Фотоплетизмограф

 

Изобретение относится к медицинской технике. Фотоплетизмограф содержит источник 1 света, фотоприемник 2, генератор 3 импульсов, фильтр 4 низкой частоты и самописец 5. С целью повышения точности измерения амплитудных параметров кровенаполнения тканей в условиях изменяющихся внешних световых потоков в него введены согласующий элемент 6, блок 7 вычитания сигнала засветки, блок 8 выборки2 Фиг.Г

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК бр 4 А 61 В 5/02

1 (Ь

1 Ф

ОПИСЛНИК ИЗОБРЕТБНия

H АВТОРСКОМ СВИДЕТЕЛЪ ТВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4047323/28-14 (22) 31.03.86 (46) 07.05.88. Бюл. 1Ф 17 (71) Минский государственный медицинский институт (72) Н.А.Русецкий, А.С.Наумович, В.С.Улащик,. Г.К.Ильич и С.А.Золотой (53) 615.47(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 946503, кл. А 61 В 5/02, 1982.

Авторское свидетельство СССР.

У 786983, кл. А 61 В 5/02, 1980.

„„SU„„1393390 A1 (54) ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ (57) Изобретение относится к медицинской технике. Фотоплетизмограф содержит источник 1 света, фотоприемник 2, генератор 3 импульсов, фильтр 4 низкой частоты и самописец 5. С целью повышения точности измерения амплитудных параметров кровенаполнения тканей в условиях изменяющихся внешних световых потоков в него введены согласующий элемент 6, блок 7 вычитания сигнала засветки, блок 8 выборки1393390 хранения, источник 9 опорного напряжения, управляемые генераторы 10, 12 тока, ключи 11, 13, переключатель 14,,накопительный конденсатор 15, формирователь 16, блоки 17, 20 селекции, 1

Изобретение относится к медицинKoH Te HHKe H Mo e 6blTb использоано в физиотерапии и функциональной иагностике для контроля и изучения ериферического кровотока. при диагостике состояния сердечно-сосудис5 ой системы человека.

Целью изобретения является повыше не точности измерения амплитудных г араметров кровенаполнения тканей условиях изменяющихся внешних све,,овых потоков

На фиг. 1 представлена функциоальная схема фотоплетизмографа; на

r. 2. — эпюры, поясняющие его раб ту.

Фотоплетизмограф соцержит источи 1 света и фотоприемник 2, устан вливаемые на биоббьекте (не показ н), генератор 3 имлульсов, соеди- 2п н нные последовательно фильтр 4 низкЬЙ частоты и самописец 5, а также соединенные последовательно соглас ующий элемент 6, блок 7 вычитания снгнала засветки, блок 8 выборки- 25 хранения, выход которого подключен к фильтру 4 низкой частоты, соединеннще последовательно ис гочник 9 опор" ного напряжения, первый управляемфй генератор l0 тока, первый ключ ЗО второй управляемый генератор 12 т< ка, второй ключ 13, первый вход которого соединен с входом источника l света, а второй -. с выходом генератора 3 импульсов и вторым входом б 7 ходока 7 вычитания сигнала засветки, 35 переключатель 14, накопительный конденсатор 15, соединенные последовательно формирователь 16, первый бл ок 17 селекции компаратор l8

t Э IG эл емент И 19, второй вход которого соединен с переключателем 14 рода

1 работ, а выход — с вторым входом пер-. вого ключа 11, выход которого подкомпаратор 18, элемент И 19, детектор 2 1 минимальных значений, измеритель 22 амплитуды пульсовой волны, измеритель 23 кровенаполнения ткани.

2 ил. ключен к накопительному конденсатору

15, второй блок 20 селекции, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом и выходом первого блока l7 селекции, а выход— с вторым входом блока 8 выборки-хранения, вход которого подключен к второму входу первого управляемого генератора 10 и второму входу компаратора 18, третий вход которого соединен с выходом фильтра 4 низкой частоты, соединенные последовательно детектор

21 минимальных значений и измеритель 22 амплитуды пульсовой волны, второй вход которого соединен с выходом источника 9 опорного напряжения и вторым входом детектора 21 минимальных значенийуб вход которого соединен с выходом фильтра 4 низкой частоты, измеритель 23 кровенаполнения ткани, подключенный к выходу второго управляемого генератора 12 тока. Выход фотоприемника. соединен с входом согласующего элемента 6, вход формирователя 16 подключен к выходу ге-нератора 3 импульсов.

