Способ регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства и устройство для его осуществления

Авторы патента:


Группа изобретений относится к медицине, а именно к способу и устройству регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) водителя транспортного средства. При этом с помощью внешних электродов (2, 3), расположенных на руле (7) транспортного средства, регистрируют дифференциальный сигнал ЭКГ между левой и правой рукой водителя (1). Регистрируют синфазный сигнал ЭКГ. Подают усиленный по мощности синфазный сигнал ЭКГ на экран (6) руля. Подают дифференциальный сигнал накачки на внешние электроды для измерения ЭКГ, который содержит по меньшей мере одну частоту, и регистрируют полный импеданс водителя. Проводят дополнительную обработку полученных данных ЭКГ с использованием в качестве сигналов шума синфазного сигнала ЭКГ и/или данных измерения импеданса. Проверяют качество полученных данных ЭКГ на основе полученных данных шумовых сигналов и исключают зашумленные и/или артефактные участки. Производят анализ ЭКГ на основе выбранных данных. Обеспечивается получение качественного и достоверного сигнала ЭКГ, проведение достоверной диагностики и идентификации личности водителя транспортного средства, снижение влияния паразитных емкостей и помех, снижение материалоемкости, исключение лишних мешающих проводных соединений и элементов, возможность удаленной передачи информации, более легкая, удобная и эргономичная конструкция устройства, снижение вероятности дорожно-транспортных происшествий, исключение применения дополнительных защитных мер для электрической безопасности водителя, а также безопасности и надёжности конструкции. 2 н. и 46 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной медицинской технике, в частности к способу и устройству регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) и импеданса для контроля состояния водителя во время управления автомобилем, телемедицины и идентификации личности по индивидуальным данным ЭКГ.

Уровень техники

Из уровня техники известен способ регистрации электрокардиограммы и реограммы с водителя автомобиля и устройство для осуществления способа, раскрытые в документе RU 2653995 C1, опубл. 15.05.2018. В данном документе описывается способ и устройство для съема данных ЭКГ и реограммы с водителя транспортного средства при помощи по меньшей мере двух электродов, расположенных на руле транспортного средства. Данное решение является наиболее близким аналогом заявленного устройства.

В данном изобретении на основе измерения частоты и фазы сигналов наводок генерируется сигнал шума с такой же частотой, затем данные сигнала шума вычитаются из данных сигнала ЭКГ для снижения количества шумов в данных сигнала ЭКГ.

Недостаток данного изобретения в том, что если характер помехи имеет широкий спектр или непериодический характер, то этот способ не позволит до конца вычесть помеху, так как в нем вычитается шумовой сигнал, сгенерированный на основе анализа частоты и фазы сигнала помехи, то есть определенные частоты, а не весь сигнал помехи.

Еще одним недостатком данного изобретения является то, что для анализа частоты и фазы шума (с помощью преобразования Фурье) при вычитании помехи требуется задействовать большие вычислительные ресурсы.

Также к недостаткам данного изобретения можно отнести то, что в нем не раскрыты возможности использования автономного источника питания и беспроводной связи устройства с сервером приема и отображения данных, рассматривалась только беспроводная связь устройства с учетом дополнительных средств связи, а также возможность оснащения устройства модулями геолокации и мобильной связи для передачи данных в интернет или сопряжения устройства с другими бортовыми системами, имеющими данные модули в своем составе.

Заявленное изобретение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание способа и устройства регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) водителя, позволяющие получить качественный сигнал ЭКГ для проведения достоверной диагностики и идентификации личности в условиях автомобиля.

Технический результат заключается в получении качественного и достоверного сигнала ЭКГ, проведения достоверной диагностики и идентификации личности водителя транспортного средства, снижении влияния паразитных емкостей и помех, снижении материалоемкости, исключении лишних мешающих проводных соединений и элементов, обеспечении возможности удаленной передачи информации, обеспечении более легкой, удобной и эргономичной конструкции устройства, снижении вероятности дорожно-транспортных происшествий, исключении применения дополнительных защитных мер для обеспечения электрической безопасности водителя, а также безопасности и надёжности конструкции.

Технический результат достигается за счет того, что способ регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства содержит следующие этапы:

с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства, регистрируют дифференциальный сигнал электрокардиограммы между левой и правой рукой водителя;

регистрируют синфазный сигнал электрокардиограммы;

подают усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран руля;

подают дифференциальный сигнал накачки на внешние электроды для измерения электрокардиограммы, который содержит по меньшей мере одну частоту, и регистрируют полный импеданс водителя;

проводят дополнительную обработку полученных данных электрокардиограммы с использованием данных сигналов шума как синфазный сигнал электрокардиограммы и/или данные измерения импеданса;

проверяют качество полученных данных электрокардиограммы на основе полученных данных шумовых сигналов и исключают сильно зашумленные и/или артефактные участки;

производят анализ электрокардиограммы на основе выбранных данных электрокардиограммы.

Дополнительно подают усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран кабеля.

Дифференциальный сигнал накачки содержит одновременно несколько частот, либо измерения импеданса производят, последовательно перебирая несколько частот сигнала накачки.

Значения импеданса измеряют на нескольких частотах, с помощью которых рассчитывается модель эквивалентной схемы импеданса водителя, включающая расчет номиналов реактивных и активных составляющих в схеме.

С помощью модели эквивалентной схемы импеданса оценивают отдельно сопротивление контакта и внутреннее сопротивление водителя.

По модели эквивалентной схемы импеданса водителя производят оценку электрической активности кожи для предупреждения засыпания за рулем.

Дополнительно регистрируют сигналы ускорения и поворота, для регистрации артефактов движения.

Данные сигналов ускорения и поворота, содержатся в данных сигналов шумов, и участвуют в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения сильно зашумленных или артефактных участков.

Дополнительную обработку полученных данных электрокардиограммы проводят с использованием алгоритмов адаптивной фильтрации.

Адаптивные фильтры применяют последовательно для каждого вида сигнала шума, входом для второго и последующего адаптивных фильтров в качестве данных электрокардиограммы используют данные электрокардиограммы на выходе предыдущего фильтра.

Анализ электрокардиограммы проводят периодически.

Между периодами измерений имеются избыточные данные электрокардиограммы, из которых выбирают только данные с наименьшим уровнем шума путем выбора отрезков времени для измерения электрокардиограммы с оптимальными условиями.

Дополнительно регистрируют дифференциальный сигнал с внутренних электродов.

Внутренние электроды расположены строго под внешними электродами, образуя с ними емкостную связь.

Производят согласование зарегистрированного дифференциального сигнала с внутренних электродов с дифференциальным сигналом электрокардиограммы.

Данные согласованного дифференциального сигнала с внутренних электродов вычитают из данных дифференциального сигнала электрокардиограммы для уменьшения шумов в данных электрокардиограммы.

Согласование дифференциального сигнала электрокардиограммы с дифференциальным сигналом с внутренних электродов производят с помощью настройки амплитуды и/или фазы, по меньшей мере, одного из этих сигналов.

Настройку амплитуды и/или фазы дифференциального сигнала с внутренних электродов производят путем настройки нагрузочного сопротивления.

Данные дифференциального сигнала с внутренних электродов, содержатся в данных сигналов шумов, и участвуют в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения сильно зашумленных или артефактных участков.

Данные электрокардиограммы дополнительно формируют из дифференциального сигнала с бесконтактных датчиков.

Один из бесконтактных датчиков расположен на руле, а второй в сиденье водителя на его опорной поверхности.

На основе результатов анализа электрокардиограммы и импеданса водителя производят диагностику состояния водителя и/или его идентификацию личности.

На основе диагностических данных формируют и передают события системе безопасности водителя и пассажиров в автомобиле и/или устройствам управления, индикации, связи и/или службам для обеспечения безопасности.

Передачу событий осуществляют по беспроводной связи.

