RU2189172C2 - Способ бакусова л.м. дистанционного мониторинга физиологических сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицинской информационно-измерительной техники и может быть использовано для контроля текущего физиологического состояния человека-оператора, оценки его работоспособности и готовности к решению задач без ограничения его в движениях при динамических нагрузках, в экстремальных ситуациях, например на борту космического аппарата, при тренировках спортсменов и т.д., а также для медицинских исследований, например, для диагностики патологических состояний, слежения за текущим состоянием пациента и т.д. Способ заключается в том, что на биообъекте размещают пару электродов, выполненных из разнородных электропроводных материалов с различными электрохимическими потенциалами так, что один из них является положительным, а другой - отрицательным, соединяют электроды с цепями питания радиопередатчика, образуя при этом электроколебательную биотехническую систему, в которой снимаемые с электродов биопотенциалы используют для электропитания радиопередатчика, сигнал которого принимают радиоприемником, при этом частоту радиопередатчика настраивают по максимуму коэффициента модуляции несущей частоты комплексного биосигнала, содержащего компоненты различных физиологических сигналов организма, а настройку импеданса радиопередатчика производят за счет регулирования его суммарного реактивного импеданса по цепям питания. Это позволяет осуществить расширение функциональных возможностей, повышение надежности, упрощение и улучшение эксплуатационных показателей. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской информационно-измерительной техники и может быть использовано для контроля текущего физиологического состояния человека-оператора, оценки его работоспособности и готовности к решению задач без ограничения его в движениях при динамических нагрузках, в экстремальных ситуациях, например на борту космического аппарата, при тренировках спортсменов и т.д., а также для медицинских исследований, например, для диагностики патологических состояний, слежения за текущим состоянием пациента и т.д.

Известен способ для исследования физиологических полиграфических данных, включающий снятие по четырем каналам, снабженным независимыми датчиками, биоэлектрических сигналов типа электрокардиосигнала, электроэнцофаллограммы, преобразования их в цифровую форму и обработку их в ЭВМ, включающую запоминание данных в режиме реального времени, их отбор, структурирование и классификацию, а также отображение на экране дисплея результатов непрерывного анализа текущей физиологической информации с параллельным накоплением необработанной информации для дальнейшего поиска [1].

Недостатками известного способа являются низкая удельная информативность на объем применяемого оборудования ввиду необходимости отдельной системы датчиков и отдельного информационного канала для съема каждого физиологического параметра, а также низкие функциональные возможности и низкая электробезопасность по причине использования проводной связи с пациентом, в значительной степени ограничивающей его произвольные движения и позволяющей реально использовать способ лишь при положении пациента лежа на кровати.

Известен способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов, реализованный в известной мониторной системе физиологических параметров, заключающийся в том, что на биообъекте размещают электроды, снимают с пары электродов биопотенциал, результаты измерений передают телеметрически, причем образуют электроколебательную биотехническую систему за счет того, что электроды в паре выполняют разнородными из электропроводных материалов с различными электрохимическими потенциалами так, что один из них является положительным, а другой - отрицательным, а биопотенциалы непосредственно используют для электропитания радиопередатчика [2].

Известный способ является достаточно простым и безопасным, однако обладает невысокой степенью надежности по причине сильной зависимости частоты генерируемого сигнала от психофизиологического состояния испытуемого, что не позволяет обеспечить достаточно надежную телеметрическую связь с приемной аппаратурой. Это объясняется тем, что в известном способе не предусмотрена какая-либо настройка для достижения оптимального согласования импеданса передатчика с внутренним импедансом биоткани и не используются резонансные режимы генерации биосигналов. Кроме того, низкие уровни генерируемых сигналов обусловливают слабую помехозащищенность известного способа, что не позволяет осуществлять достаточно тонкое распознавание компонент суммарного физиологического сигнала, число которых превышает две, ограничиваясь на практике лишь ЭКГ и пневмограммой, что также ведет к снижению функциональных возможностей известного способа. Сильная зависимость качества связи от психофизиологического состояния человека не позволяет использовать известный способ для мониторирования биосигналов в режиме реальной деятельности человека-оператора, а также в критических ситуациях, что в значительной мере снижает функциональные возможности известного способа.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение надежности, упрощение и улучшение эксплуатационных показателей за счет осуществления возможности съема информации о различных физиологических параметрах с использованием одного канала с одним датчиком без применения каких-либо специальных операций по принудительной модуляции, разделения во времени, кодирования и т. д. , а также за счет осуществления съема и передачи информации без использования источников энергии.

