Способ оценки психофизиологического состояния пациента и устройство для доплеровской локации

 

Использование: в медицине для терапевтического КВЧ-воздействия на пациента, а также одновременной дистанционной оценки его психофизиологического состояния. Сущность изобретения: способ заключается в дистанционном облучении пациента КВЧсигналом, выделенным из отображенного от него сигнала составляющих, соответствующих артериальному пульсу и дыхательным волнам, при этом облучение производят сигналом в диапазоне частоты 30-100 ГГц, по данным с артериального пульса и дыхательных волн определяют статистическое распределение и спектр мощности кардиоинтервалов, а о психофизиологическом состоянии пациента судят по параметрам статистического распределения и спектра мощности кардиоинтервалов и параметрам кривой дыхательной экскурсии. Устройство содержит приемопередающую антенну, аттенюатор, передающий генератор, блок обработки и регистрации, который включает блок выделения квадратурных составляющих отраженного сигнала, выполненный по двухканальной схеме, входами подключенный к направленному ответвителю и циркулятору, а выходами - к входам блока фильтрации, связанный с его выходами блок выделения фазы сигнала, соединенный с его выходом логический блок анализа сигналов, содержащий последовательно подключенные к его входу блок выделения компоненты дыхания и блок выделения пульсовой компоненты, к выходу которого подключен блок выделения кардиоинтервалов, выходом соединенный с блоком выделения спектра кардиоинтервалов и блоком выделения гистограммы кардиоинтервалов, 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для терапевтического воздействия на пациента КВЧ-облучением с одновременным исследованием психофизиологического состояния пациента.

Из уровня техники известны способы наблюдения за психофизиологическим состоянием пациента путем регистрации перемещений участков тела, которые обусловлены эффектом комбинированного воздействия работы сердца, кровообращения и дыхания (см. авт. св. СССР N 316439, кл. A 61B 8/02, 1971).

Однако эти способы фиксируют только нарушение или изменение деятельности сердечно-сосудистой системы и процесса дыхания, но не позволяют раздельно измерять частоту пульсаций кровотока и интервалы дыхания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по совокупности признаков является способ наблюдения артериального пульса и частоты дыхания путем регистрации перемещений тканей участка тела, вызванных комбинированным воздействием пульса и дыхания, с последующей фильтрацией полученного сигнала, согласно которому кожу облучают с использованием устройства для доплеровской локации электромагнитной волной КВЧ в диапазоне 30-100 ГГц и посредством трехканальной фильтрации спектра отраженного сигнала доплеровской частоты определяют частоты, соответствующие артериальному пульсу и дыхательным волнам от сигналов, обусловленных перемещением тела или исследуемой его части (патент РФ N 2000080, кл. A 61B 5/02, 1993).

Этот способ не позволяет производить оценку и прогнозирование функционального состояния исследуемого объекта.

Для исследования сердечно-сосудистой системы используются различные по конструктивному выполнению устройства, основанные на доплеровской локации пульсирующих органов, блок-схема которых включает датчики для излучения и приема сигнала, генератор, приемник и индикатор или средства регистрации. При этом для облучения объекта применяется генератор ультразвуковых частот (см. авт. св. СССР N 1297806, кл. A 61B 3/00, 1987), генератор световых импульсов (см. патент США N 4703758, кл. A 61B 5/02, 1987) или лазер (см. заявку Японии N 60-58969, кл. A 61B 5/02, 1985), а приемник и средства регистрации в зависимости от назначения могут иметь достаточно сложную схему.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, характеризующих структурную блок-схему, пригодную для реализации заявленного способа, является устройство для доплеровской локализации кровотока, содержащее передающий генератор, выходом соединенный с датчиком, направленный ответвитель, связанный с первым входом балансного смесителя, второй вход которого подключен к выходу датчика, а его выход через фильтр соединен с блоком индикации, и усилитель. При этом датчик выполнен в виде приемопередающей антенны, подключенной через циркулятор, фильтр выполнен трехканальным с полосой пропускания каналов 0,1-0,7 Гц, 1-3 Гц и 4-10 Гц. Блок индикации снабжен формирователем временных интервалов, усилитель подключен между балансным смесителем и фильтром, а генератор имеет частоту излучения в диапазоне 30-100 ГГц (1).

Технический результат, получаемый при использовании настоящего изобретения, направлен на обеспечение дистанционного наблюдения за процессом дыхания и пульса с использованием доплеровского локатора, основанного на регистрации микроперемещений кожи с раздельным определением параметров процесса дыхания и пульса и пригодного для последующего исследования функционального состояния контролируемого объекта.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе наблюдения за артериальным пульсом и интервалами дыхания путем регистрации перемещений тканей участка тела, обусловленных комбинированным воздействием пульсаций кровотока и дыхания, с последующим выделением посредством фильтрации полезного сигнала, дистанционно для терапевтического воздействия и диагностики в одном луче облучают кожный покров с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной крайневысокой частоты (КВЧ) в диапазоне от 30 до 100 гигагерц и путем разложения отраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяют изменения его фазы. При этом из отраженного сигнала предварительно удаляют низкочастотный тренд, обусловленный возможными перемещениями облучаемого участка, а суждение о функциональном состоянии исследуемого объекта выносят на основании анализа статистического распределения и спектра мощности кардиоинтервалов.

При этом в устройстве для осуществления способа, содержащем аттенюатор, направленный ответвитель, блок обработки и регистрации и передающий генератор, подсоединенный через вентиль и циркулятор к приемопередающей антенне, направленный ответвитель и циркулятор соединены с блоком обработки и регистрации, связь аттенюатора с приемопередающей антенной, выполненной диэлектрической осевого излучения, осуществлена через диэлектрический волновод, блок обработки и регистрации включает блок выделения квадратурных составляющих отраженного сигнала, выполненный по двухканальной схеме, входами подключенный к направленному ответвителю и циркулятору, а выходами к входам блока фильтрации, связанный с выходами блока фильтрации блок выделения фазы сигнала, соединенный с его выходом логический блок анализа фазы сигнала, содержащий последовательно подключенные к его входу блок выделения сигнала о частоте дыхания и блок выделения пульсового сигнала, к выходу которого подключен блок выделения кардиоинтервалов, выходом соединенный с блоком выделения спектра кардиоинтервалов и блоком выделения гистограммы кардиоинтервалов.

Дистанционная регистрация перемещений кожного покрова дает достоверную информацию о процессе дыхания и состоянии сердечно-сосудистой системы, которая определяется на основе анализа гистограммы и спектра мощности кардиоинтервалов, регистрируемых доплеровским локатором, работающим в диапазоне частот от 30 до 100 гигагерц.

При этом точность и достоверность определения микроперемещений обеспечивается в изобретении как фазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т.к. фаза отраженного сигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора до облучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики), так и выбором рабочей частоты, которая в заявленном КВЧ-диапазоне обусловливает значительную фазовую модуляцию отраженного сигнала при измерении пульса и дыхания на расстоянии до 3 м при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья, легких ширм, стекла, оргстекла, стеклотекстолита и т.п.

Кроме того, электромагнитное облучение на отдельных участках выбранного диапазона (от 30 до 100 гигагерц), как показали медицинские исследования, могут улучшить общее самочувствие пациентов и способствовать выздоровлению при ряде сложных заболеваний.

Наличие блока фильтрации повышает достоверность регистрации "дыхательного" и "сердечного" сигналов, т.к. предварительно отфильтровывает (вычитанием) из квадратурного сигнала составляющую, обусловленную случайными макроперемещениями тела или его отдельных участков.

Логический блок анализа сигналов, выполненный на базе ЭВМ с высокой степенью точности и надежности, автоматически обрабатывает квадратурные составляющие, выделяя фазу отраженного сигнала, раздельно регистрируя параметры процесса дыхания и пульса и вычисляя спектр мощности и гистограмму ряда кардиоинтервалов.

На чертеже представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.

Наблюдение за артериальным пульсом и процессом дыхания для исследования функционального состояния согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Деятельность сердечно-сосудистой системы и дыхание оказывают комбинированное воздействие на кожный покров, проявляющееся в виде колебательных микроперемещений кожи. Для получения информации о параметрах процесса дыхания и пульса определяют микроперемещения кожного покрова путем его облучения с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной крайне высокой частоты в диапазоне от 30 до 100 гигагерц. При этом выделяют изменение фазы "ϕ" отраженного сигнала (которое линейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта) путем его разложения на квадратурные составляющие "sinϕ" и "cosϕ", корректировки (фильтрации путем вычитания низкочастотного тренда) и преобразования синусной (e₂= sinϕ) и косинусной (e₂= cosϕ) квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы "ϕ", вычисляемый в блоке выделения фазы как арктангенс отношения квадратурных составляющих ϕ = arctg(e₂/e₁). Затем из полученного непрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы "ϕ" за счет перемещения отражающего объекта (т.е. облучаемого участка кожи), выделяют составляющие процессов дыхания и пульса, регистрируют параметры процесса дыхания (в виде кривой дыхательной экскурсии) и пульса (в виде гистограммы кардиоинтервалов и спектра мощности пульсограммы) и по ним оценивают функциональное состояние исследуемого объекта, используя известные в медицине методики.

В частности, может быть применена методика, разработанная профессором Баевским Р. М. по которой измеряется ряд кардиоинтервалов, по этому ряду строится гистограмма кардиоинтервалов и определяются ее параметры ЧСС, мода (МО), амплитуда моды (АМО), вариационный размах (ΔX), индекс вегетативного равновесия (ИВР), вегетативный показатель ритма (ВПР). По этим параметрам определяют уровень функционирования синусового узла, суммарный эффект регуляции ритма сердца, уровень активности симпатического и парасимпатического отделов ветегативной нервной системы, индекс напряжения (ИН).

По регистрируемой устройством кривой экскурсии грудной клетки определяются параметры функции внешнего дыхания частота и глубина дыхания, предел дыхания, резерв дыхания, легочная вентиляция, жизненная емкость легких и др.

Спектральная плотность мощности ритмограммы (РГ) сердца хорошо зарекомендовала себя для определения функциональных состояний в условиях бодрствования и его изменений, вызываемых различной физической и информационной нагрузками. При этом в спектре РГ частотные компоненты не только представляют уровень соответствующих влияний от парасимпатической, симпатической, терморегуляторной и гормонально-метаболической систем, но и отражают различные формы взаимодействия этих систем.

Регистрация микроперемещений кожного покрова для дистанционного определения кардиоинтервалов и кривой дыхательной экскурсии согласно изобретению осуществляется с помощью устройства для доплеровской локации, блок-схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит передающий КВЧ-генератор 1, вентиль 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, электрически управляемый аттенюатор 5, антенну 6, блок выделения квадратурных составляющих 7, блок фильтрации 8, блок выделения фазы сигнала 9. Блок 7 содержит делители 10 и 11, балансные смесители 12 и 13, фазовращатель 14 (π/2) и предварительные усилители доплеровских частот 15 и 16.

Логический блок анализа сигналов 17 включает блок выделения компонента дыхания 18, блок 19 выделения пульсовой компоненты, блок выделения кардиоинтервалов 20, блоки выделения спектра кардиоинтервалов 21 и блок выделения гистограммы 22 кардиоинтервалов.

Устройство для доплеровской локации при реализации заявленного способа наблюдения за деятельностью сердечно-сосудистой системы и дыхания работает следующим образом.

Сигнал крайне высокой частоты в диапазоне от 10 до 100 гигагерц поступает в антенну 6 от передающего КВЧ-генератора 1 через вентиль 2, циркулятор 4, аттенюатор 5.

