RU2698441C2 - Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying - Google Patents

Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying Download PDF

Info

Publication number
RU2698441C2
RU2698441C2 RU2017101824A RU2017101824A RU2698441C2 RU 2698441 C2 RU2698441 C2 RU 2698441C2 RU 2017101824 A RU2017101824 A RU 2017101824A RU 2017101824 A RU2017101824 A RU 2017101824A RU 2698441 C2 RU2698441 C2 RU 2698441C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
patient
sensor
per minute
rate per
vital signs
Prior art date
Application number
RU2017101824A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2017101824A3 (en
RU2017101824A (en
Inventor
Александр Александрович Прозоров
Виктор Иванович Бугаев
Сергей Васильевич Царенко
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория мобильной медицины" (ООО "Лаборатория мобильной медицины")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория мобильной медицины" (ООО "Лаборатория мобильной медицины") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория мобильной медицины" (ООО "Лаборатория мобильной медицины")
Priority to RU2017101824A priority Critical patent/RU2698441C2/en
Publication of RU2017101824A3 publication Critical patent/RU2017101824A3/ru
Publication of RU2017101824A publication Critical patent/RU2017101824A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2698441C2 publication Critical patent/RU2698441C2/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, 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
    • A61B5/024Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/318Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
    • A61B5/346Analysis of electrocardiograms
    • A61B5/349Detecting specific parameters of the electrocardiograph cycle

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: group of inventions refers to medicine, namely to a method and device for non-contact recording of vital signs of a patient in a continuous mode in a lying down state. Device includes housing, controller and sensor. Housing is made in the form of a plastic mold and is placed near the patient's bed or is attached to it. Directly in the housing there is a controller, which includes two amplifiers for expansion of the dynamic range of the device in case of mechanical effects on the sensor and key. Also in the housing there is a signal recording device configured to connect to the cloud service when the power is switched on using a secure SSL connection and at the level of application protocol of data transfer in continuous mode to transmit to cloud application indicators of vital activity, such as pulse rate per minute, respiratory rate per minute, index of hemodynamic activity, index of motor activity, intervalogram. Sensor of the device is represented by a piezoelectric sensor of the EmfitR-Series family, is placed in a jacket and is connected to the amplifier by a coaxial cable. Cover is fixed in patient's bed under mattress in area of blades location. When the device is switched on, pulse rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram are measured. Measured data is obtained through a cloud service and the obtained vital signs are stored for a given amount of time. Patterns of vital signs are registered. Diagnosing the patient's health changes as a result of the therapy and correcting the therapeutic course.
EFFECT: higher accuracy of measuring human vital activity indicators up to 97 %.
5 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Настоящее изобретение относится к медицинскому оборудованию, а именно, новому аппаратно-программному комплексу для бесконтактной регистрации основных биометрических показателей пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа.The present invention relates to medical equipment, namely, a new hardware-software complex for contactless recording of the main biometric parameters of a patient in a continuous state while lying down.

Настоящее изобретение может быть использовано для решения следующих комплексных задач:The present invention can be used to solve the following complex tasks:

1. Непрерывный мониторинг состояния здоровья. На сегодняшний день в устройствах контроля состояния здоровья нуждаются два сегмента потребителей - здоровые люди, которые сильно заботятся о своем здоровье (мотивированные на здоровье) и пациенты, которые требуют к себе постоянного внимания - хронические больные, пожилые, инвалиды, дети и др. Устройство бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа (далее - Устройство) ориентировано на вторую группу людей, а именно на следующие типы пользователей:1. Continuous monitoring of health status. To date, two segments of consumers need health monitoring devices: healthy people who take great care of their health (health-motivated) and patients who require constant attention - chronic patients, the elderly, people with disabilities, children, etc. Contactless device registration of biometric indicators of a patient in a lying state (hereinafter referred to as the Device) is focused on the second group of people, namely the following types of users:

- Младенцы до 1 года, входящие в группе риска по синдрому внезапной детской смерти;- Infants up to 1 year old, at risk for sudden infant death syndrome;

- Дети в возрасте от 1 до 4 лет;- Children aged 1 to 4 years;

- Пожилые в возрасте от 60 лет;- Elderly over the age of 60;

- Инвалиды, лежачие больные;- Disabled, bedridden patients;

- Люди, страдающие расстройствами сна (апноэ);- People suffering from sleep disorders (apnea);

- Люди с сердечными или церебральными заболеваниями;- People with heart or cerebral diseases;

- Люди, перенесшие различные операции на сердце, инфаркты, инсульты;- People who have undergone various heart operations, heart attacks, strokes;

- Люди, по роду своей деятельности или образу жизни связанные с постоянными физическими или нервными нагрузками.- People, by the nature of their activity or lifestyle associated with constant physical or nervous stress.

2. Контроль хронических заболеваний. Хронические больные используют Устройство, при этом оно встроено в мебель (кровать). Больные много времени проводят на кровати в состоянии лежа, по этому Устройство много времени взаимодействует с больным. В результате регистрации и отслеживания негативных изменений в состоянии здоровья и передачи этой информации до уровня внимания врача, больной получает упреждающие манипуляции, то есть манипуляции, которые произведены с ним до момента какого-то необратимого ухудшения: инфаркта, инсульта, недопустимого повышения артериального давления и т.д. Упреждающие манипуляции - это основные выгоды, которые получает хронический больной от использования Устройства. Решение, обеспечивающее контроль хронических заболеваний, может быть исполнено в виде мобильного приложения, интегрированного с Устройством.2. Control of chronic diseases. Chronic patients use the device, while it is built into the furniture (bed). Patients spend a lot of time on the bed while lying down; therefore, the device interacts with the patient for a long time. As a result of recording and tracking negative changes in the state of health and transferring this information to the doctor’s attention level, the patient receives proactive manipulations, that is, manipulations that were performed with him until some irreversible deterioration: heart attack, stroke, unacceptable increase in blood pressure, etc. .d. Proactive manipulations are the main benefits a chronic patient receives from using the Device. A solution that provides control of chronic diseases can be implemented as a mobile application integrated with the Device.

3. Управление курсами лечения. Больному назначается курс лечения, соответственно, этот курс лечения необходимо четко соблюдать и, при необходимости, корректировать. Особенно это важно, когда время и порядок приема лекарств или проведение манипуляций очень сильно влияют на эффективность лечения. Решение, обеспечивающее управление курсами лечения, может быть исполнено в виде мобильного приложения, интегрированного с Устройством. При этом врач, использующий мобильное приложение, имеет возможность внести корректировки в курс лечения в зависимости от того, каким образом больной реагирует на проводимую терапию, исходя из обратной связи - характера изменений его показателей здоровья. Снижение сроков лечения, уменьшения стоимости лечения, индивидуальный подбор медикаментов - это основные преимущества, получаемые больным от использования Устройства.3. Management of treatment courses. A patient is prescribed a course of treatment, accordingly, this course of treatment must be clearly observed and, if necessary, adjusted. This is especially important when the time and order of taking medications or carrying out manipulations greatly affect the effectiveness of treatment. A solution providing management of treatment courses can be implemented as a mobile application integrated with the Device. At the same time, the doctor using the mobile application has the opportunity to make adjustments to the course of treatment depending on how the patient responds to the therapy, based on feedback - the nature of changes in his health indicators. Reducing the duration of treatment, reducing the cost of treatment, individual selection of medicines are the main benefits received by patients from using the device.

На сегодняшний день устройства для бесконтактного мониторинга дыхания, сердцебиения и двигательной активности являются востребованным продуктом. Возможность дистанционно обнаруживать и бесконтактно получать информацию о функциональном состоянии человека, находящегося за оптически непрозрачными препятствиями, особенно важна для обнаружения людей, оказавшихся под завалами в результате землетрясений, техногенных катастроф и схода снежных лавин. Другой не менее важной областью применения метода радиолокационного зондирования людей является медицина. Потенциальные области применения бесконтактного мониторинга в медицине, определяемые ограничениями на подвижность объекта исследования: сомнология, реаниматология, функциональная диагностика, бесконтактная оценка психоэмоционального состояния человека, оценка двигательной активности малых лабораторных животных в ходе зоопсихологических экспериментов и при тестировании новых лекарственных препаратов. За рубежом активно ведутся НИОКР по разработке новых технологий в сфере бесконтактного мониторинга основных параметров жизнедеятельности, тогда как в России данная отрасль представлена в основном экспериментальными наработками отдельных научно-производственных центров.Today, devices for non-contact monitoring of respiration, heartbeat and motor activity are a sought after product. The ability to remotely detect and contactlessly receive information about the functional state of a person behind optically opaque obstacles is especially important for detecting people caught in rubble as a result of earthquakes, man-made disasters and avalanches. Another equally important area of application of the method of radar sensing of people is medicine. Potential applications of non-contact monitoring in medicine, determined by restrictions on the mobility of the object of study: somnology, resuscitation, functional diagnostics, non-contact assessment of the psychoemotional state of a person, assessment of the motor activity of small laboratory animals during zoopsychological experiments and when testing new drugs. R&D is actively being carried out abroad to develop new technologies in the field of non-contact monitoring of the basic parameters of life, whereas in Russia this industry is represented mainly by experimental developments of individual research and production centers.

