RU2407430C2

RU2407430C2 - Device for complex examination of vegetative nervous system state

Info

Publication number: RU2407430C2
Application number: RU2008115542/14A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Вячеславович Ишутин (RU); Дмитрий Вячеславович Ишутин; Ольга Григорьевна Бугровецкая (RU); Ольга Григорьевна Бугровецкая; Александр Леонидович Клименов (RU); Александр Леонидович Клименов; Евгений Анатольевич Соловых (RU); Евгений Анатольевич Соловых; Елена Александровна Бугровецкая (RU); Елена Александровна Бугровецкая
Original assignee: Дмитрий Вячеславович Ишутин
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2010-12-27
Also published as: RU2008115542A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medical equipment, namely to device for complex examination of vegetative nervous system state. Device contains active sensors of biosignals, selected from the series of active sensors of electrocardiography, electroencephalography, electromyography, photopletismography, respiration, galvanic skin response, tremor sensor. Sensors are connected via biosignal pre-amplifiers with ADC based on synchronous sigma-delta modulators. ADC is connected with microcontroller, connected via galvanic uncoupling unit, ensuring safety of examined person during examination from overload to 4 kV, with interface converter, from which data are transmitted to personal computer.

EFFECT: application of invention ensures possibility of adaptation for various clinical tasks, increase of number of patient's tested functional parametres and accuracy of their measurement, as well as simplification of construction and technology of manufacturing.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и используется для диагностики вегетативной нервной системы.The invention relates to medical equipment and is used to diagnose the autonomic nervous system.

Известно устройство комплексного исследования состояния вегетативной нервной системы, устройство содержит блок гальванической развязки, источник опорного напряжения, датчик фотоплетизмографии, пьезоэлектрический дыхательный датчик, датчики электромиографии, датчики электрокардиографии, а мультиплексор выполнен встроенным в аналого-цифровой преобразователь, при этом датчик фотоплетизмографии через усилитель сигнала фотоплетизмографии и фильтр сигнала фотоплетизмографии подключен к мультиплексору, пьезоэлектрический дыхательный датчик через усилитель сигнала дыхания и фильтр сигнала дыхания подключен к мультиплексору, датчики электромиографии, датчики электрокардиографии через усилители сигналов биоэлектрической активности мышц и фильтр сигнала биоэлектрической активности мышц подключены к мультиплексору через усилители сигналов биоэлектрической активности сердечной мышцы и фильтр сигнала биоэлектрической активности сердечной мышцы подключены к мультиплексору; блок гальванической развязки соединен с микроконтроллером и с преобразователем интерфейса, соединенного с персональным компьютером, а источник опорного напряжения подключен к блоку питания прибора, который в свою очередь подключен к персональному компьютеру через USB порт (Патент №2306841, MПК А61В 5/00 (2006.01) «Устройство для комплексной диагностики состояния вегетативной нервной системы» Арутюнов С.Д., Ишутин Д.В., Соловых Е.А., Молчанов А.С., Мосолов Д.В. «ГОУ ВПО Московский государственный медико-стоматологический университет РОСЗДРАВА», Бюл. 2007).A device for a comprehensive study of the state of the autonomic nervous system is known, the device contains a galvanic isolation unit, a voltage source, a photoplethysmography sensor, a piezoelectric respiratory sensor, electromyography sensors, electrocardiography sensors, and a multiplexer is built into an analog-to-digital converter, while the photoplethysmography sensor is through a photoplethysmography signal amplifier and a photoplethysmography signal filter is connected to a multiplexer, a piezoelectric respiratory The second sensor is connected to the multiplexer through the respiratory signal amplifier and the respiratory signal filter, the electromyography sensors, the electrocardiography sensors through the muscle bioelectric activity signal amplifiers and the muscle bioelectrical activity signal filter are connected to the multiplexer through the heart muscle bioelectric signal amplifiers and the cardiac muscle bioelectric signal filter are connected to multiplexer; the galvanic isolation unit is connected to the microcontroller and to the interface converter connected to the personal computer, and the reference voltage source is connected to the power supply of the device, which in turn is connected to the personal computer via the USB port (Patent No. 2306841, IPC АВВ 5/00 (2006.01) “A device for the comprehensive diagnosis of the state of the autonomic nervous system” Arutyunov SD, Ishutin DV, Solovy EA, Molchanov AS, Mosolov DV “GOU VPO Moscow State Medical and Dental University ROSZDRAVA” , Bul. 200 7).

