Курсы LabVIEW в Новосибирске!

LabVIEW
"LabVIEW DSC"

Оформление на курсы

05.03.2018

Дистанционная регистрация физиологических сигналов человека для медицинских целей с использованием LabVIEW и PXI

Дистанционная регистрация физиологических сигналов человека для медицинских целей с использованием LabVIEW и PXI

«Биорадар на основе PXI и LabVIEW позволяет просто контролировать процесс дыхания человека»

- Sharmi Banerjee,Texas Tech University

Задача: Создать прототип бесконтактной системы дистанционной регистрации основных показателей биологической активности человека, которые смогут подтвердить работоспособность нового метода обработки сигналов и концептуальную модель архитектуры системы.

Решение: С использованием NI LabVIEW и NI PXI разработана допплеровская радиолокационная система непрерывного излучения для измерения физиологических показателей человека. В качестве программной и аппаратной части системы будут соответственно. Приемопередающая система включает две полосковых антенны, встраиваемый контроллер NI PXIe-8133, измеряющий основные показатели, и спроектированную в LabVIEW программу обработки результатов измерений в реальном времени.

Авторы:

- Sharmi Banerjee - Texas Tech University
- Changzhan Gu - Texas Tech University
- Changzhi Li - Texas Tech University

Введение: Бесконтактная дистанционная регистрация сигналов основных жизненных показателей человека представляет огромный научный и промышленный интерес в таких важных областях, как поиск выживших после землетрясений, мониторинг сна спящих младенцев или взрослых для обнаружения аномалий дыхательного процесса, управление умными системами медицинского обслуживания и поиск опухолей [1,2]. Хотя концепция бесконтактной регистрации жизненных показателей была разработана до двухтысячных, исследования алгоритмов обработки сигналов и усовершенствование оборудования, проведённые в нынешнем веке, позволили претворить данную технологию в реальность.

Необходимость создания бесконтактного прибора на основе PXI для обнаружения основных жизненных показателей на основе PXI

До наших исследований эффект Допплера применялся для обнаружения перемещений физиологических объектов. Однако приборы, основанные на этой технологии, требовали нескольких уникальных приборов, работающих в радио и микроволновом диапазоне, а именно анализаторов сигнала и спектра, а также генераторов сигнала [3]. Поэтому стоимость таких приборов была достаточно высока. Кроме того, проведённые измерения требовали применения различных методов для постобработки сигналов. Реализуя систему с использованием аппаратных средств NI PXI, нам не потребуется отделять компоненты, работающие в микроволновом диапазоне. И мы сможем обрабатывать получаемые сигналы в реальном времени, одновременно с регистрацией данных с помощью программы, разработанной в LabVIEW.

Технические требования и подготовка к работе

Для построения системы локации на основе PXI требуются следующие измерительные приборы:

  • Векторный анализатор сигналов (VSA) NI PXIe-5663, состоящий из генератора радиосигналов NI PXIe-5652, преобразователя с понижением частоты PXIe-5601, шестнадцатиразрядный дигитайзер сигналов промежуточной частоты NI PXIe-5622
  • Векторный генератор сигналов (VSG) NI PXIe-5673, состоящий из I/Q генератора сигналов NI PXIe-5450 с частотой дискретизации 400 МОтсчетов/с, I/Q векторного модулятора NI PXIe-5611 и генератора NI PXI-5652
  • Предварительный усилитель NI PXI-5691
  • Две микрополосковые антенны, которые могут быть заменены другим типом антенн
Все перечисленные приборы установлены в шасси PXIe-1075 и управляются контроллером NI PXIe-8133. Могут быть использованы и другие типы шасси или контроллера.

На рисунке 1 изображено подключение разъемов системы. VSG NI PXIe-5673 генерирует тональный модулированный сигнал частотой 5,8 ГГц, который передаётся антенной Tx к тестируемому объекту. Внутри человеческого тела сигнал отражается и модулируется с физиологическими сигналами, которые возникают в процессе сердцебиения или дыхания. Отражённый сигнал принимается антенной Rx и усиливается предварительным усилителем. После этого принятый сигнал передается в VSA NI PXIe-5663, где он проходит через понижающий преобразователь NI PXIe-5601, а генератор NI PXIe-5652 обеспечивает сигнал гетеродина на частоте 5,8 ГГц. Затем сигнал промежуточной частоты дискретизируется с помощью NI PXIe-5622 и разделяется на I/Q компоненты.

