PL B1. ŁUSZCZYK MARIUSZ, Mińsk Mazowiecki, PL SZCZEPANIAK ZENON, Warszawa, PL BUP 09/12

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. A61B 5/00 ( ) G01R 25/00 ( ) G01S 13/00 ( ) (54) Układ do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/15 (73) Uprawniony z patentu: ŁUSZCZYK MARIUSZ, Mińsk Mazowiecki, PL SZCZEPANIAK ZENON, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MARIUSZ ŁUSZCZYK, Mińsk Mazowiecki, PL ZENON SZCZEPANIAK, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Józef Szydło

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu mający zastosowanie do wykrywania parametrów życiowych oraz monitorowania ciągłego lub okresowego pacjentów w warunkach szpitalnych lub domowych, zwłaszcza osób, u których pomiar nie może być realizowany poprzez bezpośrednie przyłożenie elektrod elektrokardiografu do ciała, stosowany na przykład do badania pilotów, kierowców, maszynistów, osób poparzonych lub noworodków. Znany jest z artykułu naukowego, którego autorem jest O. Baltag opublikowanego w IEEE Transactions on Magnetics (tom 44, numer 11, październik 2008, strony ) układ do bezkontaktowego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu zawierający źródło sygnału mikrofalowego pracujące na fali ciągłej. Oscylator zbudowany jest z wykorzystaniem diody typu IMPATT oraz rezonatora wnękowego w postaci falowodu prostokątnego o długości /4 zwartego na jednym końcu, gdzie jest długością fali dla rodzaju falowodowego H 10 dla częstotliwości pracy oscylatora. Drugi rozwarty koniec rezonatora dołączony jest do anteny tubowej. Anteną tą wysyłany jest sygnał generowany w oscylatorze w kierunku badanego człowieka. Sygnał odbity przenoszący informacje o rytmie serca i aktywności oddechowej podlega mieszaniu z sygnałem generowanym na elemencie nieliniowym, jakim jest dioda IMPATT. Wynikowy sygnał wolnozmienny wyprowadzany jest za pomocą sprzężenia rezonatora mikrofalowego z obwodem zewnętrznym, który jednocześnie jest układem polaryzacji diody, poddawany jest przetwarzaniu w celu ekstrakcji parametrów oddechowych i rytmu serca. Niedogodnością znanego rozwiązania jest wykorzystanie jako rezonatora falowodu prostokątnego, który dla stosowanych częstotliwości charakteryzuje się znacznymi wymiarami i ciężarem. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 2008/ A1 układ do pomiaru bezkontaktowego rytmu serca i aktywności oddechowej, który składa się z generatora sygnałów impulsowych wytwarzającego sygnał z zakresu częstotliwości mikrofalowych oraz referencyjny ciąg impulsów o parametrach czasowych i częstotliwościowych takich samych jak sygnał nadawany. Sygnały sondujące za pomocą anteny nadawczej emitowane są w stronę klatki piersiowej diagnozowanego człowieka. Sygnał odbity za pomocą anteny odbiorczej trafia do odbiornika, w którym realizowana jest demodulacja za pomocą mieszania sygnału odebranego i sygnału referencyjnego. Sygnał wyjściowy z mieszacza przesyłany jest do układu przetwarzania sygnałów, w którym realizowana jest ekstrakcja parametrów określających aktywność oddechową i rytm serca. Niedogodnością znanego rozwiązania jest pośredni sposób wytwarzania impulsowego sygnału nadawanego. Sygnał ten powstaje jako wynik kluczowania mikrofalowego sygnału ciągłego. Klucz elektroniczny sterowany jest sygnałem wytwarzanym bezpośrednio z generatora kwarcowego. Skończony czas przełączania klucza jest źródłem błędów pomiarowych. Kolejną niedogodnością rozwiązania według przytoczonego opisu jest konieczność stosowania dwóch anten, jednej nadawczej i jednej odbiorczej. Powoduje to szkodliwe sprzężenie pomiędzy antenami, które w postaci składowej stałej wpływa na jakość przetwarzania sygnałów. W przedstawionej strukturze układu według opisu występuje filtr pasmowoprzepustowy na wejściu toru odbiorczego, który pogarsza stosunek sygnału do szumu na wyjściu odbiornika i tym samym pogarsza warunki detekcji sygnału rytmu serca na tle sygnału przenoszącego informację o aktywności oddechowej. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 2005/ A1 bezprzewodowy układ do monitorowania rytmu serca, który składa się ze źródła sygnału mikrofalowego pracującego na fali ciągłej, dzielnika mocy dokonującego podziału sygnału z oscylatora, anteny nadawczej pobudzanej sygnałem z pierwszego wyjścia dzielnika mocy emitującej sygnał w stronę klatki piersiowej monitorowanego człowieka, anteny odbiorczej odbierającej sygnał odbity przenoszący informacje o ruchu klatki piersiowej powodowanym oddechem i pracą serca oraz układu demodulacji w postaci mieszacza, który miesza sygnał odebrany z sygnałem z drugiego wyjścia dzielnika mocy. Sygnał różnicowy na wyjściu mieszacza poddawany jest przetwarzaniu, w wyniku którego wyznaczany jest rytm serca. Niedogodnością znanego rozwiązania jest występowanie dwóch oddzielnych anten, jednej nadawczej oraz jednej odbiorczej, co powoduje występowanie szkodliwego sprzężenia ograniczającego czułość przetwornika analogowo-cyfrowego w układzie przetwarzania sygnałów. Układ według opisu charakteryzuje się strukturą odbiornika homodynowego w układzie jednokanałowym. Takie rozwiązanie uzależnia czułość detekcji sygnału rytmu serca od odległości monitorowanej osoby od urządzenia (efekt zera detekcyjnego).

