RU2433786C2

RU2433786C2 - Device for contactless registration of trajectory of person's gravity centre

Info

Publication number: RU2433786C2
Application number: RU2009119109/14A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Федоров (RU); Виктор Александрович Федоров; Петр Иванович Храмцов (RU); Петр Иванович Храмцов; Татьяна Геннадьевна Тимашева (RU); Татьяна Геннадьевна Тимашева; Андрей Вячеславович Мизирин (RU); Андрей Вячеславович Мизирин
Original assignee: Учреждение Российской академии медицинских наук Научный центр здоровья детей РАМН (НЦЗД РАМН)
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2011-11-20
Also published as: RU2009119109A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to medical equipment, and can be used in carrying out mass prophylactic examinations of children, teenagers and adults. Device contains transmitting antenna, connected via valve with first outlet of transmitting generator, receiving antenna, first and second mixers, directed coupler, phase detector-square-wave generator, connected via analogue-digital converter with unit of calculation and analysis of phase of reflected from person signal. Receiving antenna is connected with first inlet of first mixer, whose second inlet is connected via corresponding valve with fist inlet of power divisor, whose second inlet is connected with heterodyne generator, and the third - via corresponding valve, is connected with first inlet of second mixer, second outlet of transmitting generator is connected with directed coupler with second inlet of second mixer, outlets of first and second mixers are connected with two inlets of phase detector-square-wave-generator.

EFFECT: application of invention makes it possible to provide remote observation over process of gravity centre movement.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к гигиене, и может быть использовано при проведении массовых профилактических осмотров детей, подростков и призывников, а также взрослых на основе дистанционной регистрации траектории центра тяжести тела человека, находящегося в свободной вертикальной позе, попеременно в двух плоскостях - сагиттальной и фронтальной с одновременным получением количественных характеристик состояния опорно-двигательной системы (ОДС), параметры которой определяются с помощью радиолокационного метода. При этом устройство - микроволновый доплеровский радиолокатор содержит приемник с квадратурными каналами, что обеспечивает измерение фазы отраженного от человека сигнала, которая линейно связана с микроперемещениями облучаемого участка поверхности тела человека на уровне 5-го поясничного позвонка относительно неподвижной антенны радиолокатора. Устройство работает в присутствии одежды обследуемого, стоящего в свободной вертикальной позе на ровной поверхности пола. Наличие в устройстве блока измерения и анализа фазы отраженного сигнала обеспечивает надежную регистрацию и анализ траектории перемещения центра тяжести тела человека в гбризонтальной плоскости на уровне 5-го поясничного позвонка, что позволяет оценить состояние опорно-двигательной системы исследуемого объекта.The invention relates to medicine, namely to hygiene, and can be used during mass preventive examinations of children, adolescents and draftees, as well as adults, based on remote recording of the trajectory of the center of gravity of a person’s body in a free vertical position, alternately in two planes - sagittal and frontal with simultaneous quantification of the state of the musculoskeletal system (ODS), the parameters of which are determined using the radar method. In this case, the device - a microwave Doppler radar contains a receiver with quadrature channels, which provides a measurement of the phase of the signal reflected from a person, which is linearly associated with micromovements of the irradiated portion of the surface of the human body at the level of the 5th lumbar vertebra relative to the stationary radar antenna. The device works in the presence of the clothes of the subject, standing in a free vertical position on a flat surface of the floor. The presence in the device of the measuring unit and the phase analysis of the reflected signal provides reliable registration and analysis of the trajectory of the center of gravity of the human body in the horizontal plane at the level of the 5th lumbar vertebra, which makes it possible to assess the condition of the musculoskeletal system of the object under study.

Уровень техники в области, к которой относится изобретение, включает следующие решения:The prior art in the field to which the invention relates includes the following solutions:

1. Устройство доплеровской локации для регистрации артериального пульса и частоты дыхания, который позволяет регистрировать артериальный пульс и кривую дыхательной экскурсии при исследованиях психофизиологического состояния людей и животных. Недостатком такого устройства является отсутствие блока измерения и анализа фазы отраженного сигнала, что существенно уменьшает точность измерения (Патент РФ №2000080, кл. А61В 5/02).1. The device is a Doppler location for recording arterial pulse and respiratory rate, which allows you to register arterial pulse and the curve of the respiratory excursion in studies of the psychophysiological state of people and animals. The disadvantage of this device is the lack of a unit for measuring and analyzing the phase of the reflected signal, which significantly reduces the accuracy of the measurement (RF Patent No. 2000080, class A61B 5/02).