Устройство регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства, выполненное с возможностью:

регистрации дифференциального сигнала электрокардиограммы между левой и правой рукой водителя, с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства;

регистрации синфазного сигнала электрокардиограммы и подачи усиленного по мощности этого сигнала на экран руля;

регистрации полного импеданса водителя с помощью подачи дифференциального сигнала накачки, который содержит по меньшей мере одну частоту, на электроды для измерения электрокардиограммы;

проведения дополнительной обработки полученных данных электрокардиограммы с использованием данных сигналов шума как синфазный сигнал электрокардиограммы и/или данные измерения импеданса;

проверки качества полученных данных электрокардиограммы на основе дополнительно полученных данных сигналов шумов для исключения сильно зашумленных и/или артефактных участков;

проведения анализа электрокардиограммы на основе выбранных данных электрокардиограммы.

Устройство выполнено с возможностью дополнительной подачи усиленного по мощности синфазного сигнала электрокардиограммы на экран кабеля.

Устройство выполнено с возможностью получения дифференциального сигнала накачки, содержащего одновременно несколько частот, или с возможностью измерения импеданса, последовательно меняя частоту сигнала накачки.

Устройство выполнено с возможностью измерения импеданса на нескольких частотах, с помощью которых рассчитывается модель эквивалентной схемы импеданса водителя, включающая расчет номиналов реактивных и активных составляющих в схеме.

Устройство выполнено с возможностью расчета модели эквивалентной схемы импеданса, позволяющей оценивать отдельно сопротивление контакта и внутреннее сопротивление водителя.

Устройство выполнено с возможностью по данным импеданса водителя производить оценку электрической активности кожи для предупреждения засыпания за рулем.

Устройство дополнительно выполнено с возможностью регистрации сигналов ускорения и поворота, для регистрации артефактов движения.

Данные сигналов ускорения и поворота, содержатся в данных сигналов шумов, участвующих в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения сильно зашумленных или артефактных участков.

Устройство выполнено с возможностью обработки полученных данных электрокардиограммы с использованием алгоритмов адаптивной фильтрации.

Устройство выполнено с возможностью применения адаптивных фильтров последовательно для каждого вида сигнала шума, где входом для второго и последующего адаптивных фильтров в качестве данных электрокардиограммы используют данные электрокардиограммы на выходе предыдущего фильтра.

Устройство выполнено с возможностью проведения анализа электрокардиограммы периодически.

Устройство выполнено с возможностью получения между периодами измерений избыточных данных электрокардиограммы и выбора из них только данных с наименьшим уровнем шума путем выбора отрезков времени для измерения электрокардиограммы с оптимальными условиями.

Устройство выполнено с дополнительной возможностью регистрации дифференциального сигнала с внутренних электродов.

Внутренние электроды расположены строго под внешними электродами, образуя с ними емкостную связь.

Устройство выполнено с возможностью согласования зарегистрированного дифференциального сигнала с внутренних электродов с дифференциальным сигналом электрокардиограммы.

Устройство выполнено с возможностью вычитания из данных дифференциального сигнала электрокардиограммы данных согласованного дифференциального сигнала с внутренних электродов для уменьшения шумов в данных электрокардиограммы.

Устройство выполнено с возможностью согласования дифференциального сигнала электрокардиограммы с дифференциальным сигналом с внутренних электродов с помощью настройки амплитуды и/или фазы по, меньшей мере, одного из этих сигналов.

Настройку амплитуды и/или фазы дифференциального сигнала с внутренних электродов осуществляется путем настройки нагрузочного сопротивления.

Данные дифференциального сигнала с внутренних электродов, содержатся в данных сигналов шумов, участвующих в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения сильно зашумленных или артефактных участков.

Устройство выполнено с дополнительной возможностью формирования данных электрокардиограммы из дифференциального сигнала с бесконтактных датчиков.

Один из бесконтактных датчиков расположен на руле, а второй в сиденье водителя на его опорной поверхности.

Устройство дополнительно выполнено с возможностью диагностики состояния водителя и/или его идентификации личности на основе результатов анализа электрокардиограммы и импеданса водителя.

Устройство выполнено с возможностью формирования и передачи событий на основе диагностических данных системе безопасности автомобиля или устройствам управления, индикации, связи или службам для обеспечения безопасности.

Устройство выполнено с возможностью передачи событий по беспроводной связи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – Электрическая функциональная схема блока измерения устройства регистрации электрокардиограммы;

Фиг.2 – Электрическая структурная схема устройства регистрации электрокардиограммы;

Фиг.3 - эквивалентная схема сопротивления тела человека;

Фиг.4 - эквивалентная схема сопротивления тела человека и контактов;

Фиг.5 - эквивалентная схема внутреннего сопротивления тела человека RВ.

На фигурах обозначены следующие элементы:

1 – обозначение импеданса водителя между левой и правой рукой;

2 – электрод внешний левый;

3 – электрод внешний правый;

4 – электрод внутренний левый (дополнительного канала регистрации сигналов помех);

5 – электрод внутренний правый (дополнительного канала регистрации сигналов помех);

6 – экран руля;

7 – руль;

8 – экран кабеля внешних электродов;

9 – экран кабеля внутренних электродов;

10 – управляемое сопротивление для согласования нагрузки внутренних электродов с нагрузкой внешних электродов (с поз. 1 – импедансом водителя);

11 – буфер (повторитель);

12 - бесконтактные датчики ЭКГ;

13, 14 – инструментальный усилитель;

15, 16 – равные сопротивления, ограничивающие ток накачки I и инверсный ему I’;

17 – АЦП;

18 – датчик ускорения и поворота (и температуры);

19 – сидение водителя;

30 – блок измерения устройства регистрации электрокардиограммы;

31 – световая индикация и/или дисплей;

32 – одна или несколько кнопок;

33 – преобразователи питающего напряжения;

34 – блок управления и связи;

35 – автономный источник питания;

36 – сигнальное устройство (звуковое);

37 – устройство гальванической развязки (опция);

38 – сервер приема и отображения данных (смартфон и/или головное устройство автомобиля, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном);

39 – удаленный сервер;

100 – устройство регистрации электрокардиограммы;

- - - - - контуры опциональных элементов и их линии взаимосвязи;

- - ‑ - линии электрических соединений опциональных элементов;

— — — - линии механических соединений;

L и R – цепи сигналов с внешних электродов;

L’ и R’ – цепи сигналов с внутренних электродов;

Ri и Ri’ – сопротивления, Ri = Ri’, ограничивающие ток накачки I и I’;

S – цепь синфазного сигнала с внешних электродов;

Z’ – управляемое сопротивление для согласования нагрузки внутренних электродов с нагрузкой внешних электродов.

Осуществление изобретения

Заявленное изобретение относится к контрольно-измерительной медицинской технике, в частности к способу и устройству регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) в условиях автомобиля и полного импеданса между левой и правой рукой водителя для дальнейшего осуществления диагностики состояния водителя, телемедицины и идентификации личности по индивидуальным данным ЭКГ и полного импеданса, снятого с рук водителя при помощи электродов, расположенных на руле автомобиля. Данное устройство может быть использовано для контроля состояния водителя во время управления автомобилем (состояние здоровья сердца, в том числе опасные для жизни аритмии, уровень усталости, сон или бодрствование) и, как следствие, дополнять обеспечение безопасности во время дорожного движения.

Биометрические данные ЭКГ, могут быть использованы для идентификации личности водителя, подразумевается контроль к доступу управления автомобилем, как дополнительное средство защиты от угона, а также для установления индивидуальных настроек техники автомобиля под конкретного водителя, слежение за временем его нахождения за рулем и др. Устройство может использоваться для передачи данных ЭКГ и полного импеданса водителя удалённым серверам приема в облаке для осуществления телемедицины водителя, а также в случае необходимости быстрого оказания медицинской помощи, мониторинга состояния и хранение данных о периодах работы и отдыха водителей.

Чтобы более наглядно описать созданное устройство и способ регистрации ЭКГ водителя, рассмотрим электрическую функциональную схему блока измерения устройства регистрации электрокардиограммы и электрическую структурную схему устройства регистрации электрокардиограммы, которые приведены на фигурах 1 и 2 соответственно.