3 PL B1 3 Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego numer układ do jednoczesnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu bez konieczności zapewnienia fizycznego kontaktu z ciałem monitorowanej osoby i stosowania dodatkowych elektrod. Układ składa się ze źródła sygnału mikrofalowego pracującego na fali ciągłej z liniową modulacją częstotliwości realizowaną w układzie modulatora, pojedynczej anteny oraz cyrkulatora i izolatora zapewniających separację pomiędzy częścią nadawczą i częścią odbiorczą układu, sprzęgacza kierunkowego, który część sygnału nadawanego odprzęga do układu odbiorczego na wejście mieszacza. Na drugie wejście mieszacza doprowadzany jest sygnał odbity od monitorowanego obiektu. Sygnał różnicowy z wyjścia mieszacza podlega przetwarzaniu analogowemu, konwersji analogowo-cyfrowej oraz przetwarzaniu cyfrowemu, w wyniku, którego określane są parametry oddechu i rytmu serca. Niedogodnością znanego rozwiązania jest znaczny stopień skomplikowania układu wynikający z konieczności separacji sygnału nadawanego od sygnału odebranego. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego numer układ do bezkontaktowego pomiaru rytmu serca z wykorzystaniem dwóch źródeł sygnału mikrofalowego pracujących na fali ciągłej z różnymi częstotliwościami. Sygnały o rożnych częstotliwościach są emitowane jednocześnie poprzez pojedynczą antenę, która wykorzystywana jest także jako antena odbiorcza. Separacja części nadawczej i odbiorczej realizowana jest za pomocą cyrkulatora. Sygnał odbity od monitorowanego pacjenta podlega demodulacji w układzie mieszaczy. Jeden mieszacz demoduluje sygnał odebrany z wykorzystaniem odprzęgniętego sygnału nadawanego o niższej częstotliwości, zaś drugi mieszacz wykorzystuje sygnał odprzęgnięty o wyższej częstotliwości. Sygnały wyjściowe z mieszaczy przetwarzane są we wzmacniaczu różnicowym, który oddziela składową sygnału przenoszącą informacje o częstości oddechu od składowej pochodzącej od drgań serca. Niedogodnością znanego rozwiązania jest konieczność stosowania sygnałów o różnych częstotliwościach, które ze względu na warunki pracy układu powinny być znacznie odseparowane i tym samym zajmują szerokie widmo częstotliwości. Celem wynalazku jest stworzenie układu do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu, w którym wytworzony przez oscylator sygnał emitowany i odbierany jest jedną anteną a zdemodulowany sygnał przenosi informacje o rytmie serca oraz częstości oddechu. Cel ten osiągnięto w układzie do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu pracujący na zasadzie emitowania fali elektromagnetycznej zakresu mikrofalowego i detekcji sygnału różnicowego pochodzącego od monitorowanego obiektu, który posiada aktywny element, będący jednocześnie częścią detektora sygnału różnicowego przenoszącego informację o rytmie serca i aktywności oddechowej oraz oscylatora. Antena układu jest jednocześnie obwodem rezonansowym wyznaczającym częstotliwość oscylacji i integralnym elementem oscylatora sygnału mikrofalowego. Korzystnym jest, że układ zawiera tylko jedną antenę. Antena ta pełni funkcje anteny nadawczej i odbiorczej. Oscylator generuje sinusoidalny sygnał ciągły, który jest dalej wysyłany za pomocą anteny w kierunku badanego obiektu. Sygnał odbity powraca tą sama anteną do układu oscylatora. Antena pełni funkcje obwodu rezonansowego rezonatora wyznaczającego częstotliwość generowanego sygnału. Korzystnym jest, że w układzie według wynalazku sygnał odbity powraca wprost do układu oscylatora i razem z sygnałem, który jest generowany pojawia się w pętli sprzężenia zwrotnego oscylatora. Korzystnym jest, że pojawienie się dwóch sygnałów nadawanego oraz odbitego na zaciskach nieliniowego obwodu aktywnego oscylatora powoduje generację szeregu składowych częstotliwościowych, a w tym i składowej różnicowej, która przenosi informacje o ruchu badanego obiektu, i która za pomocą filtru pasmowoprzepustowego wyprowadzana jest z obwodu aktywnego oscylatora. Sygnał ten w kolejnym etapie podlega konwersji analogowo-cyfrowej w przetworniku co najmniej szesnastobitowym z częstotliwością próbkowania z przedziału od 200Hz do 1kHz. Dalsze przetwarzanie sygnału włącznie z ekstrakcją parametrów życiowych takich jak rytm serca i aktywność oddechowa odbywa się z wykorzystaniem technik cyfrowego przetwarzania sygnałów. Zaletą wynalazku jest możliwość realizacji w sposób bezkontaktowy i bezinwazyjny detekcji parametrów życiowych takich jak oddech i rytm serca oraz monitorowania w sposób ciągły lub okresowy pacjentów w warunkach domowych lub szpitalnych. Do realizacji układu według wynalazku potrzebny jest tylko jeden nieliniowy element półprzewodnikowy. Układ może mieć zastosowanie do diagnozy osób wymagających swobody ruchów w czasie pracy, zwłaszcza kierowców pojazdów, pilotów samolotów, maszynistów i operatorów urządzeń. Ciągła diagnostyka osób wykonujących wspomniane zawody ma istotny wpływ na poprawę bezpieczeństwa ze względu na możliwość wykrycia ewentualnych