Для достижения поставленной цели в известном способе для получения электрокардиографических данных, заключающемся в том, что на биообъекте размещают электроды, снимают с пары электродов биопотенциал, а результаты измерений передают телеметрически, дополнительно образуют электроколебательную биотехническую систему за счет того, что электроды в паре выполняют разнородными из электропроводных материалов с различными электрохимическими потенциалами так, что один из них является положительным, а другой - отрицательным, а биопотенциалы непосредственно используют для электропитания радиопередатчика, причем частоту и импеданс цепей питания согласуют с резонансной частотой внутреннего импеданса биотканей, а сигнал радиопередатчика принимают радиоприемным устройством. Кроме того, настройку частоты радиопередатчика производят по попаданию в участок диапазона с максимальной зависимостью реактивной составляющей импеданса биобъекта от частоты, а настройку импенданса радиопередатчика производят за счет того, что регулируют величину суммарного реактивного импенданса радиопередатчика по цепи питания. Кроме того, полученный биорадиосигнал принимают одновременно двумя радиоприемниками, причем настройку первого из них на сигнал биорадиоизлучения производят снизу вверх по частоте радиодиапазона, а настройку другого - сверху вниз так, чтобы принимаемый радиосигнал постоянно находился в окне, образованном настройками приемников: выходные сигналы приемников складывают друг с другом и, разделяя по частоте фильтраций, получают набор физиологических сигналов биобъекта. Кроме того, каждый из электродов накладывают, по меньшей мере, на одну акупунктурную точку. Кроме того, для наложения электродов выбирают наиболее энергоемкие акупунктурные точки.

На фигуре 1 изображена эквивалентная электрическая схема биотехнической системы "человек - электроды - радиопередатчик".

На фигуре 2 изображена схема выполнения способа при наложении электродов на запястье руки пациента.

На фигуре 3 изображена амплитудно-частотная настроечная суммарная характеристика двух радиоприемников.

На фигуре 4 показана схема наложения электродов на акупунктурные точки хэ-гу и цзу-сань-ли по предложенному способу.

На фигуре 5 изображена временная диаграмма выходных сигналов радиопередатчика.

На фигуре 6 изображены временные диаграммы компонент комплексного биосигнала, выделенного из него, а именно ЭКГ, ЭМГ и пневмограммы (ПГ).

Способ основан на использовании вариаций реактивного сопротивления (импеданса) внутренних сред и тканей человека, синхронно изменяющегося с ритмикой его электрофизиологических процессов, а также на способности живого организма генерировать переменный электрический ток радиочастоты среднего и длинноволнового участков вещательного диапазона при выполнении операций способа по предложенным условиям. При этом автоколебания могут возникнуть лишь в единой системе "биообъект - техническое устройство", соединение в которой биообъекта с техническим устройством (радиопередатчиком) выполняется по операциям способа, а в случае настройки устройства по предлагаемому способу отпадает необходимость специально преобразовывать биопотенциалы в радиоизлучение и производить частотную модуляцию, поскольку при этом в системе автоматически устанавливаются радиочастотные колебания средневолнового либо высокочастотной части длинноволнового диапазона, которые могут быть непосредственно излучены в пространство и приняты на расстоянии радиоприемником, а также автоматически являются частотнопромодулированными суммарным биосигналом организма, являющимся суперпозицией ЭКГ, ЭМГ, пневмограммы и др. Модуляция автоколебаний комплексным биологическим сигналом происходит самим организмом 1 благодаря выбору и настройке частоты радиопередатчика 2 и согласованию по предложенному способу его импеданса по цепям питания 3 с внутренним импедансом организма (фиг.1) так, чтобы они являлись сравнимыми величинами, в результате этого условия генерации не нарушаются, а изменения вносимой в радиопередатчик 1 по цепям питания 3 реактивности организма под действием внутриорганизменных электрофизиологических процессов, которые обеспечивают частотную модуляцию несущей, являются значимыми и хорошо различимыми приемником.

Условия генерации автоколебаний и их частотной модуляции (фиг. 1) представлены на схеме в конце описания.

Таким образом, осуществляется возможность телеметрической передачи биосигналов без источников электропитания исключительно за счет энергии самого организма, а также без какого-либо преобразования сигналов и модулирования несущей частоты, поскольку и преобразование биосигналов в радиоизлучение и модуляцию осуществляет сам организм биообъекта при создании соответствующих условий по предлагаемому способу, что не известно из литературных источников. Кроме того, это позволяет передать несколько сигналов биоактивности организма по одному каналу с использованием одного простейшего датчика (гальванопара электродов), не содержащего подвижных частей, не требующих применения жидких сред и электродных паст и т.д., без всяких операций разделения каналов, кодирования, преобразования и др., неизбежно применяемых в известных способах.

Способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов осуществляют следующим образом.

В произвольном положении человека в покое накладывают (фиг. 1) на кожные покровы 4 (или слизистую оболочку) в любом удобном месте два электрода 5, 6 (например, на запястьях обеих или одной руки) и закрепляют их в таком положении при помощи клея, лейкопластыря, резиновых колец или присосок так, чтобы контакт электродов с кожей не нарушался при любых произвольных движениях человека. Электроды 5, 6 выполняют из разнородных электропроводных материалов с различными электрохимическими потенциалами. При этом один из электродов 5 выполняется с положительным электрохимическим потенциалом, а другой 6 - с отрицательным. В качестве материалов электродов рекомендуется применять материалы или их сплавы, разность электрохимических потенциалов которых максимальна. Например, могут использоваться следующие пары:
А1+Mg=Сu;
Zn=Сu;
Fe=Ag;
Mg=Аu (Pt, Ag) и т.д.

В качестве положительного электрода 5 может использоваться также графитовый или угольный электрод.

Далее, соединяют электроды 5, 6 с положительной (Сu) и отрицательной (Zn) шинами питания 3 миниатюрного микромощного радиопередатчика 2, рассчитанного на работу в диапазонах средних или высокочастотной части длинных волн. Ввиду конечного значения импеданса внутренних тканей человека в биотехнической системе "человек - электроды - радиопередатчик" устанавливаются автоколебания, вырабатываемые организмом в биотехнической системе, средняя частота которых определяется настройкой радиопередатчика 2. Выбор частоты радиопередатчика 2 в радиодиапазонах средних или длинных волн обуславливает согласование импеданса тканей человека с внутренним импедансом радиопередатчика по цепям питания 3, т.к. в этом случае они имеют сравнимые значения, в результате чего в сформированной биотехнической системе выполняются условия автогенерации. Только в этом случае генерация с частотной модуляцией происходит, в любых же других радиодиапазонах либо коэффициент модуляции практически равен нулю (на сверхдлинных волнах и в звуковом диапазоне), либо генерация вообще отсутствует (КВ, УКВ, СВЧ-диапазоны).

В пределах диапазона средних-длинных радиоволн частоту радиопередатчика 2 настраивают экспериментальным путем по максимуму коэффициента модуляции несущей частоты комплексным биосигналом, содержащим компоненты различных физиологических сигналов функционирующего организма. После этого производят более тонкое согласование импедансов человека и технической системы за счет регулирования импеданса радиопередатчика 2 по цепям питания 3 по максимальной амплитуде генерируемого сигнала.

Эта операция может осуществляться в зависимости от конкретной схемы радиопередатчика 2. Для любой схемы регулирование импедансов может осуществляться последовательным соединением по цепям питания 3 дросселей различной индуктивности либо подбором числа витков дополнительной катушки индуктивности, которую включают в разрыв между одним из электродов 5, 6 и соответствующей ему шиной питания радиопередатчика 2.

При возникновении автоколебаний в биотехнической системе радиопередатчик 2 излучает с помощью антенны в пространство электромагнитные колебания, промодулированные по частоте комплексным биосигналом, отражающим функционирование систем организма.

Далее, располагают на расстоянии до 5 м от радиопередатчика два приемника 8 и 9. Оба радиоприемника 8 и 9 настраивают на прием сигнала радиопередатчика 2, причем один из них 8 настраивают сверху вниз по частоте радиодиапазона, а другой 9 - снизу вверх. Далее, выходные сигналы радиоприемников 8 и 9 складывают между собой сумматором 10, при этом суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) настроек радиоприемников образует окно (фиг. 3), ширину которого регулируют настройками обоих радиоприемников 8 и 9 так, чтобы принимаемый биорадиосигнал не выходил за пределы окна при любых случайных его флуктуациях. Такой способ приема биорадиосигнала обеспечивает значительно более устойчивый прием, позволяющий осуществить бесперебойное слежение за физиологическими сигналами человека, чего практически невозможно добиться при приеме биорадиосигнала одним приемником ввиду узкой АЧХ приемника непрямоугольной формы. Суммарный сигнал радиоприемников детектируют по частоте детектором 11, выделяя суммарный комплексный биосигнал, представляющий собой суперпозицию физиологических сигналов систем организма, например таких как ЭКГ, ЭМГ, пневмограмму и т.д. Далее производят разделение комплексного биосигнала на составляющие путем частотной фильтрации фильтрами 11 благодаря естественной частотной разнесенности составляющих [3, 4] и регистрируют сигналы регистратором 13, в качестве которого может быть использован компьютер с печатающим устройством.

