RU2392852C2 - Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring - Google Patents
Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring Download PDFInfo
- Publication number
- RU2392852C2 RU2392852C2 RU2008105888/14A RU2008105888A RU2392852C2 RU 2392852 C2 RU2392852 C2 RU 2392852C2 RU 2008105888/14 A RU2008105888/14 A RU 2008105888/14A RU 2008105888 A RU2008105888 A RU 2008105888A RU 2392852 C2 RU2392852 C2 RU 2392852C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- signal
- control
- electronic key
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
- G01S13/56—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds for presence detection
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
- A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/285—Receivers
- G01S7/288—Coherent receivers
- G01S7/2886—Coherent receivers using I/Q processing
Abstract
Description
Изобретение относится к медицинским диагностическим приборам для исследования физиологических функций живых организмов, в частности к радиолокационным сверхширокополосным средствам диагностики параметров дыхания и сердцебиения пациентов.The invention relates to medical diagnostic devices for studying the physiological functions of living organisms, in particular to ultra-wideband radar diagnostic tools for the diagnosis of respiration and heartbeat of patients.
Известен импульсный сверхширокополосный датчик мониторинга физиологических параметров одного и более органов тела пациента - заявка US №2004/0249258 А1, кл. А61В 5/05, 2004. Датчик представляет собой импульсный сверхширокополосный радар малой мощности. В качестве опорного зондирующего сигнала используются короткие видеоимпульсы. Датчик содержит импульсный генератор постоянной частоты, передатчик, приемно-передающую антенну, приемник, блок генерации задержанных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки сигнала, блок отображения информации, блок управления и синхронизации, который осуществляет расширенную статистическую обработку отраженных от исследуемых объектов пациента сигналов. В датчике используется одноканальная схема обработки сигнала, которая не позволяет получить информацию о физиологических параметрах исследуемого объекта с требуемой степенью достоверности в любой точке на рабочей дистанции, так как между датчиком и исследуемым объектом появляются так называемые «слепые» зоны, в которых фазовая чувствительность датчика существенно снижается, хотя амплитуда отраженных от объекта зондирующих сигналов может быть достаточно большой. Наличие «слепых» зон и малая ширина участка дальности датчика, которая определяется длительностью опорных сигналов, снижает точность измерений физиологических параметров пациента в определенных зонах рабочей дистанции, в связи с чем такой датчик может применяться только при условии полной неподвижности пациента на строго фиксированном расчетном расстоянии.Known pulse ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of one or more organs of the patient’s body - application US No. 2004/0249258 A1, class. АВВ 5/05, 2004. The sensor is a pulsed ultra-wideband low power radar. As the sounding reference signal, short video pulses are used. The sensor contains a pulsed constant frequency generator, a transmitter, a transmitting and receiving antenna, a receiver, a unit for generating delayed signals, an analog-to-digital converter, a signal processing unit, an information display unit, a control and synchronization unit that performs advanced statistical processing of signals reflected from the studied objects of the patient . The sensor uses a single-channel signal processing scheme, which does not allow obtaining information about the physiological parameters of the studied object with the required degree of reliability at any point at the working distance, since so-called “blind” zones appear between the sensor and the studied object, in which the phase sensitivity of the sensor is significantly decreases, although the amplitude of the probing signals reflected from the object can be quite large. The presence of "blind" zones and the small width of the sensor range, which is determined by the duration of the reference signals, reduces the accuracy of measurements of the physiological parameters of the patient in certain areas of the working distance, in connection with which such a sensor can be used only if the patient is completely still at a strictly fixed calculated distance.
Известен импульсный сверхширокополосный радиолокационный прибор для контроля физиологических параметров одного и более органов тела пациента, включая контроль дыхания и сердцебиения - патент US №5573012, кл. А61В 5/08, 1996. Принцип работы прибора основан на обработке отраженных от исследуемых объектов сигналов и формировании усредненного по амплитуде аудиосигнала с амплитудно-частотной модуляцией. Принимаемый приемной антенной сигнал может раздельно обрабатываться посредством частотной фильтрации и усиления для контроля различных физиологических параметров пациента. Однако конструкция прибора и способ обработки сигнала не исключает возможности появления «слепых» зон на участках рабочей дальности между исследуемым объектом и прибором, т.е. прибору присущи те же самые вышеперечисленные недостатки.Known pulsed ultra-wideband radar device for monitoring the physiological parameters of one or more organs of the patient’s body, including control of respiration and heartbeat - US patent No. 5573012, cl. АВВ 5/08, 1996. The principle of operation of the device is based on the processing of signals reflected from the studied objects and the formation of an amplitude-averaged audio signal with amplitude-frequency modulation. The signal received by the receiving antenna can be separately processed by frequency filtering and amplification to control various physiological parameters of the patient. However, the design of the device and the signal processing method does not exclude the possibility of the appearance of “blind” zones in the areas of the working range between the studied object and the device, i.e. The device has the same disadvantages listed above.