2. Способ регистрации артериального пульса и частоты дыхания и устройство для его осуществления, который позволяет дистанционно определять параметры артериального пульса с одновременной регистрацией кривой дыхательной экскурсии. Недостатком такого устройства является отсутствие в схеме устройства блока усиления на промежуточной частоте (работа по гомодинной схеме, то есть с одним генератором), что снижает точность измерения (Патент №2053706, кл. А61В 5/02).2. A method for recording arterial pulse and respiratory rate and a device for its implementation, which allows you to remotely determine the parameters of the arterial pulse while recording the curve of the respiratory excursion. The disadvantage of this device is the absence in the device circuit of the amplification unit at an intermediate frequency (operation according to a homodyne circuit, that is, with one oscillator), which reduces the measurement accuracy (Patent No. 2053706, class A61B 5/02).

3. Способ наблюдения за психофизиологическим состоянием пациента путем регистрации перемещений участков тела, которые обусловлены эффектом комбинированного воздействия работы сердца, кровообращения и дыхания. Недостатком этого способа является фиксация только нарушения или изменения деятельности сердечно-сосудистой системы и процесса дыхания, но не раздельное измерение частоты пульсаций кровотока и интервалов дыхания (авт св. СССР №316439, кл. А61В 8/02, 1971 г).3. A method for monitoring the psychophysiological state of a patient by recording movements of body parts that are due to the effect of the combined effects of heart function, blood circulation, and breathing. The disadvantage of this method is the fixation of only violations or changes in the activity of the cardiovascular system and the breathing process, but not a separate measurement of the frequency of pulsations of the blood flow and respiration intervals (ed. St. USSR No. 316439, class A61B 8/02, 1971).

4. Способ оценки психофизиологического состояния пациента и устройство для доплеровской локации, который позволяет проводить терапевтическое воздействие на пациента КВЧ-облучением с одновременным исследованием психофизиологического состояния пациента. Недостатком такого устройства является работа устройства на одну антенну и отсутствие в схеме устройства блока усиления на промежуточной частоте (работа по гомодинной схеме, то есть с одним генератором), что снижает точность измерения (Патент №2071718, кл. А61В 5/02).4. A method for assessing the psychophysiological state of a patient and a device for Doppler location, which allows therapeutic effect on the patient by EHF irradiation with simultaneous investigation of the psychophysiological state of the patient. The disadvantage of this device is the operation of the device on one antenna and the absence in the device circuit of the amplification unit at an intermediate frequency (operation according to the homodyne circuit, that is, with one generator), which reduces the measurement accuracy (Patent No. 2071718, class A61B 5/02).

5. Способ регистрации артериального давления и частоты дыхания и устройство для его осуществления» (RU 2345704 С2, 10.02.2009), в котором имеется блок бесконтактной регистрации фазы отраженного от поверхности человека сигнала для вычислений микроперемещений кожного покрова путем его облучения доплеровским локатором СВЧ в диапазоне от 10 до 100 ГГц. Блок содержит передающую антенну, соединенную через вентиль с первым выходом передающего генератора, приемную антенну, первый и второй смесители, направленный ответвитель, фазовый детектор-квадратор, соединенный через аналого-цифровой преобразователь с блоком вычисления и анализа фазы отраженного от тела человека сигнала.5. A method for detecting blood pressure and respiratory rate and a device for its implementation ”(RU 2345704 C2, 02.10.2009), in which there is a non-contact recording unit for the phase of the signal reflected from the human surface for calculating micromotion of the skin by irradiating it with a microwave Doppler radar in the range 10 to 100 GHz. The block contains a transmitting antenna connected through a valve to the first output of the transmitting generator, a receiving antenna, first and second mixers, a directional coupler, a phase detector-quadrator connected via an analog-to-digital converter with a unit for calculating and analyzing the phase of the signal reflected from the human body.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по совокупности признаков является устройство для регистрации частоты дыхания (RU 2345704 С2, 10.02.2009), в котором имеется блок бесконтактной регистрации фазы отраженного от поверхности человека сигнала для вычислений микроперемещений кожного покрова путем его облучения доплеровским локатором СВЧ в диапазоне от 10 до 100 ГГц.The closest to the invention in technical essence and in the totality of features is a device for recording the respiration rate (RU 2345704 C2, 02.10.2009), in which there is a non-contact recording unit for the phase of the signal reflected from the human surface for calculating the micromotion of the skin by irradiating it with a microwave Doppler locator in the range from 10 to 100 GHz.

