Разработка лазерного автодинного регистратора процесса дыхания пациента

Регистрация процесса дыхания пациента во время сеанса магнитотерапии позволяет осуществлять синхронизацию воздействия, а также отслеживать общее состояние пациента. Однако в настоящее время не существует устройств, способных производить подобную регистрацию в условиях магнитотерапевтического комплекса. В данной работе был проведён анализ методов бесконтактной регистрации дыхания, выявлен наиболее соответствующий задаче метод и проведено его теоретическое описание. Исследование позволило разработать программное обеспечение для моделирования работы разрабатываемого устройства. Полученные результаты позволяют перейти к разработке макетного образца регистратора.

Цель проекта: разработка бесконтактного лазерного регистратора движений грудной клетки пациента во время сеанса магнитотерапии.
Задачи проекта:
1) проанализировать имеющиеся разработки в области бесконтактной регистрации дыхания человека;
2) выявить объективные недостатки имеющихся методов регистрации в сравнении с лазерным автодинным методом;
3) рассмотреть сущность и теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых лазерных диодах;
4) разработать программное обеспечение для генерации тестовых автодинных сигналов с целью использования их в дальнейшем в процедурах восстановления закона перемещения грудной клетки пациента;
5) разработать программное обеспечение для восстановления по автодинному сигналу исходного закона перемещения грудной клетки пациента.

Исследования в области магнитобиологии показали, что для достижения требуемого эффекта от действия физиотерапевтического фактора необходима его синхронизация с нормальным ритмом функционирования биосистемы, в частности, с дыхательной деятельностью. Среди бесконтактных методов регистрации дыхания наиболее известны биорадиолокация и ультразвуковая эхолокация, которые имеют определённые недостатки. Необходима разработка устройства, которое позволяло бы производить измерения в условиях магнитотерапевтического комплекса. Одним из вариантов решения задачи является использование в качестве датчика перемещения полупроводникового лазерного диода в режиме автодинного детектирования, которое и рассматривается в настоящей работе.

При проведении научного исследования были использованы следующие методы:

1) изучение научной литературы по теме исследования;

2) описание выявленных в ходе предыдущего этапа исследования бесконтактных методов регистрации дыхания человека;

3) анализ методов регистрации дыхания человека с целью установления их соответствия решаемой задаче, а также оценки таких параметров, как простота реализации аппаратной и программной частей, надёжность, безопасность для пациента;

4) моделирование сигнала полупроводникового лазерного автодина, ставшее основой для разработки виртуального генератора автодинного сигнала; а также моделирование алгоритма подсчёта интерференционных линий, ставшее основой для разработки виртуального осциллографа автодинного сигнала;

5) тестирование разработанных программных средств.

 

В ходе проведения исследования были использованы следующие материалы:

1) научная литература;

2) сборники трудов конференций;

3) диссертации;

4) статьи из научных журналов;

5) монографии.

По результатам проведённого анализа методов бесконтактной регистрации дыхания был выбран метод, положенный в основу дальнейших разработок – автодинный метод подсчёта интерференционных линий. Критериями для выбора явились следующие требования:

1) малый размер датчика, позволяющий размещать его на внутренней стороне верхней крышки магнитотерапевтического комплекса;

2) способность отслеживать перемещения порядка 0,01 мм – 10 мм при расстоянии до движущегося объекта от 10 см и более;

3) способность работать в реальном масштабе времени;

4) нечувствительность к магнитным полям, создаваемым магнитотерапевтическим комплексом;

5) высокая точность и стабильность результатов.

 

Далее было проведено теоретическое описание эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых лазерных диодах, служащего основой выбранного метода регистрации, а также описание алгоритма подсчёта интерференционных линий с демонстрацией временных диаграмм его работы.

На основе теоретического описания эффекта автодинного детектирования, а именно на основе модели Ланга-Кобаяши, было проведено моделирование автодинного сигнала при различных параметрах лазера и отражателя, ставшее основой для разработанного виртуального генератора автодинного сигнала. Основное его применение – генерация тестовых сигналов для процедур восстановления исходного закона перемещения отражателя. Также был разработан виртуальный осциллограф автодинного сигнала, который производит восстановление исходного закона перемещения отражателя, используя для этого зарегистрированный или сгенерированный автодинный сигнал и данные о длине волны лазера.

Проведённое исследование и разработанное программное обеспечение позволяют на следующем этапе научно-исследовательской работы перейти к созданию макетного образца регистратора и получить в итоге готовое работоспособное устройство.

1. Milesi I. A new laser self-mixing interferometer system for the assessment of the chest-wall mechanics // Doctoral Dissertation. – Italy, Milan: Politecnico di Milano, Department of Bioengineering, 2011.
2. Yuanlong F. Improvement of measurement performance for self-mixing interferometry based displacement sensing system // Master of Engineering thesis. – Australia, Wollongong: School of Electrical, Computer and Telecommunications Engineering, University of Wollongong, 2011.
3. Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser diode feedback interferometer for measurement of displacements without ambiguity // IEEE Journal of Quantum Electronics. – Vol. 31, No. 1. –1995.
4. Hast J. Self-mixing interferometry and its applications in noninvasive pulse detection. – Finland, Oulu: Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, 2003.

Registration of patient’s respiratory activity during the magnetotherapeutic session allows to carry out the synchronization of an impact as well as to monitor a general condition of the patient. But nowadays there are no any devices that are able to carry out the similar registration in the magnetotherapeutic complex environment. In the present work the analysis of contactless respiratory registration methods was performed, the most corresponding to the problem method was identified and its theoretical description was implemented. The research allowed to design the software for the simulation of the developed device. Obtained results allows to go on to development of the monitor prototype.