Известен импульсный сверхширокополосный датчик для контроля физиологических параметров дыхания и сердцебиения пациента - патент US №4085740, кл. А61В 5/02, 1978. Датчик содержит модулятор, генератор СВЧ-сигнала, аттенюатор, шунтовый СВЧ-тройник, фазосдвигающую цепь, передающую и приемную антенны, приемник, включающий два канала, каждый из которых включает детектор, усилитель и фильтр. Модулированный СВЧ-сигнал генератора с помощью линии передачи (волновода) непосредственно подводится к передающей антенне и излучается в сторону исследуемого объекта. Одновременно СВЧ-сигнал генератора как опорный сигнал через аттенюатор и шунтовый СВЧ-тройник поступает в смеситель синфазного канала приемника и через фазосдвигающую цепь, обеспечивающую сдвиг фазы опорного сигнала на 90°, поступает в смеситель квадратурного канала приемника. Отраженный от исследуемого объекта сигнал поступает в смесители каждого канал приемника. После детектирования или демодуляции в каждом канале суммарного выходного сигнала смесителя определяется амплитуда сигнала, которая является функцией относительной угловой скорости вращения фаз сигналов, поступающих на вход смесителя. При этом в зависимости от настройки усилителей и частотных фильтров на соответствующую амплитуду и частоту контролируемого физиологического параметра пациента один канал приемника служит для выделения сигнала, характеризующего дыхание, а второй - для выделения сигнала, характеризующего частоту сердцебиения пациента. В связи с тем что каналы приемника работают независимо друг от друга, датчику присущи те же недостатки: выходной сигнал датчика обладает малой информативностью вследствие возникновения «слепых» зон, в которых датчик не может одновременно измерять параметры дыхания и сердцебиения; применение датчика ограничивается фиксированным расстоянием между датчиком и пациентом; исключается применение датчика даже при незначительном перемещении исследуемого объекта.Known pulsed ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of the patient’s breathing and heartbeat - US patent No. 4085740, class. A61B 5/02, 1978. The sensor contains a modulator, a microwave signal generator, an attenuator, a shunt microwave tee, a phase-shifting circuit, a transmitting and receiving antenna, and a receiver including two channels, each of which includes a detector, an amplifier, and a filter. The modulated microwave signal of the generator using the transmission line (waveguide) is directly fed to the transmitting antenna and is radiated towards the object under study. At the same time, the microwave signal of the generator as a reference signal through the attenuator and the shunt microwave tee enters the mixer of the in-phase channel of the receiver and through the phase-shifting circuit providing a phase shift of the reference signal by 90 °, enters the mixer of the quadrature channel of the receiver. The signal reflected from the object under investigation enters the mixers of each channel of the receiver. After detection or demodulation in each channel of the total output signal of the mixer, the signal amplitude is determined, which is a function of the relative angular velocity of rotation of the phases of the signals supplied to the input of the mixer. In this case, depending on the settings of amplifiers and frequency filters for the corresponding amplitude and frequency of the physiological parameter of the patient being controlled, one channel of the receiver serves to isolate the signal characterizing respiration, and the second - to highlight the signal characterizing the patient's heart rate. Due to the fact that the receiver channels operate independently of each other, the sensor has the same disadvantages: the output signal of the sensor has low information content due to the appearance of “blind” zones in which the sensor cannot simultaneously measure respiration and heartbeat parameters; the use of the sensor is limited to a fixed distance between the sensor and the patient; the use of the sensor is excluded even with a slight movement of the investigated object.
Формирование опорного радиосигнала осуществляется непосредственно в генераторе, а управляемый электронный ключ только перенаправляет опорный радиосигнал в тракты передачи зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала. Нестабильность положения импульса управления ключом во времени негативно влияет на разность фаз опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителях. Это также снижает фазовую чувствительность датчика.The formation of the reference radio signal is carried out directly in the generator, and the controlled electronic key only redirects the reference radio signal to the transmission paths of the probing signal and receiving the reflected signal. The instability of the position of the key control pulse in time negatively affects the phase difference between the reference and reflected from the studied object signals in the mixers. It also reduces the phase sensitivity of the sensor.