Мобильность и портативность заявляемого устройства позволяет проводить обследование в условиях детских садов и общеобразовательных школ, что существенно увеличивает объемы обследований. Пропускная способность данного устройства составляет 20-25 детей в час.The mobility and portability of the inventive device allows for examination in kindergartens and secondary schools, which significantly increases the volume of examinations. The bandwidth of this device is 20-25 children per hour.

Технический результат, получаемый при использовании заявляемого изобретения, направлен на обеспечение дистанционного наблюдения за процессом перемещения центра тяжести тела человека, находящегося в свободной вертикальной позе, с использованием доплеровского локатора, основанного на регистрации микроперемещений облучаемого участка поверхности тела в районе 5-го поясничного позвонка, с определением параметров перемещения центра тяжести тела и пригодного для последующего исследования функционального состояния опорно-двигательной системы контролируемого объекта.The technical result obtained by using the claimed invention is aimed at providing remote monitoring of the process of moving the center of gravity of a human body in a free vertical position, using a Doppler locator based on the registration of micromotion of the irradiated part of the body surface in the region of the 5th lumbar vertebra, determination of the parameters of the body's center of gravity displacement and the functional state of the musculoskeletal system suitable for subsequent investigation Istemi controlled object.

Заявляемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость», т.к. известны устройства, включающие в себя блоки, аналогичные блокам в заявляемом устройстве (патенты РФ №2000080, №2053706, RU 2345704 C2, 10.02.2009), при этом задачи, решаемые в указанных патентах, отличаются от задач, решаемых в заявленном устройстве.The inventive device meets the criterion of "industrial applicability", because Devices are known that include blocks similar to the blocks in the claimed device (RF patents No. 2000080, No. 2053706, RU 2345704 C2, 02/10/2009), while the tasks solved in these patents differ from the tasks solved in the claimed device.

Заявляемое устройство (см. чертеж) включает в себя следующие блоки: СВЧ-генератор 1 (передатчик), вентиль 2-1, защищающий передатчик от отраженного сигнала, передающую антенну 4 (А_прд), направленный ответвитель 3, приемную антенну 5 (А_прм), вентиль 2-2, обеспечивающий прохождение гетеродинного сигнала на смеситель опорного канала 7, смеситель приемного канала 6, гетеродинный генератор 8 (гетеродин), делитель мощности 9, вентиль 2-3, обеспечивающий развязку смесителя приемного канала 6 и смесителя опорного канала 7, фазовый детектор-квадратор 10 (ФД-КВ), аналого-цифровой преобразователь 11 (АЦП), блок вычисления и анализа фазы 12. Приемник выполнен по супергетеродинной схеме с квадратурными каналами синусным (sin φ) и косинусным (cos φ).The inventive device (see drawing) includes the following blocks: microwave generator 1 (transmitter), valve 2-1, protecting the transmitter from the reflected signal, transmitting antenna 4 (A _prd ), directional coupler 3, receiving antenna 5 (A _prm ), valve 2-2, providing the passage of the local oscillator signal to the mixer of the reference channel 7, the mixer of the receiving channel 6, the local oscillator 8 (local oscillator), a power divider 9, valve 2-3, which provides isolation of the mixer of the receiving channel 6 and the mixer of the reference channel 7, 10 phase detector-quadrator (FD-KV ), analog-to-digital converter 11 (ADC), phase calculation and analysis unit 12. The receiver is made according to a superheterodyne circuit with quadrature channels sinus (sin φ) and cosine (cos φ).