Так, из уровня техники известно устройство дистанционного бесконтактного мониторинга параметров жизнедеятельности живого организма, которое содержит: последовательно соединенные, по меньшей мере, один измерительный блок, по меньшей мере, один блок управления и обработки информации и, по меньшей мере, один блок интерфейса. Измерительный блок содержит, по меньшей мере, один радиопередающий модуль, и, по меньшей мере, один радиоприемный модуль. Блок управления и обработки информации выполнен с возможностью формирования управляющих импульсов для каждого из радиопередающего и радиоприемного модулей, произвольно задержанных друг относительно друга по времени, и дополнительно выполнен с возможностью формирования управляющих импульсов для каждого из радиопередающего и радиоприемного модулей произвольной друг относительно друга длительности. Каждый из радиопередающих модулей и/или каждый из радиоприемных модулей, входящих в состав измерительного блока, выполнен независимым, один от другого. [Патент РФ №2533683, ООО "НаноПульс" (RU), 20.11.2014].Thus, a prior art device for remote non-contact monitoring of vital signs of a living organism is known, which comprises: at least one measuring unit, at least one control and information processing unit and at least one interface unit connected in series. The measuring unit comprises at least one radio transmitting module, and at least one radio receiving module. The control and information processing unit is configured to generate control pulses for each of the radio transmitting and receiving modules, arbitrarily delayed relative to each other in time, and is additionally configured to generate control pulses for each of the transmitting and receiving modules of arbitrary duration relative to each other. Each of the radio transmitting modules and / or each of the radio receiving modules included in the measuring unit is made independent of one another. [RF patent No. 2533683, LLC NanoPulse (RU), 11.20.2014].

Также известно средство для бесконтактного мониторинга дыхания пациента, использующее способ обнаружения изменения от выдоха до вдоха пациента или наоборот включающий этапы излучения электромагнитного сигнала в сторону пациента и приема отраженного от пациента сигнала, преобразования отраженного сигнала с получением первого сигнала, сдвига по фазе отраженного электромагнитного сигнала и преобразования его с получением второго сигнала, обнаружение с помощью вычислительного блока одновременных первых переходов через ноль во временной производной первого сигнала и во временной производной второго сигнала, одновременных вторых переходов через ноль во временной производной первого сигнала и во временной производной второго сигнала, и одновременных третьих переходов через ноль во временной производной первого сигнала и во временной производной второго сигнала, определения первого и второго векторов и вычисления их скалярного произведения в качестве индикаторного значения для изменения от выдоха до вдоха пациента или наоборот, сравнения индикаторного значения с предварительно определенным пороговым значением и указания изменения от выдоха до вдоха пациента или наоборот, если индикаторное значение является меньшим, чем пороговое значение[Патент РФ №2531119, КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL), 20.10.2014].Also known is a means for non-contact monitoring of a patient’s breathing, using a method for detecting changes from exhalation to inspiration of a patient or vice versa, comprising the steps of emitting an electromagnetic signal towards the patient and receiving a signal reflected from the patient, converting the reflected signal to obtain the first signal, phase shift of the reflected electromagnetic signal and converting it to receiving a second signal, detecting, using a computing unit, the simultaneous first transitions through zero at times derivative of the first signal and in the temporary derivative of the second signal, simultaneous second transitions through zero in the temporary derivative of the first signal and in the temporary derivative of the second signal, and simultaneous third transitions through zero in the temporary derivative of the first signal and in the temporary derivative of the second signal, determining the first and second vectors and calculating their scalar product as an indicator value for changing from expiration to inspiration of the patient or vice versa, comparing the indicator value with a predetermined threshold value and indications of a change from exhalation to inhalation of the patient, or vice versa, if the indicator value is less than the threshold value [RF Patent No. 2531119, KONINLIKE PHILIPS ELECTRONICS N.V. (NL), 10.20.2014].

Также известно устройство для дистанционного бесконтактного мониторинга параметров жизнедеятельности человека, которое содержит измерительный модуль с блоком обработки сигнала и родительский блок. Измерительный модуль выполнен в виде передающего канала и двух независимых приемных каналов, приемные антенны которых, пространственно разнесенные относительно друг друга, связаны соответственно с последовательно соединенными фазовым детектором, полосовым фильтром и усилителем, выходы которых подключены соответственно к входам аналого-цифрового преобразователя. Передающий канал реализован в виде последовательно соединенных формирователя коротких импульсов, СВЧ-генератора зондирующих сигналов и передающей антенны, а вторые входы фазовых детекторов первого и второго приемных каналов связаны соответственно через направленные ответвители с выходами СВЧ-генератора зондирующих сигналов передающего канала. Блок обработки сигнала выполнен на микроконтроллере, входы и выходы которого подключены соответственно к выходу аналого-цифрового преобразователя и входу формирователя коротких импульсов, как и шинами связи соответственно с входами-выходами первого радио трансивера, первой энергонезависимой памятью и системой контроля заряда. Выход первого радио трансивера соединен с приемо-передающей антенной первого радио трансивера, а соответствующие входы-выходы системы контроля заряда связаны соответственно с перезаряжаемым аккумулятором и портом USB. Родительский блок реализован на втором радио трансивере, входы-выходы которого подключены соответственно к приемопередающей антенне второго радио трансивера, второй энергонезависимой памяти, дисплею на органических светодиодах, кнопкам, зуммеру, вибратору и стабилизатору с малым падением напряжения, соответствующий вход которого соединен с электрической батареей [Патент РФ №2462990, ООО "НаноПульс" (RU), 10.10.2012].Also known is a device for remote non-contact monitoring of vital signs, which contains a measuring module with a signal processing unit and a parent unit. The measuring module is made in the form of a transmitting channel and two independent receiving channels, the receiving antennas of which are spatially spaced relative to each other, respectively connected to a series-connected phase detector, band-pass filter and amplifier, the outputs of which are connected respectively to the inputs of the analog-to-digital converter. The transmitting channel is implemented in the form of series-connected short pulse shaper, microwave generator of probing signals and transmitting antenna, and the second inputs of phase detectors of the first and second receiving channels are connected respectively through directional couplers with the outputs of the microwave generator of probing signals of the transmitting channel. The signal processing unit is made on a microcontroller, the inputs and outputs of which are connected respectively to the output of the analog-to-digital converter and the input of the short-pulse generator, as well as the communication buses, respectively, with the inputs and outputs of the first radio transceiver, the first non-volatile memory, and charge control system. The output of the first radio transceiver is connected to the transceiver antenna of the first radio transceiver, and the corresponding inputs and outputs of the charge control system are connected respectively to a rechargeable battery and a USB port. The parent unit is implemented on a second radio transceiver, the inputs and outputs of which are connected respectively to the transceiver antenna of the second radio transceiver, a second non-volatile memory, a display with organic LEDs, buttons, a buzzer, a vibrator and a stabilizer with a small voltage drop, the corresponding input of which is connected to an electric battery [ RF patent No. 2462990, LLC NanoPuls (RU), 10.10.2012].

Известны различные российские публикации в области бесконтактного мониторинга основных параметров жизнедеятельности человека:There are various Russian publications in the field of non-contact monitoring of the main parameters of human life:

- Анищенко Л.Н. Диссертация «Разработка технологии и программно-аппаратного комплекса биорадиолокационного мониторинга двигательной активности, дыхания и пульса». МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2009.- Anishchenko L.N. The dissertation “Development of technology and a hardware-software complex for bio-radar monitoring of physical activity, respiration and pulse”. MSTU named after N.E. Bauman, Moscow, 2009.

- Биорадиолокация / под ред. А.С. Бугаева, С.И. Ивашова, И.Я. Иммореева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.- Bioradiolocation / ed. A.S. Bugaeva S.I. Ivashova, I.Ya. Immoreeva. M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2010.