Основным блоком устройства регистрации электрокардиограммы является блок измерения 30 (фиг.1 и фиг.2), он выполняет функции измерения ЭКГ, импеданса водителя между левой и правой рукой, может включать в себя датчик ускорения и поворота, и температуры. Рассмотрим более подробно схему блока измерения ссылаясь на фиг.1. Для измерения данных ЭКГ и импеданса водителя между левой и правой рукой 1 на руле 7 автомобиля распложены внешний левый электрод 2 и внешний правый электрод 3. Под электродами по всей поверхности руля 7 расположен электрический экран руля 6. Внешние электроды 2 и 3 подключены к инструментальному усилителю 13 кабелем (в случае применения экранированного кабеля, экран кабеля 8). Также в схеме присутствуют буфер (повторитель) 11, равные сопротивления 15 и 16, ограничивающие ток накачки I и (обычно инверсный ему) I’ для измерения импеданса, АЦП 17. Дополнительно (опционально) в схеме имеется дополнительный канал регистрации сигналов помех с помощью внутренних электродов (внутренний левый электрод 4 и внутренний правый электрод 5), соединенный кабелем (в случае применения экранированного кабеля, экран кабеля 9) с управляемым сопротивлением 10 и с инструментальным усилителем 14. Также в схеме присутствует датчик ускорения и поворота, и температуры 18, который механически соединен с рулем 7 автомобиля. Дополнительно (опционально) в схеме присутствуют бесконтактные датчики ЭКГ 12, которые механически соединены с рулем 7 автомобиля и с сидением водителя 19 (электрический контакт с телом водителя в бесконтактных датчиках ЭКГ осуществляется посредством емкостных связей – поэтому контактная поверхность может быть диэлектрической).

Чтобы рассмотреть устройство в целом обратимся к электрической структурной схеме устройства регистрации электрокардиограммы фиг.2.

Устройство регистрации электрокардиограммы 100 включает в себя блок управления и связи 34, который принимает данные измерений ЭКГ, импеданса водителя, датчика ускорения и поворота, и температуры от блока измерения 30, данные интерфейса человека заданные одной или несколькими кнопками 32, может передавать и принимать данные через беспроводную связь с сервером приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство автомобиля, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном) и, при наличии устройства гальванической развязки (опция) 37, через проводную связь, проходя через гальванический барьер устройства гальванической развязки 37. Кроме этого блок управления и связи 34 осуществляет управление блоком измерения 30, световой индикацией и/или дисплеем 31, сигнальным звуковым устройством 36, а также преобразователями питающего напряжения 33, которые в свою очередь преобразовывают и, посредством управления блока управления и связи 34, распределяют аналоговое и цифровое питание. Устройство регистрации электрокардиограммы может потреблять питание от автономного источника питания 35 и/или дополнительно (опционально) от бортовой сети автомобиля через устройство гальванической развязки 37. В последнем случае питание от бортовой сети автомобиля поступает через устройство гальванической развязки 37 посредством связи через гальванический барьер на преобразователи питающего напряжения 33. Изобретение может передавать данные ЭКГ и полного импеданса водителя удаленному серверу 39 по беспроводной мобильной связи как с помощью блока управления и связи 34 устройства регистрации электрокардиограммы 100, так и с помощью сервера приема и отображения данных 38, в зависимости от наличия функции мобильной связи в устройстве управления и связи.

Рассмотрим более подробно работу устройства вначале ссылаясь на фиг.1.

Водитель, держась за руль 7, соединяется с левым 2 и правым 3 внешними электродами и вносит в схему устройства сопротивление тела (импеданс водителя между левой и правой рукой 1). Электроды, расположенные на руле транспортного средства, выполнены в виде чехла или оплетки на руль и крепятся на руль 7 автомобиля, что является преимуществом, так как в этом случае обеспечивается более надежная фиксация, а также более упрощенное внедрение в конструкцию транспортного средства. Внешние электроды 2 и 3, контактирующие с телом, могут быть выполнены из токопроводящей резины, например, из биологически совместимой смеси на основе силикона или из другого биологически совместимого износостойкого токопроводящего материала, например, текстильные проводящие ткани, тонкие металлические сетки (решётки), вышивание проводящими нитями или проволокой из нержавейки, покрытие из тонкой плёнки неокисляющегося металла и других. Внутренние электроды 4 и 5 и электрический экран руля 6 также могут быть выполнены из токопроводящего материала как токопроводящая резина, токопроводящая ткань, мелкозернистая металлическая сетка и других без требований к биологической совместимости, так как не контактируют с телом.

Для измерения импеданса водителя между левой и правой рукой 1 от блока управления и связи 34 (фиг.2) поступают сигналы накачки I и I’, которые подаются через сопротивления 15 и 16, ограничивающие ток. Для уменьшения синфазной помехи и увеличения амплитуды регистрируемого дифференциального сигнала между I и I’, предпочтительно, чтобы сигналы накачки I и I’ имели одинаковую форму и подавались в противофазе.

Измерять полное сопротивление тела (импеданс водителя) возможно одновременно на нескольких частотах, например, на двух, если одну частоту подать на сопротивление 15, а другую на 16 или на более, если смешивать разные частоты в один или в оба сигнала, поступающих на сопротивления 15 и 16, это можно реализовать, например, при помощи встроенного ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) или ШИМ (широтно-импульсного модулятора) блока управления и связи 34 (фиг.2). Преимущество в том, что возможность измерения полного сопротивления тела (импеданса водителя) одновременно на нескольких частотах, позволяет сразу получить модель эквивалентного сопротивления тела человека, то есть сразу получать значения активных и реактивных компонентов в эквивалентной схеме измерения сопротивления тела человека (импеданса водителя). Одновременное применение нескольких частот в сигналах накачки позволяет более точно воспроизводить эквивалентную модель сопротивления тела водителя, в отличие от последовательного перебора частот, при измерении импеданса, так как даже за короткое время измерения импеданс водителя может измениться. На фиг.3 приведена возможная модель (эквивалентная схема сопротивления тела человека), например, если измерения происходят на двух частотах, при этом внутреннее сопротивление тела RВ известно, его можно измерить заранее на большой частоте (RН и CН - активное и емкостное сопротивление наружного слоя кожи, а RВ - внутреннее сопротивление тела человека).

Возможно использовать более сложные модели, соответственно неизвестных будет больше и для этого в схеме предусмотрена возможность проводить измерения на нескольких частотах. Каждая частота измерения импеданса позволяет добавить новое уравнение в систему уравнений вычисления неизвестных номиналов модели.

Еще один пример возможной модели для измерения полного сопротивления тела человека (полного импеданса водителя), включающей эффекты поляризации электродов при контакте с кожей, приведен на фиг.4 (где E - потенциал электрода (биоэлектрический и электрохимический) и Re - сопротивление электрода).

Также возможно использование моделей, где внутреннее сопротивление тела человека RВ представлено более сложно, например, эквивалентной схемой, приведенной на фиг.5 (где Rмк – активное сопротивление межклеточной проводящей жидкости, Rвк – сопротивление внутриклеточной проводящей жидкости, Cвт – емкость внутренних тканей, обусловленная изолирующими свойствами клеточных мембран).

Кроме ограничения тока накачки I и I’, сопротивления 15 и 16 подтягивают входные сигналы L и R, соответственно, к средним уровням сигналов накачки I и I’ чтобы эффекты поляризации электродов не сместили базовую линию входного сигнала за пределы диапазона входного напряжения инструментального усилителя 13.

Для обеспечения получения качественного сигнала ЭКГ в условиях автомобиля с помощью электродов, расположенных на руле, под электродами по всей поверхности руля 7 расположен «защитный» электрический экран руля 6 в виде проводящей подложки, при этом подложка не имеет электрического контакта со схемой автомобиля.

