центре обработки. Недостатками данного устройства являются сложность и низкая разрешающая способность.

Из уровня техники известно устройство для дистанционного слежения за деятельностью сердца [RU 2458625 С1, Открытое акционерное общество «Авангард» (RU), 20.08.2012, МПК - А61В 5/00 (2006.01), А61В 5/04 (2006.01)], состоящее из оборудования, размещаемого на наблюдаемом человеке, и оборудования, размещенного на пункте контроля. Оборудование, размещаемое на наблюдаемом человеке, включает: электроды, предварительный усилитель, генератор высокой частоты, амплитудный модулятор, генератор модулирующего кода, фазовый манипулятор, усилитель мощности и передающую антенну. Оборудование, размещенное на пункте контроля, состоит из: приемной антенны, блока перестройки, микропроцессоров, блоков формирования сигналов тревоги, магнитных регистраторов, гетеродинов, смесителей, усилителей промежуточной частоты, амплитудных детекторов, ключей, обнаружителей, линий задержки, синхронных детекторов, амплитудных ограничителей, фазовых детекторов, коррелятора, третьего порогового блока и логического элемента ИЛИ. Недостатком данного устройства является невозможность измерения незначительных шумов и малых сигналов работы сердца, т.е. низкая разрешающая способность.

Из уровня техники известен комплекс для экспресс-диагностики сердца [RU 55266 U1, Общество с ограниченной ответственностью «Медицинские компьютерные системы» (RU), 10.08.2006, МПК - А61В 5/0402 (2006.01)], состоящий из электродной системы, блока усилителя-преобразователя электрокардиографических сигналов, блока обработки электрокардиографических сигналов, выполненного на основе микропроцессора, блока визуализации электрокардиографических сигналов, средства отображения информации, снабженное блоком хранения данных, блока анализа электрокардиографических сигналов, блока визуализации портрета сердца, блока представления интегральной оценки и блока представления текстовых заключений. Данный комплекс предназначен для измерения электрических микроальтернаций сигнала ЭКГ, являющихся эффективными предикторами патологических и жизнеугрожающих состояний. Недостатком данного комплекса является низкая разрешающая способность используемого метода электрокардиографии.

Таким образом, вышерассмотренные средства, реализованные на основе ЭКГ-метода, обладающего незначительной информативностью электрических потенциалов, как среды передачи сложной, многоуровневой нестационарной информации о работе сердечно-сосудистой системы человека, не позволяют выявлять ранние стадии заболеваний сердца, признаками которых являются появление незначительных шумов и акустических сигналов малых уровней. Существенным недостатком решений при дистанционном мониторировании работы сердца является отсутствие информации об уровне эмоциональной напряженности обследуемого.

Из уровня техники средств защиты биометрической информации известно устройство секретной связи (патент РФ №2038701, 27.06.1992), содержащее на передающей стороне усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), сумматор, к первому входу которого подключен выход синхронизатора, и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а на приемной стороне - АЦП, ЦАП и фильтр низкой частоты (ФНЧ). Недостатком известного устройства является низкий уровень защиты информации.

Известен способ защиты информации (патент РФ №2112319, 27.05.1998), принимаемой по проводным каналам связи, включающий маскировку передаваемой информации путем зашумления линии передачи в речевом диапазоне частот и ее последующую обработку для получателя посредством двухканального цифрового адаптивного фильтра, который принимает два сигнала - основной и опорный, производит вычитание опорного сигнала из основного, при этом основной сигнал представляет собой смешанный сигнал от передающего абонента и генератора шума, а опорный - сигнал от генератора шума. К недостаткам данного способа защиты информации относится необходимость использования специального высокопроизводительного процессора цифровой обработки сигналов.

Известны способ и устройство шифрования и расшифрования при передаче речевых сигналов (патент РФ №2118059, 20.08.1998), в котором речь преобразуется в комплексный сигнал с понижением частоты дискретизации, подвергающийся фазовой модуляции с помощью ключа, вырабатываемого генератором случайных чисел и вместе с пилот-сигналом объединяется путем суммирования в передаваемый зашифрованный сигнал. На приемной стороне фазомодулированный зашифрованный цифровой речевой сигнал восстанавливается. Недостатком известного способа и устройства являются повышенные требования к системе синхронизации и незначительный уровень защиты передаваемого речевого сигнала.

