RU156237U1

RU156237U1 - RESPIRATORY SIGNAL DEVICE

Info

Publication number: RU156237U1
Application number: RU2015109737/14U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Федотов; Анна Сергеевна Акулова; Сергей Анатольевич Акулов
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-11-10

Abstract

Устройство для регистрации респираторного сигнала, содержащее токовые электроды, потенциальные электроды, генератор тока, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, полосовой фильтр, усилитель переменного напряжения, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены акселерометр, усилитель акселерометра, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причём выход усилителя переменного напряжения подключён к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход акселерометра подключён ко входу усилителя акселерометра, выход усилителя акселерометра подключён ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключён ко входу микроконтроллера, а микроконтроллер выбран со встроенным блоком цифровой обработки сигналов.A device for recording a respiratory signal containing current electrodes, potential electrodes, a current generator, a differential amplifier, a synchronous detector, a bandpass filter, an alternating voltage amplifier, characterized in that the device additionally includes an accelerometer, accelerometer amplifier, analog-to-digital converter, microcontroller, moreover the output of the AC voltage amplifier is connected to the first input of the analog-to-digital converter, the output of the accelerometer is connected to the input of the amplifier meter accelerometer amplifier output connected to the second input of the analog-digital converter, the output of analog-to-digital converter connected to an input of the microcontroller, the microcontroller and selected with integrated digital signal processing unit.

Description

Устройство относится к диагностической медицинской технике, а именно к устройствам регистрации биосигналов на основе применения методов реоплетизмографии. Данное устройство может найти применение в пульмонологических и кардиологических системах диагностики пациентов для мониторинга частоты дыхания, оценки функции системы внешнего дыхания человека.The device relates to diagnostic medical equipment, namely to devices for recording biosignals based on the use of rheoplethysmography methods. This device can be used in pulmonary and cardiology patient diagnostic systems for monitoring respiratory rate, evaluating the function of a person’s external respiration system.

Важное место в клинической диагностике занимает мониторинг показателей функции внешнего дыхания с целью контроля процесса газообмена между организмом и окружающей средой. При объективном исследовании системы дыхания врача интересуют как правило общие количественные характеристики параметров внешнего дыхания: частота дыхания, объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха и др. В системах длительного мониторинга кардиореспираторной системы в условиях свободного поведения пациента наибольшей диагностической ценностью обладают методики неинвазивного контроля частоты и глубины дыхания на основе регистрации респираторного сигнала с помощью поверхностных датчиков, работающих на различных физических принципах преобразования изменяющихся физиологических параметров, косвенно или непосредственно связанных с актом дыхания человека, в выходной электрический сигнал; а также обладающих высокой устойчивостью к влиянию двигательных артефактов, искажающих форму респираторного сигнала.An important place in clinical diagnostics is the monitoring of indicators of the function of external respiration in order to control the process of gas exchange between the body and the environment. An objective study of the respiratory system of a physician is usually of interest to the general quantitative characteristics of external respiration parameters: respiratory rate, volume of inhaled and exhaled air, etc. In long-term monitoring systems of the cardiorespiratory system under conditions of free patient behavior, the methods of noninvasive monitoring of respiratory rate and depth are of the greatest diagnostic value. Based on registration of a respiratory signal using surface sensors operating on various physical principles Conversion varying physiological parameters directly or indirectly associated with the act of human breath, the output electrical signal; and also possessing high resistance to the influence of motor artifacts that distort the shape of the respiratory signal.

Известно устройство для измерения частоты дыхания, включающее эластичный ремень, пряжку с фторопластовой направляющей, а также датчик силы (Патент RU 2013996, МПК A61B 5/08, опубликовано 15.06.1994).A device for measuring respiratory rate, including an elastic belt, a buckle with a PTFE guide, and a force sensor (Patent RU 2013996, IPC A61B 5/08, published 06/15/1994).

Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость в условиях присутствия двигательных артефактов, обусловленных случайными движениями обследуемого человека во время регистрации респираторного сигнала.A disadvantage of the known device is its low noise immunity in the presence of motor artifacts due to random movements of the person being examined during registration of the respiratory signal.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для мониторинга дыхания (Статья К. Kohli et al. Prototype development of an electrical impedance based simultaneous respiratory and cardiac monitoring system for gated radiotherapy // Biomedical Engineering Online (2014), Vol. 13: 144), включающее токовые электроды, потенциальные электроды, генератор тока, дифференциальный усилитель, амплитудный детектор, полосовой фильтр, усилитель сигнала.Closest to the proposed device is a device for monitoring breathing (Article K. Kohli et al. Prototype development of an electrical impedance based simultaneous respiratory and cardiac monitoring system for gated radiotherapy // Biomedical Engineering Online (2014), Vol. 13: 144), including current electrodes, potential electrodes, current generator, differential amplifier, amplitude detector, band-pass filter, signal amplifier.