- Хассанин Хатем. Информационная система контроля за жизненно важными параметрами состояния новорожденных // Фундаментальные исследования. 2015. No 5-1.- Hassanin Hatem. Information system for monitoring the vital parameters of the state of the newborn // Fundamental Research. 2015.No 5-1.

- Прошин Е.М., Путилин Е.О. Бесконтактный мониторинг дыхания и сердцебиения пациента комплексной хрономагнитотерапии на основе ультразвуковых биений // Биомедицинская радиоэлектроника No7, 2012.- Proshin E.M., Putilin E.O. Non-contact monitoring of the patient’s breathing and heartbeat of complex chronomagnetotherapy based on ultrasound beats // Biomedical Radio Electronics No7, 2012.

- Савельев Валерий Викторович, Ивахно Наталия Валериевна, Мизарев Алексей Михайлович. Аппаратная реализация комплекса диагностики остановки дыхания во время сна // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. No 9-2.- Savelyev Valery Viktorovich, Ivakhno Natalia Valerievna, Mizarev Alexey Mikhailovich. Hardware implementation of a complex of diagnostics of respiratory arrest during sleep // Izvestiya TulGU. Technical science. 2013.No 9-2.

- Бондарь Сергей Сергеевич, Кривец Дмитрий Владимирович. Мобильный комплекс для комфортного контроля состояния лежачих тяжелобольных // ИВД. 2012. No 4-1.- Bondar Sergey Sergeevich, Krivets Dmitry Vladimirovich. Mobile complex for comfortable monitoring of the state of seriously ill bedridden // Ivd. 2012.No 4-1.

- Морозов В.В., Серяпина Ю.В., Кравченко Ю.Л., Тарков С.М., Бессмельцев В.П., Катасонов Д.Н., Слуев В.А. ТЕЛЕМЕДИЦИНА В КАРДИОЛОГИИ: НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ // Фундаментальные исследования.2013. No 7-3.- Morozov V.V., Seryapina Yu.V., Kravchenko Yu.L., Tarkov S.M., Bessmeltsev V.P., Katasonov D.N., Sluev V.A. TELEMEDICINE IN CARDIOLOGY: NEW PROSPECTS // Fundamental Research. 2013. No 7-3.

Также известен ряд зарубежных публикаций в области бесконтактного мониторинга основных параметров жизнедеятельности человека.A number of foreign publications in the field of non-contact monitoring of the basic parameters of human life are also known.

Известен способ оценки неконтролируемой вариабельности сердечного ритма [Christoph Brtiser, Stefan Winter, Steffen Leonhardt, Unsupervised Heart Rate Variability Estimation from Ballistocardiograms, International Journal of Bioelectromagnetism, Vol. 15, No. 1, pp. 1-6, 2013].A known method for assessing uncontrolled heart rate variability [Christoph Brtiser, Stefan Winter, Steffen Leonhardt, Unsupervised Heart Rate Variability Estimation from Ballistocardiograms, International Journal of Bioelectromagnetism, Vol. 15, No. 1, pp. 1-6, 2013].

Описано умное сидение автомобиля для персонализированного мониторинга жизненно важных показателей [The smart car seat: personalized monitoring of vitalsignsin automotive applications Marian Walter, Benjamin Eilebrecht, Tobias Wartzek, Steffen Leonhardt Pers Ubiquit Comput (2011) 15: 707-715].A smart car seat for personalized monitoring of vital signs is described [The smart car seat: personalized monitoring of vitalsignsin automotive applications Marian Walter, Benjamin Eilebrecht, Tobias Wartzek, Steffen Leonhardt Pers Ubiquit Comput (2011) 15: 707-715].

Известны некоторые датчики, определяющие состояние человека по сердечному ритму [Improvement of Force-sensor-based Heart Rate Estimation Using Multi-channel Data Fusion Christoph Brtiser, Juha M. Kortelainen, Stefan Winter, Mirja Tenhunen, Juha Pa akka a and Steffen Leonhardt IEEE JOURNAL ON BIOMEDICAL HEALTH INFORMATICS, 2014].There are several known sensors that determine a person’s state by heart rate [Improvement of Force-sensor-based Heart Rate Estimation Using Multi-channel Data Fusion Christoph Brtiser, Juha M. Kortelainen, Stefan Winter, Mirja Tenhunen, Juha Pa akka a and Steffen Leonhardt IEEE JOURNAL ON BIOMEDICAL HEALTH INFORMATICS, 2014].

Известны пленочные датчики для регистрации кардиореспираторных сигналов [Film-Type Sensor Materials PVDF and EMFi in Measurement of Cardiorespiratory Signals - A Review. Satu Rajala and Jukka Lekkala IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 12, NO. 3, MARCH 2012].Known film sensors for recording cardiorespiratory signals [Film-Type Sensor Materials PVDF and EMFi in Measurement of Cardiorespiratory Signals - A Review. Satu Rajala and Jukka Lekkala IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 12, NO. 3, MARCH 2012].

Известны матрасы на основе квазипьезоэлектрических сенсоров для регистрации конвульсий [Assessment of a quasi-piezoelectric mattress monitor as a detection system for generalized convulsions. Aditi P. Narechania, Irena I. Garic, Indranil Sen-Gupta, Mic heal P. Macken, Elizabeth E. Gerard, Stephan U. Schuele. Epilepsy & Behavior 28 (2013) 172-176].Known mattresses based on quasi-piezoelectric sensors for recording convulsions [Assessment of a quasi-piezoelectric mattress monitor as a detection system for generalized convulsions. Aditi P. Narechania, Irena I. Garic, Indranil Sen-Gupta, Micheal P. Macken, Elizabeth E. Gerard, Stephan U. Schuele. Epilepsy & Behavior 28 (2013) 172-176].

Известен бесконтактный способ оценки кардиологической активности за счет измерения пульса посредством web-камеры [А поп contact method for evaluating cardiac activity. Measuring pulse rate with a webcam. Lewandowska, M. Ruminski, J.; Kocejko, T.; Nowak, J. Computer Science and Information Systems (FedCSIS), 2011 Federated Conference on, 18-21 Sept. 2011].A known non-contact method for assessing cardiac activity by measuring heart rate using a web camera [A pop contact method for evaluating cardiac activity. Measuring pulse rate with a webcam. Lewandowska, M. Ruminski, J .; Kocejko, T .; Nowak, J. Computer Science and Information Systems (FedCSIS), 2011 Federated Conference on, 18-21 Sept. 2011].

Известен беспроводный сенсор-наклей кА для удаленного мониторинга работы сердца, дыхания, двигательной активности и падений [Wireless patch sensor for remote monitoring of heart rate, respiration, activity, and falls Chan, A.M. Selvaraj, N.; Ferdosi, N.; Narasimhan, R. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013 35th Annual International Conference of the IEEE, 3-7 July 2013].Known for a wireless sensor sticker for remote monitoring of heart function, respiration, motor activity and falls [Wireless patch sensor for remote monitoring of heart rate, respiration, activity, and falls Chan, A.M. Selvaraj, N .; Ferdosi, N .; Narasimhan, R. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013 35th Annual International Conference of the IEEE, 3-7 July 2013].

Известен патент на часы - многофункциональный монитор жизненных параметров [Watch multifunctional life remote monitoring, CN 201719239, 26.01.2011].A patent for watches is known - a multifunctional monitor of vital parameters [Watch multifunctional life remote monitoring, CN 201719239, 01/26/2011].

Известна интеллектуальная мобильная система мониторинга персональных биометрических данных [Intelligent mobile personal health data monitoring system, CN 201733333, 02.02.2011]Known Intelligent mobile personal health data monitoring system [Intelligent mobile personal health data monitoring system, CN 201733333, 02.02.2011]

Известно устройство мониторинга параметров сна, работающее в сетях GPRS [А GPRS wireless sleep monitor, CN 202078303, 21.12.2011]A device for monitoring sleep parameters operating in GPRS networks is known [A GPRS wireless sleep monitor, CN 202078303, 12/21/2011]

Известно устройство дистанционного мониторинга биометрических показателей, работающее в сетях Bluetooth [Based on Bluetooth wireless remote monitoring unit, CN 202235361, 30.05.2012]A known device for remote monitoring of biometric indicators working in Bluetooth networks [Based on Bluetooth wireless remote monitoring unit, CN 202235361, 05/30/2012]

Известен аппарат и метод для пассивного мониторинга пациента [Apparatus and method for passive patient monitoring, CN 100592892, 03.03.2010]Known apparatus and method for passive patient monitoring [Apparatus and method for passive patient monitoring, CN 100592892, 03.03.2010]

Известна система удаленного мониторинга нарушений сна [A remote monitoring the sleep warning system, CN 201379566, 13.01.2010].The known system for remote monitoring of sleep disorders [A remote monitoring the sleep warning system, CN 201379566, 01/13/2010].

