МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ РУХУ ЦіЛі ПРИ ПОБУДОВі МЕДИЧНИХ РАДАРіВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.3

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ РУХУ Ц1Л1 ПРИ ПОБУДОВ1 МЕДИЧНИХ РАДАР1В

-□ □-

Стаття присвячена no6ydoei медичнихpadapie, що при-значеш для одержання траекторп мехашчного руху груд-ног клтини людини. Розглянуто особливостiрадюлокацш-ного виявлення щлей, що роблять зворотно-поступальний рух. Розглянуто проблеми, пов'язаш з одержанням та обробкою даних, дослиджеш методи видновлення вихгдног траекторп руху об'екта з використанням двох квадратур, лiквiдaцiг постшног складовог та арктангенс-демодулящя. Запропоновано методи обробки отриманих сигнaлiв

Ключовi слова: медичнийрадар, бюрадюлокащя, дихан-

ня, серцебиття

□-□

Статья посвящена построению медицинских радаров, предназначенных для получения траектории механического движения грудной клетки человека. Рассмотрены особенности радиолокационного обнаружения объектов, совершающих возвратно-поступательное движение. Рассмотрены проблемы, связанные с получением и обработкой данных, исследованы методы восстановления исходной траектории движения объекта с использованием двух квадратур, ликвидации постоянной составляющей и арктангенс-демодуляция. Предложены методы обработки полученных сигналов

Ключевые слова: медицинский радар, биорадиолокация,

дыхание, сердцебиение -□ □-

1. Вступ

У цей час все бшьш широке застосування одержу-ють системи радюлокацп, призначеш для спостережен-ня за живими оргашзмами, так звана бюрадюлокащя. Особливштю бюрадюлокацп е те, що спостережуваш об'екти (серце та грудна клгтина людини), як правило, виконують не прямолшшний, а зворотно-поступаль-ний рух. Спостереження зводиться до визначення характеристик цих рухiв: амплгтуди, частоти, а також траекторп перемщення поверхш тша у чась Одержання адекватних результапв мошторингу оргашв людини ускладнюеться тим, що спостереження вико-нуеться на фот ввдбиття радюлокацшного сигналу вiд нерухомих об'ектiв навколо.

У стати розглядаеться обробка сигналiв, вщбитих вiд живих, рухомих та нерухомих об'екив, на фонi велико! кiлькостi вiддзеркалень, що заважають, а також запропоновано аналгтичний метод вщновлення траекторii руху об'екта за двома квадратурами фазового приймача, що працюе в умовах безлiчi мшцевих об'ектiв.

2. Аналiз лкературних даних та постановка проблеми

Радюлокацшш технологii в медичних цiлях не розглядалися серйозно до початку 70-х роюв 20-го столитя. Вимiр руху оргашв та яюсне визначення на-явностi води в легенях людини були одними з перших застосувань радарiв у медичнш дiагностицi [1, 2].

Використання радiолокаторiв може бути корисним при безконтактному мошторингу серцево-легеневоi активносп в медичних цiлях, таких як вимiр серцебит-

Ж.М. Хоменко

Асистент

Кафедра радютехшки та телекомушкацт Житомирський державний технологiчний

унiверситет

вул. Черняхiвського, 103, м. Житомир, УкраТна, 10005 Контактний тел.: 093-349-27-11 E-mail: jannet-05@mail.ru

тя та параметрiв дихання в ситуащях, коли контактна вимiрювальна апаратура викликае дискомфорт, под-разнення шюри (наприклад при опiках) або обмежуе необхщну свободу руху, що дозволить контролювати життево важливi параметри оргашзму [3-7].

1снуе багато прикладiв того, як серцебиття та дихання контролюеться за допомогою рiзних технологiй, у тому числi за допомогою радарiв у широкому дiапа-зонi частот. Хоча е приклади застосування радюло-кацiйних систем у клжчних умовах [8, 9], бшьшшть експериментiв, що описуються в лггератур^ були про-веденi в лабораторних умовах. Таким чином, можли-вкть реальноi реалiзацii радiолокацiйного мошторин-гу життево важливих параметрiв поки залишаеться вiдкритим. Також залишаеться вiдкритим питання про те, як частоти щонайкраще пiдходять для монiто-рингу серцебиття та дихання.

Для досягнення найкращих характеристик радю-локацiйних комплекив потрiбна розробка адекватних моделей радюлокацшних сигналiв, якi повиннi бути побудоваш на фiзичних моделях взаемодii радюх-виль iз об'ектами. Побудова цих моделей дозволить розробити алгоритми оптимальноi обробки сигналу, яю дадуть можлившть отримувати бiльше iнформацii про об'ект, що зондуеться, а також про характеристики його руху.