Активный электрический экран руля 6 позволяет снизить влияние паразитных емкостей и помех, образующихся между массой автомобиля и электродами на руле 7 и других. Для этого внешний левый 2 и правый 3 электроды подключены к инструментальному усилителю 13, который усиливает дифференциальный сигнал между внешними электродами 2 и 3. В тоже время синфазный сигнал S берется как средний сигнал между внешними электродами 2 и 3 на входе инструментального усилителя 13 через буфер (повторитель) 11 и подается на электрический экран руля 6 и экраны кабелей 8 и 9, в случае применения экранированного кабеля. Поскольку площадь электродов достаточно большая, то существует емкостная связь между электродами и по меньшей мере массой автомобиля посредством металлического руля. Для ослабления эффектов емкости между электродами и бортовой сетью автомобиля (массой, электроникой руля и другими) усиленный (по мощности) синфазный сигнал на выходе буфера (повторителя) 11 может быть использован как «защитное» напряжение, которое подается на электрический экран руля 6 и экраны кабелей 8 и 9 внешних и внутренних электродов. АЦП 17 принимает сигналы ЭКГ в виде усиленного дифференциального сигнала между внешними электродами 2 и 3 с инструментального усилителя 13, а также усиленный по мощности синфазный сигнал ЭКГ.

Синфазный сигнал ЭКГ с внешних электродов, принимаемый АЦП, может участвовать в различных алгоритмах обработки ЭКГ для получения более качественных данных ЭКГ, например, в алгоритмах адаптивной фильтрации ЭКГ в качестве шумового сигнала.

Данные синфазного сигнала ЭКГ, которые отражают синфазные наводки (шумы), могут применяться для оценки уровня наводимых помех в сигнале ЭКГ и выбора времени измерения ЭКГ, соответствующего оптимальным условиям (минимальной зашумленности сигнала). В условиях автомобиля на качество сигнала ЭКГ могут влиять множество факторов, такие как сопротивление контакта, наводки электроники автомобиля, которые могут также зависеть от оборотов двигателя, положения рук на руле и другие. Возможность оценивать влияние шумов от наводок и других артефактов на ЭКГ и выбирать подходящее время для регистрации ЭКГ при минимальном уровне шума позволит существенно улучшить качество и достоверность результатов измерения ЭКГ.

В аналоге использовался другой способ устранения шумов из данных ЭКГ, при котором на основе измерения частоты и фазы сигналов наводок генерировался сигнал шума с заданной частотой и эти данные вычитались из данных ЭКГ для снижения количества шумов в сигналах ЭКГ. Синфазный сигнал может применяться качестве сигнала наводок для использования в алгоритмах адаптивной фильтрации или как в рассматриваемом аналоге изобретения.

Дополнительно (опционально) в схеме имеется канал регистрации сигналов помех с помощью внутренних электродов левого 4 и правого 5, которые точно повторяют форму внешних электродов левого 2 и правого 3 и располагаются строго под внешними электродами 2 и 3, образуя с ними емкостную связь, таким образом, чтобы наводки действовали одинаково на внутренние 4 и 5 и на внешние 2 и 3 электроды, при этом внутренние электроды 4 и 5 не имеют прямого электрического контакта с внешними электродами 2 и 3.

Также по аналогии с внешними электродами в канале регистрации сигналов помех присутствует пара одинаковых подтягивающих резисторов, которые соединяют цепи L’ и R’, соответственно, со средним уровнем аналогового питания усилителей 13 и 14, либо подтяжка одного резистора осуществляется к аналоговой земле, а второго к аналоговому питанию (сигналы накачки через них не подаются), данные резисторы на схеме для упрощения не показаны.

Для устранения шумов от наводок в данных сигнала ЭКГ, необходимо сигнал регистрации помех на внутренних электродах 4 и 5 согласовать с сигналом ЭКГ на внешних электродах 2 и 3, таким образом, чтобы фаза и амплитуда сигналов помех на внутренних и внешних электродах совпадали. Для этого необходимо настроить фазу и амплитуду данных сигнала шумов от наводок в сигнале с внутренних электродов. В качестве критерия настройки может использоваться минимальное среднеквадратическое или среднее абсолютное отклонение регистрируемых данных сигналов с внутренних и внешних электродов.

Сигнал с внешних электродов содержит полезный сигнал ЭКГ и сигналы помехи (шумы от наводок), а сигнал с внутренних электродов только сигналы помехи, так как внутренние электроды не имеют контакта с человеком. При согласованном по амплитуде и фазе синхронном вычитании данных сигналов с внутренних электродов (помех) из данных сигналов с внешних электродов (ЭКГ), можно получить чистые данные сигнала ЭКГ без помех (без шумов от наводок).

Согласовывать амплитуду шумового сигнала можно с помощью управляемого сопротивления, и/или настройкой усиления/ослабления принимаемого сигнала с внутренних электродов 4 и 5.

Для согласования шумового сигнала с помощью управляемого сопротивления дополнительно (опционально) в канале регистрации сигналов помех между внутренними электродами 4 и 5 имеется управляемое согласующее сопротивление 10. Нагрузкой для внешних электродов 2 и 3 является водитель (импеданс водителя между левой и правой рукой 1), для внутренних электродов 4 и 5 нагрузка устанавливается с помощью управляемого сопротивления 10, которое может иметь активную и реактивную составляющие. Меняя полное сопротивление нагрузки для внутренних электродов 4 и 5 можно настраивать амплитуду и фазу шумового сигнала.

В случае, если управляемое сопротивление 10 имеет только активную составляющую для подстройки, оно может выполнять функцию регулятора уровня сигнала на входе инструментального усилителя 14 для уменьшения (ослабления) размаха сигнала от помех с внутренних электродов 4 и 5 таким образом, чтобы он полностью лежал в допустимом диапазоне входного напряжения инструментального усилителя 14. Такая функция управляемого сопротивления предусмотрена для того, чтобы сигнал от помех не искажался и его можно было затем правильно обработать и вычесть из данных исходного сигнала ЭКГ.

Упрощенный вариант исполнения устройства – это использование постоянной (не настраиваемой) нагрузки внутренних электродов 10 (Z’), но при этом согласование шумового сигнала с сигналом ЭКГ происходит с помощью настройки коэффициента усиления инструментального усилителя 14 (регулируется амплитуда шумового сигнала) и/или путём цифрового преобразования данных шумового сигнала после АЦП (регулируется амплитуда и фаза шумового сигнала).

Способом подстройки фазы может являться задержка шумового сигнала на внутренних 4 и 5 или на внешних 2 и 3 электродах, в зависимости от того, какой сигнал опережает по фазе.

Так как шумовые сигналы от наводок на внутренних и внешних электродах будут согласованы по амплитуде и по фазе, то при вычитании данных с внутренних электродов из данных с внешних электродов устраняется шум в данных с внешних электродов, остаются только данные ЭКГ.

Схема может быть модифицирована таким образом, чтобы регулировать сопротивление 10, и/или чтобы регулировать сопротивление, которое отвечает за коэффициент усиления инструментального усилителя 14. То есть дополнительно в составе блока инструментального усилителя 14 может находиться также переменное сопротивление (на схеме для упрощения не показано), с помощью которого регулируется коэффициент усиления или сам инструментальный усилитель может обладать функцией регулировки коэффициента усиления. Таким образом дополнительно возможно при помощи регулировки коэффициента усиления управлять диапазоном выходного сигнала инструментального усилителя 14, чтобы он не выходил за возможный допустимый диапазон выходного напряжения инструментального усилителя для данной схемы (диапазон выходного напряжения инструментального усилителя обычно ограничен его напряжением питания). Это требуется для того, чтобы сигнал с выхода инструментального усилителя можно было оцифровать целиком без искажений.

Аналогично в канале внешних электродов 2 и 3 также возможна модификация схемы таким образом, чтобы регулировать коэффициент усиления блока инструментального усилителя 13.

На фиг.1 показаны возможные линии взаимосвязи передающие данные установки коэффициента усиления от блока управления и связи 34 (фиг.2) к инструментальным усилителям 13 и 14. Желательно, чтобы коэффициенты усиления инструментальных усилителей 13 и 14 были одинаковыми, для устранения собственных шумов инструментальных усилителей при вычитании данных сигнала помехи с внутренних электродов 4 и 5 из данных с внешних электродов 2 и 3.

Дополнительный канал регистрации дифференциального сигнала помех с внутренних электродов 4 и 5 можно использовать также в качестве индикатора внешних наводимых помех, для принятия решения на основе силы влияния этих помех на исходный сигнал ЭКГ. То есть благодаря тому, что воздействие наводок на внутренние 4 и 5 и внешние 2 и 3 электроды одинаковое, с помощью канала для внутренних электродов 4 и 5 можем также оценивать влияние наводок на внешние электроды 2 и 3, и выбирать время для регистрации сигнала ЭКГ в оптимальных условиях.

