Različni načini izvedb in uporabe senzorjev dihanja

2. MOŽNOSTI IZVEDBE SENZORJA DIHANJA

Oglejmo si, kje se senzorji dihanja danes uporabljajo, in kakšne so njihove izvedbe.

2.1 UPORABA SENZORJEV DIHANJA

Senzorji dihanja se uporabljajo na naslednjih področjih:

• Polisomnografija (monitoring/analiza spanja in diagnoza motenj spanja)
• Alternativna medicina (sproščanje s pomočjo podzavestne regulacije dihanja)
• Učenje pravilnega dihanja (otroci z astmo se lahko naučijo obvladovati napade)
• Vadbeni sistemi za govorce, glasbenike, potapljače, pilote
• Zabavna tehnika (interaktivna glasba, sprostitvene aplikacije)

2.2 STANJE TEHNIKE

Preden smo se lotili načrtovanja našega senzorja, smo si ogledali, kakšne izvedbe le-teh se v svetu že uporabljajo. Za iskanje po vseh evropskih patentih smo uporabili bazo esp@cenet.com na spletnem naslovu http://ep.espacenet.com/

POIZVEDBA PATENTOV:
1. Vital signs monitoring system EP0314844
Ta sistem uporablja en mikrofon pred nosnicami in en mikrofon na prsnem košu pacienta.
MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE:
• Brezkontaktno delovanje
• Odpornost na ambientalne hrupe

2. Breath current sensor JP1255898
Ta patent za zaznavanje dihanja prav tako uporablja mikrofon, poleg tega pa zrak prehaja še skozi specifično akustično formo, ki deluje kot filter visokih frekvenc.
MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE:
• Cenejša izvedba
• Večja občutljivost (ker vsako filtriranje zmanjšuje dinamičnost signala)
• Robustnejše delovanje
• Odpornost na ambientalne hrupe

3. APPARATUS AND METHOD FOR BREATHING PATTERN DETERMINATION USING A NON-CONTACT MICROPHONE WO2006008745
Tudi ta patent uporablja mikrofon brezkontaktno, vendar ne izloča hrupov iz okolja in se ne prilagaja različnim ljudem – različnim nivojem dihanja.
MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE:
• Odpornost na ambientalne hrupe
• Samonastavljivost algoritma za različne ljudi in ambiente

4. Device for monitoring of breathing parameters of patient connected to respirator, using acoustic signals DE102004055967

Ta patent uporablja cev, vstavljeno v usta pacienta. V cevi se zrak razdeli na različne poti, kjer njegov pretok zaznavajo akustični mikrofoni.

MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE:
• Brezkontaktna uporaba
• Cenejša izvedba

2.3 NAČINI ZAJEMA SIGNALA

Dosedanje rešitve za “merjenje dihanja” so torej sledeče:
1. Opazovanje frekvenčnega spektra svetlobe, ki presvetljuje izdihan zrak
2. Merjenje temperature zraka tik pred nosnicami
3. Mikrofon pred nosnicami
4. Mikrofon na prsih ali na žrelu
5. Senzor, ki meri obseg pljuč
Ob izbiri primernega postopka bomo upoštevali zahteve, ki jih bomo postavili v nadaljevanju.

2.4 IZBIRA PRIMERNEGA POSTOPKA ZAJEMA SIGNALA

Pri izbiranju primernega postopka se moramo najprej vprašati, kakšne so zahteve pri izgradnji našega senzorja dihanja. Zahteve, ki se nam zdijo za uporabo v terapevtski praksi in zabavni tehniki, so sledeče:

• Cenovna ugodnost (< 200 eur)
• Hitra odzivnost (< 1 ms)
• Odpornost na hrup iz okolice (< 80 dB)
• Samoprilagodljivost za različne ljudi in različne ambiente (nastavljanje se izvaja avtomatsko med samim delovanjem)