На фиг. 2 показаны импульсы на выходах соответствующих блоков (числа, обведенные кружком указывают номер блока). Сигнал прямоугольной формы с генератора 3 поступает на формирователь 16, откуда укороченные импульсы поступают далее на первый блок 17 селекции, где из непрерывной последовательности этих укороченных импульсов выделяется каждый К п-й импульс., где n — - числа натурального ряда;

К вЂ” натуральное число, определяемое экспериментально. На входы второго блока 20 селекции одновременно поступают импульсные сигналы от формирователя 16 и первого блока 17 селекции.

Сигнал на его выходе представляет собой непрерывную последовательность

1393390

К (и+ 1) импульсов, Получе нные сигналы используются для управления работой всего устройства.

Фотоплетизмограф работает следующим образом.

По приходу из генератора 3 прямоугольных импульсов уровня логического нуля на второй вход второго ключа 13 10 последний закрывается и ток с выхода второго генератора 12 тока, управляемого напряжением, проходит через источник 1 света, который при этом излучает световой поток, пропорцио- 15 нальный току, проходящему через него.

Часть светового потока, прошедшая через исследуемую ткань, попадает на фотоприемник 2. Фототок фотоприемника 2 преобразуется далее в согласую- 20 щем элементе 6 в пропорциональное этому току напряжение. Кроме светового потока, проходящего от источника t света, на фотоприемник 2 попадает также внешний световой поток, и 25 напряжение полезного сигнала на выходе согласующего элемента 6 повышается на величину, пропорциональную этому внешнему световому потоку. Назовем эту дополнительную величину напряже- 30 ния сигналом засветки. Величина внешнего светового потока, падающего на фотоприемник 2, зависит от многих фактров и в общем случае не является величиной постоянной, что резко снижает достоверность полезного сигнала.

Для устранения влияния внешней засветки сигнал с выхода согласующего элемента 6 поступает на вход блока 7 вычитания сигнала засветки, где осуществляется его запоминание в периоды, когда источник 1 света выключен (на втором входе второго ключа 13.присутствует уровень логической единицы, открывающий его, поэтому ток проходит через второй ключ 13, минуя источник света), и последующее вычитание этой величины из суммарного сигнала в периоды, когда источник 1 света излучает световой поток.

Применение такого приема вместо традиционного разделительного конденсатора вызвано необходимостью сохране- . . ния постоянной составляющей полезного сигнала в те моменты, когда происходит коррекция силы тока источника 1 света.

С выхода блока 7 вычитания сигнала засветки сигнал поступает на первый вход блока 8 выборки-хранения. Последний стробируется импульсами, поступающими от второго блока 20 селекции. При этом по приходу на второй вход блока 8 выборки-хранения каждого

K(n+1) импульса на его выходе появляется постоянное напряжение, амплитуда которого равна мгновенному значению амплитуды сигнала на входе блока 8 выборки-хранения в момент времени, соответствующий появлению К(п+1) импульса.

Пульсации кровотока в периферических сосудах ткани вызывают модуляцию светового потока, излучаемого источником 1 света. Если система автоматической установки максимальной амплитуды сигнала не включена (ток через источник света не изменяет своего значения), то сигнал на выходе блока

? вычитания сигнала засветки имеет вид (фиг. 2, диаграмма 3).

Огибающая этого сигнала несет в себе информацию о состоянии периферического кровотока. Сигнал на выходе блока 8 выборки-хранения (фиг. 2, диаграмма 4) представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию сигнала пульсовой волны. Реальный сигнал пульсовой волны имеет явно выраженные минимумы в моменты времени, соответствующие максимальному наполнению сосудов кровью. При этом в результате коррекции тока источника 1 света сигнал пульсовой волны приобретает форму (фиг. 2, диаграммы 7 и 8) . Как видно из этих диаграмм, в периоды отсутствия удара пульса амплитуда сигнала постоянна и равна U =У

В результате удара пульса на графике появляется провал амплитудной аБ, при этом на выходе детектора 21 минимальных значений появляется постоянное напряжение амплитудной U» -üU.

Подключив вольтметр к шине U „ и выходу детектора 21 можно определить коэффициент амплитудной модуляции сигнала пульсовой волны по указанной методике.