4 4 PL B1 zaburzeń układu sercowo-naczyniowego, dzięki czemu będzie można natychmiast skierować diagnozowaną osobę na odpowiednie badania kliniczne. Układ można też wykorzystać w diagnozowaniu osób w szpitalach lub innych zakładach medycznych, w powiązaniu z określonym stanowiskiem medycznym. Pacjenci szpitali i klinik, cierpiący na zaburzenia snu, zaburzenia psychiczne, a także pacjenci z poparzeniami, u których poparzone miejsca uniemożliwiają umieszczenie elektrod EKG stanowią perspektywiczną grupę odbiorców. Ponadto, w ten sposób monitorowane będą mogły być noworodki, dzięki czemu możliwe będzie ograniczenie liczby dzieci nagle umierających w czasie snu, ofiar tzw. syndromu nagłej śmierci niemowląt. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu, fig. 2 przedstawia schemat elektryczny układu zasilania i polaryzacji aktywnego elementu, oscylatora i detektora w przedmiocie wynalazku, fig. 3 przedstawia wyniki pomiaru rytmu serca z wykorzystaniem układu będącego przedmiotem wynalazku oraz pulsoksymetru, który jest źródłem sygnału referencyjnego, zaś fig. 4 przedstawia wyniki pomiaru częstości oddechu monitorowanej osoby. Układ oscylatora 8 składający się z aktywnego elementu 1 w postaci tranzystora Ta oraz anteny 2 będącej jednocześnie obwodem rezonansowym wyznaczającym częstotliwość sygnału mikrofalowego wytwarzanego w układzie oscylatora 8 wytwarza sygnał, który jest emitowany przez antenę 2 w kierunku diagnozowanej osoby. Sygnał odbity od diagnozowanej osoby odbierany jest z powrotem przez tą samą antenę 2 i podlega detekcji w detektorze 7. Detektor 7, w którym odbywa się detekcja stanowi aktywny element 1 będący częścią oscylatora 8 oraz układ zasilania i polaryzacji 3 aktywnego elementu 1. Sygnał odbity trafiający do detektora 7 jest sygnałem różnicowym przenoszącym informacje o rytmie serca i aktywności oddechowej osoby monitorowanej. Po detekcji, sygnał poddawany jest filtracji w układzie pasmoprzepustowego filtru 4, a następnie podlega konwersji analogowo - cyfrowej w przetworniku 5 na sygnał cyfrowy, który przetwarzany jest z wykorzystaniem technik cyfrowych w urządzeniu 6. Przedstawiony na rysunku 2 schemat elektryczny układu zasilania i polaryzacji 3 aktywnego elementu 1 składa się z cewki L z o wartości 8nH, rezystora R o wartości 100, blokującego kondensatora C b wartości 100nF, sprzęgającego kondensatora C o wartości 100nF, cewki L a o wartości 8nH, kondensatora Ca o wartości 100pF oraz polowego tranzystora FET T a. Reaktancja indukcyjna cewki L z przeciwdziała przedostawaniu się składowej wysokoczęstotliwościowej do układu zasilania i kolejnych elementów przetwarzania demodulowanego sygnału pomiarowego. Rezystor R ustala wartość prądu przepływającego przez aktywny element oraz dodatkowo odkłada się na nim napięcie demodulowanego sygnału. Blokujący kondensator C b odfiltrowuje zakłócenia przenoszone zasilaniem i tym samym zabezpiecza układ przed wpływem zakłóceń sieciowych. Kondensator C a sprzęga część nadawczo-odbiorczą oraz układy przetwarzania sygnałów i ekstrakcji parametrów aktywności serca i oddechu. Na figurze 3 przedstawiono wyniki pomiaru rytmu serca zrealizowanego w układzie będącym przedmiotem wynalazku. Linią przerywaną zobrazowany jest rytm serca mierzony pulsoksymetrem jako źródłem sygnału odniesienia, natomiast linią ciągłą zobrazowany jest rytm serca mierzony przy pomocy układu będącego przedmiotem wynalazku. Linia ciągła, która obrazuje rytm serca powstaje w wyniku zastosowania cyfrowych metod przetwarzania w układzie 6. Wyniki pomiaru częstości oddechu mierzone z wykorzystaniem układu będącego przedmiotem wynalazku zostały również odzwierciedlone na figurze 4. Linia obrazująca częstość oddechu badanej osoby wyznaczana jest z wykorzystaniem cyfrowych metod przetwarzania w układzie 6. Układ według wynalazku może mieć zastosowanie w diagnozowaniu osób w szpitalach lub innych zakładach medycznych, w powiązaniu z określonym stanowiskiem medycznym. Układ może być również zastosowany w monitorowaniu pacjentów cierpiących na zaburzenia snu, zaburzenia psychiczne, a także pacjentów z poparzeniami, u których poparzone miejsca uniemożliwiają umieszczenie elektrod EKG. Ponadto, układ może mieć zastosowanie w monitorowaniu noworodków, dzięki czemu możliwe będzie ograniczenie liczby dzieci nagle umierających w czasie snu.

5 PL B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Układ do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu pracujący na zasadzie emitowania fali elektromagnetycznej zakresu mikrofalowego i detekcji sygnału różnicowego pochodzącego od monitorowanego obiektu, znamienny tym, że aktywny element (1) jest częścią detektora (7) sygnału różnicowego oraz oscylatora (8). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że antena (2) jest jednocześnie obwodem rezonansowym wyznaczającym częstotliwość oscylacji i integralnym elementem oscylatora (8) sygnału mikrofalowego. Rysunki

6 6 PL B1

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)