PL240457B1 - Układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, charakteryzujący się tym, że zawiera co najmniej jeden blok pomiarowy (9) z wbudowanym blokiem czujnika (7) zawierającym co najmniej jeden akcelerometr, przy czym wyjście (70) bloku czujnika (7) dołączone jest do wejścia (81) układu kondycjonująco-przetwarzającego (8), natomiast wyjście (90) bloku pomiarowego (9) dołączone jest do co najmniej jednego wejścia (101) bloku mikrokontrolera (10), którego wyjście (100) podłączone jest do wejścia (111) modułu radiowego (11), do którego wyjścia (110) podłączona jest antena nadawcza (120), natomiast moduł radiowy (11) skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych ze zmiennym interwałem transmisyjnym, przy czym blok mikrokontrolera (10) i moduł radiowy (11) z anteną nadawczą (120) tworzą razem blok nadajnika radiowego (12) Bluetooth Low Energy, natomiast blok odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy składa się z bloku mikrokontrolera (10a) oraz modułu radiowego (11a) skonfigurowanego w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych z bloku nadajnika (12), przy czym do wejścia (111a) modułu radiowego (11a) podłączona jest antena odbiorcza (120a), a wyjście (110a) modułu radiowego (11a) dołączone jest do wejścia (101a) bloku mikrokontrolera (10a), zawierającego wyjście (100a) do podłączania układów zewnętrznych, przy czym układ zawiera co najmniej jeden blok nadajnika radiowego (12) Bluetooth Low Energy oraz co najmniej jeden blok odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy. Rozwiązanie może znaleźć zastosowanie głównie w badaniach ruchów lokomocyjnych, sportowych lub monitorowaniu czynności życiowych podczas snu.

Description

PL 240 457 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, znajdujący zastosowanie głównie w badaniach ruchów lokomocyjnych, sportowych lub monitorowaniu czynności życiowych podczas snu.

Systemy monitorowania wykorzystujące teletransmisję stosowane są coraz powszechniej. Szybki rozwój takich rozwiązań zauważyć można również na rynku urządzeń mobilnych. Monitorowanie parametrów organizmu wprowadza nową jakość życia i pozwala reagować szybko, na przykład w sytuacjach zagrożenia zdrowia lub życia. Wykorzystanie interfejsów radiowych jest jednakże bezpośrednio związane z ich zapotrzebowaniem na energię. W przypadku wykorzystania urządzeń mobilnych lub projektowania zasilanych bateryjnie systemów teletransmisyjnych, istotny jest pobór prądu związany z procesem wysyłania i odbioru danych, dlatego też istotne jest opracowywanie nowych metod transmisji, dzięki którym możliwe będzie wydłużenie pracy urządzenia i jednocześnie zwiększenie trwałości ogniw zasilających.

Z dotychczasowego stanu techniki znane są układy monitorujące parametry oddechu, realizowane za pomocą czujników, w których wykorzystuje się między innymi:

- fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofal (patent PL218705), wytworzone przez oscylator, emitowane i odbierane jedną anteną w układzie do bezkontaktowego i bezinwazyjnego pomiaru rytmu serca i częstości oddechu, który posiada aktywny element, będący jednocześnie częścią detektora sygnału różnicowego przenoszącego informację o rytmie serca i aktywności oddechowej oraz oscylatora; z uwagi na wykorzystanie mikrofal do monitorowania oddechu i pracy serca utrudnione może być wykorzystanie technologii mobilnych pracujących w podobnym zakresie mikrofal;

- włókna optyczne (patent PL208579); dwa włókna optyczne - nadawcze i odbiorcze, wykorzystane w układzie tekstylnym, który zmienia swoją geometrię na skutek czynności oddechowych, co z kolei wpływa na sygnał odbierany przez włókno odbiorcze; rozwiązanie to nie uwzględnia monitorowania oddechu za pomocą urządzeń mobilnych;

- czujnik tekstylny (polskie zgłoszenie patentowe nr P.408711), w postaci gumy tkanej, na której jest wykonany haft przy użyciu drutu przewodzącego z izolacją; rozwiązanie dotyczy głównie samego czujnika, nie uwzględniając monitorowania oddechu za pomocą technologii mobilnych;

- akcelerometr (patent PL216325), który przetwarza na sygnał elektryczny ruch ściany brzucha, proporcjonalny do czynności oddechowych; akcelerometr podłączony jest z mikroprocesorem poprzez kilka filtrów i prostownik dwupołówkowy; rozwiązanie nie uwzględnia zdalnego monitorowania oddechu przy wykorzystaniu technologii radiowych i mobilnych;

- siatkę Bragga (patent PL217840), która stanowi część sensoryczną, wbudowaną trwale we wnętrzu elastycznego elementu, utworzonego korzystnie jako poduszka pneumatyczna, odkształcalna wraz z ruchami ciała osoby monitorowanej i będąca w kontakcie fizycznym z osobą monitorowaną; rozwiązanie to nie uwzględnia monitorowania oddechu za pomocą urządzeń mobilnych.