Кроме того, датчик позволяет получить достоверные данные параметров перемещения исследуемого объекта только в частном случае, когда в поле зрения датчика присутствует только одна движущаяся цель, восстановив закон возвратно-поступательного движения объекта согласно следующим зависимостям:In addition, the sensor allows you to obtain reliable data on the parameters of the movement of the investigated object only in the particular case when there is only one moving target in the field of view of the sensor, restoring the law of reciprocating movement of the object according to the following dependencies:
где Z1(t) - выходной сигнал синфазного канала приемника;where Z 1 (t) is the output signal of the in-phase channel of the receiver;
Z2(t) - выходной сигнал квадратурного канала приемника;Z 2 (t) is the output signal of the quadrature channel of the receiver;
Em=EoE1nTo/2 - максимальная энергия взаимодействия отраженного и зондирующего сигналов, выделяющаяся на выходной нагрузке с единичным сопротивлением;E m = E o E 1 nT o / 2 is the maximum interaction energy of the reflected and probing signals released at the output load with unit resistance;
Е0 - максимальная амплитуда зондирующего сигнала;E 0 is the maximum amplitude of the probe signal;
Е1 - максимальная амплитуда принятого отраженного сигнала;E 1 - the maximum amplitude of the received reflected signal;
To - период колебаний зондирующего сигнала;T o - period of oscillations of the probe signal;
n - целое число периодов колебаний, заполняющих импульс зондирования;n is an integer number of oscillation periods filling the sounding pulse;
φ1 - фазовый сдвиг, обусловленный расстоянием между исследуемым объектом и датчиком;φ 1 - phase shift due to the distance between the investigated object and the sensor;
φ(t) - мгновенное значение фазы, обусловленное движением исследуемого объекта;φ (t) is the instantaneous phase value due to the movement of the object under study;
λ - длина волны колебаний, заполняющих зондирующий сигнал;λ is the wavelength of the oscillations filling the probe signal;
Ω=2πf - круговая частота движения исследуемого объекта;Ω = 2πf is the circular frequency of movement of the investigated object;
f - частота движения исследуемого объекта;f is the frequency of movement of the investigated object;
t - текущее время;t is the current time;
ΔR - максимальная амплитуда движения исследуемого объекта;ΔR is the maximum amplitude of the motion of the investigated object;
R1 - расстояние между исследуемым объектом и датчиком.R 1 - the distance between the investigated object and the sensor.
Однако реально зондирующий сигнал отражается не только от движущегося исследуемого объекта, но и от находящихся вблизи неподвижных объектов, что вносит погрешность в достоверность вычисления функции и параметров движения исследуемого объекта.However, a really probing signal is reflected not only from a moving object under study, but also from stationary objects near it, which introduces an error in the reliability of calculating the function and motion parameters of the object under study.
Целью настоящего изобретения является создание импульсного сверхширокополосного датчика дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения по движению грудной клетки обследуемого пациента, позволяющего повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения пациентов, за счет повышения фазовой чувствительности диагностики исследуемого объекта, исключения «слепых» зон на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, а также повысить точность воспроизведения функции движения и параметров исследуемого объекта, в том числе за счет учета отраженного сигнала от неподвижных объектов.The aim of the present invention is to provide a pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat according to the movement of the chest of the patient under examination, which improves the accuracy and reliability of measurements of the parameters of respiration and heartbeat of patients by increasing the phase sensitivity of diagnostics of the studied object, eliminating blind spots over the entire working distance sensor even when moving the patient being examined, and also to increase the accuracy of reproduction of the motion function and parameters of the object under study, including by taking into account the signal reflected from fixed objects.
Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения содержит приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем; тракт формирования СВЧ-сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель; управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов; тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа; приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и АЦП, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход с входами смесителей; тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа; последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами АЦП; блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.A pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat includes a transmitting and receiving antenna connected to a controlled antenna switch; a microwave signal generating path including a serially connected microwave signal generator, a high-pass filter and a buffer amplifier; controlled electronic key for generating sounding and reference signals; a probe signal path including a high-pass filter and a power amplifier connected in series, the output of which is connected to the input of the antenna switch, and the high-pass filter input is connected to the first output of the electronic key; a reflected signal receiver including a low-noise amplifier, in-phase and quadrature channels, each of which includes a series-connected mixer, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, a low-frequency protective filter and an ADC, while the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the antenna switch, and the output to the inputs mixers; a reference signal path, including a series-connected high-pass filter, a power amplifier and a phase-shifting circuit, the output of which is connected to the second input of the mixer of the quadrature channel of the receiver, the output of the power amplifier is also connected to the second input of the mixer of the in-phase channel of the receiver, and the input of the high-frequency filter is connected to the second output electronic key; serially connected information display unit and processing unit connected to ADC outputs; control and synchronization unit, the input of which is connected to the second output of the processing unit, the first output is connected to the input of the microwave signal generator, the second output is connected to the control input of the electronic key, and the third output is connected to the control input of the antenna switch.