Кроме бесконтактных решений, конкурентами Устройства являются прикроватные мониторы, пульсоксиметры и кардиографы домашнего использования. Поскольку в будущем планируется распространение Устройства в больницы, пансионаты и другие заведения социально-значимого характера, в качестве конкурентов рассматриваются также профессиональные кардиографы и прикроватные мониторы (Табл. 1).In addition to contactless solutions, the competitors of the Device are bedside monitors, pulse oximeters and home use cardiographs. Since in the future it is planned to distribute the Device to hospitals, boarding houses and other institutions of a socially significant nature, professional cardiographs and bedside monitors are also considered competitors (Table 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

За рубежом разработками в области бесконтактного мониторинга параметров жизнедеятельности занимается, в частности, компания Emfit. Компания занимается производством Emfit Movement Monitor, устройства для мониторинга движений человека во время сна и активно ведет исследования в области мониторинга дыхания и сердцебиения (Табл. 2).Abroad, in particular, Emfit is involved in the development of non-contact monitoring of vital signs. The company is engaged in the production of Emfit Movement Monitor, a device for monitoring human movements during sleep, and is actively conducting research in the field of monitoring respiration and heartbeat (Table 2).

Figure 00000002
Figure 00000002

Недостатками рассмотренных аналогичных технических решений являются:The disadvantages of the considered similar technical solutions are:

- Недостаточная точность регистрации показателей здоровья человека- Lack of accuracy in registering human health indicators

- Высокая стоимость.- High price.

Авторами настоящего изобретения был создан аппаратно-программный комплекс для бесконтактной регистрации основных биометрических показателей пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа, преимуществами которого являются:The authors of the present invention created a hardware-software complex for contactless registration of the main biometric parameters of a patient in a continuous state while lying down, the advantages of which are:

- Высокая точность регистрации показателей здоровья человека в составе: частота пульса, частота дыхания, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интервалограмма;- High accuracy of recording human health indicators in the composition: pulse rate, respiratory rate, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram;

- Низкая стоимость компонентов;- Low cost of components;

- Интеграция с облачным сервисом;- Integration with cloud service;

- Бесконтактный мониторинг параметров жизнедеятельности (баллистокардиограмма, дыхание, пульс, движение);- Non-contact monitoring of vital signs (ballistic cardiogram, respiration, pulse, movement);

- Незначительное влияние внешних факторов на точность и стабильность измерений;- Insignificant influence of external factors on the accuracy and stability of measurements;

- Возможность непрерывного мониторинга параметров жизнедеятельности и передачи информации об их состоянии посредством различных каналов связи;- The ability to continuously monitor vital signs and transmit information about their condition through various communication channels;

- Возможность гибкой настройки.- Possibility of flexible settings.

Целью (задачей) настоящего изобретения является создание аппаратно-программного комплекса для бесконтактной регистрации основных биометрических показателей пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа, интегрированного с облачным сервисом.The aim (task) of the present invention is the creation of a hardware-software complex for contactless registration of the main biometric parameters of a patient in a continuous state in a lying state, integrated with a cloud service.

Поставленная цель достигается за счет создания нового устройства бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа, включающее:This goal is achieved by creating a new device for contactless registration of biometric parameters of a patient in a lying position, including:

корпус, выполненный в виде пластмассовой литой формы и размещающийся в непосредственной близости от койки больного или крепящийся к койке при помощи крепежных приспособлений;the case, made in the form of a plastic molded form and located in the immediate vicinity of the patient’s bed or attached to the bed with the help of fastening devices;

расположенный непосредственно в корпусе контроллер, включающий усилитель 1 (У1), усилитель 2 (У2), обеспечивающий дополнительное усиление сигнала для расширения динамического диапазона устройства в случае значительных механических воздействий на сенсор (С1) и ключ (К1), устройство регистрации сигнала (УРС), при включении питания соединяющееся с облачным сервисом при помощи защищенного соединения SSL и на уровне прикладного протокола передачи данных в непрерывном режиме передающее в облачное приложение частоту пульса в минуту, частоту дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмму;a controller located directly in the housing, including amplifier 1 (U1), amplifier 2 (U2), which provides additional signal amplification to expand the dynamic range of the device in case of significant mechanical influences on the sensor (C1) and key (K1), signal recording device (URS) , when powered on, it connects to the cloud service using a secure SSL connection and at the level of the application data transfer protocol in a continuous mode transfers the heart rate per minute, breathing rate to the cloud application I per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram;

сенсор (С1), представленный пьезоэлектрическим датчиком, например, семейства EmfitR-Series, размещающийся в чехле, который фиксируется к кровати под матрасом больного в районе, где расположены лопатки лежачего человека, при этом сенсор (С1) соединен с усилителем 1 (У1) коаксиальным кабелем.a sensor (C1), represented by a piezoelectric sensor, for example, the EmfitR-Series family, located in a cover that is fixed to the bed under the patient’s mattress in the area where the shoulder blades are located, while the sensor (C1) is connected to the amplifier 1 (U1) coaxial cable.

Более предпочтительным является устройство, отличающееся тем, что устройство регистрации сигнала (УРС) имеет стандартный разъем для подачи питающего напряжения, например, micro-USB.More preferred is a device, characterized in that the signal recording device (URS) has a standard connector for supplying a supply voltage, for example, micro-USB.

Более предпочтительным является устройство, отличающееся тем, что устройство регистрации сигнала (УРС) имеет разъем RJ45 для соединения с маршрутизатором, установленном в помещении, при помощи проводного соединения, например, Ethernet 100МВ.More preferred is a device, characterized in that the signal recording device (URS) has an RJ45 connector for connecting to a router installed in the room using a wired connection, for example, Ethernet 100MV.

Более предпочтительным является устройство, отличающееся тем, что сенсор (С1) представляет собой пьезоэлектрический датчик, например, семейства EmfitR-Series с чувствительностью 25 пКл/Н, относительной диэлектрической проницаемостью 1.1, емкостью 22 пФ/см2, измерительным диапазоном <300 Н/см2, толщиной измерительного элемента 0.4 мм, длиной измерительного элемента 800 мм.More preferred is a device characterized in that the sensor (C1) is a piezoelectric sensor, for example, the EmfitR-Series family with a sensitivity of 25 pC / N, a relative dielectric constant of 1.1, a capacity of 22 pF / cm 2 , a measuring range of <300 N / cm 2 , the thickness of the measuring element 0.4 mm, the length of the measuring element 800 mm

Поставленная цель также достигается за счет способа бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа, согласно которому сенсор (С1) устройства по п. 1 фиксируют к кровати под матрасом больного в районе, где расположены лопатки лежачего человека;This goal is also achieved by the method of non-contact registration of biometric indicators of the patient in a lying state, according to which the sensor (C1) of the device according to claim 1 is fixed to the bed under the patient’s mattress in the area where the shoulder blades are located;

при включении питания устройства по п. 1. измеряют частоту пульса в минуту, частоту дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмму;when you turn on the power of the device according to claim 1. measure the heart rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram;

получают измеряемые данные через облачный сервис;receive measured data through a cloud service;

сохраняют полученные от устройства по п. 1 биометрические показатели заданное количество времени;save the biometric indicators received from the device according to claim 1 for a predetermined amount of time;

регистрируют паттерны изменения наблюдаемых биометрических показателей;register patterns of changes in observed biometric indicators;

диагностируют осложнения из-за проводимой терапии и корректируют курс лечения.diagnose complications due to ongoing therapy and adjust the course of treatment.

Облачный сервис - это возможность предоставлять пользователю используемый набор настраиваемых вычислительных ресурсов (например, мониторинга состояния, сетей, серверов, хранилищ данных, приложений и/или сервисов), которые пользователь может оперативно задействовать под свои задачи и высвобождать при сведении к минимуму числа взаимодействий с поставщиком услуги или собственных управленческих усилий посредством сетевого доступа.A cloud service is the ability to provide the user with a used set of configurable computing resources (for example, status monitoring, networks, servers, data storages, applications and / or services) that the user can quickly use for their tasks and release while minimizing the number of interactions with the provider services or own management efforts through network access.