Z opisu patentowego PL224045 znany jest również układ do monitorowania czynności oddechowych oraz sposób monitorowania czynności oddechowych, zwłaszcza częstotliwości oddechu i jego siły (amplitudy), wykorzystujący zjawisko mikrokondensacji i znajdujący zastosowanie szczególnie w badaniu oddechu podczas snu, natomiast z polskiego zgłoszenia patentowego P.400228 znany jest układ do monitorowania częstotliwości oddechu wykorzystujący czujnik ładowany pasożytniczym prądem polaryzacji wejść wzmacniacza, znajdujący zastosowanie w pomiarach parametrów cykli oddechowych oraz wykrywaniu bezdechu. Rozwiązanie ze zgłoszenia P.400228 zostało opisane również w artykule „Integrated micro power frequency breath detector”, Sensors and Actuators A, vol. 239, p. 79-89 (2016).

Znane są również rozwiązania do badania chodu: patent PL222753, patent PL221416, oraz badania wyskoku: patent PL223927. Rozwiązania te są dedykowane dla elektromiografów, dlatego też nie uwzględniają współpracy z urządzeniami mobilnymi oraz monitorowania funkcji organizmu na wielu odbiornikach.

Rozwiązania znane ze stanu techniki umożliwiają monitorowanie czynności oddechowych albo funkcji lokomotorycznych, jednakże ich konfiguracja nie pozwala na mon itorowanie wielu funkcji organizmu jednocześnie i na wielu zdalnych odbiornikach jednocześnie, w tym na urządzeniach mobilnych, co zapewnia dopiero rozwiązanie według niniejszego wynalazku, które jednocześnie jest zoptymalizowane pod kątem oszczędności energii i zwiększenia ilości przesyłanych informacji,

PL 240 457 B1 dzięki czemu może być wykorzystywane do ciągłego monitorowania funkcji organizmu przy zasilaniu bateryjnym.

Istotę wynalazku stanowi układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, zawierający co najmniej jeden blok pomiarowy z wbudowanym blokiem czujnika zawierającym co najmniej jeden akcelerometr, korzystnie inercyjny, przy czym wyjście bloku czujnika dołączone jest do wejścia układu kondycjonująco-przetwarzającego, którego wyjście będące jednocześnie wyjściem bloku pomiarowego dołączone jest do co najmniej jednego wejścia bloku mikrokontrolera, którego wyjście podłączone jest do wejścia modułu radiowego, do którego wyjścia podłączona jest antena nadawcza, przy czym blok mikrokontrolera i moduł radiowy z anteną nadawczą tworzą razem blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy, natomiast blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy składa się z bloku mikrokontrolera oraz modułu radiowego, przy czym do wejścia modułu radiowego podłączona jest antena odbiorcza, a wyjście modułu radiowego dołączone jest do wejścia bloku mikrokontrolera, zawierającego wyjście do dołączania do układów zewnętrznych, charakteryzujący się tym, że moduł radiowy skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych ze zmiennym interwałem transmisyjnym, natomiast wchodzący w skład bloku odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy moduł radiowy skonfigurowany jest w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych z bloku nadajnika, przy czym układ zawiera co najmniej jeden blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy oraz co najmniej jeden blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy.

Korzystnie, blok pomiarowy ma postać układu scalonego.

Korzystnie, blok czujnika zawiera dodatkowo co najmniej jeden żyroskop, korzystnie inercyjny.

Korzystnie, blok czujnika zawiera dodatkowo co najmniej jeden magnetometr, korzystnie inercyjny.

Korzystnie, wejście bloku mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub co najmniej jednego wejścia analogowego.

Korzystnie, wyjście bloku mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.

Korzystnie, wejście modułu radiowego bloku nadajnika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.

Korzystnie, wyjście modułu radiowego bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.

Korzystnie, wejście bloku mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.

Korzystnie, wyjście bloku mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia.

Blok mikrokontrolera bloku nadajnika radiowego stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.

Blok mikrokontrolera bloku odbiornika radiowego stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.

W szczególnych przypadkach blok odbiornika stanowi blok odbiornika urządzenia mobilnego, zwłaszcza smartfonu, tabletu, fableta, smartwatcha, smartbanda, komputera mobilnego lub komputera stacjonarnego z interfejsem radiowym.

Korzystnie, blok nadajnika radiowego ma postać układu scalonego.

Korzystnie, blok odbiornika radiowego ma postać układu scalonego.

Korzystnie, układ kondycjonująco-przetwarzający zawiera co najmniej jeden wzmacniacz analogowy i/lub co najmniej jeden komparator analogowy i/lub co najmniej jeden filtr analogowy i/lub co najmniej jeden filtr cyfrowy i/lub co najmniej jeden mikroprocesor sygnałowy i/lub co najmniej jeden mikrokontroler i/lub co najmniej jeden kontroler sprzętowego interfejsu komunikacyjnego.