При этом блок управления и синхронизации содержит формирователь управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, формирователь синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя, и задающий генератор, выход которого соединен с входами формирователя управляющих сигналов и формирователя синхронизирующих сигналов. Формирователь управляющих сигналов содержит инвертор, управляемую линию задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока обработки, и логический элемент «И», первый вход которого через управляемую линию задержки соединен с выходом инвертора, второй вход и вход инвертора соединены с выходом задающего генератора, а выход логического элемента «И» соединен с входом генератора СВЧ-сигнала. Формирователь синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя. Каждый канал формирования синхронизирующих сигналов содержит последовательно соединенные первую линию задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора, инвертор и вторую линию задержки, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом формирователя синхронизирующих сигналов.The control and synchronization unit comprises a driver of control signals, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator, a driver of synchronization signals, the first output of which is connected to the control input of the electronic key, and the second output is connected to the control input of the antenna switch, and the master generator, the output which is connected to the inputs of the driver of the control signals and the driver of the synchronizing signals. The control signal generator comprises an inverter, a controlled delay line, the control input of which is connected to the output of the processing unit, and a logic element "I", the first input of which is connected through the controlled delay line to the output of the inverter, the second input and input of the inverter are connected to the output of the master oscillator, and the output of the logic element "AND" is connected to the input of the microwave signal generator. The generator of synchronizing signals contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch. Each channel for generating synchronizing signals contains a first delay line connected in series, the input of which is connected to the output of the master oscillator, an inverter and a second delay line, the output of which is connected to the first input of the AND gate, the second input of which is connected to the output of the first delay line, and the output is the output of the driver of synchronizing signals.
Усилитель мощности тракта зондирующего сигнала выполнен с регулируемым коэффициентом усиления.The power amplifier of the probe signal path is made with an adjustable gain.
Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.
Фиг.1 - структурная схема сенсора.Figure 1 - structural diagram of the sensor.
Фиг.2 - структурная схема блока управления и синхронизации.Figure 2 - structural diagram of the control unit and synchronization.
Фиг.3 - временная диаграмма сигнала на выходе задающего генератора.Figure 3 - timing diagram of the signal at the output of the master oscillator.
Фиг.4 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора формирователя управляющих сигналов.4 is a timing diagram of the signal at the output of the inverter of the shaper control signals.
Фиг.5 - временная диаграмма сигнала на выходе управляемой линии задержки формирователя управляющих сигналов.5 is a timing diagram of a signal at the output of a controlled delay line of a driver of control signals.
Фиг.6 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» формирователя управляющих сигналов.6 is a timing diagram of the signal at the output of the logical element "AND" of the shaper control signals.
Фиг.7 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.7 is a timing diagram of a signal at the output of a first delay line of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
Фиг.8 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.Fig. 8 is a timing diagram of a signal at the inverter output of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
Фиг.9 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.Fig.9 is a timing diagram of the signal at the output of the second delay line of the channel for generating the control signal of the electronic key of the generator of synchronizing signals.
Фиг.10 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.Figure 10 is a timing chart of the signal at the output of the logical element "AND" of the channel for generating the control signal of the electronic key of the generator of synchronizing signals.
Фиг.11 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.11 is a timing diagram of the signal at the output of the first delay line of the channel for generating the control signal of the antenna switch of the generator of synchronizing signals.
Фиг.12 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.12 is a timing diagram of a signal at the output of an inverter of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a generator of clock signals.
Фиг.13 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.13 is a timing diagram of a signal at the output of a second delay line of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver.
Фиг.14 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.Fig. 14 is a timing diagram of a signal at the output of an AND gate of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver.
Фиг.15 - временная диаграмма сигнала на выходе генератора СВЧ сигнала.15 is a timing diagram of a signal at the output of a microwave signal generator.
Фиг.16 - временная диаграмма сигнала на входе тракта зондирующего сигнала.Fig. 16 is a timing chart of a signal at an input of a probe signal path.
Фиг.17 - временная диаграмма сигнала на входе тракта опорных сигналов.17 is a timing chart of a signal at an input of a reference signal path.
Фиг.18 - временная диаграмма зондирующего сигнала на выходе антенны.Fig. 18 is a timing diagram of a sounding signal at an antenna output.
Фиг.19 - временная диаграмма отраженного сигнала на входе синфазного и квадратурного каналов приемника.Fig. 19 is a timing chart of a reflected signal at the input of the in-phase and quadrature channels of the receiver.
Фиг.20 - временная диаграмма процесса перемножения опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе синфазного канала приемника.Figure 20 is a timing diagram of the process of multiplying the reference signal and the signal reflected from the object under study in the in-phase channel mixer of the receiver.
Фиг.21 - временная диаграмма процесса перемножения сдвинутого по фазе на 90° опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе квадратурного канала приемника.Fig - time diagram of the process of multiplying phase-shifted by 90 ° reference and reflected from the object being studied signals in the mixer of the quadrature channel of the receiver.
