RU2799619C1

RU2799619C1 - Software and hardware system for epileptic seizures prediction

Info

Publication number: RU2799619C1
Application number: RU2022117261A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Жидков; Дарья Евгеньевна Чекмарева
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-07-07

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to software and hardware systems for predicting epileptic seizures. The system comprises ultrasonic sensors capable of operating in a bidirectional mode of generating and receiving sound vibrations, a switch, a pulser, an excitation signal generator, ultrasonic signal preamplifiers, signal conversion units, amplifying stages of echo signals and analogue-to-digital converters. In addition, the system comprises a motion sensor, a motion signal amplifying cascade, a band pass filter, digital and universal processors, a display, a USB interface, a Wi-Fi module, a data input interface, a memory card, a sound indicator, a battery and a synchronizer. The mount for ultrasonic sensors is configured for placing on the patient's neck and positioning the sensors opposite the common carotid artery. The mount is equipped with plates on the inside and holders on the outside for covering and positioning ultrasonic sensors. The mount is equipped with screws to connect the sensors to the mount and covers to cover the holders on the outside of the mount. The digital processor is configured to calculate the blood flow velocity in the common carotid artery and acceleration. The general-purpose processor is configured to calculate the probability of occurrence of an epileptic seizure and output the high probability to a display and an audible indicator.

EFFECT: prediction of an epileptic seizure for a time sufficient to reduce the risk of injury and death when it occurs, which will improve the quality of life of people with epilepsy.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области здравоохранения, а именно, к эпилептологии и может быть использовано для прогнозирования эпилептических приступов.The invention relates to the field of healthcare, namely, to epileptology and can be used to predict epileptic seizures.

Известна ультразвуковая система с автоматической установкой параметров допплеровского потока, содержащая ультразвуковой зонд, формирователь луча, контроллер формирователя луча, квадратурный полосовой фильтр, устройство оценки допплеровского угла, детектор β-режима, процессор изображений β-режима, процессор расположения и угла наклона цветовой рамки, графический процессор, процессор цветовой визуализации кровотока, спектральный допплеровский процессор, процессор отображения, экран устройства отображения (см. патент РФ №2606961, МПК G01S 7/52, публ. 2017 г.).Known ultrasound system with automatic setting of Doppler flow parameters, containing an ultrasonic probe, a beamformer, a beamformer controller, a quadrature band pass filter, a Doppler angle estimator, a β-mode detector, a β-mode image processor, a processor for positioning and tilting a color frame, a graphic processor, blood flow color imaging processor, spectral Doppler processor, display processor, display device screen (see RF patent No. 2606961, IPC G01S 7/52, publ. 2017).

Недостатком данного устройства является отсутствие портативности, дополнительного канала, позволяющего регистрировать движения человека с целью регистрации эпилептических приступов, алгоритма прогнозирования эпилептического приступа.The disadvantage of this device is the lack of portability, an additional channel that allows you to record human movements in order to register epileptic seizures, an algorithm for predicting an epileptic seizure.

Наиболее близким к заявленному предложению является устройство ультразвукового допплеровского мониторирования, содержащее ультразвуковые датчики, коммутатор, тракт формирования зондирующих сигналов, формирователь сигналов возбуждения, палсер, тракт приема эхо-сигналов, малошумящий усилитель, усилитель с изменяющимся по времени коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор сигналов, универсальный процессор, разъем для подключения съемной карты памяти, сенсорный экран, блок обмена информацией, модуль интерфейса WiFi и/или модуль интерфейса USB, синхронизатор, блок питания, аккумулятор (см. патент РФ №182791, МПК А61В 8/06, публ. 2018 г.).Closest to the claimed proposal is an ultrasonic Doppler monitoring device containing ultrasonic sensors, a switch, a probing signal generation path, an excitation signal generator, a pulser, an echo signal receiving path, a low-noise amplifier, an amplifier with a time-varying gain, an analog-to-digital converter, digital signal processor, universal processor, connector for a removable memory card, touch screen, information exchange unit, WiFi interface module and / or USB interface module, synchronizer, power supply, battery (see RF patent No. 182791, MPK A61V 8/06 , published 2018).

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует возможность регистрации эпилептического приступа и алгоритма прогнозирования по изменению параметров сердечно-сосудистой системы.The disadvantage of this device is that it lacks the ability to register an epileptic seizure and a prediction algorithm for changing the parameters of the cardiovascular system.

Технической задачей является прогнозирование эпилептического приступа и его регистрации с целью уменьшения риска травматизации и летального исхода при возникновении эпилептического приступа.The technical task is to predict an epileptic seizure and its registration in order to reduce the risk of injury and death in the event of an epileptic seizure.

