RU77766U1

RU77766U1 - DEVICE FOR NON-CONTACT REGISTRATION OF PHYSIOLOGICAL SIGNALS DURING SLEEP

Info

Publication number: RU77766U1
Application number: RU2008126934/22U
Authority: RU
Inventors: Роман Маркович Баевский; Ирина Исаевна Фунтова; Дмитрий Анатольевич Прилуцкий; Алексей Монесович Сударев
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2008-11-10

Abstract

Полезная модель относится к медицине, более точно к физиологии и может быть использована для бесконтактной регистрации физиологических сигналов у здоровых и больных людей во время сна. Предлагаемое устройство основано на регистрации микроколебаний тела человека с помощью датчика, размещаемого под подушкой спящего человека с последующим компьютерным анализом записанных в память устройства сигналов. Датчик предлагаемого устройства представляет собой плоскую платформу из двух пластин, соединенных упругими элементами из пластика. Внутрь устройства помещен датчик-акселерометр, регистрирующий микроперемещения одной из пластин по отношению к другой, которые связаны с линейными микроперемещениями тела, обусловленными работой сердца, дыханием и двигательной активностью. Сигналы в течение всей ночи записываются в память миниатюрного устройства и утром перезаписываются в компьютер. Полученные записи распознаются с помощью специальной программы, которая позволяет не только определять и измерять частоту пульса и дыхания, а также двигательную активность, но и анализировать вариабельность сердечного ритма. 1 н.п. ф-лы, 7 рис.The utility model relates to medicine, more specifically to physiology, and can be used for non-contact registration of physiological signals in healthy and sick people during sleep. The proposed device is based on the registration of microoscillations of the human body using a sensor placed under the pillow of a sleeping person with subsequent computer analysis of the signals recorded in the device’s memory. The sensor of the proposed device is a flat platform of two plates connected by elastic elements made of plastic. A sensor accelerometer is placed inside the device, which registers micromotion of one of the plates with respect to the other, which are associated with linear micromotion of the body due to the work of the heart, respiration and motor activity. Signals throughout the night are recorded in the memory of the miniature device and are overwritten in the morning in the computer. Records obtained are recognized using a special program that allows not only to determine and measure the pulse and respiration rate, as well as motor activity, but also to analyze heart rate variability. 1 n.p. crystals, 7 pic.

Description

Полезная модель относится к медицине, более точно к физиологии и может быть использована для бесконтактной регистрации физиологических сигналов у здоровых и больных людей во время сна.The utility model relates to medicine, more specifically to physiology, and can be used for non-contact registration of physiological signals in healthy and sick people during sleep.

Известно, что для исследования физиологических функций человека во время сна обычно применяют сложный комплекс приборов, получивших название полисомнографии (1). Для получения информации о фазах сна используют электроэнцефалографию, электроокулографию, электромиографию и ряд других методик. Все они требуют наклеивания датчиков в виде электродов и обследуемый человек должен одну или две ночи привыкать к ним, чтобы можно было получить объективную и надежную информацию. Поэтому интенсивно ведутся поиски более простых, но достаточно информативных методов изучения функционального состояния человека во время сна. Среди таких методик наибольшее распространение получила суточная регистрация электрокардиограммы (Холтеровское мониторирование) (2). Но и здесь человек вынужден спать с наклеенными электродами.It is known that to study the physiological functions of a person during sleep, they usually use a complex set of devices called polysomnography (1). To obtain information about the phases of sleep, electroencephalography, electrooculography, electromyography, and a number of other techniques are used. All of them require gluing sensors in the form of electrodes and the person being examined should get used to them one or two nights in order to obtain objective and reliable information. Therefore, intensive searches are being conducted for simpler, but quite informative methods for studying the functional state of a person during sleep. Among such techniques, daily recording of the electrocardiogram (Holter monitoring) is most widely used (2). But here, a person is forced to sleep with glued electrodes.

