Спосіб та система вимірювання рівня біосигналів

Реферат: Система та спосіб реєстрації біосигналів належать до медичної техніки, зокрема приладів реєстрації біосигналів для визначення неінвазивним способом параметрів серцево-судинної системи організму людини, в тому числі пацієнтами в домашніх умовах. В основу винаходу поставлено задачу підвищити інформативність, а також зменшити складність та вартість системи реєстрації біосигналів. Це досягається завдяки використанню цифрової сенсорної платформи, в основу роботи якої покладено цифрове первинне перетворення на принципі накопичення енергії біосигналу. При цьому в системі, що реалізує спосіб реєстрації біосигналів, сенсорна платформа забирає на себе більшу частину функцій всієї системи реєстрації біосигналів, а саме: первинне перетворення біосигналу, перетворення його в цифровий код, цифрове оброблення сигналів, розрахунок основних параметрів серцево-судинної системи. UA 104998 C2 (12) UA 104998 C2 Перетворення в цифровий код відбувається одночасно з первинним перетворенням без попереднього підсилення та інших аналогових операцій над сигналом, завдяки узгодженню усіх сигналів між собою в самому сенсорі, що забезпечує можливість перерозподілу функцій в системі відповідно до концепції "система на сенсорі". UA 104998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до медичної техніки, зокрема до способів і систем реєстрації біосигналів, і може бути використаний у пристроях для визначення параметрів серцево-судинної системи організму людини неінвазивним способом, в тому числі некваліфікованими користувачами в домашніх умовах. Відомий спосіб реєстрації біосигналів [патент США № US4934372, МПК А61В5/00; А61В5/024; А61В5/0245, опубл. 1990-06-19], який включає аналогове первинне перетворювання (сенсорику) фізіологічних проявів, підсилювання аналогового сигналу, фільтрацію сигналу, аналогово-цифрове перетворювання сигналу, а також обробку, збереження та відображення параметрів цифрового біосигналу. Також можлива передача сигналу на комп'ютер і перенесення на нього частини функцій оброблення, збереження і відображення інформації, що закладена у біологічному сигналі. Недоліками аналогу є складність його здійснення та висока вартість пристроїв, що його реалізують. Найближчим аналогом є спосіб реєстрації біосигналів [патент РФ № 2218075, МПК7 А61В5/0295, опубл. 10.12.2003], який включає реєстрацію фізичної величини біосигналу, підсилення та фільтрацію біосигналу, формування біполярних прямокутних сигнальних та опорних імпульсів, кореляцію їх тривалості, цифрову фільтрацію пачок сигнальних імпульсів, їх реєстрацію, визначення цифрового значення сигналу та розрахунок параметрів серцевосудинної системи. Недоліками найближчого аналогу є недостатня точність вимірювання та його складність. В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності визначення рівня біосигналу при зменшенні складності реалізації способу за рахунок перетворення біосигналу в цифровий сигнал без підсилення шляхом використання процесів накопичення та релаксації енергії біосигналу та узгодження сигналів між собою. Поставлена задача розв'язується тим, що у способі вимірювання рівня біосигналу, який включає реєстрацію фізичної величини біосигналу, його перетворення в аналоговий сигнал інформаційного параметра, перетворення аналогового сигналу інформаційного параметра в цифровий сигнал інформаційного параметра та визначення рівня біосигналу, новим є те, що енергію біосигналу накопичують та релаксують, задають періодичність виміру величини інформаційного параметра, задають калібрувальну залежність цифрового сигналу інформаційного параметра від рівня біосигналу, за калібрувальною залежністю визначають поточні рівні цифрового сигналу інформаційного параметра, а біосигнал перетворюють у сигнал інформаційного параметра у процесі релаксації накопиченої енергії біосигналу. Новим також є те, що як інформаційний параметр використовують значення сталої часу релаксаційного процесу накопиченої енергії. Новим також є те, що значення сталої часу визначають як проміжок часу між початком релаксаційного процесу та досягненням ним заданого рівня. Новим також є те, що періодичність виміру значень величини інформаційного параметра задають частотою ініціації релаксаційних процесів. Спосіб реєстрації біосигналів здійснюють наступним чином. Задають періодичність виміру значень величини інформаційного параметра, наприклад періодичність ініціації релаксаційних процесів накопиченої енергії, задають калібрувальну залежність цифрового сигналу інформаційного параметра, наприклад залежність сталих часу релаксаційних