Техническая задача достигается тем, что программно-аппаратный комплекс по прогнозированию эпилептических приступов, включающий блок электроники, содержащий коммутатор, взаимодействующий с трактом формирования зондирующих сигналов, содержащим палсер, соединенный с формирователем сигналов возбуждения, при этом двумя входами коммутатор блока электроники связан с выходами ультразвуковых датчиков, а третьим входом - с выходом палсера, по два выхода коммутатора соединены с предусилителями ультразвукового сигнала, которые соответственно сопряжены с блоками преобразования сигнала, а через них последовательно соединены соответственно с усилительными каскадами эхо-сигналов и аналого-цифровым преобразователем, к которому подключены последовательно соединенные датчик движения, усилительный каскад сигнала движения и полосовой фильтр с последующей интеграцией аналого-цифрового преобразователя в цифровой процессор, подключенный к универсальному процессору, к которому подсоединены дисплей, USB-интерфейс, Wi-fi модуль, интерфейс ввода данных, карта памяти и звуковой индикатор, сопряженные с аккумулятором и синхронизатором.The technical problem is achieved by the fact that the hardware-software complex for predicting epileptic seizures, including an electronics unit containing a switch that interacts with a path for generating probing signals, containing a pulser connected to the excitation signal generator, with two inputs of the switch of the electronics unit connected to the outputs of ultrasonic sensors , and the third input - with the output of the pulser, two outputs of the switch are connected to the preamplifiers of the ultrasonic signal, which are respectively connected to the signal conversion units, and through them are connected in series, respectively, to the amplifying stages of the echo signals and the analog-to-digital converter, to which the series-connected a motion sensor, an amplifying stage of the motion signal and a bandpass filter with the subsequent integration of an analog-to-digital converter into a digital processor connected to a universal processor, to which a display, a USB interface, a Wi-fi module, a data input interface, a memory card and a sound indicator are connected, paired with a battery and a synchronizer.

Технический результат заключается в возможности прогнозирования эпилептического приступа за время, достаточное для снижения риска травматизации и летального исхода при его возникновении, что повысит качество жизни людей с заболеванием эпилепсией.The technical result consists in the possibility of predicting an epileptic seizure in a time sufficient to reduce the risk of injury and death when it occurs, which will improve the quality of life of people with epilepsy.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.The essence of the invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема устройства; на фиг. 2 представлены конструктивные особенности крепления, к которому присоединены ультразвуковые датчики; на фиг. 3 продемонстрировано изображение блока электроники программно-аппаратного комплекса по прогнозированию эпилептических приступов.In FIG. 1 shows a structural and functional diagram of the device; in fig. 2 shows the design features of the mount to which ultrasonic sensors are attached; in fig. Figure 3 shows an image of the electronics unit of the hardware-software complex for predicting epileptic seizures.

Программно-аппаратный комплекс (фиг. 1) включает в себя ультразвуковые датчики 1 и 2, подключенные к блоку электроники, который содержит коммутатор 3, взаимодействующий с трактом 4 формирования зондирующих сигналов, содержащим палсер 5, соединенный с формирователем 6 сигналов возбуждения. Двумя входами коммутатор 3 блока электроники связан с выходами датчиков 1 и 2, а третьим входом - с выходом палсера 5. По два выхода коммутатора 3 соединены с предусилителями 7 и 8 ультразвукового сигнала, которые соответственно сопряжены с блоками 9 и 10 преобразования сигнала, а через них последовательно соединены соответственно с усилительными каскадами 11 и 12 эхо-сигналов и аналого-цифровым преобразователем 13, к которому подключены последовательно соединенные датчик 14 движения, усилительный каскад 15 сигнала движения и полосовой фильтр 16 с последующей интеграцией аналого-цифрового преобразователя 13 в цифровой процессор 17, подключенный к универсальному процессору 18, к которому подсоединены дисплей 19, USB-интерфейс 20, Wi-fi модуль 21, интерфейс 22 ввода данных, карта 23 памяти и звуковой индикатор 24, сопряженные с аккумулятором 25 и синхронизатором 26.The hardware-software complex (Fig. 1) includes ultrasonic sensors 1 and 2 connected to the electronics unit, which contains a switch 3 that interacts with the path 4 for generating probing signals, containing the pulser 5 connected to the shaper 6 of the excitation signals. By two inputs, the switch 3 of the electronics unit is connected to the outputs of the sensors 1 and 2, and the third input is connected to the output of the pulser 5. Two outputs of the switch 3 are connected to the preamplifiers 7 and 8 of the ultrasonic signal, which are respectively connected to the signal conversion units 9 and 10, and through of them are connected in series, respectively, with amplifying stages 11 and 12 of echo signals and an analog-to-digital converter 13, to which a series-connected motion sensor 14, an amplifying stage 15 of a motion signal and a band-pass filter 16 are connected, followed by integration of an analog-to-digital converter 13 into a digital processor 17 connected to the universal processor 18, to which the display 19, USB interface 20, Wi-fi module 21, data input interface 22, memory card 23 and sound indicator 24 are connected, associated with the battery 25 and the synchronizer 26.