Для фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - датчики электродермальной активности, на которых наводятся вызванные кожные вегетативные потенциалы (эти датчики располагаются на поверхности рук обследуемого пациента), 2 - усилители биопотенциалов для электродермальной активности со встроенным фильтром (низких частот) НЧ - 3, 14 - аналого-цифровой преобразователь со встроенным мультиплексором 4 и источником опорного напряжения 19, на который кроме указанных сигналов поступают сигналы от пьезоэлектрического датчика дыхания 5, прошедший через усилитель сигнала 6 со встроенным фильтром НЧ 7, и от датчиков электрокардиографии 8, через усилитель сигнала электрокардиографии 9 со встроенным полосовым фильтром 10. Аналого-цифровой преобразователь 14 соединен со входом микроконтроллера 15, первый цифровой выход которого соединен с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 14, а второй цифровой выход через блок гальванической развязки 20 соединен с преобразователем интерфейса 21 и персональным компьютером 22. Устройство дополнительно содержит два электромиографических датчика 11, соединенных через усилители сигнала биоэлектрической активности мышц 12, фильтры сигнала биоэлектрической активности мышц 13 и через мультиплексор 4 с аналого-цифровым преобразователем 14. Также устройство дополнительно снабжено датчиком фотоплетизмографии 16, сигнал от которого, прошедший через усилитель сигнала фотоплетизмограммы 17 со встроенным полосовым фильтром 18, через мультиплексор 4 поступает на аналого-цифровой преобразователь 14. Блок питания прибора 23 осуществляет питание прибора и подключен через USB порт к персональному компьютеру 22. Блок гальванической развязки 20 обеспечивает безопасность испытуемого во время исследования от перенапряжения до 4 кВ.For figure 1, the following notation is introduced: 1 - sensors of electrodermal activity on which induced skin autonomic potentials are induced (these sensors are located on the surface of the hands of the patient being examined), 2 - biopotential amplifiers for electrodermal activity with an integrated filter (low frequencies) LF - 3, 14 - analog-to-digital Converter with built-in multiplexer 4 and a reference voltage source 19, to which, in addition to these signals, signals from a piezoelectric respiratory sensor 5, passed through signal amplifier 6 with an integrated low-pass filter 7, and from electrocardiography sensors 8, through an electrocardiography signal amplifier 9 with an integrated band-pass filter 10. An analog-to-digital converter 14 is connected to the input of the microcontroller 15, the first digital output of which is connected to the control inputs of the analog-to-digital converter 14 and the second digital output through the galvanic isolation unit 20 is connected to an interface converter 21 and a personal computer 22. The device further comprises two electromyographic sensors 1 1 connected through amplifiers of the signal of bioelectric activity of muscles 12, filters of the signal of bioelectric activity of muscles 13 and through a multiplexer 4 with an analog-to-digital converter 14. The device is also equipped with a photoplethysmography sensor 16, the signal from which passed through the signal amplifier of the photoplethysmogram 17 with an integrated band-pass filter 18, through the multiplexer 4 is fed to an analog-to-digital converter 14. The power supply unit 23 provides power to the device and is connected via a USB port to a personal computer yuteru 22. Block 20 provides electrical isolation of safety during the study the test surge to 4 kV.

Устройство комплексного исследования состояния вегетативной нервной системы работает следующим образом: после подготовки пациента и установки всех необходимых датчиков от персонального компьютера оператором подается сигнал к началу эксперимента. При этом микроконтроллер 15 вырабатывает на своем первом цифровом выходе сигнал для включения аналого-цифрового преобразователя 14 для работы с электродермальным датчиком, после чего ожидает завершение процесса преобразования и принимает цифровой код. Далее микроконтроллер 15 переключает аналого-цифровой преобразователь 14 на датчик дыхания 5, ожидает завершения преобразования и принимает цифровой код и так далее последовательно со всеми остальными датчиками: электромиографическим датчиком 11, электрокардиографическим датчиком 8, датчиком фотоплетизмограммы 16. После чего накопленные данные в микроконтроллере 15 через блок гальванической развязки 20 и преобразователь интерфейса 21 передаются в персональный компьютер 22 стандарт передачи данных RS 232. Передача данных осуществляется с последующей сверкой контрольной суммы, в случае несовпадения которой передача данных повторяется.The device for a comprehensive study of the state of the autonomic nervous system works as follows: after preparing the patient and installing all the necessary sensors from a personal computer, the operator sends a signal to the beginning of the experiment. In this case, the microcontroller 15 generates a signal at its first digital output to turn on the analog-to-digital converter 14 for working with the electrodermal sensor, after which it waits for the conversion process to complete and receives a digital code. Next, the microcontroller 15 switches the analog-to-digital converter 14 to the breathing sensor 5, waits for the conversion to be completed, and receives a digital code, and so on, in series with all other sensors: an electromyographic sensor 11, an electrocardiographic sensor 8, a photoplethysmogram sensor 16. After that, the accumulated data in the microcontroller 15 through galvanic isolation unit 20 and the interface converter 21 are transferred to the personal computer 22 data transfer standard RS 232. Data is transmitted from the last Blowing checksum validation, in case of a mismatch which the data transmission is repeated.