Пример. Испытуемого К. усаживали в удобное кресло при комфортных внешних условиях в изолированной комнате. На запястье правой руки накладывали два электрода площадью 1 см² каждый и закрепляли их в таком положении лейкопластырем. Один из электродов, выполненный из бронзы, соединяли гибким проводом с положительной шиной питания миниатюрного микромощного радиопередатчика, другой электрод, выполненный из цинка, соединяли с отрицательной шиной питания радиопередатчика. Использовали передатчик, рассчитанный на работу в диапазоне средних радиоволн с возможностью перестройки частоты в пределах 0,22-1,5 МГц. Передатчик рассчитывался на работу с магнитной антенной и размещался рядом с испытуемым на столике. Последовательно в разрыв цепи между положительным электродом и положительной шиной питания радиопередатчика включали вариометр - перестраиваемую катушку индуктивности для подстройки величины внутреннего импеданса радиопередатчика по цепи питания. Сразу же после наложения электродов возникали автоколебания без каких-либо источников электроэнергии, только за счет энергии, вырабатываемой биотехнической системой "человек-электроды-радиопередатчик" (радиопередатчик при этом не содержал никаких источников электроэнергии). Далее, к выходу передатчика подключали осциллограф с высокоомным высокочастотным входом и подстройкой собственной частоты несущей радиопередатчика добавились максимальной глубины частотной модуляции автоколебаний биосигналом, а подстройкой индуктивности последовательно соединенного с радиопередатчиком вариометра - максимальной амплитуды напряжения на выходе передатчика, которое в данном случае (при данном испытуемом, данном месте наложении и материалах электродов) составило 460 мВ. При совмещении электродов с акупунктурными точками амплитуда автоколебаний возрастала. Так, например, при наложении одного из электродов на точку хэ-гу 14 правой руки, а другого - на точку цзу-сань-ли 15 правой ноги, это напряжение возрастало до 625 мВ (фиг.4).

После этого настраивают два специализированных СВ-ДВ радиоприемника, расположенных на расстоянии 5 м, на сигнал биорадиоизлучения радиопередатчика, причем один из них настраивают сверху вниз по радиоапазону, а другой - снизу вверх. Расстройка контуров приемников составила около 100 кГц. Суммарный сигнал (фиг.5) частотно детектировали и подавали на систему полосовых активных фильтров, выделяя тем самым сигнал ЭКГ, ЭМГ и пневмограммы (фиг.6). Использовали фильтры со следующими частотами среза:
- для кардиосигнала f_B=50 Гц; f_H=1 Гц;
- для пневмосигнала f_B=1,5 Гц; f_H=0,005 Гц;
- для электромиограммы f_H=20 Гц; f_B=200 Гц.

При воздействии возмущающих фазических сигналов на испытуемого, изменяющих его психофизиологическое состояние, в качестве которых использовали кратковременное болевое раздражение мочки уха (реакция боли) и поднесение к коже разогретого паяльника (реакция страха), не вызывали выход принимаемого сигнала из "окна", образованного настройками контуров приемников, в то время как при приеме сигнала одним радиоприемником указанные воздействия вызывали уход несущей частоты и срыв приема.

При действии тонической составляющей психофизиологического возмущения (при помощи развития утомления через 1,5 часа после начала выполнения операторской деятельности, моделируемой на тренажерах, например, летчика-истребителя с помощью компьютерной игры F-19, реализуемой на персональной ЭВМ IBM PC) наблюдалась уменьшение амплитуды принимаемого сигнала на 10-15%, однако устойчивость приема сохранялась.

Таким образом, способ имеет высокую помехозащищенность и позволяет осуществлять бесперебойный мониторинг физиологических сигналов независимо от психофизиологического фона испытуемого.

Испытание способа проводили на 150 добровольцах. Из них у 50 человек осуществляли мониторинг физиологических сигналов в покое, у другой группы из 100 человек проводили мониторинг во время различных произвольных движений. Движения моделировали с использованием как физкультурных тренажеров (например, типа велоэргометра, бегущей дорожки и т.п.), а также с помощью компьютерных тренажеров, моделирующих операторскую деятельность с помощью игровых программ. Применяли миниатюрный полупроводниковый радиопередатчик, смонтированный вместе с электродами на одной резиновой манжете, надеваемой на запястье испытуемого.