На фиг. 2 представлена конструкция комплекса: крепление 27 для присоединения ультразвуковых датчиков 1 и 2 с проводами для подключения к блоку электроники, подкладка 28 для комфортного ношения крепления 27. Специальные пластины 29 с внутренней стороны крепления 27 и держатели 30 с внешней стороны крепления 27 служат для прикрывания и позиционирования ультразвуковых датчиков 1 и 2 и снабжены винтами 31 для соединения их с креплением 27. Крышки 32 служат для прикрывания держателей 30 с внешней стороны крепления 27.In FIG. Figure 2 shows the design of the complex: mount 27 for connecting ultrasonic sensors 1 and 2 with wires for connecting to the electronics unit, lining 28 for comfortable wearing of mount 27. Special plates 29 on the inside of mount 27 and holders 30 on the outside of mount 27 serve to cover and positioning ultrasonic sensors 1 and 2 and are equipped with screws 31 to connect them to the mount 27. Covers 32 serve to cover the holders 30 from the outside of the mount 27.

На фиг. 3 продемонстрировано изображение блока электроники в разобранном виде, на котором указаны передняя крышка 33 корпуса, предназначенная для крепления дисплея 19 с интерфейсом 22 ввода данных и универсальным процессором 18 (на рисунке не показан), цифровой процессор 17, радиатор 34 с аккумулятором 25 (на рисунке не показан) и задняя крышка 35 корпуса. На дисплей 19 наклеены защитный экран 36 и пленка 37 с обозначениями, а в переднюю крышку 33 корпуса в специальный слот вставлена карта 23 памяти для сбора данных скорости кровотока в общей сонной артерии. Винты 38 предназначены для соединения дисплея 19, цифрового процессора 17 и радиатора 34 между передней 33 и задней 35 крышками корпуса блока электроники.In FIG. Figure 3 shows an exploded view of the electronics unit, which shows the front cover 33 of the housing, designed to mount the display 19 with the data input interface 22 and the universal processor 18 (not shown in the figure), the digital processor 17, the radiator 34 with the battery 25 (in the figure not shown) and back cover 35 of the housing. A protective screen 36 and a film 37 with symbols are pasted on the display 19, and a memory card 23 is inserted into a special slot in the front cover 33 of the housing to collect data on the blood flow velocity in the common carotid artery. The screws 38 are designed to connect the display 19, the digital processor 17 and the heatsink 34 between the front 33 and rear 35 covers of the electronics housing.

Комплекс работает следующим образом.The complex works as follows.