3. Мета та задачi дослщження

Першопричиною наявностi бiометричноi шформа-цп у вiдбитому радiосигналi е скорочення серця, су-дин, легешв та шших внутрiшнiх органiв, таким чином мета дослщження полягае в:

©

- досл1дженн1 механ1зм1в впливу зондуючого сигналу на бюлопчш об'екти та подальшо! його реестра-цп;

- створенш бюрадюлокацшно! системи, що до-зволяе з великою точшстю дистанцшно рееструвати параметри дихання 1 пульсу, а також ощнювати рухову актившсть бюлопчного об'екта.

Для досягнення вказано! мети були сформульоваш наступш задача

- проведено математичне моделювання взаемодп електромагштних хвиль радючастотного д1апазону з об'ектами бюрадюлокацп з метою виявлення опти-мальних значень частоти та штенсивност1 зондуючого сигналу;

- розроблеш алгоритми вид1лення сигнал1в дихання 1 серцебиття та ощнки параметр1в рухово! ак-тивност1 при обробщ даних бюрадюлокацшного зон-дування;

- запропонована установка для реестрацп бюрит-м1в живих оргашзм1в, а також створено макет.

Таким чином, розробка ефективних засоб1в безкон-тактного дистанцшного мошторингу дихання та серцебиття бюлопчного об'екта е актуальним завданням медичного приладобудування.

4. Експериментальш данш та ¡х обробка

Радюлокацшну шформащю в1д бюлопчного об'ек-та можна отримати за допомогою методу фазового де-тектування, який базуеться на використанш фазового детектора (ФД), вихщна напруга якого залежить вщ р1знищ фаз прийнятого та опорного сигнал1в. Щоб уникнути неоднозначност1 для визначення характеристики руху, використовують два квадратурних виходи, опорш сигнали яких мають зсув на 90°.

За методом фазового детектування параметром сигналу, що характеризуе положення щл1 в простор^ е фаза. Так як передатна характеристика ФД, що описуе залежшсть напруги на виход1 вщ р1знищ фаз прийнятого й опорного сигнал1в, е функщею косинуса, то вщбитий в1д щл1 сигнал можна описати наступним виразом [10]:

u (t) = EfinT0cos

2<в„

d0 + dbsin (2nfb) + dh sin (2nfh)

де Т0 - перюд коливань зондуючого сигналу; п -щле число перюд1в коливань, що приймають участь у розрахунках; ю0 = 2^ - кутова частота зондуючого сигналу; dь и dh - амплггуди дихання та серцебиття вщповщно; fь и - частоти дихання та серцебиття вщповщно; Е0,Е1 - амплггуди прийнятого та опорного сигнал1в; d0 - вщстань до поверхш спостережуваного об'екту; с - швидюсть свила; u(t) - напруга на виход1

ФД.

Вираз (1) характеризуе залежшсть напруги на ви-ход1 корелятора в1д вщсташ до спостережува-ного об'екта. Застосування виразу (1) дозволяе розглянути вихщний сигнал корелятора при р1зних параметрах руху.

Якщо радар використовуеться при наяв-ност1 безл1ч1 м1сцевих об'ект1в, то в приймач попадають вщбиття й вщ них. Так як сигнали, в1дбит1 в1д декшькох об'ект1в, штерферують, то

положення цих об'ект1в не щентифжуеться, тобто да-ний метод не дозволяе ввдокремити картину серцево! д1яльност1 в1д зворотно-поступального руху грудно! клики, амплиуда якого значно перевищуе амплиуду серцебиття.

Щоб уникнути неоднозначност1 при анал1з1 от-риманого сигналу, використовують два квадратурних виходи, опорш сигнали яких мають зсув на 90°. Вико-ристання двох квадратур ФД дозволяе значно знизити чутлив1сть радара до положення ввдносно об'екту. Так як дв1 квадратури дають можлив1сть представити сигнал на комплекснш площиш, то залежшсть фази в1д часу можна виразити як [11, 12]:

ф^) = arctg

sin (ф(t))

С08 (ф(t))

(2)

При наявност1 в1дбитт1в в1д м1сцевих об'ект1в (МО), що знаходяться поруч, вихщш напруги квадратур несуть у соб1 велику постшну складову (ПС), наявшсть яко! не дае можност1 використовувати вираз (2).

На рис. 1 запропоновано структурну схему радара з двома квадратурами, що дозволяе запоб1гти цьому не-должу. Генератор НВЧ формуе зондуючий та опорний сигнали. Опорний сигнал розд1ляеться за допомогою д1льника на два ортогональних вихщних опорних сигнали 1з затримкою на 90° м1ж ними.

, (1)

Cos ф

Рис. 1. Блок-схема радара для вимiрювання серцевоТ та дихальноТ дiяльностi.