Rozwiązanie według wynalazku ma szereg zalet w stosunku do rozwiązań znanych z dotychczasowego stanu techniki, z których najważniejsze to:

- oszczędność energii niezbędnej do procesu transmisji, która wynika z rozgłoszeniowego trybu pracy nadajnika; impulsowa transmisja danych pozwala na znaczne oszczędności energii, ponieważ pobierana jest ona w sposób dyskretny na poszczególne cykle nadawcze;

PL 240 457 B1

- możliwość implementacji w zastosowaniach loT - Internet Rzeczy, dzięki wykorzystaniu nadajnika w standardzie BLE;

- uproszczona detekcja funkcji organizmów, uzyskana dzięki konfiguracji nadajnika do wysyłania ramek ze zmiennym interwałem transmisyjnym, który odzwierciedla częstotliwość wystąpienia monitorowanej funkcji organizmu; zatem w odbiorniku wystarczy odbierać poszczególne ramki i mierzyć czas pomiędzy nimi aby odtworzyć częstotliwość wystąpienia tej funkcji organizmu;

- możliwość monitorowania funkcji organizmów jednocześnie na wielu odbiornikach, w tym urządzeniach mobilnych; konfiguracja nadajnika BLE do trybu rozgłoszeniowego pozwala na jednoczesny odbiór transmitowanych przez niego ramek przez wiele odbiorników;

- możliwość monitorowania kilku funkcji organizmu jednocześnie; konfiguracja nadajnika do trybu, w którym zmienny interwał transmisyjny reprezentuje częstotliwość wystąpienia monitorowanej jednej z funkcji organizmu pozwala na zapis parametrów innej funkcji organizmu jako danych ramki transmisyjnej; w ten sposób jedna ramka niesie informacje na przykład o dwóch funkcjach organizmu, co dodatkowo pozwala na oszczędność energii wydatkowanej na transmisję;

- otwarta topologia sieci sensorowej; układ dzięki wykorzystaniu transmisji rozgłoszeniowej (bezpołączeniowej) nie jest ograniczony do standardowej topologii Bluetooth, czyli piconet lub scatternet; możliwe jest monitorowanie funkcji organizmu w wielu konfiguracjach nadajnik-odbiornik, na przykład jeden do jednego, jeden do wielu, wiele do jednego oraz wiele do wielu; w układzie według wynalazku nie ma określonych ograniczeń co do liczby jednocześnie wykorzystanych nadajników i odbiorników.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione na poniższych przykładach realizacji oraz na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasadę standardowej transmisji rozgłoszeniowej, ze stałym interwałem międzyramkowym, fig. 2 - uogólnioną strukturę ramki BLE (Bluetooth Low Energy), fig. 3 - uproszczony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu, w wariancie z jednym blokiem pomiarowym, fig. 4 - wizualizację sposobu monitorowania cykli chodu, jako przykład transmisji rozgłoszeniowej o zmiennych interwałach międzyramkowych, fig. 5 - wizualizację sposobu jednoczesnego monitorowania czynności oddechowych i tętna, fig. 6 - uogólniony schemat blokowy układu do monitorowania funkcji organizmu, w wariancie z dwoma blokami pomiarowymi, fig. 7 - przykładową konfigurację układu z pojedynczym nadajnikiem i wieloma odbiornikami, fig. 8 - przykładową konfigurację układu z wieloma nadajnikami i jednym odbiornikiem, fig. 9 - przykładową konfigurację z dwoma nadajnikami i jednym odbiornikiem, natomiast fig. 10 - przykładową konfigurację układu z wieloma nadajnikami i wieloma odbiornikami.

Dynamiczny rozwój technologii informatycznych i komunikacyjnych (ICT) wymaga wdrażania coraz doskonalszych i bardziej efektywnych metod transmisyjnych. Systemy teleinformatyczne umożliwiają transmisję coraz większej ilości danych z wykorzystaniem różnej infrastruktury sieciowej oraz sposobów transmisji. Możliwość relatywnie prostej konwersji standardu transmisyjnego pomiędzy różnymi systemami powoduje, że obecnie zasięg transmisji nie jest parametrem priorytetowym. Powszechny dostęp do sieci Internet, systemów komórkowych, czy możliwość implementacji, na przykład sieci kratowych (ang. mesh) efektywnie wpływa na zdalną komunikację i otwiera dla niej nowe pola zastosowań. W technice komputerowej od wielu lat stosuje się transmisję dyskretną. Dane są fragmentowane i w takiej postaci transmitowane. Wśród urządzeń mobilnych szczególnie rozpowszechnione są interfejsy radiowe Wi-Fi oraz Bluetooth, które realizują transmisję we wspomniany wcześniej sposób. Transmisja danych zawartych w standaryzowanych ramkach zapewnia wysoki transfer, bezpieczeństwo i umożliwia wykorzystanie efektywnych metod teletransmisyjnych. Szczególnie efektywna pod względem energetycznym jest bezpołączeniowa transmisja w trybie rozgłoszeniowym. Tak skonfigurowany nadajnik radiowy określany jest jako Beacon. Efektywność energetyczna tego typu układów wynika z faktu, iż realizują one transmisję nie w sposób ciągły, ale co zdefiniowany interwał czasowy. Metoda ta służy zwykle do transmisji stałego identyfikatora urządzenia nadawczego, jednak transmitowane dane mogą być modyfikowane, co pozwala na przesyłanie dodatkowych informacji. Wówczas ilość danych, które można transmitować związana jest z częstotliwością transmisji ramek rozgłoszeniowych. Ograniczając zatem ilość cykli transmisyjnych w jednostce czasu, można uzyskać oszczędność energii, dzięki czemu interfejs radiowy będzie funkcjonował efektywnie w systemach zasilanych bateryjnie. Dodatkowo realizując transmisję w trybie rozgłoszeniowym - (w specyfikacji Bluetooth Low Energy nazywanej advertising) - nie ma potrzeby realizacji procedur uwierzytelniania pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, dzięki czemu uproszczony zostaje format transmisji i ograniczona ilość energii potrzebnej do jej realizacji. Szczególnie technologia BLE (ang. Bluetooth