Недостатком известного устройства является недостаточная помехоустойчивость регистрируемого респираторного сигнала к проявлению случайных двигательных артефактов, обусловленных движениями обследуемого человека.A disadvantage of the known device is the lack of noise immunity of the recorded respiratory signal to the manifestation of random motor artifacts caused by the movements of the person being examined.

В основу полезной модели поставлена задача - увеличить помехоустойчивость регистрации респираторного сигнала человека в условиях присутствия двигательных артефактов, обусловленных случайными движениями обследуемого.The utility model is based on the task of increasing the noise immunity of a human respiratory signal registration in the presence of motor artifacts caused by random movements of the subject.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство для регистрации респираторного сигнала, содержащее токовые электроды, потенциальные электроды, генератор тока, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, полосовой фильтр, усилитель переменного напряжения, согласно полезной модели, в устройство дополнительно введены акселерометр, усилитель акселерометра, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причем выход усилителя переменного напряжения подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход акселерометра подключен ко входу усилителя акселерометра, выход усилителя акселерометра подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу микроконтроллера, а микроконтроллер выбран со встроенным блоком цифровой обработки сигналов.The problem is solved due to the fact that in the device for registering a respiratory signal containing current electrodes, potential electrodes, a current generator, a differential amplifier, a synchronous detector, a bandpass filter, an alternating voltage amplifier, according to a utility model, an accelerometer and an accelerometer amplifier are additionally introduced into the device , an analog-to-digital converter, a microcontroller, the output of an alternating voltage amplifier connected to the first input of an analog-to-digital converter, the output the accelerometer is connected to the input of the accelerometer amplifier, the output of the accelerometer amplifier is connected to the second input of the analog-to-digital converter, the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the microcontroller, and the microcontroller is selected with an integrated digital signal processing unit.

Благодаря описанным выше изменениям и дополнениям становится возможным реализовать алгоритм адаптивного подавления шумов (учебное пособие: P.M. Рангайян. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. М.: Физматлит, 2007. 139-142 с), позволяющий адаптироваться к изменяющимся характеристикам полезного респираторного сигнала и присутствующих при регистрации нестационарных помех, обусловленных движениями обследуемого человека.Thanks to the changes and additions described above, it becomes possible to implement an adaptive noise reduction algorithm (study guide: PM Rangayyan. Analysis of biomedical signals. A practical approach. M .: Fizmatlit, 2007. 139-142 s), which allows adapting to the changing characteristics of a useful respiratory signal and those present when registering non-stationary interference caused by the movements of the person being examined.

Полезная модель поясняется чертежами, где на чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства для регистрации респираторного сигнала.The utility model is illustrated by drawings, where the drawing shows a structural diagram of the proposed device for recording a respiratory signal.

Устройство для регистрации артериальной пульсации крови содержит следующие блоки: токовые электроды 1, потенциальные электроды 2, генератор тока 3, дифференциальный усилитель 4, акселерометр 5, синхронный детектор 6, усилитель акселерометра 7, полосовой фильтр 8, усилитель переменного напряжения 9, аналого-цифровой преобразователь 10, микроконтроллер 11. Токовые электроды 1, потенциальные электроды 2, акселерометр 5 размещаются на грудной клетке человека.A device for recording arterial pulsation of blood contains the following blocks: current electrodes 1, potential electrodes 2, current generator 3, differential amplifier 4, accelerometer 5, synchronous detector 6, accelerometer amplifier 7, band-pass filter 8, AC voltage amplifier 9, analog-to-digital converter 10, microcontroller 11. Current electrodes 1, potential electrodes 2, accelerometer 5 are placed on the human chest.