Далее система переходит на начальный этап, и действия повторяются. За одну секунду выполняется 2000 циклов, что обеспечивает необходимую частоту дискретизации для всех исследуемых сигналов (Патент №2306841, МПК А61В 5/00 (2006.01) «Устройство для комплексной диагностики состояния вегетативной нервной системы» Арутюнов С.Д., Ишутин Д.В., Соловых Е.А., Молчанов А.С., Мосолов Д.В. «ГОУ ВПО Московский государственный медико-стоматологический университет РОСЗДРАВА», Бюл. 2007).Then the system goes to the initial stage, and the actions are repeated. 2000 cycles are performed in one second, which provides the necessary sampling rate for all the signals studied (Patent No. 2306841, IPC АВВ 5/00 (2006.01) “A device for the complex diagnosis of the state of the autonomic nervous system” Arutyunov SD, Ishutin DV , Solovykh EA, Molchanov AS, Mosolov DV “GOU VPO Moscow State Medical and Dental University ROSZDRAVA”, Bull. 2007).

Это устройство выбрано за прототип.This device is selected as a prototype.

Данное устройство позволяет работать только с определенным набором электродов и получать данные об изменении биоэлектрической активности скелетной мускулатуры, некоторых важных показателей дыхания (скорости вдоха и выдоха и амплитуды экскурсии грудной клетки), большинства показателей сердечной деятельности и не учитывает изменение всех исследуемых показателей во времени и не позволяет исследователю менять число и сочетание электродов.This device allows you to work only with a specific set of electrodes and obtain data on changes in the bioelectrical activity of skeletal muscles, some important respiration indicators (inspiratory and expiratory flow rates and chest excursion amplitudes), most indicators of cardiac activity and does not take into account the change in all studied parameters over time and does not allows the researcher to change the number and combination of electrodes.

Задачей изобретения является создание универсального диагностического прибора с возможностями адаптации под разные клинические задачи и увеличение числа исследуемых функциональных параметров пациента точности их измерения, унификация (упрощение) конструкции и технологии изготовления.The objective of the invention is the creation of a universal diagnostic device with the ability to adapt to different clinical tasks and increase the number of investigated functional parameters of the patient, the accuracy of their measurement, unification (simplification) of the design and manufacturing technology.

Это достигается за счет того, что устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь - АЦП па основе 8 синхронных сигма-дельта модуляторов, активные датчики, которые соединены с входным предусилителем сигналов, каждый из которых подключен к отдельному входу сигма-дельта модулятора АЦП, АЦП подключен к микроконтроллеру, а микроконтроллер через блок гальванической развязки соединен с преобразователем интерфейса, соединенного с персональным компьютером, источник опорного напряжения подключен к блоку питания прибора, который в свою очередь подключен к персональному компьютеру.This is achieved due to the fact that the device additionally contains an analog-to-digital converter - ADC based on 8 synchronous sigma-delta modulators, active sensors that are connected to the input signal preamp, each of which is connected to a separate input of the sigma-delta modulator of the ADC, the ADC is connected to the microcontroller, and the microcontroller is connected through a galvanic isolation unit to an interface converter connected to a personal computer, the reference voltage source is connected to the device power supply, ing, in turn, is connected to a personal computer.