Гемодинамика - движение крови по сосудам, возникающее вследствие разности гидростатического давления в различных участках кровеносной системы (кровь движется из области высокого давления в область низкого). Зависит от сопротивления току крови стенок сосудов и вязкости самой крови.Hemodynamics - the movement of blood through the vessels, resulting from the difference in hydrostatic pressure in different parts of the circulatory system (blood moves from the high pressure to the low). Depends on the resistance to blood flow in the walls of blood vessels and the viscosity of the blood itself.

Поставленная цель также достигается за счет разработки следующих компонентов Устройства:The goal is also achieved by developing the following components of the Device:

- Сенсора с аналоговым усилителем сигнала. Сенсор регистрирует механические микроколебания, переводя их в электрические колебания.- Sensor with analog signal amplifier. The sensor registers mechanical micro-vibrations, translating them into electrical vibrations.

- Контроллера, получающего данные в аналоговом виде от сенсора и выполняющего предварительную фильтрацию сигнала и его преобразование из аналогового в цифровой вид.- A controller that receives data in analog form from the sensor and performs preliminary filtering of the signal and its conversion from analog to digital.

- Программного обеспечения по обработке сигнала, выполняющего задачу по фильтрации и разметке сигнала с целью получения дискретных биометрических показателей.- Signal processing software that performs the task of filtering and marking the signal in order to obtain discrete biometric indicators.

- Коммуникационного программного обеспечения, обеспечивающего надежный канал передачи биометрических данных от контроллера в облачный сервис.- Communication software that provides a reliable channel for transferring biometric data from the controller to the cloud service.

Задача, на которую направлено заявленное техническое решение, заключается в следующем:The task to which the claimed technical solution is directed is as follows:

- Путем преобразования механических микроколебаний, испускаемых телом человека, в электрический сигнал с последующей его обработкой, получить цифровые показатели состояния здоровья человека в конкретный момент времени- By converting the mechanical micro-vibrations emitted by the human body into an electrical signal with its subsequent processing, to obtain digital indicators of a person’s health at a particular point in time

- Передать числовые показатели здоровья человека в облачный сервис для их последующей обработки.- Transfer the numerical indicators of human health to the cloud service for their subsequent processing.

Решение задачи преобразования механических микроколебаний, излучаемых телом человека, в электрический сигнал, с последующей его обработкой, достигается за счет:The solution to the problem of converting mechanical micro-vibrations emitted by the human body into an electrical signal, with its subsequent processing, is achieved by:

- Съема биометрического сигнала с лежачего человека путем регистрации микроколебаний его тела- Removing a biometric signal from a bedridden person by recording micro-vibrations of his body

- Преобразования механического сигнала в аналоговый электрический сигнал для последующей алгоритмической обработки- Converting a mechanical signal into an analog electrical signal for subsequent algorithmic processing

- Преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал- Convert analog signal to digital signal

- Обработки цифрового сигнала алгоритмическим образом для того, чтобы получить цифровые показатели здоровья человека.- Processing a digital signal in an algorithmic manner in order to obtain digital indicators of human health.

Решение задачи передачи числовых показателей здоровья человека в облачный сервис для их последующей обработки, достигается за счет:The solution to the problem of transferring numerical indicators of human health to the cloud service for their subsequent processing is achieved by:

- Установления защищенного канала обмена информацией с облачным сервисом- Establishment of a secure channel for exchanging information with the cloud service

- Передачи в облачный сервис данных по защищенному каналу- Transferring data to a cloud service over a secure channel

- При возникновении ошибок передачи данных или разрыва канала, повторно пытаться передать данные или восстановить защищенный канал передачи данных.- If data transmission errors or a channel break occur, try to transfer data again or restore a secure data channel.

Изобретение также поясняется чертежами:The invention is also illustrated by the drawings:

Рис. 1. Блок-схема устройства бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа, гдеFig. 1. The block diagram of the device for contactless registration of biometric indicators of the patient in a lying position, where

- С1 - сенсор- C1 - sensor

- У1 - усилитель 1- U1 - amplifier 1

- У2 - усилитель 2- U2 - amplifier 2

- К1 - ключ- K1 - key

- УРС - устройство регистрации сигнала.- URS - signal recording device.

Рис. 2. Схема работы устройства бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа.Fig. 2. The scheme of the device for contactless registration of biometric indicators of the patient in a lying position.

Порядок работы устройства приведен на Рис. 2 и заключается в следующем:The device operation procedure is shown in Fig. 2 and is as follows:

1. Сенсор Устройства размещается под матрасом больного в районе, где расположены лопатки лежачего человека1. The Device Sensor is located under the patient’s mattress in the area where the shoulder blades are located

2. Контроллер Устройства размещается в непосредственной близости от койки больного, либо непосредственно крепится к койке2. The device controller is located in the immediate vicinity of the patient’s bed, or is directly attached to the bed

3. Сенсор соединяется с контроллером Устройства при помощи низковольтного кабеля, который прикреплен к сенсору3. The sensor is connected to the device controller using a low-voltage cable that is attached to the sensor

4. Контроллер Устройства соединяется с розеткой при помощи кабеля питания4. The device controller is connected to the outlet using a power cable

5. Контроллер соединяется с маршрутизатором квартиры или палаты при помощи проводного (Ethernet 100 Mbps) или беспроводного (WI-FI, IEEE 802.11 b/g) соединения5. The controller connects to the router of the apartment or house using a wired (Ethernet 100 Mbps) or wireless (WI-FI, IEEE 802.11 b / g) connection

6. Маршрутизатор квартиры или палаты обеспечивает сквозную передачу данных от Контроллера к облаку посредством ТСРЛР соединения.6. The router of the apartment or house provides end-to-end data transfer from the Controller to the cloud via a TCPL connection.

7. После установки защищенного соединения между Контроллером и облачным сервисом Устройство готово к работе и переходит в режим мониторинга биометрических показателей.7. After establishing a secure connection between the Controller and the cloud service, the Device is ready for operation and goes into the monitoring mode of biometric indicators.

Рис. 3. Фото внешнего вида устройства бесконтактной регистрации биометрических показателей пациента в состоянии лежа, на котором цифрами обозначены:Fig. 3. Photo of the appearance of the device for contactless registration of biometric indicators of the patient in a lying position, on which the numbers indicate:

1. Сенсор в чехле из плотной ткани1. Sensor in a thick fabric case

2. Корпус2. Case

3. Коаксиальный кабель, соединяющий сенсор и корпус3. Coaxial cable connecting the sensor and the housing

4. Ethernet кабель, соединяющий устройство с роутером.4. Ethernet cable connecting the device to the router.

Для проведения измерения двигательной активности человека, возникающей при работе сердца и дыхании при отсутствии непосредственного электрического контакта с телом пациента, используется регистрация слабой механической активности человека. Для регистрации последней возможно использовать датчики, работающие на эффекте преобразования слабых механических движений в электрический сигнал. Для этого допустимо использование акселерометрических датчиков, например, выполненных по технологии MEMS. Применяются также тензометрические датчики, основанные на изменении сопротивления измерительной структуры.To measure the human motor activity that occurs during the work of the heart and breathing in the absence of direct electrical contact with the patient's body, registration of weak mechanical activity of a person is used. To register the latter, it is possible to use sensors operating on the effect of converting weak mechanical movements into an electrical signal. For this, the use of accelerometric sensors, for example, made using MEMS technology, is permissible. Strain gauges based on changes in the resistance of the measuring structure are also used.

Исследования показывают, что наибольшей чувствительностью обладают датчики, основанные на сегнетоэлектрическом эффекте. Датчиком является полоса шириной 5 см и длиной 80-90 см, состоящая из двух токопроводящих поверхностей, разделенный измерительной структурой, выполненной из полимерного материала с сегноэлектрическим наполнителем. Сенсор представляет из себя конденсатор значительной емкости (до 10-100 нФ, в зависимости от размеров) с относительно высоким внутренним сопротивлением (до нескольких гигаОм).Studies show that sensors based on the ferroelectric effect have the highest sensitivity. The sensor is a strip 5 cm wide and 80-90 cm long, consisting of two conductive surfaces, separated by a measuring structure made of a polymer material with a ferroelectric filler. The sensor is a capacitor of significant capacitance (up to 10-100 nF, depending on size) with a relatively high internal resistance (up to several giga Ohms).

При слабых механических воздействиях на данный датчик за счет смещения зерен сегнетоэлектрика друг относительно друга возникает напряжение поляризации, являющегося выходным напряжением устройства.With weak mechanical influences on this sensor due to the displacement of the ferroelectric grains relative to each other, a polarization voltage arises, which is the output voltage of the device.