В схеме импульсы тока с генератора тока 3 поступают на токовые электроды 1, посредством которых импульсы тока передаются на тело человека; изменение сопротивления тела человека во время циклов вдоха/выдоха приводит к появлению изменяющейся во времени разности электрических потенциалов, которые регистрируются посредством потенциальных электродов 2. Разность напряжения с потенциальных электродов 2 поступает на вход дифференциального усилителя 4, выход дифференциального усилителя 4 подключен ко входу синхронного детектора 6, выход синхронного детектораIn the circuit, the current pulses from the current generator 3 are supplied to the current electrodes 1, by means of which the current pulses are transmitted to the human body; a change in the resistance of the human body during inspiration / expiration cycles leads to the appearance of a time-varying difference in electric potentials, which are recorded by potential electrodes 2. The voltage difference from the potential electrodes 2 is fed to the input of the differential amplifier 4, the output of the differential amplifier 4 is connected to the input of the synchronous detector 6 synchronous detector output

6 подключен ко входу полосового фильтра 8, выход полосового фильтра 8 подключен ко входу усилителя переменного напряжения 9, выход усилителя переменного напряжения 9 подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя 10, выход аналого-цифрового преобразователя 10 подключен ко входу микроконтроллера 11, выход акселерометра 5 подключен ко входу усилителя акселерометра 7, выход усилителя акселерометра 7 подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 10.6 is connected to the input of the bandpass filter 8, the output of the bandpass filter 8 is connected to the input of the AC voltage amplifier 9, the output of the AC voltage amplifier 9 is connected to the first input of the analog-to-digital converter 10, the output of the analog-to-digital converter 10 is connected to the input of the microcontroller 11, the output of the accelerometer 5 connected to the input of the amplifier of the accelerometer 7, the output of the amplifier of the accelerometer 7 is connected to the second input of the analog-to-digital converter 10.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Генератор тока 3 формирует прямоугольные импульсы тока, которые через пару токовых электродов 1 поступают на определенный участок тела человека (грудная клетка). Изменение электрического сопротивления данного участка тела, обусловленное процессами вдоха и выдоха, приводит к пропорциональному изменению разности электрических потенциалов на поверхности участка тела. Данная разность потенциалов регистрируется с помощью потенциальных электродов 2, разностный сигнал напряжения поступает на вход дифференциального усилителя 4, где предварительно усиливается. С выхода дифференциального усилителя 4 усиленный сигнал поступает на вход синхронного детектора 6, где происходит выделение огибающей респираторного сигнала. С выхода синхронного детектора 6 выделанная огибающая поступает на вход полосового фильтра 8, где происходит выделение переменной составляющей респираторного сигнала и фильтрация от высокочастотных помех. Отфильтрованный респираторный сигнал с выхода полового фильтра 8 поступает на вход усилителя переменного напряжения 9, где происходит дополнительное усиление сигнала. С выхода усилителя переменного напряжения 9 усиленный сигнал поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 10, где происходит квантование и дискретизация регистрируемого респираторного сигнала. Акселерометр 5 размещен на том же участке тела человека, что и потенциальные электроды 2 и токовые электроды 1. Сигнал перемещения, регистрируемый акселерометром 5 поступает на вход усилителя акселерометра 7, где усиливается. Усиленный сигнал перемещений с выхода усилителя акселерометра 7 поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя 10, где происходит квантование и дискретизация регистрируемого сигнала перемещений. Данные с выхода аналого-цифрового преобразователя 10 поступают на микроконтроллер 11, в оперативной памяти которого происходит формирование двух числовых массивов: отсчетов регистрируемого респираторного сигнала и отсчетов регистрируемого сигнала перемещения, а также выполнение необходимых логических и арифметических операций. Встроенное программное обеспечение микро-контроллера 11 на основе полученных данных реализует алгоритм адаптивного подавления двигательных артефактов респираторного сигнала.The current generator 3 generates rectangular current pulses, which through a pair of current electrodes 1 enter a specific area of the human body (chest). A change in the electrical resistance of a given part of the body, due to the processes of inspiration and expiration, leads to a proportional change in the difference in electrical potentials on the surface of the part of the body. This potential difference is recorded using potential electrodes 2, the differential voltage signal is fed to the input of the differential amplifier 4, where it is pre-amplified. From the output of the differential amplifier 4, the amplified signal is fed to the input of the synchronous detector 6, where the envelope of the respiratory signal is extracted. From the output of the synchronous detector 6, the completed envelope is fed to the input of the bandpass filter 8, where the variable component of the respiratory signal is extracted and filtered from high-frequency interference. The filtered respiratory signal from the output of the floor filter 8 is fed to the input of an alternating voltage amplifier 9, where additional signal amplification takes place. From the output of the AC voltage amplifier 9, the amplified signal is fed to the first input of the analog-to-digital converter 10, where quantization and sampling of the registered respiratory signal occurs. The accelerometer 5 is located on the same part of the human body as the potential electrodes 2 and current electrodes 1. The displacement signal recorded by the accelerometer 5 is fed to the input of the accelerometer amplifier 7, where it is amplified. The amplified displacement signal from the output of the accelerometer amplifier 7 is fed to the second input of the analog-to-digital converter 10, where quantization and sampling of the recorded displacement signal takes place. The data from the output of the analog-to-digital converter 10 is sent to the microcontroller 11, in the RAM of which two numerical arrays are formed: samples of the registered respiratory signal and samples of the registered movement signal, as well as the necessary logical and arithmetic operations. The firmware of the micro-controller 11, based on the obtained data, implements an algorithm for adaptive suppression of respiratory signal artifacts.