Для фиг.2 введены следующие обозначения: 1 - активные датчики биосигналов из ряда датчиков электромиографии, электроэнцефалографии, электрокардиографии, фотоплетизмографии, дыхания, кожногальванической реакции, датчика тремора передают электрический сигнал на предусилитель сигналов - 2, который подключен к отдельному входу АЦП на основе синхронных сигма-дельта модуляторов - 3, далее оцифрованный сигнал поступает на микроконтроллер - 5, который через блок гальванической развязки - 6 передает информацию на блок преобразователя интерфейса - 8, с него данные поступают в персональный компьютер - 9, блок питания - 7 также подключен к персональному компьютеру - 9 и обеспечивает питание всех цепей прибора, блок опорного напряжения - 4 подключен к блоку питания - 7 и к АЦП - 3 и формирует достаточной точности для функционирования АЦП. Блок гальванической развязки 6 обеспечивает безопасность испытуемого во время исследования от перенапряжения до 4 кВ.For figure 2, the following notation is introduced: 1 - active biosignal sensors from a number of sensors of electromyography, electroencephalography, electrocardiography, photoplethysmography, respiration, skin galvanic reaction, tremor sensor transmit an electric signal to a signal preamplifier - 2, which is connected to a separate ADC input based on synchronous sigma - delta of modulators - 3, then the digitized signal is fed to the microcontroller - 5, which through the galvanic isolation unit - 6 transfers information to the interface converter unit - 8 , from it the data goes to a personal computer - 9, the power supply - 7 is also connected to a personal computer - 9 and provides power to all the circuits of the device, the reference voltage unit - 4 is connected to the power supply - 7 and to the ADC - 3 and generates sufficient accuracy for the operation of the ADC. The galvanic isolation unit 6 ensures the safety of the test person during the study from overvoltage up to 4 kV.

Устройство комплексного исследования состояния вегетативной нервной системы работает следующим образом: после подготовки пациента и установки всех необходимых датчиков от персонального компьютера оператором подается сигнал к началу эксперимента. При этом с ПК подается команда на начало регистрации биосигналов. Электрический сигнал с активных датчиков через предусилители поступает на входы 8-ми каналов АЦП, в котором производится одновременно преобразование аналогового сигнала в цифровой код, после чего полученные данные передаются в микроконтроллер, который формирует пакеты данных и через блок гальванической развязки и блок интрефейса передает пакеты данных в ПК. Данные от АЦП передаются ПК с частотой, заданной методикой исследования. По команде от ПК также производится остановка циклического опроса АЦП в конце исследования.The device for a comprehensive study of the state of the autonomic nervous system works as follows: after preparing the patient and installing all the necessary sensors from a personal computer, the operator sends a signal to the beginning of the experiment. At the same time, a command is issued from the PC to start the registration of biosignals. The electric signal from the active sensors through the preamplifiers is fed to the inputs of 8 channels of the ADC, in which the analog signal is converted into a digital code, after which the received data is transmitted to the microcontroller, which forms the data packets and transmits the data packets through the galvanic isolation unit and the interface unit in PC. Data from the ADC is transmitted to the PC at a frequency specified by the research methodology. On command from the PC, the cyclic polling of the ADC at the end of the study is also stopped.

Работа прибора позволяет проводить мониторинг различных параметров состояния пациента, в зависимости от задач клинического исследования, в реальном режиме времени и регистрировать данные в персональном компьютере на жестком или магнитном носителе. В большинстве случаев исследователю необходимо более детально наблюдать за изменениями ряда параметров регистрируемых одним и тем же электродом. Например, биоэлектрическая активность нескольких мышц, три и более отведений ЭКГ и ЭЭГ, фотоплетизмографии и т.д. Устройство позволяет единовременно подключать 8 электродов в различной комбинации, что позволяет исследователю получать информацию от биологического объекта в необходимом объеме в зависимости от конкретных задач. Использование АЦП на основе синхронных сигма-дельта модуляторов позволяет существенно упростить схему прибора, увеличить стабильность, надежность работы комплекса и дает возможность выбора регистрируемых параметров биообъекта в соответствии с клиническими задачами, без изменения схемотехники прибора, только за счет подключения необходимого числа и типа активных датчиков биосигналов. Питание устройства осуществляется через шину USB персонального компьютера, что позволяет использовать его в стационарном режиме (питание от электрической сети) и в мобильном варианте (питание от батареи персонального компьютера (ноутбука).The operation of the device allows monitoring various parameters of the patient’s condition, depending on the objectives of the clinical study, in real time and recording data in a personal computer on a hard or magnetic medium. In most cases, the researcher needs to observe in more detail the changes in a number of parameters recorded by the same electrode. For example, the bioelectric activity of several muscles, three or more ECG and EEG leads, photoplethysmography, etc. The device allows you to simultaneously connect 8 electrodes in various combinations, which allows the researcher to receive information from a biological object in the required volume, depending on specific tasks. Using an ADC based on synchronous sigma-delta modulators can significantly simplify the instrument circuit, increase the stability and reliability of the complex and make it possible to select the recorded parameters of a biological object in accordance with clinical tasks, without changing the instrument circuitry, only by connecting the required number and type of active biosignal sensors . The device is powered via the USB bus of a personal computer, which allows it to be used in a stationary mode (powered by an electric network) and in a mobile version (powered by a battery of a personal computer (laptop).