Дополнительно (опционально) в схеме имеются бесконтактные датчики ЭКГ 12 для того, чтобы была возможность регистрировать ЭКГ даже когда водитель держится за руль 7 одной рукой.

Бесконтактные датчики 12 могут располагаться парой (один на руле 7, а второй в сидении автомобиля 19) и ЭКГ регистрируется между рукой и опорной частью тела водителя, с помощью датчика, расположенного в сидении автомобиля 19. При этом поверхность, контактирующую с датчиком ЭКГ 12, которая находится в сидении водителя 19 можно выполнить большой площади для того, чтобы увеличить проходную емкость для улучшения качества сигнала бесконтактного датчика ЭКГ. Наиболее выгодное место расположение бесконтактного датчика ЭКГ на поверхности сиденья под опорной частью тела водителя, так как в этом случае (в отличии от спинки кресла) обеспечивается постоянный, прижатый контакт через одежду с телом водителя (обеспечивается минимальное расстояние и максимальная площадь контактных поверхностей датчика и тела водителя).

Также в схеме присутствует датчик ускорения и поворота 18 (фиг.1) для регистрации вибрации и положения руля, который механически соединен с рулем 7 автомобиля, а также датчик температуры (объединено в 18). С помощью датчика ускорения мы можем оценить дребезг и вибрацию (на что может влиять состояние дороги), а с помощью датчика поворота руля мы можем следить за действиями (маневрами) водителя и выбирать лучшее время для точного измерения ЭКГ, когда водитель не занят маневрами и обеспечивается хороший контакт электродов.

Так как устройство снабжено датчиком ускорения и поворота 18 руля, то включаться оно может автоматически по событиям от датчика, а также и управляться с помощью вибрации на руле (легкими постукиваниями руля – клик, двойной клик) и/или поворотами руля. Такое решение обеспечивает облегчение в управлении устройством, водителю не нужно отвлекаться на включение/управление устройством без необходимости, возможность включения устройства, даже если водитель забыл его включить.

Данные с АЦП 17, также данные от датчика ускорения и поворота руля 18 подаются на блок управления и связи 34 (фиг.2). Данные от датчика ускорения и поворота 18 могут быть использованы для уменьшения шума в данных ЭКГ, связанных с дребезгом или вибрацией, а также для выбора оптимальных условий для регистрации ЭКГ или оценки приемлемого уровня шума в ЭКГ.

Такой способ выбора оптимальных условий для регистрации ЭКГ в аналоге не рассмотрен, в нем данные датчика ускорения (акселерометра) преобразуются в сигналы ускорения, анализируются для определения частоты и фазы спектра сигнала и на основе этих данных синтезируют сигнал помехи, который вычитают из данных ЭКГ.

Также при выборе оптимальных условий для регистрации ЭКГ, регистрируем полный импеданс водителя 1 (Z). С помощью него можно оценить полное сопротивление контактов. Оно должно быть стабильным во время измерения ЭКГ и лежать в допустимых диапазонах. Так как устройство следит за состоянием контакта это позволяет, увеличивать достоверность измерений ЭКГ и вычищать артефакты из ЭКГ, связанные с нестабильностью сопротивления контакта электродов ЭКГ с телом водителя. Учитывать сопротивления контакта особенно важно, так как ЭКГ снимается в экстремальных внешних условиях с сухих рук, без использования электропроводящих растворов и гелей для улучшения контакта, как это делается при стандартной регистрации ЭКГ.

Так как устройство измеряет сопротивление (полный импеданс) водителя 1, то на основе него можно оценить электрическую активность кожи (ЭАК), следовательно, можно распознать состояние близкое ко сну, если в динамике будем следить за этим сопротивлением.

Электрическая активность кожи (ЭАК) будет регистрироваться с тех же электродов 2 и 3, расположенных на руле 7, что и ЭКГ, в виде сигналов полного импеданса (реограммы). Регистрация ЭАК осуществляется в сочетании с регистрацией частоты сердечных сокращений и частоты дыхания (по данным ЭКГ и реограммы), также являющимися показателями активности вегетативной нервной системы, может применяться для диагностики глубины транса или засыпания. Можем оценивать изменение величины ЭАК по изменению полного сопротивления (импеданса) водителя.

Если рассматривать модель эквивалентного сопротивления тела (полного импеданса) водителя как электрическую схему, то ЭАК можно представить, как некую электрическую модель кожи тела человека, которая проявляется изменением параметров проводимости (выраженную параметрами RН и CН) и эффектов поляризации (выраженных параметрами E), (см. фиг.3 - фиг.4). Модель эквивалентного сопротивления тела человека работает на частотах выше 50 Гц, однако параметры ЭАК нужно измерять на низких частотах, поскольку в модели емкостная (CН) и активная (RН) составляющая сопротивления наружного слоя кожи включены параллельно, поэтому измерить их на высоких частотах сложно, также эффекты поляризации (представленные в схеме как источники напряжения E) проявляются на частотах близких или равных нулю. Значение внутреннего сопротивление тела человека RВ на ЭАК влияния не оказывает и представляет собой практически постоянную величину (медленно изменяющуюся величину, изменением которой за время рейса можно пренебречь), индивидуальную для каждого человека.

Электрическая активность кожи меняется в зависимости от состояния водителя. Возможность предупреждать состояния близкие ко сну по изменению ЭАК и своевременного оповещения водителя (посредством световой и звуковой индикации) позволит снизить вероятность ДТП по причине, например, усталости водителя или сна.

Далее продолжим рассматривать работу устройства ссылаясь на фиг.2.

Регистрация ЭКГ может выполняться непрерывно или регулярно (периодически), например, от 5 до 30 секунд в заданный промежуток времени (например, 5 минут). В процессе регистрации выполняется анализ ЭКГ. Данные анализа и/или данные ЭКГ передаются на сервер приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство автомобиля, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном). Через определенное время, например, 5 минут, регистрация ЭКГ повторяется, в случае обнаружения проблем – интервал между регистрациями ЭКГ сокращается или регистрация ведется непрерывно. Такой режим удобен для экономии энергии при питании от автономного источника.

Управляющее устройство (микроконтроллер или микропроцессор) блока управления и связи 34 может быть всегда подключено к питанию и большую часть времени находится в режиме микропотребления (сна) и просыпаться по встроенному будильнику, также возможен вариант пробуждения от датчика ускорения и поворота руля 18 (фиг.1), расположенном в блоке измерения 30.

Периодически, например, один раз в секунду, происходит пробуждение и измерение сопротивления (импеданса водителя 1 (фиг.1)) на внешних электродах 2 и 3 (фиг.1). В случае если сопротивление допустимого уровня для измерения – выполняется измерение ЭКГ, если сопротивление слишком большое – считаем, что внешние электроды 2 и 3 (фиг.1) не подключены к телу.

Данные решения позволяют максимально экономить энергию при работе от автономного источника питания 35 благодаря сокращению времени непрерывной работы.

По желанию пользователя может быть записан шаблон ЭКГ и импеданса, как образец для сопоставления биометрических данных. В процессе работы и/или при начале движения новая ЭКГ проверяется с шаблоном для идентификации личности.

Кнопка 32 используется для первоначальной установки связи с сервером приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство автомобиля, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном) и проведения настроек.

Световая индикация 31 может сообщать о режимах работы устройства, таких как установка связи, а звуковая 36 и световая 31 используются для предупреждающих сигналов, таких как опасное нарушение ритма. Данное решение обеспечивает наглядность и легкость в определении режимов работы, а также предупреждение об опасности, связанной с состоянием водителя для предотвращения ДТП.

В качестве световой индикации может использоваться также дисплей 31, в этом случае на нем могут отражаться измеряемые параметры как ЧСС и другая информация по желанию водителя. Данное решение позволяет более наглядно для водителя отобразить работу устройства.

