CC BY
136
ТЕХНИЧЕКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОРАДИОЛОКАЦИОННОГО ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ДЫХАНИЯ И СЕРДЦЕБИЕНИЯ
Анищенко Леся Николаевна, e-mail: [email protected].
Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э.Баумана.
Описан метод дистанционного измерения сигналов дыхания и пульса человека при помощи радиолокатора, потенциальные области его применения в медицине; а также предложен алгоритм разделения сигналов дыхания и сердцебиения для радиолокационных сигналов.
Метод радиолокационного обнаружения и диагностики людей, в том числе за оптически непрозрачными препятствиями основан на модуляции отраженного радиолокационного сигнала в такт с перемещениями поверхности тела и внутренних органов человека, в частности при дыхании и сердцебиении, произнесении звуков, а также при других перемещениях тела человека в целом и его отдельных частей тела. Основным достоинством биорадиолокации является возможность дистанционно обнаруживать и бесконтактно получать информацию о функциональном состоянии человека, а также о наличии людей, находящихся за оптически непрозрачными препятствиями[1, 2].
Другой не менее важной областью применения метода радиолокационного зондирования людей является медицина. К потенциальным областям применения биорадиолокации в медицине можно отнести: сомнологию, кардиореанимацию, функциональную диагностику, мониторинг пульса и дыхания пациентов[3], например, ожоговых больных, т.е. в случае, когда применение контактных сенсоров невозможно или затруднено, измерение эластичности кровеносных сосудов путем измерения скорости распространения импульса кровяного давления при сердечном сокращении, бесконтактную оценку психоэмоционального состояния человека, например, операторов сложных машинных комплексов.
В некоторых из перечисленных сфер потенциального применения, особенно для обнаружения перемещения людей за строительными конструкциями, уже существуют экспериментальные устройства, либо прототипы приборов. Однако медицинские приложения во многом недостаточно исследованы и обоснованы, что связано с отсутствием или несовершенством методик использования возможной биорадиолокационной аппаратуры.
При режекции проникающего сигнала передатчика и сигналов, отражённых от местных предметов (МП), можно добиться высокой чувствительности при обнаружении объектов, границы которых подвержены механическим колебаниям. По имеющимся в литературе данным, чувствительность радиочастотного зондирования в гигагерцовых диапазонах волн потенциально может достигать 10-9 м.
На практике наблюдение живых людей с помощью биорадиолокатора производится на фоне отражений сигнала от МП. Как правило, интенсивность отражений от МП превосходит интенсивность отражений от человека и частей его тела. В то же время отраженные от человека сигналы характеризуются модуляцией в такт с дыханием и сердцебиением. Сигналы, отраженные от МП, не имеют указанной модуляции или характеризуются иным ее временным и спектральным составом. На этом и основываются методы обнаружения и регистрации отраженных от человека сигналов на фоне сигналов МП.
Конечным результатом обработки сигналов в биорадиолокаторе с селекцией по дальности является расчет матрицы «дальность-частота» с последующим выделением в ячейке дальности, в которой расположен живой субъект, биометрического сигнала сердцебиения и дыхания по возможности без искажений.
В этой матрице содержатся возможные отклики прямых сигналов от МП, расположенных в разных ячейках дальности, причем все они находятся на нулевых и близких к нулю спектральных компонентах. Подавление сигналов от МП осуществляется за счет режекции компонент матрицы «дальность-частота» на частотах, близких к нулю.
Выделить реализацию сердцебиения на фоне дыхания для цели возможно способом, аналогичным подавлению сигналов от неподвижных целей, а также постоянных составляющих для подвижный целей, а именно, режекцией частотных составляющих, соответствующих дыханию, в двумерной матрице «дальность -
SPV = ^ (р, V) В й й
частота» р' 1 1. В простейшем случае, ячейки матрицы «дальность -
частота», соответствующие частоте дыхания, обнуляются. На рис.1 приведена
временная реализация отраженного от человека сигнала на одной из частот
зондирования. Человек находился на расстоянии 1.5 м от антенн радиолокатора. В
спокойном состоянии частота пульса испытуемого составляла около 75 ударов в
минуту, частота дыхания составляла 18 дыхательных движений в минуту.
Поскольку амплитуда колебаний и объем легких значительно превосходят
аналогичные параметры сердца, то сокращения сердечной мышцы наблюдаются в
виде высокочастотной модуляции на фоне сокращений грудной клетки, что видно
из осциллограммы на рис. 1.
Отсчеты
АЦПЗСГ~
Рис.1. Осциллограмма радиолокационного сигнала, отраженного от спокойно дышащего человека с расстояния 1.5 м.
На рис.2. приведен вид матрицы «дальность частота» для данного эксперимента до и после режекции гармоник дыхания.
Рис.2. Матрица «дальность частота» для цели на расстоянии 1.5 м. (а) до режекции гармоник дыхания, (б) - после режекции первой гармоники дыхания, (в) - после режекции второй гармоники дыхания
Отн.
Рис.3. Восстановленные сигналы дыхания и сердцебиения цели, соответствующие матрицам «дальность-частота», приведенным на рис.2 (а - в соответственно).
Для восстановления сигнала дыхания и сердцебиения в ячейке дальности, соответствующей цели, осуществляем обратное преобразование Фурье (ОПФ). На рис.3 приведены фазы ОПФ, соответствующие матрицам «дальность-частота», приведенным на рис.2 (а-в соответственно).
Результаты обработки экспериментальных данных показали, что метод режекции гармоник дыхания позволяет разделить реализации дыхания и сердцебиения.
В рамках Национального проекта «Образование», а также при поддержке Министерства образования и науки РФ на базе лаборатории дистанционного зондирования при МГТУ имени Н.Э.Баумана был создан уникальный стенд для дистанционного измерения параметров пульса и дыхания, который входит в состав лаборатории неинвазивных биомедицинских технологий при факультете «Биомедицинская техника» МГТУ имени Н.Э.Баумана.
1. Bugaev A.S., Chapursky V.V., Ivashov S.I.. Mathematical Simulation of Remote detection of Human Breathing and Heartbeat by Multifrequency Radar on the Background of Local Objects Reflections. 2005 IEEE International Radar Conference Record, Arlington, Virginia, USA, May 9-12, 2005.
2. Обнаружение и дистанционная диагностика состояния людей за препятствиями с помощью РЛС/ Бугаев А.С., Васильев И.А., Ивашов С.И. и др.// Радиотехника.—2003.—№7.—С.42—47.
3. Дистанционный контроль параметров кардиореспираторной системы человека с помощью радиолокационных средств/ Бугаев А.С., Васильев И.А, Ивашов С.И. и др.// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004.-№10. - С. 24-31.
TECHNICAL AND THEORETICAL BASIS FOR RADAR MONITORING OF
BREATHING AND PULSE
Anischenko Lesya N.
Abstract: Method for remote monitoring of breathing and pulse is given, also possible medical applications of this method are listed; algorithm for breathing and pulse waveform separation is proposed.