PL 240 457 B1

Low Energy) charakteryzuje się zmniejszonym zapotrzebowaniem energetycznym. Przy wykorzystaniu współczesnych interfejsów BLE podczas transmisji pobieranych jest zwykle od kilku do kilkunastu mA prądu. Przy odpowiedniej konfiguracji interfejsu BLE możliwa jest jego ciągła praca liczona nawet w latach. Tryb pracy typu rozgłoszeniowego zwykle używany jest do rozsyłania prostych komunikatów, jak opisano wyżej, jednakże dzięki wykorzystaniu konfiguracji układu według wynalazku możliwe jest monitorowanie wybranych funkcji organizmu człowieka lub zwierząt zapewniając energooszczędną transmisję danych i dodatkowe informacje o monitorowanej funkcji.

Poniżej przedstawione zostaną przykłady różnych wariantów układu według wynalazku z wykorzystaniem interfejsu BLE. Przykłady zostaną poprzedzone opisem sposobu działania interfejsu BLE, co pozwoli na precyzyjniejsze wyjaśnienie istoty konfiguracji wszystkich przykładowych wariantów układu.

Na fig. 1 rysunku zaprezentowano charakterystykę wizualizującą standardową transmisję nadajnika BLE w trybie rozgłoszeniowym. Poszczególne ramki nadawane są w cyklach transmisyjnych 1 składających się z kilku impulsów, łącznie trwających zwykle kilka milisekund. Zgodnie ze standardem Bluetooth ramki transmisyjne nadawane są ze zdefiniowanym, stałym interwałem czasowym 2. Podczas procesu transmisji prąd pobierany przez nadajnik gwałtownie (impulsowo) wzrasta, dlatego też na fig. 1 transmisję ramki zaprezentowano jako cykl impulsów prądu na zasilaniu modułu radiowego. Na fig. 1 interwał pomiędzy poszczególnymi cyklami transmisyjnymi wynosi 0,3 s.

W celu demonstracji praktycznego wykorzystania układu do monitorowania wybranych funkcji organizmu, w przykładach zostaną zaprezentowane wyniki zrealizowanych pomiarów. Użyty w zaprezentowanych przykładach zintegrowany moduł zawierający blok mikrokontrolera i nadajnika BLE wykorzystuje profil GAP (ang. Generic Access Profile). W ramach profilu GAP moduł funkcjonuje jako urządzenie peryferyjne (ang. Peripheral) nadając ramki rozgłoszeni owe 3. Ramki te posiadają format zgodny z ramkami rozgłoszeniowymi określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Typ ramki ustawiony jest na bezpołączeniowy (ang. non-connectable) i nie dający możliwości wysłania prośby o dodatkowe dane (ang. scan request), w specyfikacji określony jako ADV_NONCONN_IND. Zgodnie ze specyfikacją Bluetooth Core 4.2 sekcja danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3 zawiera trzydzieści jeden bajtów danych, które mogą być modyfikowane, przy czym w przykładach wykorzystany został implementowany przez producenta układu stos protokołów Bluetooth Low Energy, który umożliwia zmianę bajtów modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4, natomiast poprzedzająca je sekcja 5 powinna zostać skonfigurowana zgodnie z zaleceniami producenta. Wynika to z faktu, iż producent udostępnia standardowo możliwość konfiguracji transmisji rozgłoszeniowej z wykorzystaniem ramki rozgłoszeniowej 3, której sekcja danych rozgłoszeniowych 4 przystosowana jest do formatu danych iBeacona, który nie jest określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Interwał między ramkami 2a ustalany jest na podstawie wykonywanych pomiarów i nie jest stały, lecz zależy od monitorowanej funkcji organizmu. Umożliwia to odwzorowanie pomiarów na urządzeniu odbiorczym tylko na podstawie czasu odebrania kolejnej ramki rozgłoszeniowej. Zmiana interwału nadawania danych rozgłoszeniowych skutkuje wykroczeniem poza specyfikację Bluetooth Core 4.2, w której wskazano, że interwał dla transmisji bezpołączeniowej jest stały i mieści się w przedziale od 100 ms do 10,24 s. Nadawane ramki nadal jednak mogą być odbierane przez wszelkie urządzenia zgodne z tą specyfikacją, jeżeli zachowany zostanie format ramki rozgłoszeniowej 3. W pewnych przypadkach ramka ta może nie zawierać dodatkowych danych, ponieważ informacja związana z samym faktem odbioru ramki jest wystarczająca do odwzorowania monitorowanej funkcji organizmu. Ramka posiadać musi jedynie nagłówek i adres określony w specyfikacji Bluetooth Core 4.2, natomiast dane rozgłoszeniowe 4 nie muszą być określone.

W konstrukcji układu według wynalazku możliwe jest zastosowanie różnych konfiguracji bloku pomiarowego 9, bloku nadajnika 12 oraz bloku odbiornika 12a. W szczególności każdy z trzech wymienionych bloków może być zrealizowany na bazie pojedynczego układu scalonego. Oznacza to, że blok pomiarowy 9 zawiera blok czujnika 7 z co najmniej jednym czujnikiem, przy czym blok czujnika 7 zintegrowany jest z blokiem kondycjonująco-przetwarzającym 8. Dodatkowo należy wspomnieć, że układ 8 kondycjonująco-przetwarzający może być zintegrowany z wejściami bloku mikrokontrolera 10, na przykład jako obwody wejściowe komparatorów, bufory wejść analogowych ADC czy portów ogólnego zastosowania GPIO.