Наличие беспроводной связи с сервером приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство автомобиля, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном) дает возможность использования в качестве сервера приема и отображения данных более удобного и привычного для водителя устройства, возможность передачи информации удаленным серверам 39 и/или службам, например, «ЭРА-ГЛОНАСС», вызов скорой помощи или полиции, а также возможность более легкого встраивания устройства в транспортное средство и предполагает отсутствие лишних, мешающих конструкций и проводных соединений.

В качестве сервера приема и отображения данных 38 также может использоваться монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном (далее монитор), который сопряжен с устройством регистрации электрокардиограммы и может обладать несколькими интерфейсами. Монитор позволит соединяться с любыми другими всевозможными устройствами, такими как бортовой компьютер, головное устройство автомобиля, телефон, смартфон, персональный компьютер, а также всевозможные системы контроля и управления автомобиля, такие как система предотвращения столкновения или система контроля местонахождения, идентификации личности водителя, и другими системами и устройствами, например, для остановки автомобиля, в случае, ухудшения состояния водителя, а также состояния сна или близкого ко сну, или определения местонахождения автомобиля и вызова скорой помощи или полиции (в случае, например, угона автомобиля), в том числе, например, для мониторинга времени работы, состояния водителя и местонахождения автомобиля для транспортных компаний. С такими устройствами или системами монитор может соединяться проводным и/или беспроводным способом.

Питание монитора может осуществляться от бортовой сети автомобиля напрямую или через устройство гальванической развязки (возможен также вариант питания от собственного автономного источника питания), но конфигурация системы должна обеспечить гальваническую развязку блока измерения 30.

Использование монитора в качестве сервера приема и отображения данных 38 дает преимущество в том, что на отображение данных не требуется использования лишней энергии, в этом случае световая индикация и/или дисплей 31 может отсутствовать или использоваться значительно реже (например, для идентификации включения и выключения устройства и/или других, не требующих частого использования индикаций), что позволит более рационально использовать ресурсы и более экономно расходовать питание, следовательно увеличится время работы устройства от автономного источника питания без его замены или зарядки. Также в случае использования монитора в качестве сервера приема и отображения данных 38, возможно привлечение дополнительных ресурсов монитора для вычислений и применения более сложных алгоритмов.

Алгоритмы анализа данных ЭКГ могут работать как в блоке управления и связи 34 устройства регистрации электрокардиограммы, так и на сервере приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном).

Данные ЭКГ могут передаваться на удаленный сервер 39 приема в облаке от блока управления и связи 34 и/или с помощью сервера приема и отображения данных 38 (смартфон и/или головное устройство, и/или бортовой компьютер, и/или монитор с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном), таким образом устройство может использоваться для телемедицины водителя и идентификации его личности.

С помощью сервера приема и отображения данных 38 и/или удаленного сервера 39 могут посылаться сообщения заранее установленным адресатам о различных событиях, регистрируемых устройством. Может применяться при осуществлении телемедицины водителя (состояния сердечного ритма водителя перед рейсом и во время рейса) и идентификации личности (сообщения об угоне автомобиля или мониторинг времени работы сотрудников, для транспортных компаний).

Устройство может питаться от автономного источника питания 35, батарейные элементы питания или АКБ.

Использование в устройстве регистрации электрокардиограммы беспроводной связи с сервером приема и отображения данных 38 (смартфоном и/или головным устройством автомобиля, и/или бортовым компьютером, и/или монитором с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном) и автономного источника питания 35 гарантирует отсутствие гальванической связи с электрическими цепями автомобиля и как следствие уменьшается передача помехи от электрических цепей автомобиля, а также гарантируется безопасность водителя от поражения электрическим током, которое может произойти в случаях неисправности системы зажигания или системы зарядки АКБ автомобиля, если устройство зарядки подключено к сети высокого напряжения (особенно актуально для электромобилей).

Применение беспроводной связи с сервером приема и отображения данных 38 и автономного источника питания 35 заведомо обеспечивает более легкую конструкцию устройства и отсутствие необходимости прокладывать дополнительные кабели к рулю и принимать дополнительные защитные меры для обеспечения электрической безопасности водителя, а также безопасности и надёжности конструкции.

Становится удобным и упрощается возможность встраивания устройства в любой автомобиль, даже если изначально не была предусмотрена подводка электропитания к рулю автомобиля конструкторами транспортного средства, поскольку устройство регистрации располагается на руле автомобиля. В том случае, если в руль автомобиля подведено электропитание только для подушки безопасности, то к этому питанию подключать устройство не безопасно, так как при таком подключении устройства к питанию подушки безопасности уменьшается надежность конструкции и увеличивается вероятность выхода из строя подушки безопасности, а заявленное решение не должно мешать и нарушать обеспечению безопасности водителя. Провести отдельное питание в условиях автомобиля проблематично, если производителями автомобиля не было предусмотрено проведение электропитания к рулю, напротив, в автомобилях с опцией мультифункциональный руль и/или подогрев руля обычно есть возможность безопасного подключения к питанию бортовой сети. В любом случае для обеспечения питания устройства требуется гальваническая развязка для снижения влияния наводок от работы электроники автомобиля. Для обеспечения гальванической развязки электрических цепей устройства от электрических цепей бортовой сети может применяться автономный источник питания или устройство гальванической развязки. Так как устройство регистрации электрокардиограммы предполагается располагать на руле автомобиля, то автономное питание дает преимущество в том, что нет необходимости проводных соединений с бортовой сетью автомобиля. Таким образом наличие беспроводной связи с сервером приема и отображения данных и автономного источника питания также обеспечивают отсутствие лишних мешающих проводных соединений и конструкций, что немаловажно в условиях автомобиля, так как установка устройства в автомобиль не должна нарушать и ограничивать функции рулевого управления, а также должна быть удобной и эргономичной для водителя.

Устройство может быть спроектировано, чтобы питаться от бортовой сети автомобиля, для этого требуется устройство гальванической развязки (опция) 37 от бортовой сети питания автомобиля с малой ёмкостью. В этом случае питание от бортовой сети автомобиля поступает на преобразователи питающего напряжения 33 через гальванический барьер устройства гальванической развязки 37. Такое опциональное решение дает возможность выполнять устройство в различных модификациях относительно питания.

В случае осуществления питания через устройство гальванической развязки 37, возможно применение проводной связи посредством блока управления и связи 34 с сервером приема и отображения данных 38 через гальванический барьер. Наличие гальванического барьера устройства гальванической развязки при проводной связи с сервером приема и отображения данных, а также при питании от бортовой сети автомобиля необходимо для осуществления электрической безопасности водителя, а также уменьшения помех в цепи питания, то есть отсутствует электрический контакт с бортовой сетью автомобиля даже посредством проводной связи с сервером приема и отображения данных 38.

В аналоге не раскрыта возможность использования автономного источника питания и беспроводной связи устройства с сервером приема и отображения данных (смартфоном и/или головным устройством автомобиля, и/или бортовым компьютером, и/или монитором с дисплеем и кнопками и/или сенсорным экраном), рассматривалась только беспроводная связь устройства с учетом дополнительных средств связи, а также возможность оснащения устройства модулями геолокации и мобильной связи для передачи данных в интернет или сопряжения устройства с другими бортовыми системами, имеющими данные модули в своем составе.

Кроме того, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что нижеследующее раскрытие имеет широкую область приложения, и рассмотрение какого-либо варианта осуществления означает только представление примера данного варианта осуществления и не подразумевает, что объем настоящего раскрытия или формулы изобретения ограничивается данным вариантом осуществления.

Ниже приведена последовательность этапов, описанная в качестве примера.