Данный вид датчиков производит, например, финская компания EmFit (http://emfit.com), датчики семейства EmfitR-Series. Чувствительность датчиков 25 рС/Н, Относительная диэлектрическая проницаемость 1.1, Емкость 22 пФ/см2, Измерительный диапазон <300 Н/см2, толщина измерительного элемента 0.4 мм.This type of sensors is produced, for example, by the Finnish company EmFit (http://emfit.com), sensors of the EmfitR-Series family. The sensitivity of the sensors is 25 rC / N, the relative dielectric constant is 1.1, the capacitance is 22 pF / cm 2 , the measuring range is <300 N / cm 2 , and the thickness of the measuring element is 0.4 mm.

Проведенные исследования показали высокую чувствительность данных сенсоров, существенно превосходящие по чувствительности тензометрические датчики и в 5 и более раз превышающие чувствительность недорогих акселерометрических датчиков.Studies have shown high sensitivity of these sensors, significantly superior in sensitivity to strain gauges and 5 or more times higher than the sensitivity of inexpensive accelerometric sensors.

В результате при использовании указанных датчиков возможно относительно несложное выделение сигналов дыхательной, сердечной и двигательной деятельности человека в состоянии лежа.As a result, when using these sensors, it is possible to relatively easily isolate the signals of the respiratory, cardiac and motor activity of a person in a lying position.

Несмотря на указанные параметры устройства, данные датчики обладают определенным недостатком, свойственным сегнетоэлектрическим материалам. За счет наведенной поляризации, выходной сигнал датчика приобретает ярко выраженную постоянную компоненту, что приводит к перегрузке входного усилителя (У1) и ухудшению качества измерения полезного сигнала.Despite the specified device parameters, these sensors have a certain drawback inherent in ferroelectric materials. Due to the induced polarization, the output signal of the sensor acquires a pronounced constant component, which leads to an overload of the input amplifier (U1) and a deterioration in the quality of the measurement of the useful signal.

Устройство финского производителя на основе сенсоров EmfitR-Series обладает неплохим параметрами, но, как оказалось, подвержено воздействию электростатической поляризации, из-за чего сенсор перегружается наводками и перестает выдавать полезный сигнал. Установлено экспериментально, что даже сотовый телефон в режиме ожидания, находящийся рядом с сенсором, приводит к его неработоспособности. Это вызвано развитой поверхностью, являющейся, по существу, эффективной приемной антенной ввиду металлизированных элементов. Сенсор представляет собой конденсатор с высокоомным полимерным диэлектриком с наполнителем из сегнетоэлектрических частиц. Обкладки конденсатора низкоомные и выполнены из металлизированного материала. Соответственно, при кратковременном замыкании обкладок поляризующий заряд нейтрализуется. Величина поляризующего заряда достаточно велика и может составлять до киловольт на сантиметр, что приводит к полной перегрузке усилителя, поляризации сегнетоэлектика и потере свойств сенсора по преобразованию механических колебаний в напряжение. Следует отметить незначительное абсолютное значение этого напряжения (единицы вольт), но при его микронной толщине напряженности электрического поля значительны.The device of the Finnish manufacturer based on sensors EmfitR-Series has good parameters, but, as it turned out, is subject to electrostatic polarization, which is why the sensor is overloaded with crosstalk and ceases to give a useful signal. It was established experimentally that even a cell phone in standby mode, located next to the sensor, leads to its inoperability. This is due to the developed surface, which is essentially an effective receiving antenna due to the metallized elements. The sensor is a capacitor with a high-resistance polymer dielectric filled with ferroelectric particles. The capacitor plates are low resistance and made of metallized material. Accordingly, with a short-circuiting of the plates, the polarizing charge is neutralized. The magnitude of the polarizing charge is quite large and can reach up to kilovolts per centimeter, which leads to a complete overload of the amplifier, polarization of the ferroelectrics and loss of sensor properties for the conversion of mechanical vibrations to voltage. It should be noted a slight absolute value of this voltage (units of volts), but with its micron thickness, the electric field strengths are significant.

Недостатком существующего СВЧ устройства Baby Sleep Guard является ограничение проведения измерений параметров пульса человека, зависимые от положения тела человека, отличного от лежа на спине или на животе.The disadvantage of the existing Baby Sleep Guard microwave device is the limitation of measuring the heart rate of a person, depending on the position of the person’s body other than lying on his back or on his stomach.

В случае лежа на боку, при воздействии СВЧ излучения на человека добавляются потери, вызванные рукой, накрывающей сверху более подвижную часть тела - грудь или спину. В этом случае, колебания отраженного сигнала существенно ослабляются, что приводит к падению точности измерений. Повышение точности достижимо путем увеличением мощности СВЧ источника сигнала, а это нежелательно, т.к. длительное воздействие на человека мощного СВЧ излучения недопустимо в виду возможных патологий.In the case of lying on your side, when exposed to microwave radiation on a person, losses are added, caused by the hand covering the more mobile part of the body - chest or back. In this case, the oscillations of the reflected signal are significantly attenuated, which leads to a decrease in the measurement accuracy. Improving the accuracy is achieved by increasing the power of the microwave signal source, and this is undesirable, because prolonged exposure of a person to powerful microwave radiation is unacceptable in view of possible pathologies.

Второй способ повышения чувствительности СВЧ устройства - использование высокочувствительного приемника, что приводит к существенному повышению сложности и стоимости устройства.The second way to increase the sensitivity of a microwave device is to use a highly sensitive receiver, which leads to a significant increase in the complexity and cost of the device.

В нашем же случае пульсовая волна распространяется в виде механических колебаний по всему телу со слабым затуханием от сердца к периферии, что позволяет осуществлять ее регистрацию при любом положении тела в при условии механического контакта тела с сенсором, например, через матрас, одеяло или простыню.In our case, the pulse wave propagates in the form of mechanical vibrations throughout the body with weak attenuation from the heart to the periphery, which allows its registration at any position of the body under the condition of mechanical contact of the body with the sensor, for example, through a mattress, blanket or sheet.

В отличие от финского устройства, конструкция Изобретения предусматривает кратковременное замыкание ключа и, соответственно, разряд накопившегося заряда сенсора. Замыкание ключа происходит при возникновении значительной постоянной компоненты сигнала сенсора, иллюстрирующей, что произошла перегрузка усилителяпо входу. После кратковременного замывания ключа, сенсор снова готов к работе.Unlike the Finnish device, the design of the Invention provides for a short-circuit of the key and, accordingly, the discharge of the accumulated charge of the sensor. The key closes when a significant constant component of the sensor signal occurs, illustrating that the amplifier overloaded at the input. After briefly closing the key, the sensor is ready for operation again.

Для решения проблемы перегрузки сенсора, в рекомендуемое изготовителем сенсора схемное решение - сенсор С1 и усилитель У1, нагруженный на устройство регистрации сигнала УРС, - введены второй усилитель У2 и ключ К1.To solve the problem of sensor overload, a second amplifier U2 and key K1 are introduced into the circuitry recommended by the manufacturer of the sensor - sensor C1 and amplifier U1, loaded on the device for recording the signal URS, -.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

- При отсутствии поляризации сегнетоэлектрического материала сигнал сенсора С1 усиливается усилителем У1 и регистрируется обычным образом устройством регистрации УРС. Усилитель У2 обеспечивает дополнительное усиление сигнала для расширения динамического диапазона устройства в случае значительных механических воздействий на коврик.- In the absence of polarization of the ferroelectric material, the sensor signal C1 is amplified by the amplifier U1 and recorded in the usual way by the URS registration device. Amplifier U2 provides additional signal amplification to expand the dynamic range of the device in case of significant mechanical stresses on the mat.

- В случае появления значительной постоянной компоненты сигнала, соответствующей значительной поляризации сегнетоэлектрика и превышения заданного порога, ключ К1 замыкается, разряжая емкостную структуру и устраняя таким образом перегрузку усилителя.- In the event of a significant constant signal component corresponding to a significant polarization of the ferroelectric and exceeding a predetermined threshold, the key K1 closes, discharging the capacitive structure and thereby eliminating the overload of the amplifier.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности до более 97% измерения Устройством бесконтактным образом в непрерывном режиме ряда биометрических показателей человека в состоянии лежа. А именно, регистрируют показатели: частота пульса в минуту, частота дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмма.The technical result of the present invention is to increase accuracy to more than 97% of the measurement by the Device in a non-contact manner in a continuous mode of a number of biometric indicators of a person in a lying position. Namely, indicators are recorded: pulse rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram.