Фиг.22 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя синфазного канала приемника.Fig is a timing diagram of the signal at the output of the in-phase channel mixer of the receiver.
Фиг.23 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя квадратурного канала приемника.Fig is a timing diagram of the signal at the output of the mixer quadrature channel receiver.
Фиг.24 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра синфазного канала приемника.Fig is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of the protective filter of the in-phase channel of the receiver.
Фиг.25 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра квадратурного канала приемника.Fig is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of the protective filter of the quadrature channel of the receiver.
Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения согласно изобретению включает (фиг.1) приемно-передающую антенну 1, управляемый антенный переключатель 2, применение которого позволяет более рационально использовать энергию генерируемого СВЧ-сигнала, тракт 3 формирования СВЧ-сигнала, управляемый электронный ключ 4 формирования зондирующего и опорного сигналов, тракт 5 зондирующего сигнала, приемник 6 отраженного сигнала, тракт 7 опорных сигналов, блок 8 отображения информации, блок 9 обработки, блок 10 управления и синхронизации. Применение в датчике одной приемно-передающей антенны 1 позволяет в режиме излучения защитить приемник 6 от прямого прохождения зондирующих сигналов, что снижает требования к динамическому диапазону приемника 6, а также значительно уменьшить вес, габариты и стоимость датчика.The pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat according to the invention includes (Fig. 1) a transmit-receive
Тракт 3 формирования СВЧ-сигнала включает последовательно соединенные генератор 11 СВЧ-сигнала, фильтр 12 высокой частоты и буферный усилитель 13. Расположение фильтра 12 высокой частоты перед буферным усилителем 13 позволяет повысить стабильность и спектральную частоту генерируемых колебаний и уменьшить джиттер (нежелательные фазовые и/или случайные отклонения частоты). В дальнейшем это позволяет в значительной степени повысить точность оценки фазы принимаемого отраженного сигнала, что в свою очередь позволяет обеспечить более высокую точность наблюдения за механическими движениями малой амплитуды, такими как движение поверхности грудной клетки, вызванной работой сердца.The microwave
Тракт 5 зондирующего сигнала включает последовательно соединенные фильтр 14 высокой частоты и усилитель мощности 15.The
Приемник 6 отраженного сигнала включает малошумящий усилитель 16, синфазный 17 и квадратурный 18 каналы. Синфазный канал 17 включает последовательно соединенные смеситель 19, фильтр 20 низкой частоты, низкочастотный усилитель 21, защитный фильтр 22 низкой частоты и АЦП 23. Квадратурный 18 канал включает последовательно соединенные смеситель 24, фильтр 25 низкой частоты, низкочастотный усилитель 26, защитный фильтр 27 низкой частоты и АЦП 28. Защитные фильтры 22 и 27 устраняют эффект наложения спектров при дискретизации.The
Тракт 7 опорных сигналов включает последовательно соединенные фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31.The reference signal path 7 includes a series-connected high-
Блок 10 управления и синхронизации (фиг.2) содержит формирователь 32 управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала, формирователь 33 синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа 4, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя 2, и задающий генератор 34, выход которого соединен с входами формирователя 32 управляющих сигналов и формирователя 33 синхронизирующих сигналов.The control and synchronization unit 10 (FIG. 2) comprises a
Формирователь 32 управляющих сигналов содержит инвертор 35, управляемую линию 36 задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока 9 обработки, и логический элемент «И» 37, первый вход которого через управляемую линию 36 задержки соединен с выходом инвертора 35. Второй вход логического элемента «И» 37 и вход инвертора 35 соединены с выходом задающего генератора 34, а выход логического элемента «И» 37 соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала.The
Формирователь 33 синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора 34, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа 4, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя 2. Канал формирования синхронизирующих сигналов для управления работой электронного ключа 4 содержит последовательно соединенные первую линию 38 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 39 и вторую линию задержки 40, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 41. Второй вход логического элемента «И» 41 соединен с выходом первой линии 38 задержки, а выход, являясь вторым выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления электронного ключа 4. Канал формирования синхронизирующих сигналов для управления работой антенного переключателя 2 содержит последовательно соединенные первую линию 42 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 43 и вторую линию задержки 44, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 45. Второй вход логического элемента «И» 45 соединен с выходом первой линии 42 задержки, а выход, являясь третьим выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления антенного переключателя 2.Shaper of synchronizing signals 33 contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the