Пример реализации заявленного способа включает следующие этапы:

с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства, регистрируют дифференциальный сигнал электрокардиограммы между левой и правой рукой водителя;

регистрируют синфазный сигнал электрокардиограммы;

подают усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран руля;

подают дифференциальный сигнал накачки на электроды для измерения электрокардиограммы, который содержит по меньшей мере одну частоту, и регистрируют полный импеданс водителя;

проводят дополнительную обработку полученных данных электрокардиограммы, например, с использованием алгоритмов адаптивной фильтрации, где в качестве образцов сигналов шума используют данные синфазного сигнала электрокардиограммы и/или данные измерения импеданса (адаптивные фильтры обычно применяются последовательно для каждого вида сигнала шума, входом для второго и последующего адаптивных фильтров в качестве данных ЭКГ используются данные ЭКГ на выходе предыдущего фильтра);

проверяют качество полученных данных ЭКГ на основе дополнительно полученных данных сигналов шумов (синфазный сигнал ЭКГ, сопротивление контакта на основе данных импеданса), и исключают сильно зашумленные или артефактные участки (например, артефакты движения, когда водитель перехватывает руль). Так как анализ ЭКГ требуется проводить периодически, то между периодами измерений имеются избыточные данные ЭКГ, из которых выбирают только данные с наименьшим уровнем шума по критерию максимальных амплитуд в сигналах шумов, ускорений, поворота, или слишком высокого сопротивления контакта (или его отсутствия) электродов руля с руками водителя. Для каждого анализа ЭКГ выбираются только актуальные данные ЭКГ в текущем интервале измерений;

производят анализ ЭКГ на основе выбранных данных ЭКГ, таким образом улучшая достоверность результатов анализа.

Также могут дополнительно подавать усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран кабеля.

Дифференциальный сигнал накачки может содержать одновременно несколько частот, для удобства и упрощения расчета эквивалентной схемы полного импеданса водителя, а также возможен вариант последовательного перебора нескольких частот за непродолжительное время с учетом того, что за это время значение измеряемого импеданса не успеет измениться. Регистрацию полного импеданса водителя могут осуществлять одновременно или последовательно на нескольких частотах.

С помощью значения импеданса, измеряемого на нескольких частотах, может рассчитываться модель эквивалентной схемы импеданса водителя, включающая расчет номиналов реактивных и активных составляющих в схеме. С помощью данной модели эквивалентной схемы импеданса могут отдельно выделять данные сопротивления контакта в качестве шумового сигнала и оценивать отдельно сопротивление контакта и внутреннее сопротивление водителя, а также производить оценку электрической активности кожи для предупреждения засыпания за рулем.

Также могут дополнительно получать данные шумового сигнала с датчиков ускорения и поворота, для регистрации артефактов движения.

Также могут регистрировать сигналы температуры. Датчик температуры используется в холодное время для указания того, что руль прогрет до комфортной температуры, так как для регистрации ЭКГ требуется держаться за руль открытыми руками. Второе назначение датчика температуры в тех случаях, когда устройство питается от автономного источника - более точно определять остаток ёмкости, так как этот параметр зависит от температуры.

Кроме того, анализ электрокардиограммы могут проводить периодически. При этом между периодами измерений имеются избыточные данные электрокардиограммы, из которых выбирают только данные с наименьшим уровнем шума путем выбора отрезков времени для измерения электрокардиограммы с оптимальными условиями.

Помимо этого, могут дополнительно получать данные шумового сигнала с внутренних электродов при их использовании. Внутренние электроды повторяют контур (форму) внешних электродов и расположены строго под внешними электродами, не имеют электрический контакт с внешними электродами, образуя с ними емкостную связь. Таким образом достигается одинаковое воздействие (влияние) наводок шумов на внутренние и вешние электроды.

Могут производить согласование зарегистрированного дифференциального сигнала с внутренних электродов с дифференциальным сигналом электрокардиограммы, например, с помощью настройки амплитуды и/или фазы, по меньшей мере, одного из этих сигналов. Из данных дифференциального сигнала электрокардиограммы вычитают данные согласованного дифференциального сигнала с внутренних электродов для уменьшения шумов в данных электрокардиограммы. Настройка амплитуды и/или фазы дифференциального сигнала с внутренних электродов может производиться путем настройки нагрузочного сопротивления.

Данные сигналов шумов, которые участвуют в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения сильно зашумленных или артефактных участков, могут дополнительно содержать данные дифференциального сигнала с внутренних электродов и/или данные сигналов датчиков ускорения и поворота, и/или данные синфазного сигнала электрокардиограммы, и/или данные измерения импеданса, при этом на основе данных импеданса отдельно рассчитываются данные сопротивления контакта с помощью эквивалентной схемы водителя.

В случаях, когда водитель продолжительное время держится за руль одной рукой (это легко определяется по данным импеданса водителя), данные ЭКГ можно дополнительно формировать из дифференциального сигнала с бесконтактных датчиков, один из которых может быть расположен на руле, а второй в сиденье водителя на его опорной поверхности.

На основе результатов анализа электрокардиограммы и импеданса водителя могут производить диагностику состояния водителя, как состояние сердечного ритма (детектирование опасных аритмий и их предвестников), состояние усталости (оценка электрической активности кожи, параметров дыхания и сердечного ритма на основе данных ЭКГ и импеданса) и/или его идентификацию личности (по биометрическим данным ЭКГ и импеданса). На основе диагностических данных могут формировать и передавать события (звуковые и световые сигналы, сообщения на телефон, экстренная плавная остановка транспортного средства, вызов помощи, контроль доступа при идентификации, данные ЭКГ для телемедицины, предрейсовый медосмотр, мониторинг состояния водителя и т.п.) системе безопасности водителя и пассажиров в автомобиле и/или устройствам управления, индикации, связи и/или службам для обеспечения безопасности. При этом передача событий может осуществляться по беспроводной, в том числе, мобильной связи.

В устройстве регистрации электрокардиограммы может быть предусмотрен выбор оптимальных условий для регистрации ЭКГ, позволяющий улучшить качество биосигналов.

Так как водитель во время управления автомобилем меняет положение рук, а также на регистрацию ЭКГ могут оказывать влияния: состояние дороги, маневры водителя, дребезг контакта между электродами и руками водителя из-за тряски, наводки от различных электроприборов транспортного средства, то должна быть возможность выбора оптимальных условий регистрации ЭКГ для уменьшения влияния внешних факторов. Для этого могут оцениваться данные помех от нескольких источников регистрации помех: синфазный сигнал ЭКГ и/или дифференциальный сигнал ЭКГ с внутренних электродов и/или сигнал изменения сопротивления контактов и/или сигналы ускорения и поворота.

1. Способ регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства, в котором:

с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства, регистрируют дифференциальный сигнал электрокардиограммы между левой и правой рукой водителя;

регистрируют синфазный сигнал электрокардиограммы;

подают усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран руля;

подают дифференциальный сигнал накачки на внешние электроды для измерения электрокардиограммы, который содержит по меньшей мере одну частоту, и регистрируют полный импеданс водителя;

проводят дополнительную обработку полученных данных электрокардиограммы, используя в качестве сигналов шума синфазный сигнал электрокардиограммы и/или данные измерения импеданса;

проверяют качество полученных данных электрокардиограммы на основе полученных данных шумовых сигналов и исключают зашумленные и/или артефактные участки;