Математичнi моделi вихiдних сигналiв квадратур в цьому випадку можна описати наступними виразами:

Zs (t) =

E0E1

пТ„ sin

Zc (t) =

E0E1

пТ С08

2ю„

2rnr

d0 + db sin (2nfbt) + dh sin (2nfht)

d0 + db sin (2nfbt) + dh sin (2nfht)

+ Ps,(3)

+ Pc,(4)

c

2

c

2

c

де Р5 , Рс - ПС, викликаш вщбиттям вiд МО. Оскiльки функцп змiни напруги (3) та (4) на виходi ФД е гладкими i неперервними, то 1х можна диферен-цiювати за часом.

Шсля взяття арктангенсу вiд спiввiдношення роз-рахованих диференцiалiв, отримаемо фазову характеристику сигналу, яка буде мштити у собi iнформацiю про рух об'екта, який викликаний диханням та серце-биттям:

5. Висновки

ф^) = arctg

d (Zc (t)) d (Zs (t)).

2rn„

d0 + db sin (2nfbt) + dh sin (2nfht)

Результати проведених експерименпв та загальний вид розробленого пристрою для реестрацп серцево! та дихально! дiяльностi наведено [13].

Надалi отриману характеристику можна викори-стовувати для визначення дшсних значень амплiтуд та частот дихання i серцебиття за допомогою методiв спектрального аналiзу сигналiв [14].

Радари, що використовують одну квадратуру i при-значенi для спостереження за серцево-дихальною ак-тившстю людини та заснованi на методi фазового детектування, володiють рядом функщональних об-межень, до яких вщносяться чутливiсть до положення цiлi i спотворення сигналу, що залежить вiд амплiтуди руху цiлi.

Таким чином, об'еднання двох квадратур фазового приймача, з 1х попередшм диферен-щюванням i подальшою арктангенс-демоду-ляцiею, дозволяе отримати дшсну траекторiю руху цШ, необхiдну для подальшого аналiзу частоти та характеру цього руху. Небажана постшна складова, викликана вщбиттям вщ МО, успiшно ви-лучаеться. При цьому збержаеться корисна постiйна складова, необхщна для коректного взяття арктангенсу. Описана модель може застосовуватися в системах реального часу для спостереження за частотою дихан-ня та серцебиття людини.

.(5)

c

Лиература

1. Kazamias T.M., Gander M.P., Ross J.Jr., Braunwald E. Detection of left-ventricular-wall motion disorders in coronary-artery disease by radarkymography. N Engl J Med. - 1971. - №285(2). - pp.63-71.

2. Susskind C. Possible use of microwaves in management of lung disease (Proc. IEEE, vol. 61). 1973, pp. 673-674.

3. Способ мониторинга функционального состояния человека: а.с. 2258455 РФ [Текст] / В.А. Годунов, Д.А. Третьяков, Б.Б. Некрасов, А.В. Бандурин заявл. 05.11.03; опубл. 20.08.05.Бюлл.№23.

4. Способ оценки психофизиологического состояния пациента и устройство для доплеровскои локации: а.с. 2071718 РФ [Текст] / В.А. Федоров заявл. 18.02.94; опубл. 20.01.97.

5. Способ регистрации артериального пульса и частоты дыхания и устройство для доплеровской локации: а.с. 2000080 РФ [Текст] / В.А. Федоров, Л.А. Крохин заявл.09.01.92;опубл.07.09.93.

6. Apparatus for and method of biotic sleep state determining: i.e. 20080027331 US [Текст] / T. Suzuki, K. Kameyama, K. Ouchi ap-pl.02.10.07;pub.31.01.08.

7. Apparatus for detection of heart activity: i.e. 2007010460 WO [Текст] / J. A. Thijs, R.B. Elfring, T.J. Muehls, O. Such appl. 14.07.06; pub.25.01.07.

8. Immoreev I, Tao T.H. UWB radar for patient monitoring. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. - 2008. - №11. - pp. 11-18.

9. Lin J., Li C. Wireless non-contact detection of heartbeat and respiration using low-power microwave radar sensor (Proceedings of the 19th Asia Pacific Microwave Conference, Vol. 1). Bangkok, Thailand, 2007, pp. 393-396.

10. Immoreev I, Ivashov S. Remote monitoring of human cardio-respiratory system parameters by radar and its applications (Proceedings of Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals Conference). Sevastopol, Ukraine, 2008, pp. 34-38.

11. Immoreev I.J., Samkov S.V., Ultra wideband (UWB) radar for the remote measuring of main parameters of patient's vital activity. Radio Physics and Radio Astronomy (Ukraine). - 2002. - v.7. - №4. - pp. 404-407.

12. Boric-Lubecke O. Arctangent demodulation with DC offset compensation in quadrature doppler radar receiver systems. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2007. - v.55. - №5. - pp. 1073-1079.

