Способ определения кровенаполнения сосудов и устройство для его реализации

 

Использование: медицина, фотоплетизмография . Цель - повышение точности определения в условиях сильных электромагнитных помех. Сущность изобретения: регистрируют два сигнала засветки и один общий сигнал. Результаты регистрации усредняются и вычитаются. Для реализации способа предложен фотоплетизмограф, содержащий модулятор 1, источник света 2, фотоприемник 3, генератор импульсов 4, предварительный усилитель 5, устройства выборки - хранения 6, 7, 8, 12, блока управления 9, блок вычитания 10, интегратор 11, фильтр 13, блок 14 обработки и регистратор 15. 5 ил.

С0103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО C(:CP (ГОСПАТЕ НТ CCC P) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ОАгкл

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4745513/14 (22) 03,10.89 (46) 23.11.92. Бюл. N" 43 (72) А.С.Наумович, С.Г.Бойко. С.А,Золотой и

П, И. Сидорик (56) Мошкевич В.С. Фотоплетизмография, Аппаратура и методы, — М.: Медицина, 1970, с. 24.

Авторское свидетельство СССР

М 1635319, кл. А 61 В 5/0295, 3.10.88. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРОВЕНАПОЛНЕНИЯ СОСУДОВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

„„KU ÄÄ 1777077 А1

1si>s G 01 N 33/483, А 61 В 5/0295 (57) Использование: медицина, фотоплетизмография. Цель — повышение точности определения в условиях сильных злектромагнитных помех. Сущность изобретения: регистрируют два сигнала засветки и один общий сигнал. Результаты регистрации усредняются и вычитаются. Для реализации способа предложен фотоплетизмограф, содержащий модулятор 1, источник света 2, фотоприемник 3, генератор импульсов 4, предварительный усилитель 5, устройства выборки — хранения 6, 7, 8, 12, блока управления 9, блок вычитания 10, интегратор 11, фильтр 13, блок 14 обработки и регистратор

15, 5 ил.

1777077

Изобретение относится к медицине, в частности к фотоплетизмографии, и может быть использовано при диагностике состояния сердечно-сосудистой системы человека при проведении физиотерапевтических процедур.

Известен способ определения кровенаполнения, заключающийся в регистрации интенсивности импульсного светового потока, взаимодействующего с биообъектом.

Известен способ определения. кровенаполнения, заключающийся в регистрации интенсивности импульсного светового потока, взаимодействующего с биообъектом, а также регистрации интенсивности светового потока засветки после регистрации импульсного светового потока засветки после регистрации импульсного светового потока и определении кровенаполнения по разности между зарегистрированными импульсным световым потоком и световым потоком засветки.

Недостатком указанных способов является низкая точность определения крове наполнения в условиях сильных электромагнитных помех.

Известен фотоплетизмограф, содержащий фотоприемник, генератор импульсов, блок управления, первое устройство выборки и хранения (УВХ), блок вычитания, второе

УВХ, фильтр, излучатель, предварительный усилитель и регистратор.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения кровенаполнения в условиях сильных электромагнитных помех.

Цель изобретения — повышение точности определения кровенаполнения при работе при сильных электромагнитных помехах.

Цель достигаетея тем, что согласно способу определения кровенаполнения, заключающемуся в регистрации интенсивности импульсного светового потока, взаимодействующего с биообъектом, а также регистрации интенсивности светового потока засветки после регистрации интенсивности импульсного светового потока, дополнительно регистрируют интенсивность светового потока засветки до регистрации интенсивности импульсного светового потока и определяют кровенаполнение по разности между интенсивностью импульсного светового потока и средним арифметическим интенсивностей световых потоков засветки, зарегистрированных до и после измерения интенсивности импульсного светового потока.

Общеизвестный способ определения крогенаполнениа основан на регистрации импульсного светового потока. взаимодействующего с биообъектом. Сущность этого способа заключается в том, что источник света формирует импульсы светового потока, которые взаимодействуют с биологической тканью и достигают фотоприемник, наводя в нем электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. В результате взаимодействия с биологической тканью световой поток значительно поглощается и модулируется по амплитуде. Относительный уровень модуляции обычно составляет 0 — 1 — 5 амплитуды несущей. Поэтому даже незначительные флуктуации амплитуды несущей, обусловленные различными помехами, искажают

15 полезный сигнал о кровенаполнении тканей.

На практике основной вклад в искажение полезного сигнала вносят три источника помех: паразитные световые излучения, попадающие на фотоприемник от внешних ис20 точников света (лампы освещения, лампы

25 ИК-нагревателей фиэиотерапевтических ус. тройств). Частота таких помех соответствует частоте пульсаций ламп, как правило 100 Гц.