Ведется поиск и бесконтактных приборов съема информации во время сна. Среди них следует обратить внимание на устройства, основанные на регистрации микроперемещений тела, связанных с выбросом крови из сердца в крупные сосуды (баллистокардиография и сейсмокардиография). Ограниченное распространение получил метод статической кровати, разработанный финскими авторами (3). Однако, эти устройства мало пригодны для широкого использования в практике, имея в виду не только исследования в клинике, но главным образом, исследования в санаториях и в домашней обстановке, поскольку все они являются громоздкими, нетранспортабельными и сложными в обращении.A search is also being made for contactless devices for retrieving information during sleep. Among them, attention should be paid to devices based on the registration of micro-movements of the body associated with the release of blood from the heart into large vessels (ballistic cardiography and seismocardiography). The static bed method developed by Finnish authors (3) received limited distribution. However, these devices are not very suitable for widespread use in practice, bearing in mind not only research in the clinic, but mainly research in sanatoriums and at home, since they are all bulky, non-transportable and difficult to handle.

Наибольшего внимания заслуживают приборы для исследований во время сна, созданные в космической медицине. Это, прежде всего, система «Ночь» на основе регистрации баллистокардиограммы с помощью сейсмического датчика-акселерометра, закрепленного на спальном мешке космонавта (4). Не менее интересен используемый в настоящее время на Международной космической станции прибор «Сонокард», где регистрируется сейсмокардиограмма с помощью устройства, помещаемого в нагрудный карман майки или рубашки (5).The most noteworthy devices for research during sleep, created in space medicine. First of all, this is the Night system based on recording a ballistic cardiogram using a seismic accelerometer sensor mounted on an astronaut’s sleeping bag (4). No less interesting is the Sonocard instrument currently used at the International Space Station, where a seismocardiogram is recorded using a device placed in the breast pocket of a T-shirt or shirt (5).

Известное устройство, описанное в источнике 4, было выбрано в качестве прототипа. Известное устройство содержит датчик микродвижений человека в виде сейсмического - акселерометра, блоки записи зарегистрированных сигналов и блоки обработки этих сигналовThe known device described in source 4 was selected as a prototype. The known device contains a human micromotion sensor in the form of a seismic accelerometer, recording units for recorded signals and processing units for these signals

Недостатком известного устройства является то, что оно не может обеспечить высокую точность результатов, ввиду несовершенства конструкции датчика. Датчик в известном устройстве крепится в спальном мешке космонавта, что не всегда является оптимальным. Кроме того, крепление датчика внутри мешка в силу различных физиологических особенностей организма не всегда правильно обеспечивает корреляцию снимаемых показателей с выносимыми по этим результатам суждениями.A disadvantage of the known device is that it cannot provide high accuracy of the results, due to imperfections in the design of the sensor. The sensor in the known device is mounted in the sleeping bag of the astronaut, which is not always optimal. In addition, the mounting of the sensor inside the bag due to various physiological characteristics of the body does not always correctly ensure the correlation of the indicators taken with the judgments made on these results.

Техническим результатом полезной модели является создание простого бесконтактного портативного устройства, легко размещаемого в постели спящего человека, не мешающего физиологическому течению сна и обеспечивающему получение более точных результатов.The technical result of the utility model is the creation of a simple non-contact portable device that is easily placed in a sleeping person’s bed, which does not interfere with the physiological course of sleep and provides more accurate results.

Этот технический результат достигается тем, что в известном устройстве для бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна, включающего датчик микродвижений человека в виде сейсмического акселерометра, блоки записи зарегистрированных сигналов и блоки обработки этих сигналов, датчик микродвижений выполнен с возможностью размещения его под подушкой обследуемого и представляет собой плоскую платформу, образованную двумя пластинами, соединенными This technical result is achieved by the fact that in the known device for non-contact recording of physiological signals during sleep, including a human micromotion sensor in the form of a seismic accelerometer, recording signal recording units and processing units for these signals, the micromotion sensor is arranged to be placed under the subject’s pillow and represents a flat platform formed by two plates connected

друг с другом упругими элементами, с расположенным на одной из пластин сейсмическим акселерометром, обеспечивающим регистрацию микроперемещений пластин относительно друг друга, соединяемый с возможностью разъема с корпусом прибора, в котором расположены так же соединенные с вышеуказанным разъемом последовательно соединяемые друг с другом блок защиты от статического электричества, аналого-цифровой преобразователь и микромощный операционный усилитель, при этом АЦП соединен с возможностью обратной связи с RISC контроллером, который в свою очередь соединен с возможностью обратной связи с часами реального времени и блоком накопления информации, а блок накопления информации через блок защиты от статического электричества соединен с помощью разъема с ПК компьютером, расположенным вне корпуса.with each other by elastic elements, with a seismic accelerometer located on one of the plates, providing registration of microdisplacements of the plates relative to each other, connected with the possibility of a connector to the device body, in which are also connected to the above connector the static protection block connected in series with each other , an analog-to-digital converter and a micropower operational amplifier, while the ADC is connected with the possibility of feedback with the RISC controller, which in Oy turn is connected in feedback with real time clock and the information storage unit, and the block information storage unit via the protection from static electricity is connected by a connector to a PC computer, located outside the housing.