Во время мониторинга у 25 испытуемых, находящихся в состоянии покоя и 25 испытуемых, выполняющих произвольные движения, вызывали различные психофизиологические реакции. У 49 испытуемых обеих групп не наблюдались нарушения и перебои при мониторинге сигналов ЭКГ, ЭМГ и пневмограммы, только у одного испытуемого из первой группы происходили кратковременные (продолжительностью не более трех секунд) выходы принимаемого сигнала за пределы "окна" настройки радиоприемников при сильном болевом раздражении.

Предложенный способ Бакусова Л.М. дистанционного мониторинга физиологических сигналов по сравнению с известными способами мониторинга физиологических сигналов, в том числе с прототипом, обладают следующими преимуществами:
- значительно более высокой надежностью получения информации при непрерывном мониторинге физиологических сигналов человека, поскольку позволяет за счет дополнительно введенных операций, осуществляемых предложенным образом, обеспечить возможность бесперебойного непрерывного мониторирования физиологических сигналов, т.к. позволяет организовать уверенный стабильный прием, с большой устойчивостью к флуктуациям сигнала, передаваемого радиопередатчиком, за счет отсутствия проводной связи между электродами и приемно-регистрирующими устройствами, а также за счет использования биосигналов повышенной амплитуды (до 1 В), особенно при наложении электродов на энергоемкие акупунктурные точки;
- расширенными функциональными возможностями за счет осуществления возможности мониторинга физиологических сигналов в значительно больших диапазонах условий внешней среды при повышенных возмущающих психофизиологических воздействиях, что значительно расширяет область применимости способа и дает возможность использовать его, в том числе в критических ситуациях при деятельности человека-оператора, часто возникающих, например, при управлении техническими средствами (летательный аппарат, космический аппарат и т.д.), в спорте при действии на спортсмена различных стрессорных нагрузок и т.д.;
- значительно более высокой помехозащищенностью за счет использования электрических сигналов высокого уровня (не менее сотен милливольт), отсутствием операций принудительной модуляции, разделения времени, кодирования-декодирования и т.д., по причине использования одного канала информации с одним датчиком и передачи по ним всего комплекса физиологических сигналов за счет того, что создают условия для естественной модуляции несущей самим организмом, а также за счет того, что эта модуляция является частотной в диапазонах длинных и средних волн, где обычно частотная модуляция не применяется и, следовательно, отсутствуют помехи аналогичного спектрального состава;
- значительно большей простотой и улучшенными эксплуатационными возможностями, поскольку не требуется сложная аппаратура для многоканального мониторинга одновременно нескольких физиологических сигналов, а также не требуются какие-либо источники питания для радиопередатчика, что позволяет осуществлять мониторинг практически неограниченное время;
- высокую электробезопасность способа, поскольку не требует никакого подвода электроэнергии к человеку или к аппаратуре, располагаемой на нем.

Источники информации
1. Заявка РСТ 88/10093, МКИ⁶ А 61 В 5/04, 1988 г.

2. Заявка РФ 93016579 А, А 61 В 5/02, 20.05.1995.

3. "Применение радиоэлектронных приборов в биологии и медицине", Киев: "Научеева думка", 1976 г. С. 17-31.

4. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. "Биофизические характеристики тканей человека". Справочник. Киев: "Научеева думка", 1990, с. 39-41.

Claims (4)

1. Способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов, заключающийся в том, что на биообъекте размещают пару электродов, выполненных из разнородных электропроводных материалов с различными электрохимическими потенциалами так, что один из них является положительным, а другой - отрицательным, соединяют электроды с цепями питания радиопередатчика, образуя при этом электроколебательную биотехническую систему, в которой снимаемые с электродов биопотенциалы используют для электропитания радиопередатчика, сигнал которого принимают радиоприемником, отличающийся тем, что частоту радиопередатчика настраивают по максимуму коэффициента модуляции несущей частоты комплексного биосигнала, содержащего компоненты различных физиологических сигналов организма, а настройку импеданса радиопередатчика производят за счет регулирования его суммарного реактивного импеданса по цепям питания.

2. Способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов по п. 1, отличающийся тем, что полученный биорадиосигнал принимают одновременно двумя радиоприемниками, причем настройку первого из них на сигнал биорадиоизлучения производят снизу вверх по частоте радиодиапазона, а настройку другого - сверху вниз так, чтобы принимаемый радиосигнал постоянно находился в "окне", образованном частотами настройки приемников, выходные сигналы приемников складывают друг с другом и, разделяя по частоте фильтрацией, получают набор физиологических сигналов биообъекта.

3. Способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждый из электродов накладывают, по меньшей мере, на одну акупунктурную точку.

4. Способ дистанционного мониторинга физиологических сигналов по пп. 1-3, отличающийся тем, что для наложения электродов выбирают наиболее энергоемкие акупунктурные точки.

Images