Устройство состоит из специально разработанных компонентов:The device consists of specially designed components:

- Аналоговый усилитель сигнала пьезоэлектрического сенсора, имеющий высокую разрешающую способность.- An analog signal amplifier of a piezoelectric sensor having a high resolution.

- Аналоговый фильтр, позволяющий убрать шумы, превышающие полезный сигнал на три порядка.- An analog filter that allows you to remove noise that exceeds the useful signal by three orders of magnitude.

- Цифроаналоговый преобразователь.- Digital to analog converter.

- Микропроцессорный модуль с прошивкой, содержащий программное обеспечение по предварительной обработке сигнала и передаче сигнала в облачную систему.- A microprocessor module with firmware, containing software for signal preprocessing and signal transmission to the cloud system.

При этом Устройство предназначено для непрерывной работы в течение 3 лет (в соответствии с правилами эксплуатации медицинского оборудования), не требует специального обслуживания, устойчиво к гигиеническим процедурам без погружения всего устройства или его частей в жидкость.At the same time, the device is designed for continuous operation for 3 years (in accordance with the rules of operation of medical equipment), does not require special maintenance, is resistant to hygiene procedures without immersing the entire device or its parts in liquid.

Представленные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают изобретение.The following examples illustrate but do not limit the invention.

Пример 1. Описание последовательности действия прибора для мониторинга состояния здоровья малоподвижных людей в бытовых условиях.Example 1. Description of the sequence of the device for monitoring the health status of sedentary people in a domestic environment.

Устройство может быть использовано в быту для мониторинга состояния здоровья малоподвижных людей (пациентов).The device can be used in everyday life to monitor the health status of sedentary people (patients).

При этом, решаются следующие задачи:At the same time, the following tasks are solved:

- Отсутствие человеческого фактора («забыл включить Устройство») при регистрации биометрических показателей.- Lack of human factor (“forgot to turn on the Device”) when registering biometric indicators.

- Пациенты подвергаются непрерывному наблюдению без какого-либо стеснения движений или иного воздействия со стороны Устройства- Patients are continuously monitored without any restriction of movement or other impact from the Device

- Устройство регистрирует биометрические показатели, что позволяет выполнить их визуализацию в реальном времени и предоставить возможность родственникам и/или медперсоналу мгновенно получить информацию о состоянии здоровья пациента.- The device records biometric indicators, which allows them to be visualized in real time and provide an opportunity for relatives and / or medical staff to instantly receive information about the patient’s health status.

- Полученные от Устройства биометрические показатели сохраняются заданное количество времени, что позволяет родственникам и медперсоналу получить информацию об истории изменения состояния здоровья пациента за день, сутки, неделю, месяц и так далее.- Biometric indicators received from the Device are stored for a specified amount of time, which allows relatives and medical staff to receive information about the history of changes in the patient’s health status for a day, day, week, month, and so on.

- Устройство привлекает внимание родственников и медперсонала за счет алармов (тревожных событий), сгенерированных при выходе регистрируемых биометрических показателей за границы коридоров или при регистрации паттернов различных патологий.- The device attracts the attention of relatives and medical staff due to alarms (disturbing events) generated when registered biometric indicators go out of the corridors or when registering patterns of various pathologies.

Пример 2. Описание последовательности действия прибора для контроля хронических заболеваний в бытовых условиях.Example 2. Description of the sequence of actions of the device for the control of chronic diseases in domestic conditions.

По данным Европейского региона Всемирной Организации Здравоохранения, хронические неинфекционные заболевания (ХНИЗ) обусловливают почти 86% от всей смертности и 77% бремени болезней, что влечет за собой основную нагрузку на систему здравоохранения, наносит ущерб экономическому развитию страны. ХНИЗ являются главной причиной смертности, заболеваемости и инвалидности во всем мире, в том числе и в Российской Федерации.According to the European Region of the World Health Organization, chronic noncommunicable diseases (CID) account for almost 86% of all mortality and 77% of the disease burden, which entails a major burden on the health system and is detrimental to the country's economic development. NCDs are the main cause of mortality, morbidity and disability throughout the world, including in the Russian Federation.

Устройство может быть использовано в быту для контроля хронических заболеваний малоподвижных людей (пациентов).The device can be used in everyday life to control chronic diseases of sedentary people (patients).

При этом, решаются следующие задачи:At the same time, the following tasks are solved:

- Регистрация и визуализация биометрических показателей пациентов в реальном времени позволяет родственникам и медперсоналу получить информацию об изменениях состоянии здоровья пациента после приема препаратов или проведения манипуляций.- Registration and visualization of biometric indicators of patients in real time allows relatives and medical staff to receive information about changes in the patient’s health after taking medications or performing manipulations.

- Сохранение биометрических показателей заданное количество времени позволяет родственникам и медперсоналу оценить степень влияния терапии на состояние здоровья пациента во времени (сутки, неделя, месяц и далее).- Preserving biometric indicators for a specified amount of time allows relatives and medical staff to assess the degree of influence of therapy on the patient’s health status over time (day, week, month, and more).

- Регистрация паттернов изменения наблюдаемых показателей больного позволяет обратить внимание родственников и медперсонала на надвигающееся осложнение до момента наступления необратимых состояний здоровья. Такими паттернами могут быть: эпизоды аритмии, частые посещения уборной во время сна, длительное засыпание из-за осложненного дыхания, внезапные приступы кашля во время сна, увеличение времени нахождения в кровати и многие другие.- Registration of patterns of changes in the observed indicators of the patient allows you to draw the attention of relatives and medical staff to the impending complication until the onset of irreversible health conditions. Such patterns can be: episodes of arrhythmia, frequent visits to the restroom during sleep, prolonged falling asleep due to complicated breathing, sudden attacks of coughing during sleep, an increase in the time spent in bed, and many others.

Пример 3. Описание последовательности действия прибора для управления курсами лечения в бытовых условиях.Example 3. Description of the sequence of actions of the device for managing treatment courses in a domestic environment.

Устройство может быть использовано в быту для контроля хронических заболеваний людей (пациентов), проводящих в кровати значительное время.The device can be used in everyday life to control chronic diseases of people (patients) who spend considerable time in bed.

При этом, решаются следующие задачи:At the same time, the following tasks are solved:

- Устройство позволяет врачу внести актуальные корректировки в курс лечения в зависимости от того, каким образом больной реагирует на проводимую терапию, исходя из обратной связи - характера изменений показателей здоровья пациента, регистрируемых Устройством.- The device allows the doctor to make actual adjustments to the course of treatment, depending on how the patient responds to the therapy, based on feedback - the nature of the changes in the patient’s health indicators recorded by the device.

- Устройство позволяет врачу внести актуальные корректировки в курс лечения в зависимости от того, каким образом больной реагирует на проводимую терапию, исходя из обратной связи - трендов показателей здоровья пациента за день, сутки, неделю, месяц и далее.- The device allows the doctor to make actual adjustments to the course of treatment, depending on how the patient responds to the therapy, based on feedback - the patient’s health indicators for the day, day, week, month and beyond.

- Устройство позволяет врачу диагностировать осложнения из-за проводимой терапии и скорректировать курс лечения благодаря регистрации паттернов изменения наблюдаемых показателей больного за день, сутки, неделю, месяц и так далее.- The device allows the doctor to diagnose complications due to ongoing therapy and adjust the course of treatment due to registration of patterns of changes in the observed indicators of the patient for a day, day, week, month, and so on.