Предлагаемое устройство для бесконтактной регистрации физиологических сигналов во время сна основано на регистрации микроколебаний тела человека с помощью датчика, размещаемого под подушкой спящего человека с последующим компьютерным анализом записанных в память устройства сигналов. Датчик предлагаемого устройства представляет собой плоскую платформу из двух пластин, соединенных упругими элементами из пластика. Внутрь устройства помещен датчик-акселерометр, регистрирующий микроперемещения одной из пластин по отношению к другой, которые связаны с линейными микроперемещениями тела, обусловленными работой сердца, дыханием и двигательной активностью. Сигналы в течение всей ночи записываются в память миниатюрного устройства и утром перезаписываются в компьютер. Полученные записи распознаются с помощью специальной программы, которая позволяет не только определять и измерять частоту пульса и дыхания, а также двигательную активность, но и анализировать вариабельность сердечного ритма. Устройство получило название «Кардиосон-3».The proposed device for non-contact registration of physiological signals during sleep is based on the registration of micro-oscillations of the human body using a sensor placed under the pillow of a sleeping person with subsequent computer analysis of the signals recorded in the device’s memory. The sensor of the proposed device is a flat platform of two plates connected by elastic elements made of plastic. A sensor accelerometer is placed inside the device, which registers micromotion of one of the plates with respect to the other, which are associated with linear micromotion of the body due to the work of the heart, respiration and motor activity. Signals throughout the night are recorded in the memory of the miniature device and are overwritten in the morning in the computer. Records obtained are recognized using a special program that allows not only to determine and measure the pulse and respiration rate, as well as motor activity, but also to analyze heart rate variability. The device is called Cardioson-3.

Заявляемое устройство поясняется следующими рисунками:The inventive device is illustrated by the following figures:

1. На рис.1 представлена блок-схема устройства.1. Fig. 1 shows a block diagram of the device.

2. На рис.2 изображен датчик устройства, представляющий собой две пластины из нержавеющей стали с прокладкой из упругого материала между ними. Между пластинами, в центре, установлен датчик давления на основе пьезокерамики.2. Figure 2 shows the sensor of the device, which is two stainless steel plates with a gasket of elastic material between them. Between the plates, in the center, a pressure sensor based on piezoceramics is installed.

3. На рис.3 изображен датчик устройства с соединительным устройством3. Figure 3 shows a device sensor with a connecting device

4. На рис.4 представлен образец записи сигналов устройством.4. Fig. 4 shows a sample signal recording device.

5. На рис.5 представлены сопоставление данных ЧСС (А) и SDNN (Б) по результатам обработки контактной (ЭКГ) и бесконтактной (БКГ) записей5. Figure 5 shows a comparison of heart rate (A) and SDNN (B) data from the results of processing contact (ECG) and non-contact (BCG) records

6. На рис.6 представлены результаты вейвлет-фильтрации графика динамики показателя pNN50.6. Figure 6 shows the results of wavelet filtering of the graph of the dynamics of the pNN50 index.

7. На рис.7 дан график тренда показателя SI, который демонстрирует хорошее качество сна с постепенным снижением активности симпатического отдела вегетативной нервной системы к утренним часам.7. Fig. 7 shows a graph of the SI indicator trend, which demonstrates good sleep quality with a gradual decrease in the activity of the sympathetic part of the autonomic nervous system by the morning hours.

Устройство содержит датчик 1 виде сейсмического акселерометра 2, выполненный в виде плоской платформы 3 образованной пластинами 4 и 5, соединенными друг с другом упругими элементами 6, с расположенным на одной из пластин 4 сейсмическим акселерометром 2, обеспечивающим регистрацию микроперемещений пластин 4 и 5 относительно друг друга, датчик 1 соединен с помощью разъема 7 с корпусом прибора 8, с которым так же соединены последовательно соединенные друг с другом блок защиты от статического электричества 9, микромощный операционный усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, при этом АЦП 10 соединен с возможностью обратной связи с RISC контроллером 12, который в свою очередь соединен с возможностью обратной связи с часами реального времени 13 и блоком накопления информации 14, соединенный через блок защиты от статического электричества 15 с помощью разъема 16 с ПК компьютером 17, расположенным вне корпуса.The device comprises a sensor 1 in the form of a seismic accelerometer 2, made in the form of a flat platform 3 formed by plates 4 and 5, connected to each other by elastic elements 6, with a seismic accelerometer 2 located on one of the plates 4, providing registration of microdisplacement of plates 4 and 5 relative to each other , the sensor 1 is connected via a connector 7 to the housing of the device 8, to which a block of protection against static electricity 9, a micropower operational amplifier 11 are also connected in series with each other, a tax-to-digital converter (ADC) 10, while the ADC 10 is connected with the possibility of feedback with the RISC controller 12, which in turn is connected with the possibility of feedback with the real-time clock 13 and the information storage unit 14, connected through the block of protection against static electricity 15 using connector 16 with a PC, computer 17 located outside the case.

Работа устройства осуществляется следующим образомThe operation of the device is as follows

Датчик 1, выполненный в виде плоской платформы 3, образованной пластинами 4 и 5, соединенными друг с другом упругими элементами 6, с расположенным на одной из пластин 4 сейсмическим акселерометром 2, размещается под подушкой спящего обследуемого. Датчик 1 регистрирует регистрацию микроперемещения пластин 4 и 5 относительно друг друга. Датчик 1 с помощью разъема 7 соединятся с корпусом прибора 8. Снимаемый с датчика сигнал поступает через блок защиты от статического электричества 9 и микромощный операционный усилитель 11 на аналого-цифровой преобразователь 10, откуда он поступает в RISC контроллер 12, соединенный с возможностью обратной связи с часами реального времени 13 и блоком накопления информации 14. В блоке накопления информации 14 происходит накопление снятой в течение сна информации. Утром блок накопления информации 14 через блок защиты от статического электричества 15 с помощью разъема 16 соединится с ПК компьютером 17, расположенным вне корпуса, где с помощью специальной программы происходит анализ полученной информации.The sensor 1, made in the form of a flat platform 3, formed by plates 4 and 5, connected to each other by elastic elements 6, with a seismic accelerometer 2 located on one of the plates 4, is placed under the pillow of a sleeping subject. The sensor 1 detects the registration of micro-movement of the plates 4 and 5 relative to each other. The sensor 1 using the connector 7 will be connected to the housing of the device 8. The signal removed from the sensor is fed through the static electricity protection unit 9 and the micropower operational amplifier 11 to the analog-to-digital converter 10, from where it is fed to the RISC controller 12, which is connected with feedback real-time clock 13 and an information storage unit 14. In the information storage unit 14, information collected during sleep is accumulated. In the morning, the information storage unit 14 through the static electricity protection unit 15, using the connector 16, will connect to the PC with a computer 17 located outside the case, where, using a special program, the information received is analyzed.

При испытании комплекса «Кардиосон-3» было обследовано 16 здоровых испытателей и 25 пациентов с гипертонической болезнью и постинфарктным кардиосклерозом. В 20 случаях одновременно регистрировали полисомнограмму для оценки качества сна по стандартным общепринятым методам. Результаты анализа показали, что по частоте пульса имеется 100-процентное совпадение данных, записанных устройством «Кардиосон-3» с результатами полисомнографии. При анализе вариабельности сердечного ритма с помощью специальной программы было получено хорошее совпадение данных, как по частоте пульса, так и по показателю вариабельности сердечного ритма - SDNN (рис.4).When testing the Cardioson-3 complex, 16 healthy testers and 25 patients with hypertension and post-infarction cardiosclerosis were examined. In 20 cases, a polysomnogram was simultaneously recorded to assess sleep quality according to standard generally accepted methods. The results of the analysis showed that the pulse rate has a 100 percent match of the data recorded by the Cardioson-3 device with the polysomnography results. When analyzing heart rate variability with the help of a special program, a good agreement was obtained between data on both heart rate and heart rate variability indicator - SDNN (Fig. 4).