Znane są również układy tzw. bezpośrednich interfejsów sensor-mikrokontroler (na przykład z prac F. Revertera i współautorów), które wykorzystując, na przykład elementy pasywne pozwalają na realizacje pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych za pomocą mikrokontrolera. Wykorzy

PL 240 457 B1 stane elementy pasywne można wówczas traktować jako blok kondycjonująco-przetwarzający 8, ponieważ dopasowują sygnał pomiarowy do parametrów wejść bloku mikrokontrolera 10.

Blok 9 w praktyce jest w pełni funkcjonalnym układem pomiarowym z wbudowanym blokiem czujnika zawierającym co najmniej jeden czujnik, analogowe i/lub cyfrowe układy przetwarzania i kondycjonowania sygnału (wzmacniacze, filtry analogowe lub cyfrowe, mikrokontrolery, procesory DSP itp.), którego wyjście propaguje sygnały elektryczne reprezentujące informacje dotyczące określonej funkcji organizmu. Wyjście 90 bloku 9 dołączone jest do wejścia 101 bloku mikrokontrolera 10, które jest jednocześnie wejściem bloku nadajnika 12. Wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 w praktyce ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia. Wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 (RF). W praktyce wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 i wejście 111 modułu radiowego 11 oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I2C, 1wire, UART itp. Wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny 120 nadawczej.

W układach blokowo zaprezentowanych w przykładach moduł (lub moduły) radiowy 11 bloku (lub bloków) nadajnika 12 transmituje sygnały do odpowiadającego mu bloku odbiornika 12a, na który składa się moduł radiowy 11a skonfigurowany jako odbiornik oraz blok mikrokontrolera 10a. Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a, przy czym w praktyce wyjście 110a modułu radiowego 11a oraz wejście 101a bloku mikrokontrolera 10a oznacza linie interfejsu sterującego modułem radiowym, na przykład SPI, I2C, 1wire, UART itp.

W przypadku bloku nadajnika 12 jak i bloku odbiornika 12a zrealizowanych na bazie układów scalonych, blok mikrokontrolera 10 i moduł radiowy 11 są połączone wewnętrzną magistralą, podobnie jak moduł radiowy 11a i blok mikrokontrolera 10a.

Blok mikrokontrolera 10a bloku odbiornika 12a pozwala na wykorzystanie dostępnych portów ogólnego zastosowania lub interfejsów komunikacyjnych jako wyjść 100a do zewnętrznych urządzeń, modułów, systemów pomiarowych, układów powiadamiania i alarmowych, innych struktur sieciowych - radiowych lub przewodowych itp. Blok mikrokontrolera 10a pełni zatem funkcję układu sterującego pracą interfejsu radiowego, przetwarza odbierane sygnały oraz transmituje za pomocą wyjścia 100a sygnały do zewnętrznych modułów, na przykład wyświetlacza (LCD, OLED itp.), sygnalizatora akustycznego (np. piezo) i/lub optycznego (np. diody LED). W aplikacjach praktycznych antena 120a, moduł radiowy 11a oraz blok mikrokontrolera 10a są elementami składowymi bloku odbiornika 12a. Wyjście 100a bloku mikrokontrolera 10a może też pełnić rolę interfejsu sterująco-komunikacyjnego z zewnętrznymi systemami i obsługiwać podobnie jak wejścia 101a bloku mikrokontrolera 10a różne standardy. Innym wariantem bloku odbiornika 12a mogą być również odbiorniki wbudowane w urządzenia mobilne, na przykład smartphone, smartwatch, smartband, tablet, laptop, komputer stacjonarny z interfejsem radiowym (z wersją Bluetooth 4 lub wyższą) itp.

Blok odbiornika 12a sygnału dla wszystkich opisanych przykładów podobnie jak blok nadajnika 12 wykorzystuje profil GAP. W ramach tego profilu blok odbiornika 12a pełni funkcję urządzenia centralnego. Blok odbiornika 12a skonfigurowany jest w trybie obserwatora, który umożliwia za pomocą modułu radiowego 11a odbiór ramek rozgłoszeniowych 3. Tryb ten określony jest w specyfikacji Bluetooth Core 4.2. Odbiornik za pomocą bloku mikrokontrolera 10a umożliwia odwzorowanie monitorowanej/monitorowanych funkcji organizmu poprzez analizę czasu pomiędzy odebraniem kolejnych ramek oraz opcjonalnie także poprzez analizę danych umieszczonych w ramce.

P r z y k ł a d 1

Układ przedstawiony na fig. 3 z pojedynczym blokiem pomiarowym 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i pojedynczym blokiem odbiornika 12a.

Blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci analogowo-cyfrowego układu scalonego zawierającego blok czujnika 7 z wbudowanym trójosiowym układem akcelerometrów i zaimplementowany przez producenta blok kondycjonująco-przetwarzający 8. Wyjście 90 bloku pomiarowego 9 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I2C. Blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy 12 również zrealizowany był w postaci zintegrowanej, zatem wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 magistralą wewnętrzną. Z kolei wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny nadawczej 120, natomiast moduł radiowy 11 skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych 3 ze zmiennym interwałem transmisyjnym 2a. Blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy 12a również zrealizowany był w postaci zintegrowanej. Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu

PL 240 457 B1 radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a za pomocą magistrali wewnętrznej. Moduł radiowy 11a odbiornika 12a skonfigurowany był w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych 3 z modułu radiowego 11 bloku nadajnika 12. Wyjście 100a bloku odbiornika 12a zrealizowano w postaci interfejsu UART.