Датчик работает следующим образом. Задающий генератор 34 вырабатывает синхросигналы в виде прямоугольных видеоимпульсов (фиг.3) с частотой следования, определяющей частоту следования импульсов зондирования (1-2 МГц), которые одновременно поступают в формирователь 32 управляющих сигналов и формирователь 33 синхронизирующих сигналов.The sensor operates as follows. The
Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают на второй вход логического элемента «И» 37. Одновременно на первый вход логического элемента «И» 37 поступают инвертированные (фиг.4) инвертором 35 и задержанные управляемой линией 36 задержки сигналы (фиг.5) с задающего генератора 34. На выходе логического элемента «И» 37 сформированные прямоугольные импульсы (фиг.6) имеют длительность, определяемую временем задержки τ1 линии задержки 36. Время задержки τ1 устанавливается оператором через блок обработки 9, соединенный с управляющим входом линии 36 задержки, и определяет дальность действия датчика. Сформированные сигналы поступают с первого выхода формирователя 32 управляющих сигналов на запускающий вход генератора 11 СВЧ-сигнала, который формирует СВЧ-радиоимпульсы с длительностью, равной длительности запускающих видеоимпульсов.The output signals of the
Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают также на входы формирователя 33 синхронизирующих сигналов, имеющего два канала. Первый канал, формирующий сигнал управления электронным ключом 4, включает первую линию 38 задержки, инвертор 39, вторую линию 40 задержки и логический элемент «И» 41. Линия 38 задержки обеспечивает задержку выходных сигналов задающего генератора 34 на время τ2 (фиг.7), необходимое для формирования СВЧ-радиосигналов в генераторе 11 и их прохождения через фильтр 12 высоких частот и буферный усилитель 13 тракта формирования СВЧ-сигналов 3, такую чтобы передний фронт управляющего сигнала (фиг.10) поступал на управляющий вход электронного ключа 4 одновременно с началом поступления СВЧ-радиоимпульса (фиг.15) с выхода буферного усилителя 13 на вход электронного ключа 4. Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления электронным ключом 4, показаны на фиг.7-10. Время переключения электронного ключа 4 из одного положения в другое определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг.10) и задается временем задержки τ3. Это время определяет и длительность выделяемых сигналов зондирования (фиг.16). Второй канал, формирующий сигнал управления антенным переключателем 2, включает первую линию 42 задержки, инвертор 43, вторую линию 44 задержки и логический элемент «И» 45. Время задержки τ4 выходных сигналов задающего генератора 34 выбирается таким образом, чтобы начало поступающего на вход антенного переключателя 2 (фиг.18) зондирующего СВЧ-радиоимпульса соответствовало переднему фронту управляющего сигнала (фиг.14), поступающего с третьего выхода блока 10 управления и синхронизации (с выхода логического элемента «И» 45). Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления антенным переключателем 2, показаны на фиг.11-14. Время переключения антенного переключателя 2 из одного положения в другое определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг.14) и задается временем задержки τ5 линии задержки 44. Это время задержки должно соответствовать длительности выделенных сигналов зондирования.The output signals of the
Таким образом, блок 10 управления и синхронизации вырабатывает сигнал запуска генератора 11 - видеоимпульс длительностью 10…21 нс, что соответствует максимальной дальности действия датчика, созданный из прямоугольного видеоимпульса с выхода задающего генератора 34 линией 36 задержки. Время задержки задается оператором через блок 9 обработки до начала измерений и не меняется в процессе проведения измерений. Использование линии задержки 36 позволяет быстро перестраивать и ограничивать максимальную дальность действия датчика. А формирование одного сигнала запуска генератора 11 позволяет избежать формирование на выходе датчика сигналов, соответствующих «ложному движению» исследуемого объекта и/или неподвижных объектов.Thus, the control and
После поступления сигнала запуска генератор 11 формирует относительно длинные радиоимпульсы (фиг.15), которые проходят фильтр 12 верхних частот, где подавляются гармонические составляющие ниже ~5,5 ГГц, и буферный усилитель 13, который кроме усиления исключает влияние нагрузки на цепи генератора 11. На выходе тракта 3 формирования СВЧ-сигнала получаем радиоимпульсы длительностью 10-21 нс с частотой заполнения - 6.5 ГГц и частотой повторения, зависящей от сигнала запуска, например, при дальности действия датчика до 2-х метров - 1…2 МГц.After the start signal arrives, the
Из сигнала, поступившего из тракта 3 формирования СВЧ-сигнала, управляемый электронный ключ 4 выделяет зондирующий сигнал (фиг.16) длительностью порядка 2 нс, поступающий через фильтр 14 высокой частоты и усилитель 15 мощности тракта 5 формирования зондирующего сигнала на вход управляемого электронного переключателя 2, и опорный сигнал (фиг.17) длительностью порядка 8-19 нс, поступающий через фильтр 29 высокой частоты и усилитель 30 мощности тракта 7 формирования опорных сигналов на вход смесителя 19 синфазного канала 17 приемника 6, а через фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31 тракта 7 формирования опорных сигналов на вход смесителя 24 квадратурного канала 18 приемника 6. Нестабильность положения поступающего из блока 10 управления и синхронизации сигнала управления электронным ключом 4 во времени не влияет на разность фаз опорного и принятого отраженного сигналов в смесителях 19 и 24, так как эти сигналы сформированы из одного СВЧ-сигнала.From the signal received from the microwave