Известна система защиты информации (патент РФ №2195785, 27.12.2002), принимаемой по проводным каналам связи, включающая коммутатор, устройство маскировки информации с генератором шума, балансным амплитудным модулятором и устройство обработки замаскированной информации с цифровым адаптивным фильтром и линейным амплитудным детектором. Недостатком известной системы защиты информации является низкая стойкость к вскрытию маскирующих преобразований.

Заявляемое устройство отличается от вышеизложенных тем, что используется единый акустический канал съема звуков работы сердца, дыхания, а также речи, по которой определяется уровень эмоциональной напряженности человека, средства засекречивания передаваемых сигналов за счет многоуровневого вейвлет-преобразования обеспечивают необходимый уровень безопасности и соответствуют отечественным и международным требованиям по защите биомедицинских персональных данных.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение разрешающий способности акустического биомедицинского сигнала, повышение его стойкости к вскрытию, т.е. повышение защищенности информации.

Технический результат достигается за счет того, что устройство съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов при удаленном мониторировании работы сердца человека, дыхания, определении уровня эмоциональной напряженности по голосу, включает устройство съема и модуль засекречивания сигналов, отличающиеся тем, что устройство съема акустических биомедицинских сигналов представляет собой ларингофонную гарнитуру с высокочувствительным конденсаторным микрофоном, который соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, который соединен с модулем засекречивания сигналов, который выполняет многоуровневое вейвлет-преобразование и многополосное шифрование акустических биомедицинских сигналов в частотной области перед передачей по каналу связи.

На фигуре 1 показана структурная схема устройства съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов.

На фигуре 2 представлен внешний вид ларингофонной гарнитуры с высокочувствительным конденсаторным микрофоном.

На фигуре 3 показана вейвлет-сонограмма звуков сердца, дыхания и речи.

На фигуре 4 показана вейвлет-сонограмма засекреченного сигнала звуков сердца, дыхания и речи в полосе частот стандартного телефонного канала 300-3400 Гц.

На фигуре 5 показана вейвлет-сонограмма восстановленного сигнала звуков сердца.

На фигуре 6 показана вейвлет-сонограмма восстановленного сигнала звуков дыхания.

На фигуре 7 показана вейвлет-сонограмма восстановленного речевого сигнала.

Устройство устройства съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов при удаленном мониторировании работы сердца человека, дыхания, определении уровня эмоциональной напряженности по голосу (фиг. 1) включает в себя ларингофонную гарнитуру с высокочувствительным конденсаторным микрофоном (1), модуль аналого-цифрового преобразования (2) для передачи оцифрованных акустических биомедицинских сигналов модулю засекречивания сигналов (3), который для заданного материнского вейвлета выполняет многоуровневое вейвлет-преобразование и многополосное засекречивание в частотной области перед передачей по каналу связи.

В качестве материнского вейвлета может быть выбран, например, вейвлет Морле. Вейвлет-спектрограммы (результат преобразования) можно получить с использованием наборов низкочастотных и высокочастотных дискретных фильтров (их количество зависит от количества уровней вейвлет-преобразования).

На приемном конце модулем расшифрования по заданному ключу могут быть восстановлены звуки сердца и дыхания для последующего анализа и выявления признаков кардиозаболеваний. Обработка тональных участков звуков речи позволяет оценивать уровень эмоциональной напряженности человека за период съема акустических биомедицинских сигналов. Длительность записи, как правило, составляет 60 секунд, из них первые 30 секунд регистрируются звуки сердца и дыхания, в последующие 10 секунд - речевые комментарии, последние 20 секунд - кардиосигналы при остановке дыхания.

Claims (1)

1. Устройство съема и засекречивания акустических биомедицинских сигналов при удаленном мониторировании работы сердца человека, дыхания, определении уровня эмоциональной напряженности по голосу, включающее устройство съема и модуль засекречивания сигналов, отличающееся тем, что устройство съема акустических биомедицинских сигналов представляет собой ларингофонную гарнитуру с высокочувствительным конденсаторным микрофоном, который соединен с модулем аналого-цифрового преобразования, который соединен с модулем засекречивания сигналов, который выполняет многоуровневое вейвлет-преобразование и многополосное шифрование акустических биомедицинских сигналов в частотной области перед передачей по каналу связи.

   

Images