Устройство работает следующим образом. Облучение участка поверхности тела в районе 5-го поясничного позвонка осуществляется передающей антенной 4, имеющей узкую диаграмму направленности излучения (8° телесного угла), конструктивно выполненной в виде конуса и излучающей электромагнитное колебание на частоте 60 ГГц. Отраженное от тела человека э.-м. колебание приходит в приемную антенну 5, конструктивно выполненную аналогично передающей антенне, в смеситель приемного канала 6, на второй вход смесителя 6 приходит часть сигнала гетеродина, прошедшая через делитель мощности 9 и вентиль 2-3, в результате на выходе смесителя 6 образуется сигнал промежуточной частоты f=200 МГц, содержащий доплеровскую добавку за счет микроперемещения облучаемой площадки на теле обследуемого человека в процессе поддержания вертикальной позы. Часть сигнала передатчика 1, отличающаяся от частоты гетеродинного генератора 8 на 200 МГц, через направленный ответвитель 3 поступает на смеситель опорного канала 7, на второй вход которого подается с делителя мощности 9 часть мощности гетеродинного генератора 8, в результате на выходе смесителя 7 образуется сигнал промежуточной частоты, но уже без доплеровской добавки, т.к. этот сигнал формируется внутри устройства и не выходит за его пределы. Сигналы промежуточной частоты с выходов смесителей 6 и 7 поступают на вход фазового детектора - квадратора 10, на выходе которого формируются квадратурные сигналы sin φ и cos φ доплеровской частоты. С выхода фазового детектора - квадратора 10 квадратурные сигналы подаются на двухканальный аналого-цифровой преобразователь 11, в котором они дискретизируются и в цифровом виде поступают в блок вычисления и анализа фазы 12, в котором по текущим значениям квадратурных составляющих вычисляется фаза φ отраженного сигнала, пропорциональная величине микроперемещения облучаемой площадки, относительно передающей антенны 4.The device operates as follows. An irradiation of a body surface area in the region of the 5th lumbar vertebra is carried out by a transmitting antenna 4, which has a narrow radiation pattern (8 ° solid angle), structurally made in the form of a cone and emitting electromagnetic waves at a frequency of 60 GHz. Reflected from the human body the oscillation arrives at the receiving antenna 5, structurally similar to the transmitting antenna, to the mixer of the receiving channel 6, the second input of the mixer 6 receives a part of the local oscillator signal that passed through the power divider 9 and valve 2-3, as a result, an intermediate frequency signal is generated at the output of the mixer 6 f = 200 MHz, containing a Doppler additive due to micromotion of the irradiated area on the body of the person being examined while maintaining a vertical posture. A part of the signal of the transmitter 1, which differs from the frequency of the local oscillator 8 by 200 MHz, is fed through a directional coupler 3 to the mixer of the reference channel 7, the second input of which is supplied from the power divider 9 with a part of the power of the local oscillator 8, as a result of which an intermediate signal is generated at the output of the mixer 7 frequencies, but without Doppler addition, as This signal is generated inside the device and does not go beyond it. The intermediate frequency signals from the outputs of the mixers 6 and 7 are fed to the input of a phase detector, a quadrator 10, at the output of which quadrature signals sinφ and cosφ of Doppler frequency are generated. From the output of the phase detector - quadrator 10, the quadrature signals are fed to a two-channel analog-to-digital converter 11, in which they are sampled and digitally fed to the phase 12 calculation and analysis unit, in which the phase φ of the reflected signal is proportional to the value micromotion of the irradiated area relative to the transmitting antenna 4.

Блок 12 может быть выполнен на базе персонального компьютера, что позволяет с помощью специальной программы вычислять мгновенную фазу отраженного от объекта сигнала и получать в режиме реального времени как изменение текущей фазы отраженного сигнала на несущей частоте (микроперемещение облучаемой площадки относительно антенны), так и текущее изменение статистических и спектральных параметров величины мгновенных перемещений центра тяжести тела человека.Block 12 can be made on the basis of a personal computer, which allows using a special program to calculate the instantaneous phase of the signal reflected from the object and to receive in real time both a change in the current phase of the reflected signal at the carrier frequency (microprojection of the irradiated area relative to the antenna) and the current change statistical and spectral parameters of the instantaneous displacements of the center of gravity of the human body.

Claims

1. A device for contactless recording of the phase of the signal reflected from the human body for calculating micro displacements and the trajectory of the center of gravity of the person, comprising a transmitting antenna connected through a valve to the first output of the transmitting generator, a receiving antenna, first and second mixers, a directional coupler, a phase detector-quadrator connected through an analog-to-digital converter with a unit for calculating and analyzing the phase of the signal reflected from a person, characterized in that the receiving antenna is connected to the first input of the mixer, the second input of which is connected through the corresponding valve to the first input of the power divider, the second input of which is connected to the local oscillator, and the third through the corresponding valve is connected to the first input of the second mixer, the second output of the transmitting generator is connected through the directional coupler to the second input of the second mixer, the outputs of the first and second mixers are connected to two inputs of the phase detector-quadrator.

2. The device according to claim 1, characterized in that the transmitting generator is configured to operate at a frequency of 60 GHz.