После электронного ключа 4 сигнал проходит фильтр 14 высокой частоты с частотой среза ~5,5 ГГц, удаляющий низкочастотные гармоники сигналов управления электронным ключом 4, усиливается усилителем 15 мощности с регулируемым коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы на заданной дальности, и поступает на управляемый антенный переключатель 2. Антенный переключатель 2 обеспечивает работу приемно-передающей антенны 1 в двух режимах - на передачу и на прием. По умолчанию, антенна 1 работает в режиме приема отраженного от исследуемого объекта сигнала, а при подаче сигнала с блока 10 управления и синхронизации на управляющий вход антенного переключателя 2 антенна работает в режиме передачи зондирующего сигнала (фиг.18).After the
Отраженный от исследуемого объекта сигнал (фиг.19) с задержкой, соответствующей времени распространения сигнала до объекта и обратно, поступает на антенный переключатель 2, который после излучения зондирующего импульса был переключен обратно в положение «прием». Далее сигнал поступает через малошумящий усилитель 16 в смеситель 19 синфазного канала17 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг.20) с опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности, и в смеситель 24 квадратурного канала 18 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг.21) с сдвинутым по фазе на 90° фазосдвигающей цепью 31 опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности. Такая работа датчика в режиме приема отраженного сигнала позволяет обеспечить защитный интервал (по дальности), в пределах которого прием отраженных сигналов не ведется. Это позволяет повысить помехозащищенность приемника 6 от значительных пассивных помех, создаваемых расположенными в непосредственной близости от приемно-передающей антенны 1 предметами.The signal reflected from the studied object (Fig. 19) with a delay corresponding to the propagation time of the signal to the object and back arrives at the
Выходные сигналы смесителей (фиг.22 и фиг.23 соответственно) проходят фильтры 20 и 25 нижних частот с частотой среза ~0,5 кГц. На выходе фильтров 22 и 27 получаем сигналы, соответствующие изменению фазы принятого отраженного от исследуемого объекта сигнала, по отношению к опорным сигналам (фиг.24 и фиг.25 соответственно). В строго тактируемый момент времени АЦП 23 и 28 преобразуют в цифровой вид поступающие на них сигналы, которые поступают на блок 9 обработки, обеспечивающий восстановление закона движения и определения параметров движения исследуемого объекта с учетом нежелательных отражений зондирующего сигнала от неподвижных объектов, согласно следующим зависимостям:The output signals of the mixers (Fig. 22 and Fig. 23, respectively) pass low-
где G1 и G2 - константы, соответствующие уровню сигналов, отраженных от неподвижных объектов при обследовании пациента.where G1 and G2 are constants corresponding to the level of signals reflected from stationary objects during the examination of the patient.
Далее в блоке 8 отображения информации проводится отображение результатов мониторинга о параметрах и состоянии дыхательной и сердечно-сосудистой систем обследуемого пациента.Next, in
Таким образом, применение оригинальной схемы управления генератором 11 СВЧ-сигнала, благодаря возможности осуществлять оперативную регулировку максимальной дальности действия датчика, применение вышеописанного процесса формирования опорного сигнала и сигнала зондирования, изменение режима работы антенного переключателя 2 (постоянная работа в режиме «прием», за исключением времени прохождения сигнала зондирования), изменение режима работы приемника 6 датчика (работа в режиме «прием» со всей дальности действия датчика), выполнение функции стробирования (выборки по дальности) АЦП 23 и 28, а также осуществление накопления откликов на зондирующие сигналы позволило существенно повысить фазовую чувствительность диагностики исследуемого объекта и исключить «слепые» зоны на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, что позволило повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения.Thus, the use of the original control circuit of the
Claims (6)
приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем;
тракт формирования СВЧ сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель;
управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов;
тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа;
приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход - с входами смесителей;
тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа;
последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами аналого-цифровых преобразователей;
блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.1. The pulse ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat contains:
a transmit-receive antenna connected to a controllable antenna switch;
a microwave signal generating path including a serially connected microwave signal generator, a high-pass filter and a buffer amplifier;
controlled electronic key for generating sounding and reference signals;
a probe signal path including a high-pass filter and a power amplifier connected in series, the output of which is connected to the input of the antenna switch, and the input of the high-pass filter is connected to the first output of the electronic key;