Автоматическая коррекция тока источника 1 для регулировки источника света осуществляется следующим образом. На второй вход элемента И 19 переключателем 14 задается разрешающий потенциал. На второй вход компаратора 18 поступает сигнал с выхода фильтра 4 низкой частоты (фиг. 2, диаграмма 5). Одновременно на пер1393390 вый вход компаратора 18 поступает сигнал из блока 7 вычитания сигнала засветки.

Компаратор 18 стробируется импуль5 сами, приходящими на первый вход в момент времени t Ê п. В этот момент проиСходит сравнение амплитуд одного и того же сигнала (огибающей сигнала модуляции), соответствующих разным 10 моментам времени. Если на первом входе компаратора 18 присутствует сигнал, соответствующий текущему времени t, K.п, то на втором входе компаратора 18 присутс.твует сигнал, амплитуда которого запомнена в прошедший момент. При технической реализации устройства выбрано число К=32.

При меньшем числе К разность времен сравниваемых сигналов недостаточная, 20 чтобы в условиях присутствия наводок и погрешностей, присущих реальному устройству, определить без сбоев момент, соответствующий спаду огибающей пульсовой волны. При числах К, больших 32, возрастает погрешность измерений за счет увеличения шага кусочно-линейной аппроксимации огибающей сигнала пульсовой волны. В идеальном случае для работы устройства 30 достаточно взять число К=2. Когда огибающая сигнала модуляции возрастает или находится на одном уровне, то в момент прихода на компаратор l8 стробирующего импульса из блока 20 селекции на выходе компаратора 18 ус35 танавливается уровень, который через элемент И 19 поступает на второй вход первого ключа

Последний открывается и замыкает цепь коррекции тока источника 1 света. При этом осуществляется сравнение амплитуды сигнала пульсовой вол ны в текущий момент времени с амплитудой сигнала на выходе блока 8 вы45 борки-хранения, запомненный в предыдущем такте. Таким образом, происходит оценка характера изменения кривой сигнала пульсовсй волны. Если кривая испьтывает спад, то на выходе компаратора 18 разрешающий уровень отсутствует, первый ключ 11 закрыт.

Это дает возможность оценить амплитуду спада сигнала пульсовой волны при неизменном токе источника 1 света.

Если же сигнал пульсовой волны испы.— тывает подъем или остается на одном уровне, то на выходе компаратора 18 присутствует разрешающий уровень, первый ключ 11 открыт и осуществляется коррекция тока источника 1 света °

При этом на первый вход первого управляемого генератора тока (управляемого дифференциальным напряжением) приходит сигнал с выхода блока 7 вычитания сигнала засветки (фиг ° 2, диаграмма 3). Огибающая этого сигнала имеет вид пульсовой волны, подлежащей исследованию, На второй вход первого управляемого генератора 10 тока одновременно подается опорное напряжение.

При этом на выходе первого управляемого генератора 10 тока формируется ток, величина и направление которого пропорциональны величине и знаку разности между амплитудами входных сигналов.

Если сигнал пульсовой волны возрастает или не испытывает изменений, то первый ключ 11 открыт. Если сигнал испытывает незначительные изменения, то первый ключ 11 может открыт из-за наличия (в целях повышения помехоустойчивости) гистерезиса компаратора 18 (благодаря действию стробирующего сигнала на третьем входе компаратора 18 первый ключ 11 может быть открыт только в том случае, когда включается источник 1 света, .что исключает действие обратной связи по оптическому каналу при выключении источника 1 света), а ток с выхода первого управляемого генератора 10 тока, пройдя через открытый первый ключ 11, заряжает или разряжает накопительный конденсатор 15, изменяя напряжение на нем до тех пор, пока величина тока на первом выходе второго управляемого генератора 12 тока, а следовательно, и световой поток источника 1 света не примут такого значения, при котором сигнал на выходе блока 7 вычитания сигнала засветки станет равным величине опорного напряжения. Если же сигнал пульсовой волны испытывает резкий спад (удар пульса), то на выходе компаратора 18, а следователь но, на втором входе первого ключа 11 разрешающие сигналы отсутствуют (фиг. 2, диаграмма б) и последний закрыт, Поэтому напряжение на накопительном конденсаторе 15 остается без изменений, ток источника 1 света не изменяется. Таким образом, цепь отрицательной обратной связи по оптическому каналу обрывается и появляется. возможность определить величину