процесів накопиченої енергії від рівня біосигналу, реєструють поточні значення фізичної величини біосигналу та перетворюють їх в аналоговий електричний сигнал інформаційного параметра, для чого накопичують енергію біосигналу та її релаксують з заданою періодичністю виміру біологічного сигналу, перетворюють аналоговий сигнал інформаційного параметра у цифровий сигнал інформаційного параметра, та за калібрувальною залежністю цифрового сигналу інформаційного параметра визначають поточний рівень біосигналу у цифровому вигляді. Перетворення аналогового сигналу інформаційного параметра у цифровий сигнал інформаційного параметра здійснюють вимірюванням значень сталих часу релаксаційних процесів, причому сталу часу кожного релаксаційного процесу накопиченої енергії вимірюють від початку релаксаційного процесу до досягнення релаксаційним процесом заданого порогового рівня. Спосіб може бути реалізований на пристрої для вимірювання рівня біосигналу. Відомий пристрій реєстрації біосигналів [патент РФ № 2054884, А61В 5/0295, 1996], який містить аналоговий первинний перетворювач (сенсор), підсилювач аналогового сигналу, фільтри сигналу, аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), а також модулі обробки, збереження та відображення параметрів цифрових біосигналів. Також можлива наявність блоків спряження з персональним комп'ютером (ПК) для створення системи реєстрації 1 UA 104998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 біосигналів і перенесення на комп'ютер частини функцій всієї системи. Недоліками такої системи є недостатня точність визначення біосигналу та складність пристрою. Найближчим аналогом є пристрій для реєстрації біосигналів [патент РФ № 2218075, А61В 5/0295, опубл. 30.12.200В], який містить периферійну частину, яка складається з аналогового первинного перетворювача (сенсора), з'єднаного з блоком підсилення та фільтрації, і базовий пристрій, виконаний на процесорі та з'єднаний з портом вводу-виводу і пристроєм відображення, причому периферійна частина містить також блок стабілізації напруги живлення, вимірник-генератор біполярних прямокутних імпульсів і блок електронно-оптичного керування, через який блок підсилення і фільтрації з'єднаний з вимірником-генератором біполярних прямокутних імпульсів, з'єднаним з портом вводу-виводу, який через блок стабілізації напруги живлення з'єднаний з формувачем вимірюваного сигналу, блоком підсилення і фільтрації та блоком електронно-оптичного керування. Недоліками найближчого аналогу є висока собівартість пристрою та його складність. В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності визначення рівня біосигналів при зменшенні собівартості за рахунок перетворення біосигналу у цифровий сигнал без його підсилення шляхом внесення змін у структурну схему пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для вимірювання рівня біосигналів, який містить первинний перетворювач, у склад якого входять випромінювач та детектор світла, процесор, комп'ютер та лінію передавання даних, яка з'єднує процесор з комп'ютером, новим є те, що пристрій додатково містить сенсорну платформу, у склад якої входить процесор, порти вводу-виводу якого з'єднані з випромінювачем та детектором світла, причому порти вводувиводу виконані як двонаправлені з можливістю почергового встановлення або високоімпедансного входу, або високого рівня напруги на виході, або низького рівня напруги на виході. Новим також є те, що як детектор світла використаний зворотно-зміщений напівпровідниковий перехід фото- або світлодіода. Суть винаходу пояснюється кресленнями на фіг. 1-4. На фіг. 1 показана структурна схема пристрою, що містить цифрову сенсорну платформу 1, у склад якої входять первинний перетворювач 2, який має випромінювач і детектор світла, процесор 3, лінія 4 передавання даних від процесора 3 до базового пристрою 5, блок живлення 6 сенсорної платформи 1, персональний комп'ютер 7, дисплей 8, джерело живлення системи 9. На фіг. 2 зображена електрична схема первинного перетворювача 2, який містить виводи процесора 10 та 11, та детектор світла 12, виконаний як зворотно-зміщений світлодіод. На фіг. 3 показані епюри накопичення заряду і розряду ємності та релаксаційних процесів, що при цьому утворюються. На фіг. 4 показана схема спрощеного пристрою для домашнього користування. Система (фіг. 1), яка реалізує спосіб вимірювання рівня біосигналів, працює наступним чином. Сенсорну платформу 1 фіксують на поверхні шкіри пацієнта. Процесор 3 сенсорної платформи 1 ініціює періодичне пропускання через структури біотканини світлового потоку. При цьому світловий потік