Предлагаемое устройство позволяет одновременно регистрировать показатели электрокардиографии, электромиографии, электродерматографии, фотоплетизмографии и показатели дыхания в произвольной комбинации и произвольным числом (до 8-ми каналов), что позволяет получить большее число информативных показателей биообъекта в зависимости от применяемых методик диагностики. Совокупность полученных показателей в большем объеме и более детально, полноценно характеризует состояния вегетативной системы пациента в данный момент времени. Кроме этого устройство дает возможность менять сочетание и число электродов, наблюдать за изменениями изучаемых показателей в течение продолжительного времени, что позволяет оценивать динамику состояния вегетативной нервной системы в режиме мониторинга, а также следить за динамикой изучаемых параметров на фоне проводимого лечения.The proposed device allows you to simultaneously record indicators of electrocardiography, electromyography, electrodermatography, photoplethysmography and respiration in an arbitrary combination and an arbitrary number (up to 8 channels), which allows to obtain a larger number of informative indicators of the biological object, depending on the diagnostic methods used. The totality of the obtained indicators in a larger volume and in more detail, fully characterizes the state of the patient's vegetative system at a given time. In addition, the device makes it possible to change the combination and number of electrodes, observe changes in the studied parameters over a long time, which allows you to evaluate the dynamics of the state of the autonomic nervous system in the monitoring mode, as well as monitor the dynamics of the studied parameters against the background of the treatment.

Такой результат достигается за счет комплексной регистрации показателей функционального состояния пациента. Предложенное изобретение позволяет регистрировать одновременно и в режиме мониторинга показатели электродермальиой активности, биоэлектрической активности мышц, электрокардиографическую активность и частоту дыхательных движений. Показатели ЭКГ, биоэлектрической активности скелетной мускулатуры и частоты дыхательных движений позволяют оценить тоническую активность вегетативной нервной системы. Электродермальная активность в большей степени характеризует фоновую активность вегетативной нервной системы, возможность присоединения к прибору дополнительных активных датчиков позволяет более детально анализировать изучаемый параметр.This result is achieved due to the comprehensive registration of indicators of the functional state of the patient. The proposed invention allows to register simultaneously and in monitoring mode indicators of electrodermal activity, bioelectric muscle activity, electrocardiographic activity and respiratory rate. ECG, bioelectric activity of skeletal muscles and respiratory rate allow us to evaluate the tonic activity of the autonomic nervous system. Electrodermal activity to a greater extent characterizes the background activity of the autonomic nervous system, the ability to attach additional active sensors to the device allows a more detailed analysis of the studied parameter.

За счет компьютерного анализа указанных показателей в единовременном режиме графики регистрируемых показателей можно видеть на мониторе компьютера, т.е. посредством предложенного прибора врач может наблюдать за функциональным состоянием пациента в течение длительного промежутка времени в единовременном режиме.Due to computer analysis of these indicators in a one-time mode, graphs of recorded indicators can be seen on a computer monitor, i.e. through the proposed device, the doctor can monitor the functional state of the patient for a long period of time in a single mode.

Устройство позволяет проводить мониторинг состояния пациента в реальном режиме времени и регистрировать данные в ПК на жестком или магнитном носителе. Встроенные во входные каскады усиления фильтры сигналов позволяют существенно упростить настройку и увеличить стабильность и. надежность работы комплекса. Применение АЦП на основе синхронных сигма-дельта модуляторов позволяет существенно упростить схему прибора, увеличить стабильность, надежность работы комплекса и дает возможность выбора регистрируемых параметров биообъекта в соответствии с клиническими задачами, без изменения схемотехники прибора, только за счет подключения необходимого числа и типа активных датчиков биосигналов.The device allows you to monitor the patient’s condition in real time and register data in a PC on a hard or magnetic medium. The signal filters built into the input stages of amplification can significantly simplify tuning and increase stability. reliability of the complex. The use of ADCs based on synchronous sigma-delta modulators can significantly simplify the instrument circuit, increase the stability and reliability of the complex and make it possible to select the recorded parameters of the bioobject in accordance with clinical tasks, without changing the instrument circuitry, only by connecting the required number and type of active biosignal sensors .

Claims

A device for a comprehensive study of the state of the autonomic nervous system containing active biosignal sensors selected from a number of active sensors of electrocardiography, electroencephalography, electromyography, photoplethysmography, respiration, skin-galvanic reaction, a tremor sensor connected via biosignal preamps with ADCs based on synchronous sigma-delta modulators, in this case, the ADC is connected to a microcontroller connected through a galvanic isolation unit, ensuring the safety of the subject during the study overvoltage up to 4 kV, with an interface converter, the data from which enter the personal computer.