Claims (13)

1. Устройство бесконтактной регистрации показателей жизнедеятельности пациента в непрерывном режиме в состоянии лежа, включающее:1. The device is a non-contact recording of vital signs of a patient in a continuous state while lying down, including: корпус, выполненный в виде пластмассовой литой формы и размещающийся в непосредственной близости от койки больного или крепящийся к койке при помощи крепежных приспособлений;the case, made in the form of a plastic molded form and located in the immediate vicinity of the patient’s bed or attached to the bed with the help of fastening devices; расположенный непосредственно в корпусе контроллер, включающий усилитель 1 (У1), усилитель 2 (У2), обеспечивающий дополнительное усиление сигнала для расширения динамического диапазона устройства в случае механических воздействий на сенсор (С1) и ключ (К1), устройство регистрации сигнала (УPC), при включении питания соединяющееся с облачным сервисом при помощи защищенного соединения SSL и на уровне прикладного протокола передачи данных в непрерывном режиме передающее в облачное приложение частоту пульса в минуту, частоту дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмму;a controller located directly in the housing, including amplifier 1 (U1), amplifier 2 (U2), providing additional signal amplification to expand the dynamic range of the device in case of mechanical influences on the sensor (C1) and key (K1), signal recording device (УPC), when turned on, it connects to the cloud service using a secure SSL connection and at the level of the application data transfer protocol continuously transfers the heart rate per minute, respiration rate per minute, to the cloud application ks hemodynamic activity, motor activity index intervallogrammu; сенсор (С1), представленный пьезоэлектрическим датчиком семейства EmfitR-Series, размещающийся в чехле, который фиксируется к кровати под матрасом больного в районе, где расположены лопатки лежачего человека, при этом сенсор (С1) соединен с усилителем 1 (У1) коаксиальным кабелем.a sensor (C1), represented by a piezoelectric sensor of the EmfitR-Series family, located in a cover that is fixed to the bed under the patient’s mattress in the area where the shoulder blades are located, while the sensor (C1) is connected to the amplifier 1 (U1) by a coaxial cable. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство регистрации сигнала (УPC) имеет стандартный разъем micro-USB для подачи питающего напряжения 5 В.2. The device according to claim 1, characterized in that the signal recording device (UPC) has a standard micro-USB connector for supplying a supply voltage of 5 V. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство регистрации сигнала (УРС) имеет разъем RJ45 для соединения с маршрутизатором, установленном в помещении, при помощи проводного соединения, например, Ethernet.3. The device according to claim 1, characterized in that the signal recording device (URS) has an RJ45 connector for connecting to a router installed in the room using a wired connection, for example, Ethernet. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сенсор (С1) представляет собой пьезоэлектрический датчик семейства EmfitR-Series с чувствительностью 25 пКл/Н, относительной диэлектрической проницаемостью 1.1, емкостью 22 пФ/см2, измерительным диапазоном <300 Н/см2, толщиной измерительного элемента 0.4 мм, длиной измерительного элемента 800 мм.4. The device according to claim 1, characterized in that the sensor (C1) is a piezoelectric sensor of the EmfitR-Series family with a sensitivity of 25 pC / N, a relative permittivity of 1.1, a capacity of 22 pF / cm 2 , a measuring range of <300 N / cm 2 , the thickness of the measuring element 0.4 mm, the length of the measuring element 800 mm 5. Способ бесконтактной регистрации показателей жизнедеятельности пациента в состоянии лежа, согласно которому сенсор (С1) устройства по п. 1 фиксируют к кровати под матрасом больного в районе, где расположены лопатки лежачего человека;5. The method of non-contact recording of vital signs of a patient in a lying state, according to which the sensor (C1) of the device according to claim 1 is fixed to the bed under the patient’s mattress in the area where the shoulder blades are located; при включении питания устройства по п. 1 измеряют частоту пульса в минуту, частоту дыхания в минуту, индекс гемодинамической активности, индекс двигательной активности, интерваллограмму;when you turn on the power of the device according to claim 1, measure the heart rate per minute, respiratory rate per minute, hemodynamic activity index, motor activity index, intervalogram; получают измеряемые данные через облачный сервис;receive measured data through a cloud service; сохраняют полученные от устройства по п. 1 показатели жизнедеятельности заданное количество времени;save the vital signs received from the device according to claim 1 for a predetermined amount of time; регистрируют паттерны изменения наблюдаемых показателей жизнедеятельности;register patterns of changes in observed vital signs; диагностируют изменения состояния здоровья пациента вследствие проводимой терапии и при необходимости корректируют курс лечения.diagnose changes in the patient’s health due to therapy and, if necessary, adjust the course of treatment.
RU2017101824A 2017-01-20 2017-01-20 Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying RU2698441C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017101824A RU2698441C2 (en) 2017-01-20 2017-01-20 Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017101824A RU2698441C2 (en) 2017-01-20 2017-01-20 Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017101824A3 RU2017101824A3 (en) 2018-07-23
RU2017101824A RU2017101824A (en) 2018-07-23
RU2698441C2 true RU2698441C2 (en) 2019-08-26

Family

ID=62981369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017101824A RU2698441C2 (en) 2017-01-20 2017-01-20 Device for non-contact recording of patient's biometric parameters in lying

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2698441C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA006378B1 (en) * 2001-06-13 2005-12-29 Тст-Тачлесс Сенсор Текнолоджи Сейлз Энд Маркетинг Аг Method and device for recognition of natural skin with touchless biometric identification of a person
CN1731953A (en) * 2002-11-20 2006-02-08 赫艾纳医疗公司 Devices and methods for passive patient monitoring
WO2007136610A2 (en) * 2006-05-17 2007-11-29 University Of Hawaii Determining presence and/or physiological motion of one or more subjects with multiple receiver doppler radar systems
RU2533683C2 (en) * 2012-09-21 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "НаноПульс" (ООО "НаноПульс") Device for remote non-contact monitoring of parameters of living body vital activity
RU150600U1 (en) * 2014-05-27 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Научный центр биомедицинских технологий Федерального медико-биологического агентства" (ФГБУН НЦБТМ ФМБА России) SYSTEM FOR NON-CONTACT REGISTRATION OF BIOMETRIC DATA AND DIAGNOSTICS OF PSYCHOLOGICAL AND HUMAN STATE
RU2579422C1 (en) * 2014-10-29 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" Method of hidden evaluating and monitoring of hazardous psychophysiological states of human-machine system operator during professional activities

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA006378B1 (en) * 2001-06-13 2005-12-29 Тст-Тачлесс Сенсор Текнолоджи Сейлз Энд Маркетинг Аг Method and device for recognition of natural skin with touchless biometric identification of a person
CN1731953A (en) * 2002-11-20 2006-02-08 赫艾纳医疗公司 Devices and methods for passive patient monitoring
WO2007136610A2 (en) * 2006-05-17 2007-11-29 University Of Hawaii Determining presence and/or physiological motion of one or more subjects with multiple receiver doppler radar systems
RU2533683C2 (en) * 2012-09-21 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "НаноПульс" (ООО "НаноПульс") Device for remote non-contact monitoring of parameters of living body vital activity
RU150600U1 (en) * 2014-05-27 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Научный центр биомедицинских технологий Федерального медико-биологического агентства" (ФГБУН НЦБТМ ФМБА России) SYSTEM FOR NON-CONTACT REGISTRATION OF BIOMETRIC DATA AND DIAGNOSTICS OF PSYCHOLOGICAL AND HUMAN STATE
RU2579422C1 (en) * 2014-10-29 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" Method of hidden evaluating and monitoring of hazardous psychophysiological states of human-machine system operator during professional activities

Also Published As

Publication number Publication date
RU2017101824A3 (en) 2018-07-23
RU2017101824A (en) 2018-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8672842B2 (en) Smart mattress
US20120220835A1 (en) Wireless physiological sensor system and method
Digarse et al. Arduino UNO and GSM based wireless health monitoring system for patients
US20070276202A1 (en) Method and Apparatus for Measuring and Monitoring Vital Functions or Presence
US20120053423A1 (en) Smart mattress
US20110071364A1 (en) Remote Patient Monitoring System and Method Thereof
JP7340600B2 (en) Sensor, method for estimating the core temperature of a living body, and method for using the sensor
WO2010105203A2 (en) Method and apparatus for elder care monitoring
CN207410367U (en) A kind of family health care cloud service system based on Internet of Things
Tamura Home geriatric physiological measurements
JP5095949B2 (en) Infant health management / monitoring device
TWM444565U (en) Electronic vital-sign system with manually entering vital-sign data function
Jiang et al. A PVDF-based flexible cardiorespiratory sensor with independently optimized sensitivity to heartbeat and respiration
Cohen-McFarlane et al. Bed-Based Health monitoring using pressure sensitive technology: A review
JP6521345B1 (en) Measuring belt
Konstantas Section 4: Sensor, Signal and Imaging Informatics: An Overview of Wearable and Implantable Medical Sensors
JP2012005727A (en) Vital dynamic behavior detecting device
RU2698441C2 (en) Device for non-contact recording of patient&#39;s biometric parameters in lying
KR101524248B1 (en) System and method for cardiopulmonary fitness estimatiion using film-type bio-signal measurement device
Shin et al. Ubiquitous house and unconstrained monitoring devices for home healthcare system
CN113164101A (en) Apnea detection system, method, computing device and storage medium
KR20090053441A (en) Living body signal measurement device that use piezo sensor
JP2023523610A (en) Real-time multiple monitoring device and method using electrocardiograph
Deepa et al. Patient health monitoring based on ZigBee module
KR20110128382A (en) Medical assistance system for monitoring biomedical signal

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant
FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20181211

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200121