Сигнал, регистрируемый с помощью акселерометра 5, коррелирован с сигналом двигательных артефактов, возникающих во время движения обследуемого при регистрации респираторного сигнала, но при этом некоррелирован с самим сигналом дыхания. Наличие акселерометра 5, усилителя акселерометра 7, аналого-цифрового преобразователя 10 и микроконтроллера 11 позволяет реализовать алгоритм адаптивного подавления шумов (учебное пособие: P.M. Рангайян. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. М.: Физматлит, 2007. 139-142 с), обеспечивающий адаптацию к изменяющимся характеристикам респираторного сигнала и присутствующих при регистрации нестационарных случайных помех, обусловленных движениями обследуемого человека. Наличие аналого-цифрового преобразователя 10 и микроконтроллера 11 позволяет использовать методы программной обработки респираторного сигнала, что в свою очередь обеспечивает высокую эффективность минимизации влияния двигательных артефактов на форму регистрируемого респираторного сигнала.The signal recorded using the accelerometer 5 is correlated with the signal of motor artifacts that occur during the movement of the subject during registration of the respiratory signal, but is not correlated with the breathing signal itself. The presence of the accelerometer 5, the amplifier of the accelerometer 7, the analog-to-digital converter 10 and the microcontroller 11 allows you to implement the adaptive noise reduction algorithm (study guide: PM Rangayyan. Analysis of biomedical signals. Practical approach. M .: Fizmatlit, 2007. 139-142 s), providing adaptation to the changing characteristics of the respiratory signal and those present during the registration of unsteady random interference caused by the movements of the person being examined. The presence of analog-to-digital Converter 10 and microcontroller 11 allows you to use the methods of software processing the respiratory signal, which in turn provides high efficiency to minimize the effect of motor artifacts on the shape of the detected respiratory signal.

Повышение помехоустойчивости регистрации респираторного сигнала достигается за счет того, что в процессе обработки из регистрируемого респираторного сигнала вычитается сигнал, максимально коррелированный с сигналом двигательных артефактов, за счет адаптивного преобразования микроконтроллером сигнала перемещений, регистрируемого с помощью акселерометра. Введение новых элементов и их взаимосвязь позволяет увеличить помехозащищенность респираторного сигнала при регистрации в условиях присутствия двигательных артефактов, вызванных движениями обследуемого человека.An increase in the noise immunity of the registration of the respiratory signal is achieved due to the fact that during processing, the signal that is maximally correlated with the signal of the motor artifacts is subtracted from the registered respiratory signal due to the adaptive conversion of the displacement signal recorded by the accelerometer by the microcontroller. The introduction of new elements and their interconnection allows to increase the noise immunity of the respiratory signal during registration in the presence of motor artifacts caused by the movements of the person being examined.

Claims

A device for recording a respiratory signal containing current electrodes, potential electrodes, a current generator, a differential amplifier, a synchronous detector, a bandpass filter, an alternating voltage amplifier, characterized in that the device additionally includes an accelerometer, accelerometer amplifier, analog-to-digital converter, microcontroller, moreover the output of the AC voltage amplifier is connected to the first input of the analog-to-digital converter, the output of the accelerometer is connected to the input of the amplifier meter accelerometer amplifier output connected to the second input of the analog-digital converter, the output of analog-to-digital converter connected to an input of the microcontroller, the microcontroller and selected with integrated digital signal processing unit.