Метод і біорадіолокаційний засіб моніторингу частоти дихання та серцебиття людини

Abstract

В дисертації розроблено біомедичний засіб реєстрації параметрів дихання і серцебиття людини та визначені медико-технічні вимоги до нього. Удосконалено метод біорадіолокаційного моніторингу, який полягає у відновленні траєкторії руху грудної клітини людини, об’єднанні двох квадратур фазового детектора з їх попереднім диференціюванням та арктангенс- демодуляцією, що дозволяє отримувати дійсну траєкторію руху. Отримано подальший розвиток фізичних і математичних моделей взаємодії електромагнітного поля і біологічних об’єктів в частині визначення залежності зміни фази розсіяного поля від частоти. Удосконалено процес параметризації взаємодії електромагнітного поля з біологічним об’єктом шляхом застосування тришарової моделі шаруватої структури. Запропоновано алгоритм смугової фільтрації сигналу з використанням віконних функцій на основі дослідження спектра його фазової характеристики, що характеризує процес дихання і серцебиття людини. Показано, що частота дихання може бути оцінена на стадії стартової фільтрації сигналу, проте, для оцінки слабкого рівня серцебиття необхідна додаткова фільтрація, для чого було розроблено відповідний алгоритм.

В диссертации усовершенствован метод биорадиолокационного мониторинга, который заключается в восстановлении траектории движения грудной клетки человека, объединении двух квадратур фазового детектора с их предварительным дифференцированием и арктангенс-демодуляцией, что позволяет получать истинную траекторию движения, необходимую для дальнейшего анализа с одновременным изъятием из сигнала нежелательной постоянной составляющей. Получили дальнейшее развитие физические и математические модели взаимодействия электромагнитного поля и биологических объектов в части определения зависимости изменения фазы рассеянного поля от частоты. Предложен алгоритм полосовой фильтрации сигнала с использованием оконных функций на основе исследования спектра фазовой характеристики полученного сигнала, характеризующего процесс дыхания и сердцебиения человека. При этом показано, что частота дыхания может быть оценена на стадии стартовой фильтрации сигнала, однако, для оценки слабого уровня сердцебиения необходима дополнительная фильтрация, для чего был разработан соответствующий алгоритм обработки отраженного от грудной клетки человека биометрического сигнала.

The biomedical device of respiratory and human heartbeat monitoring and its medical and technical requirements are developed in the thesis. The method of bioradar monitoring which is aimed at restoring a movement trajectory of a human chest, fusing two quadratures of a phase detector with their pre-differentiation and arctangent demodulation to obtain a valid motion trajectory necessary for a further analysis with the simultaneous withdrawal of a signal of unwanted constant component is improved. There has been a further evolution of physical and mathematical models of electro-magnetic field and biological objects interaction as far as it concerns a phase change of a scattered field dependence on the frequency. There has been improved parameterization of electro-magnetic field interaction with a biological object by means of using three-layer model of a layered structure to obtain mathematical expressions to determine reflection coefficients of the structure layers.

The algorithm of bandpass filtering of a signal using window functions based on a research of the phase characteristic spectrum of the received signal which defines respiratory and human heartbeat parameters has been offered. It is shown that a respiration rate can be evaluated at the initial stage of a signal filtering, however in order to check a weak heartbeat level an additional filtering is required, hence a corresponding procession algorithm has been developed.