Z wykorzystaniem układu według niniejszego przykładu zarejestrowano sygnał monitorowania cykli chodu, co zaprezentowano na fig. 4. Blok pomiarowy 9 zawierający blok czujnika 7 umieszczono na pięcie pacjenta. Współbieżnie rejestrowane krzywe reprezentują dane z osi Y akcelerometru (Ampl.Y) oraz pobór prądu (I) przez blok nadajnika 12, co wskazuje na transmisję ramek. Ramki rozgłoszeniowe 3 transmitowane były w momencie kontaktu pięty z podłożem, co na krzywej Ampl.Y reprezentowane jest przez dużą zmianę amplitudy i to o wartościach zarówno dodatnich jak i ujemnych, dlatego też zmiana ta jest relatywnie łatwa do detekcji. W omawianym przykładzie na fig. 4 zauważyć można, że pierwsza ramka została wysłana dopiero po detekcji pierwszego kontaktu stopy z podłożem - po ponad 4 s. Przez ponad trzy początkowe sekundy monitorowana osoba stała swobodnie, więc cykle chodu nie były realizowane a moduł radiowy 11 nie transmitował ramek rozgłoszeniowych 3. Na fig. 4 obszar, w którym na podstawie realizowanych przez blok mikrokontrolera 10 pomiarów sygnału monitorowania funkcji organizmu (w tym wypadku funkcji lokomotorycznych) 13 nie jest realizowana transmisja ramek oznaczono jako 14. Z kolei dyskretne wartości czasu 15, w których po detekcji wartości sygnału 13 zgodnej z regułą sterowania następuje transmisja ramek rozgłoszeniowych oznaczono kółkami.

Za pomocą układu z fig. 3 zrealizowano również współbieżne pomiary oddechu oraz pulsu. Akcelerometr umieszczono na ścianie brzucha monitorowanej osoby (około 2 cm poniżej wyrostka mieczykowatego mostka), która wykazuje oscylacje o różnej częstotliwości. Czynności oddechowe wywołują wolnozmienne drgania ściany brzucha (o częstotliwościach zwykle poniżej 1 Hz), natomiast akcja serca wywołuje szybkozmienne drgania o mniejszej amplitudzie. Akcelerometr mierzy jednocześnie obie oscylacje, które widoczne są na krzywej Ampl.A (fig. 5). Krzywa ta prezentuje nieprzeskalowane, bezwymiarowe dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu. Filtracja danych z akcelerometru realizowana w bloku mikrokontrolera 10, pozwala na odseparowanie sygnału czynności oddechowych od sygnału pulsu. Transmisja ramek rozgłoszeniowych 3 sterowana jest na podstawie sygnału pulsu (drgania ściany brzucha o wyższej częstotliwości spowodowane pracą serca). Blok mikrokontrolera 10 skonfigurowano tak, aby po detekcji maksimów każdego cyklu pracy serca, inicjował transmisję ramek, co na krzywej Ampl.P oznaczono symbolami koła. Przed wysłaniem każdej ramki blok mikrokontrolera realizuje próbkowanie krzywej wolnozmiennej oddechu co około 0,1 s, a następnie przed wysłaniem ramki wypełnia sekcję danych rozgłoszeniowych 4 ramki jednobajtowymi próbkami krzywej wolnozmiennej. Wartość każdej próbki zapisać można w kolejnych bajtach modyfikowalnej sekcji 6 danych rozgłoszeniowych 4 ramki rozgłoszeniowej 3. Przy każdym cyklu pracy serca w zależności od częstotliwości jego pracy zostanie zatem wysłane od kilku do kilkudziesięciu próbek w jednej ramce, na podstawie których można odtworzyć krzywą wolnozmiennego procesu oddechu. Czynności oddechowe reprezentowane są na podstawie krzywej Ampl.O. Krzywa ta prezentuje odfiltrowane dane zarejestrowane z akcelerometru w funkcji czasu. Zatem w omawianym przykładzie puls monitoruje się dzięki samej detekcji ramek rozgłoszeniowych 3, natomiast dzięki realizowanej w bloku odbiornika 12a integracji danych zawartych w kolejnych takich ramkach monitoruje się czynności oddechowe. W ten sposób, wykorzystując skromne zasoby trybu rozgłoszeniowego można podczas transmisji jednego typu danych monitorować na przykład dwie funkcje organizmu.

P r z y k ł a d 2

Układ przedstawiony na fig. 6 z dwoma blokami pomiarowymi 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i pojedynczym blokiem odbiornika 12a.