випромінювача, відбиваючись від структур тканини та поверхні шкіри, потрапляє на детектор первинного перетворювача 2, внаслідок чого у зворотно-зміщеному напівпровідниковому переході відбуваються релаксаційні процеси, тривалість яких залежить від інтенсивності відбитого світла, а їх вимірювання здійснюють вбудованим в процесор 3 таймером. Отримані таймером сигнали піддають цифровому обробленню та передають по лінії передавання даних "процесор - комп'ютер" 4 до базового пристрою 5 або до ПК 7, де далі оброблюють, зберігають та відображають. Таким чином, відбувається непряме вимірювання інтенсивності світла, відбитого від носія інформації щодо біологічного параметра. Пристрій із зворотно-зміщеним напівпровідниковим р-n переходом 15 (фіг. 2) працює наступним чином. При зворотному зміщенні в напівпровідниковому р-n переході 15 з'являється ефект накопичення заряду (електронів і дірок), значення якого (заряду) залежить від площі переходу і напруги. Зворотне зміщення задається виводами процесора 10 і 11. При освітлюванні напівпровідникового переходу в ньому з'являється рух носіїв заряду - фотострум, який зменшує накопичений просторовий заряд і тим самим розряджає ємність напівпровідникового переходу. На фіг. 2 показані елементи моделі описаного процесу - джерело струму 13 і ємність 14. Застосування ємності зворотно-зміщеного напівпровідникового переходу є прикладом створення "резервуара" заряду, що дозволяє вимірювати значення наведеного світловим потоком фотоструму 13, наприклад, через визначення часу розрядження ємності. Для виконання такого вимірювання необхідне керування процесами заряду і розряду ємності зворотно-зміщеного світлодіода 14. Цю функцію і виконує процесор сенсора, завдяки 2 UA 104998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 можливості конфігурування його виводів 10 і 11 в один з трьох станів: або високого рівня на виході (лог. "1"), або низького рівня на виході (лог. "0"), або високоімпедансного входу. На першому етапі вимірювання на світлодіоді 12 задають зворотне зміщення шляхом встановлення напруги високого рівня на катоді 11 і напруги низького рівня на аноді 10. При цьому відбувається заряджання ємності напівпровідникового переходу. На даному етапі також задається калібрувальна залежність цифрового сигналу інформаційного параметра від рівня біосигналу шляхом регулювання значення ємності, в якому накопичується заряд або ж шляхом регулюванням рівня потенціалу, з якого запускається релаксаційний процес. На другому етапі з'єднаний з катодом вивід 11 процесора перемикається на вхід в стан високого вхідного опору 15 (10 Ом) і очікує зміну логічного рівня з "високого" в "низький", що з'являється при розряді напруги ємності до рівня порогу 17. Принцип керованого заряду і розряду ємності 14 показано на епюрах фіг. 3. Релаксаційні процеси 16, що при цьому утворюються, є залежними від фізіологічного сигналу і при використанні рівня порогу 17 формують ШІМ імпульсну послідовність 18, в якій ширина активного імпульсу 19 промодульована значеннями фотоструму 13, наведеного світловим потоком. Тому іншою, не менш важливою задачею процесора є приймання і точне декодування ШІМ послідовності 18. Період ШІМ послідовності 20 визначається частотою дискретизації, яка, в свою чергу, залежить від спектра біосигналу, що модулює світло. Наприклад, при реєстрації пульсового сигналу оптоелектронним способом спектр сигналу можна обмежити верхньою частотою FB~30 Гц, тоді ТШІМ=1/FДИСКР=1/2·FB, тобто ТШІМ≤16 мс. Успіх такого вимірювання забезпечується значенням ємності зворотно-зміщеного переходу 14 світлодіода 12 і фотоструму 13, котрі формують постійну часу розряду, яка є зручною для вимірювання таймером процесора з роздільною здатністю, достатньою для реєстрації корисної компоненти сигналу. При використанні фотодіода, у якого фотострум на декілька порядків більший, чим у світлодіода, для формування такої ж сталої часу розряду, паралельно фотодіоду потрібна вмикати зовнішню ємність, значення якої має бути більшим, ніж ємність зворотно-зміщеного напівпровідникового переходу також в декілька разів. В нашому випадку використання світлодіода додатково дає переваги в спектральній селективності при детектуванні та призводить до зменшення споживання енергії. У відомих рішеннях первинний сигнал фільтрують та підсилюють, приводячи його до виду, зручного для подальшого аналогово-цифрового перетворення. Запропоноване рішення дозволяє здійснювати реєстрацію біосигналів та їх перетворення в цифровий код одночасно з фотоелектронним перетворенням без попереднього підсилення та інших аналогових операцій над сигналом на сенсорній