Рис. 1. Блок-схема системы

Микрополосковые антенны выбраны для того, чтобы можно было передавать и получать сигналы той же частоты, что и генерируемые VSG. Уровень мощности на выходе во время испытания был установлен на уровне 5 дБм, что является максимальным значением для векторного генератора сигналов.

Следует отметить, что в идеальном случае должен использоваться один встроенный гетеродин для передатчика и приемника, чтобы использовать эффект корреляции по дальности для минимизации фазовых шумов гетеродина. Однако в случае, когда VSA и VSG используют два разных гетеродина, гораздо проще (удобнее) управлять системой. Для синхронизации работы VSG с VSA в качестве опорного используется источник импульсов синхронизации объединительной панели частотой 10 МГц. Однако недостатком этого метода является то, что такая конфигурация не гарантирует жесткой синхронизации между передатчиком и приемником.

Программа LabVIEW после понижающего преобразования и дискретизации в NI PXIe-5622 считывает оцифрованный сигнал с I/Q канала для визуализации данных во временной области. Быстрое преобразование Фурье используется для получения спектра комплексных данных в частотной области.

При соответствующей настройке, периодические физиологические сигналы можно наблюдать во временной области, и соответствующие дыханию и сердцебиению пики - в спектре частот.

Рис. 2. Результаты измерений во временной и частотной областях

Результаты

На рисунке 2 изображены результаты регистрации показателей индивида женского пола, сидящего на расстоянии примерно 1 метр от радара. На верхнем графике на рисунке показан спектр комплексного сигнала на выходе ресивера, который был получен с помощью RFSA Acquire Continuous I/Q VI. Резкий пик виден на частоте дыхания, что говорит о частоте дыхания, равной 22 вдоха в минуту. На втором графике показан сигнал во временной области, поступающий с выходов каналов I и Q радара. На последнем – индикаторе созвездия изображена траектория каналов I и Q сигнальном созвездии. С помощью данного биорадара, созданного на базе LabVIEW и PXI, легко дистанционно контролировать процесс дыхания человека.

Планы на будущее

Регистрация частоты дыхания, продемонстрированная в этой статье, точное измерение частоты сердечных сокращений и вибраций движений физиологического характера крайне важны для многих медицинских и диагностических применений. Для прецизионного измерения частоты сердечных сокращений и движений требуется автоматическая калибровка по постоянному току [3] и более совершенный, реализованный с помощью LabVIEW, алгоритм обработки сигнала. При использовании мощных инструментальных средств NI, таких как PXI и LabVIEW, интеллектуальная система радиолокации биологических сигналов открывает специалистам в области обработки сигналов, инженерам, специализирующимся на радиолокации и биомедицинской инженерии безграничные возможности для исследований.

Литература
  1. C. Li, J. Cummings, J. Lam, E. Graves, and W. Wu, “Radar Remote Monitoring of Vital Signs—From Science Fiction to Reality,” IEEE Microwave Magazine, vol. 10, issue 1 (February 2009): 47–56.
  2. C. Gu, R. Li, H. Zhang, A. Y. C. Fung, C. Torres, S. B Jiang, and C. Li, “Accurate Respiration Measurement Using DC-Coupled Continuous-Wave Radar Sensor for Motion-Adaptive Cancer Radiotherapy,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 59, no. 11 (November 2012): 3117–3123.
  3. C. Gu, C. Li, J, Huangfu, J. Lin., and L. Ran, “Instrument-based Non-contact Doppler Radar Vital Sign Detection System Using Heterodyne Digital Quadrature Demodulation Architecture,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 6 (June 2010): 1580–1588.
  4. D. Droitcour, O. Boric-Lubecke, V.M. Lubecke, J. Lin, and G.T.A. Kovac, “Range correlation and I/Q performance benefits in single-chip silicon Doppler radars for noncontact cardiopulmonary monitoring,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 52 (March 2004): 838–848.