Распознавание стадий сна по 90-минутным колебаниям физиологических показателей было наиболее точным при использовании показателей вариабельности сердечного ритма HF (мощность спектра Recognition of sleep stages by 90-minute fluctuations in physiological parameters was most accurate when using heart rate variability indicators HF (spectrum power

высокочастотной составляющей) и SDNN. Хорошие результаты при оценке изменений вегетативного баланса во время сна были получены с помощью показателей pNN50 (парасимпатический отдел вегетативной нервной системы) и SI (симпатический отдел). Было показано, что при нормальном сне имеются хорошо выраженные 90-минутные циклы и постепенное смещение вегетативного баланса к преобладанию тонуса парасимпатической системы в утренние часы (рис.5). Процессы засыпания и пробуждения хорошо выделяются при анализе начальной и конечной частей записи во время сна. В целом качество сна можно характеризовать при помощи графика тренда (рис.6).high frequency component) and SDNN. Good results in assessing changes in the autonomic balance during sleep were obtained using indicators pNN50 (parasympathetic division of the autonomic nervous system) and SI (sympathetic division). It was shown that with normal sleep there are well-defined 90-minute cycles and a gradual shift in the autonomic balance to the predominance of the tone of the parasympathetic system in the morning (Fig. 5). The processes of falling asleep and awakening are well distinguished in the analysis of the initial and final parts of the recording during sleep. In general, sleep quality can be characterized using a trend graph (Fig. 6).

Таким образом, использование космической технологии оценки сна в земных условиях весьма перспективно не только для клинической медицины, но и для прикладной физиологии при исследовании состояния здоровья спортсменов, летчиков и людей, работающих в условиях стрессорных воздействий.Thus, the use of space technology for evaluating sleep in terrestrial conditions is very promising not only for clinical medicine, but also for applied physiology in studying the health status of athletes, pilots, and people working under stressful conditions.

Литература:Literature:

1 Вейн A.M., Хехт К. Сон человека. Физиология и патология. М., 1989, 272 с.1 Wayne A.M., Hecht K. The Dream of Man. Physiology and pathology. M., 1989, 272 p.

2.Рябыкина Г.В. Мониторирование ЭКГ с анализом вариабельности ритма сердца. М., 2005, 125 с.2. Ryabykina G.V. ECG monitoring with analysis of heart rate variability. M., 2005, 125 p.

3. Jansen BH, Larson ВВ, Shankar К. Monitoring of the ballistocardiogram with the static charge sensitive bed. IEEE Trans Biomed Eng. 1991 Aug; 38(8): 748-513. Jansen BH, Larson BB, Shankar K. Monitoring of the ballistocardiogram with the static charge sensitive bed. IEEE Trans Biomed Eng. 1991 Aug; 38 (8): 748-51

4.Баевский P.M., Поляков В.В., Мозер М. и др. Адаптация системы кровообращения к условиям длительной невесомости: Баллистокардиографические исследования во время 14-месячного космического полета. Авиакосмическая и экологическая медицина, 1998, 3, 23-304. Baevsky P.M., Polyakov VV, Moser M. et al. Adaptation of the circulatory system to conditions of prolonged weightlessness: Ballistic cardiographic studies during a 14-month space flight. Aerospace and environmental medicine, 1998, 3, 23-30

5. Заявка на полезную модель Российской Федерации №2007131141 от 16.08.20075. Application for utility model of the Russian Federation No. 2007131141 of 08.16.2007

Claims

1. A device for non-contact registration of physiological signals during sleep, containing a human micromotion sensor in the form of a seismic accelerometer, recording signal recording units and processing units for these signals, characterized in that the micromotion sensor is arranged to be placed under the patient’s pillow and is a flat platform formed by two plates connected to each other by elastic elements, with a seismic accelerometer located on one of the plates, providing registration of micromovements of the plates relative to each other, connected with the possibility of a connector to the device body, in which are also connected to the above connector sequentially connected to each other a block of static electricity protection, a micropower operational amplifier and an analog-to-digital converter (ADC), while the ADC connected with the possibility of feedback with the RISC controller, which in turn is connected with the possibility of feedback with the real-time clock and the information storage unit ii, and the information storage unit through the static electricity protection unit is connected with the possibility of a connector with a PC by a computer located outside the case.

2. The device according to claim 1, characterized in that the seismic accelerometer is connected to the plate using a connecting element.

3. The device according to claim 1, characterized in that one of the outputs of the block of protection against static electricity is connected to one of the inputs of the analog-to-digital converter.