Pojedynczy blok pomiarowy 9 zrealizowany był w postaci analogowo-cyfrowego układu scalonego zawierającego blok czujnika 7 z wbudowanym trójosiowym układem akcelerometrów i zaimplementowany przez producenta blok kondycjonująco-przetwarzający 8, którego wyjście 90 i wejście 101 bloku mikrokontrolera 10 stanowił interfejs I2C, który pozwala na dołączenie dwóch bloków pomiarowych 9. W przykładzie wykorzystano dwa bloki pomiarowe 9. Blok nadajnika radiowego Bluetooth Low Energy 12 również zrealizowany był w postaci zintegrowanej, zatem wyjście 100 bloku mikrokontrolera 10 dołączone jest do wejścia 111 modułu radiowego 11 magistralą wewnętrzną. Z kolei wyjście 110 modułu radiowego 11 dołączone jest do anteny nadawczej 120, natomiast moduł radiowy 11 skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych 3 ze zmiennym interwałem transmisyjnym 2a. Blok odbiornika radiowego Bluetooth Low Energy 12a również zrealizowany był w postaci zintegrowanej.

PL 240 457 B1

Do wejścia 111a modułu radiowego 11a dołączona jest antena odbiorcza 120a. Wyjście 110a modułu radiowego 11a połączone jest z wejściem 101a bloku mikrokontrolera 10a za pomocą magistrali wewnętrznej. Moduł radiowy 11a odbiornika 12a skonfigurowany był w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych 3 z modułu radiowego 11 bloku nadajnika 12. Wyjście 100a bloku odbiornika 12a zrealizowano w postaci interfejsu UART. Układ według niniejszego przykładu pozwala na precyzyjniejsze monitorowanie pulsu i oddechu w systemach, w których wykorzystuje się maty pomiarowe do monitorowania snu. Bloki pomiarowe 9 umieszczono w macie, którą następnie układa się pod materacem. Zastosowanie dwóch bloków pomiarowych 9 pozwala na precyzyjniejsze monitorowanie pulsu i oddechu dwóch osób śpiących w jednym łóżku.

Blok mikrokontrolera 10 realizuje niezależne pomiary sygnałów doprowadzonych do każdego z jego wejść 101, a następnie po detekcji cyklu pulsu, wysyła sygnały sterujące do wejścia 111 modułu radiowego 11, który z kolei realizuje transmisję za pomocą anteny 120. Natomiast wyniki pomiarów cykli oddechowych zapisuje się w sekcji danych ramki rozgłoszeniowej. Układ zaprezentowany na fig. 6 realizuje transmisję ze zmiennymi interwałami transmisyjnym i 2a pomiędzy ramkami rozgłoszeniowymi 3. Aby odróżnić, którego bloku pomiarowego 9 dotyczy ramka rozgłoszeniowa 3, stosuje się unikalne identyfikatory ramek rozgłoszeniowych 3 zapisane w ich sekcjach danych rozgłoszeniowych 4.

W przypadku jednoczesnej detekcji określonych wartości pomiarów zdefiniowanych przez użytkownika na więcej niż jednym wejściu 101 bloku mikrokontrolera 10 transmituje się indeksowane ramki rozgłoszeniowe 3 dla każdego z tych wejść z możliwie najkrótszym interwałem transmisyjnym 2a.

Układ według wynalazku, w którym blok nadajnika 12 oraz blok pomiarowy 9 ma budowę analogiczną do zaprezentowanej w przykładach, w praktyce można wykorzystywać w różnych konfiguracjach. Transmitowane ramki rozgłoszeniowe z jednego bloku nadajnika 12 mogą być odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a, w tym jednocześnie przez odbiorniki wbudowane w urządzenia mobilne.

P r z y k ł a d 3

Układ przedstawiony na fig. 7 z dwoma blokami pomiarowymi 9, pojedynczym blokiem nadajnika 12 i dwoma blokami odbiornika 12a.

Układ tego typu pozwala na monitorowanie pulsu oraz oddechu jednocześnie na dwóch urządzeniach - jednym mobilnym (smartfonie) z odbiornikiem BLE oraz drugim - bloku odbiornika 12a o budowie analogicznej do tej z przykładów 1 i 2. Dwa bloki pomiarowe 9 wykorzystano analogicznie jak w przykładzie 2, co pozwala również na precyzyjne monitorowanie pulsu i oddechu dwóch osób śpiących w jednym łóżku jednocześnie.

P r z y k ł a d 4

Układ zaprezentowany na fig. 8 z dwoma nadajnikami i jednym odbiornikiem wbudowanym w urządzenie mobilne w postaci tabletu.

Zaprezentowany układ pozwala na monitorowanie pulsu oraz oddechu trzech osób jednocześnie, śpiących w dwóch osobnych łóżkach. Jedna osoba monitorowana jest przez moduł z nadajnikiem 12 i pojedynczym blokiem pomiarowym 9, natomiast dwie osoby śpiące w drugim łóżku monitorowane są za pomocą modułu z nadajnikiem 12 i dwoma blokami pomiarowymi 9, umieszczonymi w macie pomiarowej analogicznie jak w przykładzie 2.

P r z y k ł a d 5

Układ przedstawiony na fig. 9 z dwoma osobnymi blokami nadajnika 12, w którym do każdego z bloków nadajnika 12 dołączono pojedynczy blok pomiarowy 9.

Układ zawiera również pojedynczy blok odbiornika 12a wbudowany w urządzenie mobilne - smartfon. Blok nadajnika 12 wraz z blokiem pomiarowym 9 umieszcza się na kończynach osoby monitorowanej, co pozwala na rejestrację sygnałów analogiczną do tej zaprezentowanej na fig. 4, przy czym dla każdej kończyny z osobna. Transmisja ramki następuje po detekcji kontaktu pięty z podłożem.