производят анализ электрокардиограммы на основе выбранных данных электрокардиограммы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно подают усиленный по мощности синфазный сигнал электрокардиограммы на экран кабеля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дифференциальный сигнал накачки содержит одновременно более одной частоты, либо измерения импеданса производят, последовательно перебирая частоты сигнала накачки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что значения импеданса измеряют на одной или более частотах, с помощью которых рассчитывается модель эквивалентной схемы импеданса водителя, включающая расчет номиналов реактивных и активных составляющих в схеме.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что с помощью модели эквивалентной схемы импеданса оценивают отдельно сопротивление контакта и внутреннее сопротивление водителя.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что по модели эквивалентной схемы импеданса водителя производят оценку электрической активности кожи для предупреждения засыпания за рулем.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют сигналы ускорения и поворота, для регистрации артефактов движения и слежения за маневрами водителя.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что данные сигналов ускорения и поворота содержатся в данных сигналов шумов и участвуют в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения зашумленных или артефактных участков.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительную обработку полученных данных электрокардиограммы проводят с использованием алгоритмов адаптивной фильтрации.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что адаптивные фильтры применяют последовательно для каждого вида сигнала шума, входом для второго и последующего адаптивных фильтров в качестве данных электрокардиограммы используют данные электрокардиограммы на выходе предыдущего фильтра.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ электрокардиограммы проводят периодически.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что между периодами измерений имеются избыточные данные электрокардиограммы, из которых выбирают только данные с наименьшим уровнем шума путем выбора отрезков времени для измерения электрокардиограммы в условиях минимальной зашумленности сигнала.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют дифференциальный сигнал с внутренних электродов.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что внутренние электроды расположены строго под внешними электродами, образуя с ними емкостную связь.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что производят согласование зарегистрированного дифференциального сигнала с внутренних электродов с дифференциальным сигналом электрокардиограммы.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что данные согласованного дифференциального сигнала с внутренних электродов вычитают из данных дифференциального сигнала электрокардиограммы для уменьшения шумов в данных электрокардиограммы.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что согласование дифференциального сигнала электрокардиограммы с дифференциальным сигналом с внутренних электродов производят с помощью настройки амплитуды и/или фазы, по меньшей мере, одного из этих сигналов.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что настройку амплитуды и/или фазы дифференциального сигнала с внутренних электродов производят путем настройки нагрузочного сопротивления.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что данные дифференциального сигнала с внутренних электродов содержатся в данных сигналов шумов и участвуют в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения зашумленных или артефактных участков.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что данные электрокардиограммы дополнительно формируют из дифференциального сигнала с бесконтактных датчиков.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что один из бесконтактных датчиков расположен на руле, а второй - в сиденье водителя на его опорной поверхности.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что на основе результатов анализа электрокардиограммы и импеданса водителя производят диагностику состояния водителя и/или его идентификацию личности.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что на основе диагностических данных формируют и передают события системе безопасности водителя и пассажиров в автомобиле и/или устройствам управления, индикации, связи и/или службам для обеспечения безопасности.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что передачу событий осуществляют по беспроводной связи.

25. Устройство регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства, выполненное с возможностью:

регистрации дифференциального сигнала электрокардиограммы между левой и правой рукой водителя, с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства;

регистрации синфазного сигнала электрокардиограммы и подачи усиленного по мощности этого сигнала на экран руля;

регистрации полного импеданса водителя с помощью подачи дифференциального сигнала накачки, который содержит по меньшей мере одну частоту, на электроды для измерения электрокардиограммы;

проведения дополнительной обработки полученных данных электрокардиограммы, используя в качестве сигналов шума синфазный сигнал электрокардиограммы и/или данные измерения импеданса;

проверки качества полученных данных электрокардиограммы на основе дополнительно полученных данных сигналов шумов для исключения зашумленных и/или артефактных участков;

проведения анализа электрокардиограммы на основе выбранных данных электрокардиограммы.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с возможностью дополнительной подачи усиленного по мощности синфазного сигнала электрокардиограммы на экран кабеля.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с возможностью получения дифференциального сигнала накачки, содержащего одновременно более одной частоты, или с возможностью измерения импеданса, последовательно меняя частоту сигнала накачки.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что выполнено с возможностью измерения импеданса на одной или более частотах, с помощью которых рассчитывается модель эквивалентной схемы импеданса водителя, включающая расчет номиналов реактивных и активных составляющих в схеме.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что выполнено с возможностью расчета модели эквивалентной схемы импеданса, позволяющей оценивать отдельно сопротивление контакта и внутреннее сопротивление водителя.

30. Устройство по п.28, отличающееся тем, что выполнено с возможностью по данным импеданса водителя производить оценку электрической активности кожи для предупреждения засыпания за рулем.

31. Устройство по п.25, отличающееся тем, что дополнительно выполнено с возможностью регистрации сигналов ускорения и поворота, для регистрации артефактов движения и слежения за маневрами водителя.

32. Устройство по п.31, отличающееся тем, что данные сигналов ускорения и поворота, содержатся в данных сигналов шумов, участвующих в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения зашумленных или артефактных участков.

33. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с возможностью обработки полученных данных электрокардиограммы с использованием алгоритмов адаптивной фильтрации.

34. Устройство по п.33, отличающееся тем, что выполнено с возможностью применения адаптивных фильтров последовательно для каждого вида сигнала шума, где входом для второго и последующего адаптивных фильтров в качестве данных электрокардиограммы используют данные электрокардиограммы на выходе предыдущего фильтра.

35. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с возможностью проведения анализа электрокардиограммы периодически.

36. Устройство по п.35, отличающееся тем, что выполнено с возможностью получения между периодами измерений избыточных данных электрокардиограммы и выбора из них только данных с наименьшим уровнем шума путем выбора отрезков времени для измерения электрокардиограммы в условиях минимальной зашумленности сигнала.

37. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с дополнительной возможностью регистрации дифференциального сигнала с внутренних электродов.

38. Устройство по п.37, отличающееся тем, что внутренние электроды расположены строго под внешними электродами, образуя с ними емкостную связь.

39. Устройство по п.37, отличающееся тем, что выполнено с возможностью согласования зарегистрированного дифференциального сигнала с внутренних электродов с дифференциальным сигналом электрокардиограммы.

40. Устройство по п.39, отличающееся тем, что выполнено с возможностью вычитания из данных дифференциального сигнала электрокардиограммы данных согласованного дифференциального сигнала с внутренних электродов для уменьшения шумов в данных электрокардиограммы.

41. Устройство по п.39, отличающееся тем, что выполнено с возможностью согласования дифференциального сигнала электрокардиограммы с дифференциальным сигналом с внутренних электродов с помощью настройки амплитуды и/или фазы по, меньшей мере, одного из этих сигналов.

42. Устройство по п.41, отличающееся тем, что настройку амплитуды и/или фазы дифференциального сигнала с внутренних электродов осуществляется путем настройки нагрузочного сопротивления.

43. Устройство по п.37, отличающееся тем, что данные дифференциального сигнала с внутренних электродов, содержатся в данных сигналов шумов, участвующих в обработке, проверке качества и выборе данных сигналов электрокардиограммы для исключения зашумленных или артефактных участков.

44. Устройство по п.25, отличающееся тем, что выполнено с дополнительной возможностью формирования данных электрокардиограммы из дифференциального сигнала с бесконтактных датчиков.

45. Устройство по п.44, отличающееся тем, что один из бесконтактных датчиков расположен на руле, а второй - в сиденье водителя на его опорной поверхности.

46. Устройство по п.25, отличающееся тем, что дополнительно выполнено с возможностью диагностики состояния водителя и/или его идентификации личности на основе результатов анализа электрокардиограммы и импеданса водителя.

47. Устройство по п.46, отличающееся тем, что выполнено с возможностью формирования и передачи событий на основе диагностических данных системе безопасности автомобиля или устройствам управления, индикации, связи или службам для обеспечения безопасности.

48. Устройство по п.47, отличающееся тем, что выполнено с возможностью передачи событий по беспроводной связи.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицине, а именно к способу и устройству регистрации электрокардиограммы водителя транспортного средства. При этом с помощью внешних электродов, расположенных на руле транспортного средства, регистрируют дифференциальный сигнал ЭКГ между левой и правой рукой водителя. Регистрируют синфазный сигнал ЭКГ. Подают усиленный по мощности синфазный сигнал ЭКГ на экран руля. Подают дифференциальный сигнал накачки на внешние электроды для измерения ЭКГ, который содержит по меньшей мере одну частоту, и регистрируют полный импеданс водителя. Проводят дополнительную обработку полученных данных ЭКГ с использованием в качестве сигналов шума синфазного сигнала ЭКГ иили данных измерения импеданса. Проверяют качество полученных данных ЭКГ на основе полученных данных шумовых сигналов и исключают зашумленные иили артефактные участки. Производят анализ ЭКГ на основе выбранных данных. Обеспечивается получение качественного и достоверного сигнала ЭКГ, проведение достоверной диагностики и идентификации личности водителя транспортного средства, снижение влияния паразитных емкостей и помех, снижение материалоемкости, исключение лишних мешающих проводных соединений и элементов, возможность удаленной передачи информации, более легкая, удобная и эргономичная конструкция устройства, снижение вероятности дорожно-транспортных происшествий, исключение применения дополнительных защитных мер для электрической безопасности водителя, а также безопасности и надёжности конструкции. 2 н. и 46 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх