Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения
Владельцы патента RU 2392852:
Закрытое акционерное общество "НаноПульс" (RU)
Терье Хауан (NO)
Изобретение относится к медицинским диагностическим приборам для исследования физиологических функций живых организмов, в частности к радиолокационным сверхширокополосным средствам диагностики параметров дыхания и сердцебиения пациентов. Датчик содержит приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем; тракт формирования СВЧ-сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель; управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов; тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа; приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь. Вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход - с входами смесителей. Тракт опорных сигналов включает последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника. Выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа. Последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки соединен с выходами аналого-цифровых преобразователей. Блок управления и синхронизации соединен входом с вторым выходом блока обработки и с входом генератора СВЧ-сигнала, при этом второй выход блока управления и синхронизации соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход - с входом управления антенного переключателя. Использование изобретения позволяет повысить фазовую чувствительность диагностики исследуемого объекта, исключить «слепые» зоны на всей рабочей дистанции; повысить точность воспроизведения функции движения и параметров исследуемого объекта, в том числе за счет учета отраженного сигнала от неподвижных объектов. 5 з.п. ф-лы, 25 ил.
Изобретение относится к медицинским диагностическим приборам для исследования физиологических функций живых организмов, в частности к радиолокационным сверхширокополосным средствам диагностики параметров дыхания и сердцебиения пациентов.
Известен импульсный сверхширокополосный датчик мониторинга физиологических параметров одного и более органов тела пациента - заявка US №2004/0249258 А1, кл. А61В 5/05, 2004. Датчик представляет собой импульсный сверхширокополосный радар малой мощности. В качестве опорного зондирующего сигнала используются короткие видеоимпульсы. Датчик содержит импульсный генератор постоянной частоты, передатчик, приемно-передающую антенну, приемник, блок генерации задержанных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки сигнала, блок отображения информации, блок управления и синхронизации, который осуществляет расширенную статистическую обработку отраженных от исследуемых объектов пациента сигналов. В датчике используется одноканальная схема обработки сигнала, которая не позволяет получить информацию о физиологических параметрах исследуемого объекта с требуемой степенью достоверности в любой точке на рабочей дистанции, так как между датчиком и исследуемым объектом появляются так называемые «слепые» зоны, в которых фазовая чувствительность датчика существенно снижается, хотя амплитуда отраженных от объекта зондирующих сигналов может быть достаточно большой. Наличие «слепых» зон и малая ширина участка дальности датчика, которая определяется длительностью опорных сигналов, снижает точность измерений физиологических параметров пациента в определенных зонах рабочей дистанции, в связи с чем такой датчик может применяться только при условии полной неподвижности пациента на строго фиксированном расчетном расстоянии.
Известен импульсный сверхширокополосный радиолокационный прибор для контроля физиологических параметров одного и более органов тела пациента, включая контроль дыхания и сердцебиения - патент US №5573012, кл. А61В 5/08, 1996. Принцип работы прибора основан на обработке отраженных от исследуемых объектов сигналов и формировании усредненного по амплитуде аудиосигнала с амплитудно-частотной модуляцией. Принимаемый приемной антенной сигнал может раздельно обрабатываться посредством частотной фильтрации и усиления для контроля различных физиологических параметров пациента. Однако конструкция прибора и способ обработки сигнала не исключает возможности появления «слепых» зон на участках рабочей дальности между исследуемым объектом и прибором, т.е. прибору присущи те же самые вышеперечисленные недостатки.
Известен импульсный сверхширокополосный датчик для контроля физиологических параметров дыхания и сердцебиения пациента - патент US №4085740, кл. А61В 5/02, 1978. Датчик содержит модулятор, генератор СВЧ-сигнала, аттенюатор, шунтовый СВЧ-тройник, фазосдвигающую цепь, передающую и приемную антенны, приемник, включающий два канала, каждый из которых включает детектор, усилитель и фильтр. Модулированный СВЧ-сигнал генератора с помощью линии передачи (волновода) непосредственно подводится к передающей антенне и излучается в сторону исследуемого объекта. Одновременно СВЧ-сигнал генератора как опорный сигнал через аттенюатор и шунтовый СВЧ-тройник поступает в смеситель синфазного канала приемника и через фазосдвигающую цепь, обеспечивающую сдвиг фазы опорного сигнала на 90°, поступает в смеситель квадратурного канала приемника. Отраженный от исследуемого объекта сигнал поступает в смесители каждого канал приемника. После детектирования или демодуляции в каждом канале суммарного выходного сигнала смесителя определяется амплитуда сигнала, которая является функцией относительной угловой скорости вращения фаз сигналов, поступающих на вход смесителя. При этом в зависимости от настройки усилителей и частотных фильтров на соответствующую амплитуду и частоту контролируемого физиологического параметра пациента один канал приемника служит для выделения сигнала, характеризующего дыхание, а второй - для выделения сигнала, характеризующего частоту сердцебиения пациента. В связи с тем что каналы приемника работают независимо друг от друга, датчику присущи те же недостатки: выходной сигнал датчика обладает малой информативностью вследствие возникновения «слепых» зон, в которых датчик не может одновременно измерять параметры дыхания и сердцебиения; применение датчика ограничивается фиксированным расстоянием между датчиком и пациентом; исключается применение датчика даже при незначительном перемещении исследуемого объекта.
Формирование опорного радиосигнала осуществляется непосредственно в генераторе, а управляемый электронный ключ только перенаправляет опорный радиосигнал в тракты передачи зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала. Нестабильность положения импульса управления ключом во времени негативно влияет на разность фаз опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителях. Это также снижает фазовую чувствительность датчика.
Кроме того, датчик позволяет получить достоверные данные параметров перемещения исследуемого объекта только в частном случае, когда в поле зрения датчика присутствует только одна движущаяся цель, восстановив закон возвратно-поступательного движения объекта согласно следующим зависимостям:
где Z1(t) - выходной сигнал синфазного канала приемника;
Z2(t) - выходной сигнал квадратурного канала приемника;
Em=EoE1nTo/2 - максимальная энергия взаимодействия отраженного и зондирующего сигналов, выделяющаяся на выходной нагрузке с единичным сопротивлением;
Е0 - максимальная амплитуда зондирующего сигнала;
Е1 - максимальная амплитуда принятого отраженного сигнала;
To - период колебаний зондирующего сигнала;
n - целое число периодов колебаний, заполняющих импульс зондирования;
φ1 - фазовый сдвиг, обусловленный расстоянием между исследуемым объектом и датчиком;
φ(t) - мгновенное значение фазы, обусловленное движением исследуемого объекта;
λ - длина волны колебаний, заполняющих зондирующий сигнал;
Ω=2πf - круговая частота движения исследуемого объекта;
f - частота движения исследуемого объекта;
t - текущее время;
ΔR - максимальная амплитуда движения исследуемого объекта;
R1 - расстояние между исследуемым объектом и датчиком.
Однако реально зондирующий сигнал отражается не только от движущегося исследуемого объекта, но и от находящихся вблизи неподвижных объектов, что вносит погрешность в достоверность вычисления функции и параметров движения исследуемого объекта.
Целью настоящего изобретения является создание импульсного сверхширокополосного датчика дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения по движению грудной клетки обследуемого пациента, позволяющего повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения пациентов, за счет повышения фазовой чувствительности диагностики исследуемого объекта, исключения «слепых» зон на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, а также повысить точность воспроизведения функции движения и параметров исследуемого объекта, в том числе за счет учета отраженного сигнала от неподвижных объектов.
Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения содержит приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем; тракт формирования СВЧ-сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель; управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов; тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа; приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и АЦП, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход с входами смесителей; тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа; последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами АЦП; блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.
При этом блок управления и синхронизации содержит формирователь управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, формирователь синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя, и задающий генератор, выход которого соединен с входами формирователя управляющих сигналов и формирователя синхронизирующих сигналов. Формирователь управляющих сигналов содержит инвертор, управляемую линию задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока обработки, и логический элемент «И», первый вход которого через управляемую линию задержки соединен с выходом инвертора, второй вход и вход инвертора соединены с выходом задающего генератора, а выход логического элемента «И» соединен с входом генератора СВЧ-сигнала. Формирователь синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя. Каждый канал формирования синхронизирующих сигналов содержит последовательно соединенные первую линию задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора, инвертор и вторую линию задержки, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом формирователя синхронизирующих сигналов.
Усилитель мощности тракта зондирующего сигнала выполнен с регулируемым коэффициентом усиления.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 - структурная схема сенсора.
Фиг.2 - структурная схема блока управления и синхронизации.
Фиг.3 - временная диаграмма сигнала на выходе задающего генератора.
Фиг.4 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора формирователя управляющих сигналов.
Фиг.5 - временная диаграмма сигнала на выходе управляемой линии задержки формирователя управляющих сигналов.
Фиг.6 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» формирователя управляющих сигналов.
Фиг.7 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.8 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.9 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.10 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.11 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.12 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.13 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.14 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов.
Фиг.15 - временная диаграмма сигнала на выходе генератора СВЧ сигнала.
Фиг.16 - временная диаграмма сигнала на входе тракта зондирующего сигнала.
Фиг.17 - временная диаграмма сигнала на входе тракта опорных сигналов.
Фиг.18 - временная диаграмма зондирующего сигнала на выходе антенны.
Фиг.19 - временная диаграмма отраженного сигнала на входе синфазного и квадратурного каналов приемника.
Фиг.20 - временная диаграмма процесса перемножения опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе синфазного канала приемника.
Фиг.21 - временная диаграмма процесса перемножения сдвинутого по фазе на 90° опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе квадратурного канала приемника.
Фиг.22 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя синфазного канала приемника.
Фиг.23 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя квадратурного канала приемника.
Фиг.24 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра синфазного канала приемника.
Фиг.25 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра квадратурного канала приемника.
Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения согласно изобретению включает (фиг.1) приемно-передающую антенну 1, управляемый антенный переключатель 2, применение которого позволяет более рационально использовать энергию генерируемого СВЧ-сигнала, тракт 3 формирования СВЧ-сигнала, управляемый электронный ключ 4 формирования зондирующего и опорного сигналов, тракт 5 зондирующего сигнала, приемник 6 отраженного сигнала, тракт 7 опорных сигналов, блок 8 отображения информации, блок 9 обработки, блок 10 управления и синхронизации. Применение в датчике одной приемно-передающей антенны 1 позволяет в режиме излучения защитить приемник 6 от прямого прохождения зондирующих сигналов, что снижает требования к динамическому диапазону приемника 6, а также значительно уменьшить вес, габариты и стоимость датчика.
Тракт 3 формирования СВЧ-сигнала включает последовательно соединенные генератор 11 СВЧ-сигнала, фильтр 12 высокой частоты и буферный усилитель 13. Расположение фильтра 12 высокой частоты перед буферным усилителем 13 позволяет повысить стабильность и спектральную частоту генерируемых колебаний и уменьшить джиттер (нежелательные фазовые и/или случайные отклонения частоты). В дальнейшем это позволяет в значительной степени повысить точность оценки фазы принимаемого отраженного сигнала, что в свою очередь позволяет обеспечить более высокую точность наблюдения за механическими движениями малой амплитуды, такими как движение поверхности грудной клетки, вызванной работой сердца.
Тракт 5 зондирующего сигнала включает последовательно соединенные фильтр 14 высокой частоты и усилитель мощности 15.
Приемник 6 отраженного сигнала включает малошумящий усилитель 16, синфазный 17 и квадратурный 18 каналы. Синфазный канал 17 включает последовательно соединенные смеситель 19, фильтр 20 низкой частоты, низкочастотный усилитель 21, защитный фильтр 22 низкой частоты и АЦП 23. Квадратурный 18 канал включает последовательно соединенные смеситель 24, фильтр 25 низкой частоты, низкочастотный усилитель 26, защитный фильтр 27 низкой частоты и АЦП 28. Защитные фильтры 22 и 27 устраняют эффект наложения спектров при дискретизации.
Тракт 7 опорных сигналов включает последовательно соединенные фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31.
Блок 10 управления и синхронизации (фиг.2) содержит формирователь 32 управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала, формирователь 33 синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа 4, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя 2, и задающий генератор 34, выход которого соединен с входами формирователя 32 управляющих сигналов и формирователя 33 синхронизирующих сигналов.
Формирователь 32 управляющих сигналов содержит инвертор 35, управляемую линию 36 задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока 9 обработки, и логический элемент «И» 37, первый вход которого через управляемую линию 36 задержки соединен с выходом инвертора 35. Второй вход логического элемента «И» 37 и вход инвертора 35 соединены с выходом задающего генератора 34, а выход логического элемента «И» 37 соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала.
Формирователь 33 синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора 34, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа 4, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя 2. Канал формирования синхронизирующих сигналов для управления работой электронного ключа 4 содержит последовательно соединенные первую линию 38 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 39 и вторую линию задержки 40, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 41. Второй вход логического элемента «И» 41 соединен с выходом первой линии 38 задержки, а выход, являясь вторым выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления электронного ключа 4. Канал формирования синхронизирующих сигналов для управления работой антенного переключателя 2 содержит последовательно соединенные первую линию 42 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 43 и вторую линию задержки 44, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 45. Второй вход логического элемента «И» 45 соединен с выходом первой линии 42 задержки, а выход, являясь третьим выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления антенного переключателя 2.
Датчик работает следующим образом. Задающий генератор 34 вырабатывает синхросигналы в виде прямоугольных видеоимпульсов (фиг.3) с частотой следования, определяющей частоту следования импульсов зондирования (1-2 МГц), которые одновременно поступают в формирователь 32 управляющих сигналов и формирователь 33 синхронизирующих сигналов.
Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают на второй вход логического элемента «И» 37. Одновременно на первый вход логического элемента «И» 37 поступают инвертированные (фиг.4) инвертором 35 и задержанные управляемой линией 36 задержки сигналы (фиг.5) с задающего генератора 34. На выходе логического элемента «И» 37 сформированные прямоугольные импульсы (фиг.6) имеют длительность, определяемую временем задержки τ1 линии задержки 36. Время задержки τ1 устанавливается оператором через блок обработки 9, соединенный с управляющим входом линии 36 задержки, и определяет дальность действия датчика. Сформированные сигналы поступают с первого выхода формирователя 32 управляющих сигналов на запускающий вход генератора 11 СВЧ-сигнала, который формирует СВЧ-радиоимпульсы с длительностью, равной длительности запускающих видеоимпульсов.
Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают также на входы формирователя 33 синхронизирующих сигналов, имеющего два канала. Первый канал, формирующий сигнал управления электронным ключом 4, включает первую линию 38 задержки, инвертор 39, вторую линию 40 задержки и логический элемент «И» 41. Линия 38 задержки обеспечивает задержку выходных сигналов задающего генератора 34 на время τ2 (фиг.7), необходимое для формирования СВЧ-радиосигналов в генераторе 11 и их прохождения через фильтр 12 высоких частот и буферный усилитель 13 тракта формирования СВЧ-сигналов 3, такую чтобы передний фронт управляющего сигнала (фиг.10) поступал на управляющий вход электронного ключа 4 одновременно с началом поступления СВЧ-радиоимпульса (фиг.15) с выхода буферного усилителя 13 на вход электронного ключа 4. Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления электронным ключом 4, показаны на фиг.7-10. Время переключения электронного ключа 4 из одного положения в другое определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг.10) и задается временем задержки τ3. Это время определяет и длительность выделяемых сигналов зондирования (фиг.16). Второй канал, формирующий сигнал управления антенным переключателем 2, включает первую линию 42 задержки, инвертор 43, вторую линию 44 задержки и логический элемент «И» 45. Время задержки τ4 выходных сигналов задающего генератора 34 выбирается таким образом, чтобы начало поступающего на вход антенного переключателя 2 (фиг.18) зондирующего СВЧ-радиоимпульса соответствовало переднему фронту управляющего сигнала (фиг.14), поступающего с третьего выхода блока 10 управления и синхронизации (с выхода логического элемента «И» 45). Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления антенным переключателем 2, показаны на фиг.11-14. Время переключения антенного переключателя 2 из одного положения в другое определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг.14) и задается временем задержки τ5 линии задержки 44. Это время задержки должно соответствовать длительности выделенных сигналов зондирования.
Таким образом, блок 10 управления и синхронизации вырабатывает сигнал запуска генератора 11 - видеоимпульс длительностью 10…21 нс, что соответствует максимальной дальности действия датчика, созданный из прямоугольного видеоимпульса с выхода задающего генератора 34 линией 36 задержки. Время задержки задается оператором через блок 9 обработки до начала измерений и не меняется в процессе проведения измерений. Использование линии задержки 36 позволяет быстро перестраивать и ограничивать максимальную дальность действия датчика. А формирование одного сигнала запуска генератора 11 позволяет избежать формирование на выходе датчика сигналов, соответствующих «ложному движению» исследуемого объекта и/или неподвижных объектов.
После поступления сигнала запуска генератор 11 формирует относительно длинные радиоимпульсы (фиг.15), которые проходят фильтр 12 верхних частот, где подавляются гармонические составляющие ниже ~5,5 ГГц, и буферный усилитель 13, который кроме усиления исключает влияние нагрузки на цепи генератора 11. На выходе тракта 3 формирования СВЧ-сигнала получаем радиоимпульсы длительностью 10-21 нс с частотой заполнения - 6.5 ГГц и частотой повторения, зависящей от сигнала запуска, например, при дальности действия датчика до 2-х метров - 1…2 МГц.
Из сигнала, поступившего из тракта 3 формирования СВЧ-сигнала, управляемый электронный ключ 4 выделяет зондирующий сигнал (фиг.16) длительностью порядка 2 нс, поступающий через фильтр 14 высокой частоты и усилитель 15 мощности тракта 5 формирования зондирующего сигнала на вход управляемого электронного переключателя 2, и опорный сигнал (фиг.17) длительностью порядка 8-19 нс, поступающий через фильтр 29 высокой частоты и усилитель 30 мощности тракта 7 формирования опорных сигналов на вход смесителя 19 синфазного канала 17 приемника 6, а через фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31 тракта 7 формирования опорных сигналов на вход смесителя 24 квадратурного канала 18 приемника 6. Нестабильность положения поступающего из блока 10 управления и синхронизации сигнала управления электронным ключом 4 во времени не влияет на разность фаз опорного и принятого отраженного сигналов в смесителях 19 и 24, так как эти сигналы сформированы из одного СВЧ-сигнала.
После электронного ключа 4 сигнал проходит фильтр 14 высокой частоты с частотой среза ~5,5 ГГц, удаляющий низкочастотные гармоники сигналов управления электронным ключом 4, усиливается усилителем 15 мощности с регулируемым коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы на заданной дальности, и поступает на управляемый антенный переключатель 2. Антенный переключатель 2 обеспечивает работу приемно-передающей антенны 1 в двух режимах - на передачу и на прием. По умолчанию, антенна 1 работает в режиме приема отраженного от исследуемого объекта сигнала, а при подаче сигнала с блока 10 управления и синхронизации на управляющий вход антенного переключателя 2 антенна работает в режиме передачи зондирующего сигнала (фиг.18).
Отраженный от исследуемого объекта сигнал (фиг.19) с задержкой, соответствующей времени распространения сигнала до объекта и обратно, поступает на антенный переключатель 2, который после излучения зондирующего импульса был переключен обратно в положение «прием». Далее сигнал поступает через малошумящий усилитель 16 в смеситель 19 синфазного канала17 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг.20) с опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности, и в смеситель 24 квадратурного канала 18 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг.21) с сдвинутым по фазе на 90° фазосдвигающей цепью 31 опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности. Такая работа датчика в режиме приема отраженного сигнала позволяет обеспечить защитный интервал (по дальности), в пределах которого прием отраженных сигналов не ведется. Это позволяет повысить помехозащищенность приемника 6 от значительных пассивных помех, создаваемых расположенными в непосредственной близости от приемно-передающей антенны 1 предметами.
Выходные сигналы смесителей (фиг.22 и фиг.23 соответственно) проходят фильтры 20 и 25 нижних частот с частотой среза ~0,5 кГц. На выходе фильтров 22 и 27 получаем сигналы, соответствующие изменению фазы принятого отраженного от исследуемого объекта сигнала, по отношению к опорным сигналам (фиг.24 и фиг.25 соответственно). В строго тактируемый момент времени АЦП 23 и 28 преобразуют в цифровой вид поступающие на них сигналы, которые поступают на блок 9 обработки, обеспечивающий восстановление закона движения и определения параметров движения исследуемого объекта с учетом нежелательных отражений зондирующего сигнала от неподвижных объектов, согласно следующим зависимостям:
где G1 и G2 - константы, соответствующие уровню сигналов, отраженных от неподвижных объектов при обследовании пациента.
Далее в блоке 8 отображения информации проводится отображение результатов мониторинга о параметрах и состоянии дыхательной и сердечно-сосудистой систем обследуемого пациента.
Таким образом, применение оригинальной схемы управления генератором 11 СВЧ-сигнала, благодаря возможности осуществлять оперативную регулировку максимальной дальности действия датчика, применение вышеописанного процесса формирования опорного сигнала и сигнала зондирования, изменение режима работы антенного переключателя 2 (постоянная работа в режиме «прием», за исключением времени прохождения сигнала зондирования), изменение режима работы приемника 6 датчика (работа в режиме «прием» со всей дальности действия датчика), выполнение функции стробирования (выборки по дальности) АЦП 23 и 28, а также осуществление накопления откликов на зондирующие сигналы позволило существенно повысить фазовую чувствительность диагностики исследуемого объекта и исключить «слепые» зоны на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, что позволило повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения.
1. Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения содержит:
приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем;
тракт формирования СВЧ сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель;
управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов;
тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа;
приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход - с входами смесителей;
тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа;
последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами аналого-цифровых преобразователей;
блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что блок управления и синхронизации содержит формирователь управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, формирователь синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя, и задающий генератор, выход которого соединен с входами формирователя управляющих сигналов и формирователя синхронизирующих сигналов.
3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что формирователь управляющих сигналов содержит инвертор, управляемую линию задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока обработки, и логический элемент «И», первый вход которого через управляемую линию задержки соединен с выходом инвертора, второй вход и вход инвертора соединены с выходом задающего генератора, а выход логического элемента «И» соединен с входом генератора СВЧ-сигнала.
4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что формирователь синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя.
5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что каждый канал формирования синхронизирующих сигналов содержит последовательно соединенные первую линию задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора, инвертор и вторую линию задержки, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом формирователя синхронизирующих сигналов.
6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что усилитель мощности тракта зондирующего сигнала приемника выполнен с регулируемым коэффициентом усиления.