P r z y k ł a d 6

Układ zaprezentowany na fig. 10 z dwoma nadajnikami i dwoma odbiornikami.

Układ funkcjonalnie po stronie bloków nadajników 12 odpowiada rozwiązaniu z fig. 8, ale dodatkowo zawiera jeszcze jeden blok odbiornika 12a, wbudowany w dedykowane urządzenie do monitorowania pulsu i oddechu podczas snu. Zatem układ z fig. 10 przedstawia konfigurację, w której wiele bloków nadajnika 12 transmituje ramki rozgłoszeniowe 3 odbierane przez wiele bloków odbiornika 12a.

Claims (16)

1. PL 240 457 B1

   Wszystkie wyżej zaprezentowane przykłady wykorzystują moduły Bluetooth Low Energy i stos protokołów zgodny ze specyfikacją Bluetooth Core 4.2. Opisany w specyfikacji Bluetooth Core 4.2 tryb rozgłoszeniowy bazuje na trybie rozgłoszeniowym opisanym w specyfikacji Bluetooth Core 4.0. Oznacza to, że wszelkie urządzenia Bluetooth począwszy od tych, z zaimplementowanym stosem protokołów Bluetooth, co najmniej w wersji 4.0 mogą być wykorzystane w zaprezentowanym układzie (są to wszystkie urządzenia Bluetooth Low Energy).

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do monitorowania funkcji lokomotorycznych organizmu i/lub czynności oddechowych i/lub pulsu, zawierający co najmniej jeden blok pomiarowy (9) z wbudowanym blokiem czujnika (7) zawierającym co najmniej jeden akcelerometr, korzystnie inercyjny, przy czym wyjście (70) bloku czujnika (7) dołączone jest do wejścia (81) układu kondycjonująco-przetwarzającego (8), którego wyjście (90) będące jednocześnie wyjściem bloku pomiarowego (9) dołączone jest do co najmniej jednego wejścia (101) bloku mikrokontrolera (10), którego wyjście (100) podłączone jest do wejścia (111) modułu radiowego (11), do którego wyjścia (110) podłączona jest antena nadawcza (120), przy czym blok mikrokontrolera (10) i moduł radiowy (11) z anteną nadawczą (120) tworzą razem blok nadajnika radiowego (12) Bluetooth Low Energy, natomiast blok odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy składa się z bloku mikrokontrolera (10a) oraz modułu radiowego (11a), przy czym do wejścia (111a) modułu radiowego (11a) podłączona jest antena odbiorcza (120a), a wyjście (110a) modułu radiowego (11a) dołączone jest do wejścia (101a) bloku mikrokontrolera (10a), zawierającego wyjście (100a) do dołączania do układów zewnętrznych, znamienny tym, że moduł radiowy (11) skonfigurowany jest do transmisji ramek rozgłoszeniowych (3) ze zmiennym interwałem transmisyjnym (2a), natomiast wchodzący w skład bloku odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy moduł radiowy (11a) skonfigurowany jest w trybie dostosowanym do odbioru ramek rozgłoszeniowych (3) z bloku nadajnika (12), przy czym układ zawiera co najmniej jeden blok nadajnika radiowego (12) Bluetooth Low Energy oraz co najmniej jeden blok odbiornika radiowego (12a) Bluetooth Low Energy.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok pomiarowy (9) ma postać układu scalonego.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok czujnika (7) zawiera dodatkowo co najmniej jeden żyroskop, korzystnie inercyjny.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok czujnika (7) zawiera dodatkowo co najmniej jeden magnetometr, korzystnie inercyjny.
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście (101) bloku mikrokontrolera (10) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub co najmniej jednego wejścia analogowego.
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście (100) bloku mikrokontrolera (10) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.
7. 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście (111) modułu radiowego (11) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.
8. 8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście (110a) modułu radiowego (11 a) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.
9. 9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście (101a) bloku mikrokontrolera (10a) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia i/lub magistrali wewnętrznej.
10. 10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjście (100a) bloku mikrokontrolera (10a) ma postać sprzętowego interfejsu komunikacyjnego i/lub co najmniej jednego portu ogólnego przeznaczenia.
11. 11. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok mikrokontrolera (10) stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.

    PL 240 457 B1
12. 12. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok mikrokontrolera (10a) stanowi co najmniej jeden mikrokontroler.
13. 13. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok odbiornika (12a) stanowi blok odbiornika urządzenia mobilnego, zwłaszcza smartfonu, tabletu, fableta, smartwatcha, smartbanda, komputera mobilnego lub komputera stacjonarnego z interfejsem radiowym.
14. 14. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok nadajnika radiowego (12) ma postać układu scalonego.
15. 15. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok odbiornika radiowego (12a) ma postać układu scalonego.
16. 16. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ kondycjonująco-przetwarzający (8) zawiera co najmniej jeden wzmacniacz analogowy i/lub co najmniej jeden komparator analogowy i/lub co najmniej jeden filtr analogowy i/lub co najmniej jeden filtr cyfrowy i/lub co najmniej jeden mikroprocesor sygnałowy i/lub co najmniej jeden mikrokontroler i/lub co najmniej jeden kontroler sprzętowego interfejsu komunikacyjnego.