Кроме. того в физиотерапевтических комплексах часто используются тиристорные ре30 гуляторы мощности излучателей, дающих сложный частотный спектр помехи; промышленные помехи с промышленной частотой 50 Гц, наводимые за счет паразитной емкости между фотоприемником и биообъектом; различные электрические помехи, обусловленные работой расположенных рядом электрических приборов, например ЗВМ, 40

На практике уровень помех бывает сравним с полезным сигналом, поэтому для определения кровенаполнения используют специальные методы. Метод частотной селекции заключается в применении полосового фильтра, настроенного .на частоту импульсов запитки излучателя. Этот метод имеет следующие недостатки. Во-первых, паласовые фильтры чувствительны к импульсным помехам, так как последние вызывают переходные процессы колебательного характера. Во-вторых, небольшая девиация частоты следования импульсов, а равно как и длительности импульсов и их фронтов, вызывают парадитную амплитудную модуляцию, усиливающуюся с повышением добротности фильтра.

Наиболее близким к предлагаемому является метод вычитания засветки, заключающийся в проведении последовательно одна за другой двух выборок сигнала, одна из которых производится при включенном

1777077 источнике света, а другая — при выключенном. Так как эти выборки идут с большой частотой, то можно считать, что уровень помехи у них эквивалентен, поэтому для подавления помехи можно произвести 5 вычитание одной выборки из другой, т.е. в одной выборке фиксируем полезный сигнал с помехой, в другой — одну помеху и затем вычитаем вторую выборку из первой. Однако на практике в условиях большого уровня 10 разнообразных по частотному спектру помех оказывается, .что уровень помехи для . обоих выборок неидентичен. Прямой путь повышения степени подавления помех— повышение частоты выборок. Однако при 15 этом с ростом частоты возникают новые проблемы, например искажение формы импульсов в кабеле датчика.

Сущность предлагаемого способа определения кровенаполнения заключается в 20 следующем. Производятся три выборки сигнала с фотоприемника, Одна производится при включенном излучателе, а две другие— при выключенном излучателе до и после первой выборки. Далее вычисляется сред- 25 нее арифметическое второй и третьей выборок и результат вычитается из первой выборки. Оценим эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным.

Предположим, что имеется паразитная 30 засветка, описываемая непрерывной функцией у, = fn(t)

Тогда результат регистрации по первому способу имеет вид 35 у1(1) = (fc(t) + fn(t)) fn(t Лt) (1) а по предлагаемому способу:

f„ t+At +f, t — Лt

V2(t) — (1с(1) + тп(1))

Я (2) 40

rae(fc(t)+ fn(t)) - сигнал, включающий полезный сигнал и засветку;

1п(т - At) — сигнал, включающий только засветку.

Так как любой сигнал можно предста- 45 вить в виде алгебраической суммы гармонических компонентов, то для упрощения анализа в качестве помехи возьмем одну гармоническую составляющую с единичной амплитудой 50

4(t) = cos В1 (3) тогда (1) и (2) будут иметь соответственно вид

y1(t) = 1 (т) > созеt — cos N(t — At) =

= fc(t) — 2 sin sinы(t — — — )

NAt . At 55

2 2 (4)

yz(t) = fc(t)+ cos ut—

cos О) (t + Л t) + С0$ n) (t — Л tg

2 (8l

fc(t)+ 2sin Cosвt

2 (5)

Иэ анализа (4) и (5) видно. что результирующие гармонические компоненты помехи имеют прежнюю частоту, а максимальная амплитуда ограничена у1язх = 2sin

NAt

2 (6) г

2sin2 NAt = У (7/

2 2 т.е. для конкретного примера, когда имеется помеха с частотой fp = 100 Гц, а частота выборки f> = 5000 Гц, ослабление помехи будет следующее

С0 Л t ° 1т р

y1max = 2Sln — = 2 Sin

fv

= 2 sin 1г =1/8;

2 угах= У " " = "/125 . (9}

Аналогичные выкладки справедливы для сигналов, имеющих сложный спектральный состав.

Таким образом приведенный пример показывает, что предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность определения параметров кровенаполнения в условиях воздействия электромагнитных помех сложного спектрального состава.

На фиг.1 представлена функциональная схема фотоплетизмографа; на фиг.2 — временные диаграммы работы блока управления; на фиг.3 — функциональная схема модулятора; на фиг,4-функциональная схема блока управления; на фиг.5 — функциональная схема блока вычитания.

Фотоплетизмограф включает в себя модулятор 1, источник света 2, фотоприемник

3, генератор 4 импульсов, предварительный усилитель 5, четыре устройства выборкихранения (УВХ) 6, 7, 8, 12, блок управления

9, блок вычитания 10, интегратор 11, фильтр

13, блок 14 обработки и регистратор 15.