Ультразвуковые датчики 1 и 2 работают за счет коммутатора 3 в двунаправленном режиме - генерируют и принимают звуковые колебания. Генерацию колебаний осуществляет тракт 4 формирования зондирующих сигналов, который состоит из палсера 5 и формирователя 6 сигналов возбуждения. Принимаемые сигналы с поверхности исследуемого участка, проходя датчики 1 и 2 и коммутатор 3, усиливаются предусилителями 7 и 8 ультразвукового сигнала и поступают на блоки 9 и 10 преобразования сигнала, где происходит смешение сигнала и его сдвиг на фазу, после чего преобразованный сигнал поступает на усилительные каскады 11 и 12 эхо-сигналов, в которых происходят его преобразование в напряжение и усиление и фильтрация с целью выделения информативной частоты. Дополнительно и синхронно с этим каналом датчик 14 движения регистрирует движения по XYZ-изометрии и преобразует сигнал в электрический. Затем электрический преобразованный сигнал преобразуется и усиливается на усилительном каскаде 15 сигнала движения. Полосовой фильтр 16 оставляет в сигнале только информативные составляющие о возникновении эпилептического приступа. Преобразованные сигналы, несущие информацию об эпилептическом приступе, с усилительных каскадов 11 и 12 и полосового фильтра 16 попадают на аналого-цифровой преобразователь 13, где аналоговый сигнал принимает дискретную форму для дальнейших математических операций по расчету скорости кровотока в общей сонной артерии и ускорения, которые осуществляются цифровым процессором 17, основанным на кристалле FPGA, после которого универсальный процессор 18 применяет дополнительные алгоритмы обработки дискретного сигнала для расчета вероятности возникновения эпилептического приступа, осуществляя визуализацию результата через дисплей 19 и, в случае высокой вероятности возникновения, оповещая через звуковой индикатор 24. Программно-аппаратный комплекс позволяет передавать данные через USB-интерфейс 20, Wi-fi модуль 21 и карту 23 памяти. Интерфейс 22 ввода данных позволяет просматривать данные, вводить индивидуальные параметры пациента. Аккумулятор 25 осуществляет питание всех необходимых элементов комплекса. Синхронизатор 26 обеспечивает синхронную передачу и обработку данных. Пример прогнозирования эпилептического приступа.Ultrasonic sensors 1 and 2 work at the expense of the switch 3 in a bidirectional mode - they generate and receive sound vibrations. Oscillations are generated by path 4 for generating probing signals, which consists of a pulser 5 and a shaper 6 of excitation signals. The received signals from the surface of the investigated area, passing the sensors 1 and 2 and the switch 3, are amplified by the preamplifiers 7 and 8 of the ultrasonic signal and enter the signal conversion units 9 and 10, where the signal is mixed and shifted into phase, after which the converted signal is fed to the amplifying cascades 11 and 12 of echo signals, in which it is converted into voltage and amplification and filtering in order to highlight the informative frequency. Additionally and synchronously with this channel, the motion sensor 14 registers movements along the XYZ isometry and converts the signal into an electrical one. The electrically converted signal is then converted and amplified in the motion signal amplifier stage 15 . Bandpass filter 16 leaves only informative components in the signal about the occurrence of an epileptic seizure. The converted signals carrying information about an epileptic seizure from the amplifying stages 11 and 12 and the bandpass filter 16 are sent to the analog-to-digital converter 13, where the analog signal takes a discrete form for further mathematical operations to calculate the blood flow velocity in the common carotid artery and acceleration, which are carried out a digital processor 17 based on an FPGA chip, after which the universal processor 18 applies additional discrete signal processing algorithms to calculate the probability of an epileptic seizure, visualizing the result through the display 19 and, in case of a high probability of occurrence, notifying through the sound indicator 24. the complex allows you to transfer data via USB-interface 20, Wi-fi module 21 and memory card 23. Interface 22 data entry allows you to view data, enter the individual parameters of the patient. Battery 25 provides power to all the necessary elements of the complex. Synchronizer 26 provides synchronous transmission and processing of data. An example of predicting an epileptic seizure.

На шею пациента надевают крепление с ультразвуковыми датчиками и позиционируют их напротив общей сонной артерии. Включают программно-аппаратный комплекс, который начинает измерять скорость кровотока в общей сонной артерии в см/с.Возрастание скорости кровотока в артерии регистрируется в программно-аппаратном комплексе с помощью цифрового процессора 17, в котором заложено пороговое значение скорости, выше которого возможен приступ, и затем на основании математических операций и алгоритмов машинного обучения в универсальном процессоре 18 рассчитывается вероятность возникновения приступа. Если вероятность возникновения приступа велика, он оповещает с помощью звукового индикатора 24 пациента с заболеванием эпилепсией о возможном приближающемся приступе, тем самым предоставляя время, за которое человек с заболеванием эпилепсией может принять удобное положение для снижения риска травматизации или принять медикаментозную терапию.A mount with ultrasonic sensors is put on the patient's neck and positioned opposite the common carotid artery. The software and hardware complex is turned on, which starts measuring the blood flow velocity in the common carotid artery in cm/s. then, based on mathematical operations and machine learning algorithms in the universal processor 18, the probability of an attack is calculated. If a seizure is likely to occur, it alerts epileptic patients with an audible indicator 24 of a possible impending seizure, thereby providing time for the epileptic person to take a comfortable position to reduce the risk of injury or take medication.

Claims

A hardware-software complex for predicting epileptic seizures, containing ultrasonic sensors capable of operating in a bidirectional mode of generating and receiving sound vibrations and connected to a switch interacting with the probing signal generation path formed by a pulser connected to the excitation signal generator, the switch outputs are connected to ultrasonic signal preamplifiers, which are respectively coupled with signal conversion units, and through them are connected in series, respectively, with amplifying stages of echo signals and an analog-to-digital converter, to which a motion sensor, an amplifying stage of a motion signal and a band-pass filter, an analog-to-digital converter are connected in series connected to a digital processor connected to a universal processor, to which a display, a USB interface, a Wi-Fi module, a data input interface, a memory card and a sound indicator are connected, coupled with a battery and a synchronizer, and the complex contains a mount for ultrasonic sensors made with the possibility of placing on the patient's neck and positioning the sensors opposite the common carotid artery; the digital processor is configured to calculate the blood flow velocity in the common carotid artery and acceleration, and the universal processor is configured to calculate the probability of occurrence of an epileptic seizure and output a high probability to the display and sound indicator.