платформі 1, тобто інформацію одразу перетворюють у цифрову. Вилучення сталої складової сигналу та фільтрація низьких частот забезпечуються алгоритмами сенсорної цифрової обробки сигналу. В сенсорі запропонованої системи реєстрації біосигналів, на відміну від прототипу, усі сигнали узгоджені між собою. Необхідності в окремому формувачі ШІМ немає, його функцію виконує порт вводу/виводу 11 процесора з здатністю розпізнавати рівень вхідного сигналу відносно рівня порогу 12. Наявність стану високоімпедансного входу утримує струм витікання -14 через вимірювальний порт вводу/виводу 11 на рівні 10 А. Тому стала часу розряду залишається залежною від наведеного світлом фотоструму. В той же час у прототипі для роботи формувача ШІМ аналоговий сигнал додатково підсилюють. Виходячи з вищеописаного, процесор 3 на сенсорній платформі 1 є єдиним елементом, на якого покладені всі необхідні для цифрового первинного перетворення операції: керування процесами заряду/розряду 16 (формування ШІМ), розпізнання ШІМ і визначення цифрового значення первинного сигналу за тривалістю активного імпульсу 19. В загальному випадку процесор сенсорної платформи можливо виконати на мікроконтролері, мікропроцесорі або ж на програмованій логічній інтегральній схемі (ПЛІС). Система реєстрації рівня біосигналів, що виготовлена для домашнього використання (фіг. 4), спрощена за рахунок відсутності базового пристрою 5. Цифрова сенсорна платформа 21 напряму з'єднується з ПК 27 без додаткових блоків спряження. Двонаправлена лінія передачі даних 24 дозволяє організувати зворотній канал зв'язку 24 від ПК 27 до процесора 23 цифрової сенсорної платформи 21 для можливості керування режимами роботи, вибору типу обробки сигналів, а також оновлення програмного забезпечення цифрової сенсорної платформи 21. Живлення 26 подають по тій же шині, по якій відбувається передача даних 24. Мультисигнальність цифрового сенсора розширює функціональні можливості системи, зокрема підвищує інформативність. При накопиченні енергії біосигналу, відповідно до алгоритму первинного перетворення сенсора, визначальною є ШІМ послідовність, котра формується під дією електричного струму. В свою чергу електричний струм можна отримувати 3 UA 104998 C2 відповідно і до інших фізичних принципів, відмінних від оптоелектронного. Експериментально підтверджено можливість реєстрації змін комплексної провідності біотканини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 1. Спосіб вимірювання рівня біосигналу, який включає реєстрацію фізичної величини біосигналу, його перетворення в аналоговий сигнал інформаційного параметра, перетворення аналогового сигналу інформаційного параметра в цифровий сигнал інформаційного параметра та визначення рівня біосигналу, який відрізняється тим, що енергію біосигналу накопичують та релаксують, задають періодичність виміру величини інформаційного параметра, задають калібрувальну залежність цифрового сигналу інформаційного параметра від рівня біосигналу, за калібрувальною залежністю визначають поточні рівні цифрового сигналу інформаційного параметра, а біосигнал перетворюють у сигнал інформаційного параметра у процесі релаксації накопиченої енергії біосигналу. 2. Спосіб вимірювання рівня біосигналу за п. 1, який відрізняється тим, що як інформаційний параметр використовують значення сталої часу релаксаційного процесу накопичення енергії. 3. Спосіб вимірювання рівня біосигналу за п. 2, який відрізняється тим, що значення сталої часу визначають як проміжок часу між початком релаксаційного процесу та досягненням ним заданого рівня порогу. 4. Спосіб вимірювання рівня біосигналу за пп. 1-3, який відрізняється тим, що періодичність виміру величини інформаційного параметра задають частотою ініціації релаксаційних процесів. 5. Пристрій для вимірювання рівня біосигналів, який містить первинний перетворювач, що складається з випромінювача та детектора світла, процесор, комп'ютер та лінії передавання даних від процесора до комп'ютера, який відрізняється тим, що додатково містить сенсорну платформу, у склад якої входить процесор, порти вводу-виводу якого з'єднані з випромінювачем та детектором світла, причому порти вводу-виводу виконані як двонаправлені з трьома станами з можливістю почергового встановлення або високоімпедансного входу, або високого рівня напруги на виході, або низького рівня напруги на виході. 6. Пристрій для вимірювання рівня біосигналів за п. 5, який відрізняється тим, що як детектор світла використаний зворотно-зміщений напівпровідниковий перехід фото- або світлодіода. 4 UA 104998 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5