Облучение органа (участка поверхности кожи) или биологически активной точки (БАТ) осуществляется передающей антенной 6, выполненной, например, в виде конического рупора с узкой диаграммой направленности основного лепестка, или выносной антенной осевого излучения, выполненной на диэлектрическом волноводе. Антенна осевого излучения представляет собой отрезок диэлектрического волновода, один конец которого соединяется с выходом циркулятора, а другой затачивается в виде конуса, являющегося собственно антенной. Длина заточки конуса рассчитывается согласно теории антенн осевого излучения для формирования необходимой ширины диаграммы направленности. Например, для длины излучаемой волны, равной 5 мм, длина заточки конуса равна 28 мм, при этом формируется ширина диаграммы направленности антенны, равная 24^o. Для того, чтобы эту антенну можно было закреплять в штативе, на нее необходимо надеть пенопластовый наконечник. Такая антенна при облучении поверхности тела с расстояния один сантиметр дает пятно облучения менее 5 мм, что приемлемо при воздействии КВЧ на биологически активные точки (БАТ). Отраженный сигнал, содержащий доплеровскую частоту, модулированный периодическими процессами биения пульса (кровотока) и дыхания, воспринимается приемной антенной 6 и через циркулятор поступает на вход блока 7 к делителю 11, который разделяет его на две равные части и направляет на входы балансных смесителей 12 и 13 квадратурных каналов. Опорный сигнал, ответвленный направленным ответвителем 3 от излучаемого сигнала с передающего генератора 1 после вентиля 2, поступает на делитель 10, где разделяется аналогично делителю 11 на две части, одна из которых направляется на второй вход балансного смесителя 12, а другая через фазовращатель 14 на второй вход балансного смесителя 13. Квадратурные составляющие доплеровского сигнала с выходов балансных смесителей 12 и 13 поступают на идентичные предварительные усилители доплеровской частоты 15 и 16, где они усиливаются до необходимой величины, и затем поступают на блок 8, который удаляет низкочастотные смещения относительно нулевого уровня, обусловленные случайными перемещениями облучаемого объекта. С выхода блока 8 сигналы поступают на блок выделения фазы 9, где преобразуются в текущую фазу "ϕ" отраженного сигнала.

Логический блок анализа сигналов 17 состоит из блоков 18, 19, 20, 21, 22 и обеспечивает выделение составляющих процессов дыхания и пульса, их регистрацию и вычисление гистограммы распределения и спектра мощности кардиоинтервалов, а также параметров функции внешнего дыхания путем обработки сигнала в следующей последовательности. В блоке сглаживания 18 происходит выделение "дыхательной" компоненты из сигнала текущей фазы "ϕ", характеризующего колебательный процесс микроперемещений кожного покрова, путем нелинейной фильтрации и регистрации кривой дыхательной экскурсии, а в блоке вычитания 19 из сигнала текущей фазы "ϕ" удаляют "дыхательную" компоненту. Блок выделения кардиоинтервалов 20 обеспечивает определение кардиоинтервалов по характерным точкам "пульсовой" компоненты и формирование статистического ряда кардиоинтервалов, отобранных из зарегистрированных путем сравнения с опорным, наиболее вероятным значением. Блок 21 служит для вычисления спектра мощности зарегистрированного ряда кардиоинтервалов, а блок 22 для вычисления гистограммы этого ряда и ее параметров. Блоки 9, 18, 19, 20, 21, 22, входящие в состав блока 17, как и блок 8 могут быть выполнены на базе ЭВМ, что существенно облегчает обработку данных.

Формула изобретения

1. Способ оценки психофизиологического состояния пациента, заключающийся в дистанционном облучении пациента КВЧ-сигнала и выделение из отраженного от него сигнала составляющих соответствующих артериальному пульсу и дыхательным волнам, отличающийся тем, что облучение производят сигналом в диапазоне частот 30-100 ГГц, по данным о артериальном пульсе и дыхательных волнах определяют статистическое распределение и спектр мощности кардиоинтервалов, а о психофизиологическом состоянии пациента судят по параметрам статистического распределения и спектра мощности кардиоинтервалов и параметром кривой дыхательной экскурсии.

2. Устройство для доплеровской локации, содержащее аттенюатор, направленный ответвитель, блок обработки и регистрации и передающий генератор, через вентиль и циркулятор соединенный с приемопередающей антенной, при этом направленный ответвитель и циркулятор соединены с блоком обработки и регистрации, а аттенюатор включен в цепь, соединяющую передающий генератор с антенной, отличающееся тем, что связь аттенюатора с приемопередающей антенной, выполненной диэлектрической осевого излучения, осуществлена через диэлектрический волновод, блок обработки и регистрации включает блок выделения квадратурных составляющих отраженного сигнала, выполненный по двухканальной схеме, входами подключенный к направленному ответвителю и циркулятору, а выходами к входам блока фильтрации, связанный с его выходами блок анализа сигналов, содержащий последовательно подключенные в его входу блок выделения компонентов дыхания и блок выделения пульсовой компоненты, к выходу которого подключен блок выделения кардиоинтервалов, выходом соединенный с блоком выделения спектра кардиоинтервалов и блоком выделения гистограммы кардиоинтервалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1