13. Хоменко Ж.М. Особливост радюлокацшного виявлення щлей, що роблять зворотно-поступальний рух [Текст] / Ж.М. Хо-менко // Вюник ЖДТУ. Техшчш науки. - 2011. - № 2 (57). - с. 114-119.

14. Хоменко, Ж.М. Дистанцшна дiагностика стану людини з використанням засобiв цифрово! обробки сигнашв [Текст] / Ж.М. Хоменко // Мiжнародний науково-техшчний журнал. Вимiрювальна та обчислювальна техшка в технолопчних процесах. м. Хмельницький - 2012. - № 2. - с. 128-135.

Abstract

Despite a number of publications concerning the use of different fields and types of radars for the study of human tissue, there is considerable uncertainty as to what is actually measured, and which frequencies are the best for heartbeat and breathing monitoring. Most of the experiments described were conducted in laboratory conditions. Therefore, the actual bioengineering problem is the research and development of the radar-reflection methods of remote sensing of slight displacements of biological structures, such as breathing and heartbeat. A peculiarity of bioradiolocation is that the observed objects (heart and human chest) usually move reciprocally.

With the variety of local objects, reflections of a probing signal get to the radar receiver. They interfere these objects and do not allow the identification of their position in space.

The results of the experiments show that the use one quadrature registration scheme of the received signal does not permit to separate the picture of cardiac activity from the reciprocal motion of the chest, whose amplitude exceeds the amplitude of the heartbeat.

The article suggests an analytical method of restoration of the motion trajectory of an object according to two quadratures of the phase receiver, which works in a variety of local objects.

The combination of two quadratures of the phase receiver of the radar with their previous differentiation and subsequent arctangent-demodulation provides an actual trajectory of the object motion, necessary for further analysis of the frequency and nature of this movement

Keywords: radar, bioradiolocation, breathing, heartbeat

-:-—О □-;-;-

В стaттi представленрезультати створення корпуЫв свт-

лодiодiв (LED) високог потужностi на основi друкованог плати та подвшного шару склотекстолту FR4. Перш за все, створю-еться детaлiзовaнa модель корпусу LED на тдкладщ. Потiм модель оnтимiзуеться з урахуванням виду, кiлькостi та роз-ташування теплових мiжшapових з'еднань, ширини теплових кaнaлiв та розсювання nотужностi LED

Ключовi слова: свтлодюд, оnтимiзaцiя, керування темпера-

турними режимами, друкована плата

□-□

В статье представлены результаты создания корпусов све-тодиодов (LED) высокой мощности на основе печатной платы и двойного слоя стеклотекстолита FR4. Прежде всего, создается детализированная модель корпуса LED на подложке. Затем модель оптимизируется с учетом вида, количества и расположения тепловых межслойных соединений, ширины тепловых каналов и рассеиваемой мощности LED

Ключевые слова: светодиод, оптимизация, управление температурными режимами, печатная плата

УДК 004.89

LED PCB THERMAL SIMULATION USING FLOEFD

A. Andonova

Professor

Department of Microelectronics Technical University of Sofia, Bulgaria Kl. Ohridski 8, Sofia, 1797 Contact tel.: +359-2-965-32-63 E-mail: ava@ecad.tu-sofia.bg

1. Introduction

Heat dissipation of the light source and the dependence of its parameters on the ambient temperature, the energy balance of the source, optical and heat transfer characteristics of the materials are used in the evaluation and calculation of the thermal mode of the light source [3]. The article presents the results from thermal simulations of power LED's mounted on PCB. Simulations were performed using the method CFD (computational fluid dynamics) via the software Mentor Graphics FLOEFD. Simulation experiments were conducted to optimize the distribution of heat in terms of type, number and location of the vias, width of the conductive paths and dissipated power of the LEDs.

2. Computational simulations using FLOEFD

Since FloEFD is based on solving the time-dependent equations of Navier-Stokes problems in steady state are solved by stationary approach. For quicker acquisition of

the stationary solution a method of local computational steps in time is used. Multigrid method is used to accelerate convergence of the solution and to suppress oscillations. In order to optimize the time of termination of the calculation and to determine more accurately the physical parameters of interest, that oscillate in iterations. Physical parameters of interest could be determined as calculation purposes. Prior to starting creating a model and a FloEFD project, it is necessary to choose the geometrical and physical characteristics of the engineering problem which most significantly affect the solution to this problem. If the model has already been created when designing the object, i.e. it is fully adequate to the object, then the solution of engineering problems using FloEFD, may be required to simplify the model or add auxiliary parts of the model. Proper use of these two activities can be crucial for obtaining reliable and accurate solution. As soon as the main part of a FloEFD project, that is unlikely to change is build, the next step is to choose a strategy to solve the engineering problem using FloEFD, i.e, obtaining reliable and accurate solution to a problem. The strategy for solving engineering problems includes the following important steps:

©