1393390 провала сигнала пульсовой волны. Сигнал с выхода блока 7 вычитания сигйа ла засветки, пройдя через блок 8 выборки-хранения и фильтр 4 низкой часToTbi (фиг. 2, диаграммы 7 и 8, форма

5 сигналов на выходе блока 8), в случае коррекции тока, питающего источник 1 света, поступает на вход детектора 21 минимальных значений. Сигнал на выхо- 1Q де последнего отличается от опорного напряжения на величину провала кривой пульсовой волны ьУ (фиг. 2, диаграмма 8). Измеритель 22 измеряет разность потенциалов между опорным на 15 пряжением и напряжением на выходе детектора 21 минимальных значений, что при соответствующей калибровке позволяет измерять коэффициент модуляции сигнала пульсовой волны непосредст- 2О венно в процентах.

При корреляции тока источника 1 света сигнал подвергается принудительному искажению, что не позволяет иметь полную информацию о форме пуль- 25 совой волны (фиг. 2, диаграммы 7и 8).

Во избежание этого недостатка в уст-. ройстве предусмотрен переключатель 14 рода работ на два положения. При изменении коэффициента модуляции пере" ключатель устанавливается в положение, при котором элемент И 19 не влияет на прохождение сигнала с выхода компаратора 18 на второй вход первого ключа 11. Если после проведения измерений коэффициента модуляции, ког З5 да все блоки устройства благодаря на личию коррекции тока источника .i света выходят в оптимальный режим, перевести переключатель 14 в другое поло- 4О жение, при котором на выходе элемента И 19 ггостоянно присутствует уровень, закрывающий первый ключ 11, то коррекция тока источника 1 света отключается и сигнал на выходе фильт45 ра 4 низкой частоты не имеет указанных искажений. При этом самописец 5 подключен к выходу фильтра 4 низкой частоты.

Так как напряжение на накопительном конденсаторе 15 коррелирует с on- o тической плотностью исследуемой ткани, то это напряжение несет информацию о величине последней и может быть использовано при исследованиях. Измерение напряжения осуществляется измерителем 23 кровенаполнения ткани (вольтметр с соответствующей калибровкой шкалы). При этом напряжение с накопительного конденсатора 15 через буферный элемент, входящий в состав второго управляемого генератора l2 тока, с второго вьгхода последнего поступает на измеритель 23 степени кровенаполнения ткани.

Таким образом, фотоплетизмограф позволяет помимо графической регистрации фотоплетизмограммы измерять амплитуду пульсовой волны, а также степень кровенаполнения ткани. формула изобретения

Фотоплетизмограф, содержащий источник света и фотоприемник, устанавливаемые на биообъекте, генератор импульсов, соединенные последовательно фильтр низкой частоты и.самописец, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения амплитудных параметров кровенаполнения тканей в условиях изменяющихся внешних световых потоков, в него введены соединенные последовательно согласующий элемент, блок вычитания сигнала засветки, блок выборки хранения, выход которого подключен к фильтру низкой частоты, соединенные. последовательно источник опорного напряжения, первый управляемый генератор тока, первый ключ, второй управляемый генератор тока, второй ключ, первый вход которого соединен с входом источника света, а второй — с выходом генератора импульсов и вторым входом блока вычитания сигнала засветки, переключатель рода работ, накопительный конденсатор, соединенные последо1 вательно формирователь, первьпг блок селекции, компаратор, элемент И, второй вход которого соединен с переключателем рода работ, а выход — с вторым входом первого ключа, выход которого подключен к накопительному конденсатору, второй блок селекции, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом и выходом первого блока селекции, а выход— с вторым входом блока выборки-хранения, вход которого подключен к второму входу первого управляемого генератора и второму входу компаратора, третий вход которого соединен с выходом фильтра низкой частоты, соединенные последовательно детектор минимальньгх значений и измеритель ампли1393390

10 (LI !

1 б

Составитель Б.фигурин

Редактор И.ыулла Техред М.Дидык Корректор А.Зимокосов

Заказ 1900/4 Тираж 655 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

I по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 туды пульсовой волны, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения и вторым входом детектора минимальных значений, вход которого соединен с выходом фильтра низкой частоты, измеритель кровена" полнения ткани, подключенный к второму выходу второго управляемого генератора тока, выход фотоприемника

5 соединен с входом согласующего элемента, вход формирователя подключен к выходу генератора импульсов °