Glede na omenjene zahteve hitro vidimo, da odpadejo možnosti izvedbe, kjer je nujna kontaktna uporaba senzorja, torej možnosti 4 in 5, ter izvedbe, ki so cenovno zahtevnejše, torej 1 in 2. Odločili smo se torej za uporabo mikrofonov in postavitev le-teh tik pred nosnice pacienta. Ker predpostavljamo, da bomo pri tem operirali z razmeroma šibkimi signali, smo se odločili za uporabo kondenzatorskih mikrofonov, ki so za razliko od dinamičnih in ogljenih mikrofonov znani po svoji večji občutljivosti. Glavne lastnosti izbranih mikrofonov, kot se uporabljajo v tehniki, so: občutljivost, frekvenčna karakteristika, sledna karakteristika, dinamika in impedanca. Pri izvedbi našega senzorja dihanja sta nam pomembni predvsem občutljivost in sledna karakteristika. Občutljivost je razmerje med napetostjo (elektromotorno silo), merjeno na izhodnih sponkah mikrofona, in zvočnim tlakom na mestu mikrofona oziroma membrane. To je lastnost, ki nam pove, kakšno najmanjšo možno spremembo tlaka bo naš mikrofon še zaznal. Naslednja pomembna karakteristika je tako imenovana smerna karakteristika. Smerna karakteristika oziroma usmerjenost mikrofona je odvisnost občutljivosti mikrofona od smeri, iz katerih prihaja zvočno valovanje z enakomerno, konstantno jakostjo. Karakteristike podajamo v polarnem diagramu; po obliki karakteristike ločimo mikrofone na: mikrofon s prožno karakteristiko, mikrofon z osmičasto karakteristiko in mikrofon z ledvično karakteristiko. Za izvedbo našega senzorja dihanja smo izbrali mikrofon z ledvično karakteristiko in s čimvečjo usmerjenostjo v aksialni smeri. Te mikrofone imenujemo tudi "Shotgun" mikrofoni.

2.5 IZGRADNJA PREDOJAČEVALNEGA SISTEMA

Za kondenzatorske mikrofone je potrebno zgraditi takšen predojačevalnik, ki te mikrofone hkrati tudi napaja. To napajanje v tehniki pogosto imenujemo "fantomsko napajanje".

Slika 2.1: Shematika predojačevalnega sistema (posamezni kanal)

2.6 ZAJEM SIGNALOV

Signale smo na računalniku zajemali s pomočjo zvočne kartice M-AUDIO DELTA1010LT, katere karakteristike so sledeče:

• frekvenčni razpon: 20HZ-22KHZ (v območju +/-0.3dB)
• dinamični razpon A/D konverterjev: -109dB
• dinamični razpon D/A konverterjev: -117dB
• harmonsko popačenje (THD) A/D konverterjev: 0.00072%
• harmonsko popačenje (THD) D/A konverterjev: 0. 00200%

Kartica med posameznimi kanali izvaja sinhronizacijo kar na ravni gonilnika, kar pomeni, da so signali v računalniku že sinhronizirani na natančnost enega vzorca.

OPOMBA: Naš algoritem na izpade sinhronizacije ni občutljiv, saj se vsa analiza izvaja v močnostnem prostoru, kjer je resolucija 256-krat večja.

Signale smo v računalniku snemali s pomočjo odprtokodnega programa Audacity in jih naknadno analizirali v okolju MATLAB.

2.7 MERITVE

Meritve smo opravili v delovni sobi, ki ni bila pred tem deležna nikakršnega akustičnega uglaševanja. Poglejmo si za začetek karakteristiko delovne sobe, v kateri so bile opravljene meritve. Impulzni odziv sobe smo izmerili tako, da smo v njeno središče postavili kondenzatorski mikrofon s krožno karakteristiko zajemanja signala in merili odziv sobe na Diracove impulze, ki smo jih generirali s ploskanjem 2 metra stran od mikrofona. Vse odzive (torej meritve sobe) smo naknadno normirali glede na velikost največjega vzorca posameznega ploska (torej impulza). Pri meritvah smo uporabljali na omni-usmeritev nastavljen studijski mikrofon Behringer B–2 pro, katerega karakteristike so sledeče:

Oglejmo si torej odzive na Diracov Impulz v časovnem prostoru:

Odziv prostora na impulz v frekvenčnem prostoru:

OPOMBA: Frekvenčni spekter je določen s povprečevanjem prekrivajočih se FFT transformacij oken oblike Blackmann-Harris velikosti 185,76 ms (8192 vzorcev pri vzorčni frekvenci 44.1KHz)
OPOMBA 2: Pri izračunu frekvenčnega spektra smo uporabili le kratko območje časovnega signala po vzbujajočem impulzu (s tem se rešimo motečih robnih vplivov).

Izkazalo se je torej, da ima soba precej linearno karakteristiko, saj nobena od frekvenc ni pretirano ojačana ali dušena. Moteč faktor pa je predvsem predolg časovni odziv na impulz, kar pomeni da bo soba s svojo reverberacijo kvarila meritve.

OPOMBA: Potrebno je povedati, da bi morali za natančnejše meritve uporabiti opremo, ki je namenjena akustičnim meritvam prostorov.

Nadaljevali smo z meritvami zajema signalov. Opravili smo meritve kondenzatorskih mikrofonov, pozicioniranih tik pred nosnice, ob relativno normalnem, sproščenem dihanju. 10-sekundni izsek signala v časovnem prostoru je viden na naslednji sliki:

Kot lahko vidimo, zaznava mikrofon le izdihe, vdihov pa praktično ne pobira. Razlog za takšno delovanje je preprosto v akustičnem delovanju nosnice, ki je oblikovana tako, da se signal ojača pri poteku zraka ven iz nosnice, medtem ko je občutno tišji pri poteku zraka v nosnico. Razlogi so seveda tudi v usmerjenosti mikrofonov, ki so usmerjeni proti nosnici in zaradi tega zaznavajo predvsem signal, oziroma spremenjujoč se tlak, ki se pojavlja na tem mestu.
Oglejmo si še frekvenčne karakteristike signala v predelu izdiha in v predelu vdiha.

Frekvenčna vsebina predela izdiha:

OPOMBA: Frekvenčni spekter je določen s povprečevanjem prekrivajočih se FFT transformacij oken oblike Blackmann-Harris velikosti 185,76 ms (8192 vzorcev pri vzorčni frekvenci 44.1KHz)

Frekvenčna vsebina predela vdiha:

OPOMBA: Frekvenčni spekter je določen s povprečevanjem prekrivajočih se FFT transformacij oken oblike Blackmann-Harris velikosti 185,76 ms (8192 vzorcev pri vzorčni frekvenci 44.1KHz)

Kot lahko vidimo, se večina signala v predelu izdiha, torej signala, ki ga želimo izmeriti, nahaja v področju pod 5.000 Hz, kar pomeni, da lahko pred obdelavo nad vsemi štirimi signali izvedemo izločanje visokofrekvenčne vsebine in se s tem znebimo motečih visokofrekvenčnih šumov.
Glede na to, da nas frekvenčna vsebina nad 5kHz ne zanima, je najnižja frekvenca vzorčenja, ki jo lahko uporabimo za dovajanje signalov v računalnik, enaka 10kHz. Kljub temu smo algoritem razvijali pri vzorčni frekvenci 44.1kHz, saj se pri višjih frekvencah dosega večja natančnost izračunov in manjša latenca pri pretoku zvoka od gonilnika do jedra, pa tudi zato ker je to najbolj pogosto uporabljana frekvenca za vzorčenje zvoka na osebnih računalnikih in bo potemtakem migracija na ostale platforme predvidoma lažja.

2.8 VREDNOTENJE ZAJEMA SIGNALOV

Pri poskusnem zajemanju signalov smo ugotovili, da je vidna zelo jasna razlika med predelom izdiha in predelom vdiha, kar pomeni, da bomo le-ta brez težav in jasno razločevali. Vidimo tudi, da se večina energije merjenega signala nahaja v območju pod 5.000 Hz, kar pomeni, da lahko iz signala izločimo visoke frekvence in se s tem znebimo nekaterih motenj. Omeniti je seveda potrebno, da bi pri takšni postavitvi mikrofonov morebitni hrup iz okolice predstavljal velikanski motilni signal in bi močno otežil naše zaznavanje; prav zaradi tega bomo v nadaljevanju razvili algoritem za izločanje ambientalnega hrupa s pomočjo referenčnih mikrofonov, ki bodo ambientalni hrup od originalnega signala odštevali.
Če nam boste prispevek poslali v obliki datoteke PUSTITE TO POLJE NEDOTAKNJENO!

Datoteko nam boste lahko posredovali na naslednji strani.

Ta prispevek je na portalu Publikacije.net objavil/a leskovsek dne 2007-04-24.

Ocenite prispevek:

5 out of 54 out of 53 out of 52 out of 51 out of 5 

Not yet Rated