a reflected signal receiver including a low-noise amplifier, in-phase and quadrature channels, each of which includes a series-connected mixer, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, a low-pass protective filter and an analog-to-digital converter, while the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the antenna switch, and an exit - with entrances of mixers;
a reference signal path, including a series-connected high-pass filter, a power amplifier and a phase-shifting circuit, the output of which is connected to the second input of the mixer of the quadrature channel of the receiver, the output of the power amplifier is also connected to the second input of the mixer of the in-phase channel of the receiver, and the input of the high-frequency filter is connected to the second output electronic key;
serially connected information display unit and processing unit connected to outputs of analog-to-digital converters;
control and synchronization unit, the input of which is connected to the second output of the processing unit, the first output is connected to the input of the microwave signal generator, the second output is connected to the control input of the electronic key, and the third output is connected to the control input of the antenna switch.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008105888/14A RU2392852C2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring |
| PCT/RU2009/000082 WO2009104989A1 (en) | 2008-02-19 | 2009-02-19 | Pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008105888/14A RU2392852C2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008105888A RU2008105888A (en) | 2009-08-27 |
| RU2392852C2 true RU2392852C2 (en) | 2010-06-27 |
Family
ID=40985738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008105888/14A RU2392852C2 (en) | 2008-02-19 | 2008-02-19 | Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2392852C2 (en) |
| WO (1) | WO2009104989A1 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2462990C2 (en) * | 2010-05-19 | 2012-10-10 | Эдуард Гусманович Зиганшин | Device for remote contactless monitoring of human vital activity parameters |
| RU2460087C2 (en) * | 2010-10-28 | 2012-08-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Radar station with wideband continuous linearly frequency-modulated radiation |
| RU2559940C2 (en) * | 2013-06-06 | 2015-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" | Method of remote control of organism's heart activity parameters |
| CN105249925B (en) * | 2015-09-25 | 2018-10-19 | 刘垚 | A kind of traditional Chinese medical pulse manifestation collecting device and noise reduction system and noise-reduction method |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4958638A (en) * | 1988-06-30 | 1990-09-25 | Georgia Tech Research Corporation | Non-contact vital signs monitor |
| US6587072B1 (en) * | 2002-03-22 | 2003-07-01 | M/A-Com, Inc. | Pulse radar detection system |
| RU2258455C2 (en) * | 2003-11-05 | 2005-08-20 | ЗАО "Транзас" | Method of monitoring functional condition of human |
| RU2258942C1 (en) * | 2004-09-28 | 2005-08-20 | Лайф Сенсор Ко., Лтд. | Method for stabilizing temporal position of ultra-broadband signal and locator for monitoring living objects, realizing said method |
-
2008
- 2008-02-19 RU RU2008105888/14A patent/RU2392852C2/en not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-02-19 WO PCT/RU2009/000082 patent/WO2009104989A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2009104989A1 (en) | 2009-08-27 |
| RU2008105888A (en) | 2009-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2369323C1 (en) | Impulse superwide-band sensor | |
| JP2009213881A6 (en) | Pulse type ultra-wideband sensor and method thereof | |
| Vinci et al. | Six-port radar sensor for remote respiration rate and heartbeat vital-sign monitoring | |
| EP2874535B1 (en) | Range gated radio frequency physiology sensor | |
| US8754806B2 (en) | Pulse radar receiver | |
| US10582877B2 (en) | High-frequency device | |
| US20080221449A1 (en) | Ultrasonic apparatus and ultrasonic diagnostic method | |
| JP2001525925A (en) | A method for finding the position of a living body and a microwave probe using the same | |
| JP2008099849A (en) | Noncontact diagnostic system | |
| RU2392852C2 (en) | Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring | |
| Fang et al. | A Ku-band FMCW radar on chip for wireless micro physiological signal monitoring by interferometry phase analysis | |
| EP0965858A2 (en) | Method and apparatus for processing ultrasound signals | |
| US5501224A (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus | |
| D'Urso et al. | Differential approach for through-the-wall life signs detection | |
| RU2159942C1 (en) | Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure | |
| WO2017135167A1 (en) | System, device, and method for photoacoustic image generation | |
| RU2321341C1 (en) | Pulse wideband detector | |
| TWI361059B (en) | Pulsed ultra-wideband sensor and the method thereof | |
| JP3314991B2 (en) | Ultrasonic Doppler device | |
| JP2009261749A (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus | |
| RU2496410C1 (en) | Device for distance registration of processes of patient's heart beats and respiration | |
| JPS6279042A (en) | Ultrasonic receiving apparatus | |
| JPH0654847A (en) | Ultrasonic diagnostic device | |
| JPH0414023B2 (en) | ||
| Szczepaniak et al. | Non-contact breath sensor based on a Doppler detector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110220 |