Вход источника 2 света подключен к выходу модулятора 1, выход фотоприемника 3 подключен ко входу предварительного усилителя 5, выход которого через УВХ 6 и УВХ 7 соединен с первым и вторым входами блока

10 вычитания, третий вход которого подключен через УВХ 8 к выходу УВХ 7, выход блока 10 вычитания подключен через УВХ

12, фильтр 13, блок 14 обработки — к входу регистратора 15. Первый вход модулятора 1 соединен через интегратор 11 с выходом

УВХ 12, вход управления синхронизацией которого подключен к выходу 3 блока управления 9, выход 2 которого соединен с входами синхронизации УВХ 8 и УВХ 6, Выходы 1 и 4 блока 9 управления подключены соответ1777077

45

55 ственно к вторым входам УВХ 7 и модулятора 1, первый вход которого соединен через интегратор 11 с выходом УВХ 12, выход генератора 4 импульсов подключен к входу блока 9 управления, Блок управления 9 (см. фиг.4) включает в себя двоичный счетчик 19. дешифратор 20 и элемент ИЛИ 21, причем счетный вход счетчика 19 является входом блока управления, Выходы счетчика 19 соединены с входами дешифратора 20, первый, второй и четвертый выходы которого являются соответственно третьим, вторым и первым выходом блока управления, Выход элемента

ИЛИ 21 является четвертым выходом блока управления, а входы элемента ИЛИ 21 соединены с первым и вторым выходом дешифратора 20. Временная диаграмма работы блока управления 9 приведена на фиг.2.

Блок 10 вычитания может быть собран нэ основе операционного усилителя 22 (см. фиг.5) с резистивной обратной связью и реализует функцию

02 +Уз

Oavx 01

2 где U1, 02, ОЗ вЂ” напряжение на соответствующих входах.

В качестве регистратора 15 можно использовать печатающеее устройство ЗВМ, графопостроитель или стандартный самописец.

Фотоплетизмограф работает следующим образом. Источник света 2 излучает импульсный световой поток, который взаимодействует с биологической тканью, частично поглощается и модулируется по амплитуде. Фотоприемник 3 принимает падающие на него модулированные импульсы светового потока и световые засветки от посторонних излучателей, наводя на своем выходе пропорциональные электрические сигналы. Предварительный усилитель 5 осуществляет усиление сигнала с фотоприемника 3 до уровня, необходимого для последующей обработки, УВХ 6 осуществляет запоминание сигнала в момент излучения светового потока источником света 2, В YBX

7 и 8 запоминаются сигналы после и до импульса светового потока. зафиксированного УВХ 6.

Блок управления 9 формирует сигналы (см. фиг,2), которые поступают на управляющие входы УВХ 6, 7, 8, 12 и на модулятор 1.

При этом реализуется необходимая временная последовательность управляющих сигналов, обеспечивающая заданный алгоритм функционирования устройства.

В блоке 10 вычитания происходит вычисление полусуммы сигналов, снимаемых с

УВХ 7 и 8 и вычитание результата из сигнала, подаваемого с УВХ 6. Результат вычислений фиксируется УВХ 12, на входе которого формируется сигнал, отображающий изменение степени поглощения светового потока, вызванное пульсациями кровотока в биообьекте.

Фильтр 13 может быть выполнен, например в виде фильтра Н4 второго или четвертого порядка, он выделяет сигнал в интересующей области частотного спектра, который далее поступает в блок t4 обработки, где вычисляются амплитудные и временные параметры фотоплетизмограммы, и далее поступают на регистратор 15.

Блок обработки 14 выполняет функцию нахождения характерных точек ФПГ (А, В, С, 1, D) и определения их амплитудных и временных параметров. Алгоритм функционирования блока обработки 14 и структура аналогичен блоку 11 обработки известного устройства, Интегратор 11 стабилизирует несущую составляющую сигнала излучателя 2 на заданном уровне за счет поддержания соответствующего уровня на управляющем входе модулятора 1.

При работе устройства с частотой выборки, например 5 кГц коэффициент подавления 100 Гц помехи в 5 — 6 раз выше, чем у известных устройств, Формула изобретения

1. Способ определения кровенаполнения сосудов путем регистрации интенсивности импульсного светового потока, взаимодействующего. с объектом, а также регистрации интенсивности импульсного светового потока, засветки после регистрации импульсного светового потока, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения кровенаполнения при сильных электромагнитных помехах. дополнительно регистрируют интенсивность светового потока засветки до регистрации интенсивности импульсного светового потока и определяют кровенаполнение по разности между интенсивностью импульсного светового потока и средним арифметическим. интенсивностей световых потоков засветки до и после измерения интенсивности импульсного светового потока.

2. Устройство для определения кровенаполнения сосудов, содержащее источник света, последовательно соединенные фотоприемник, предварительный усилитель, первое устройство выборки-хранения, блок вычитания, второе устройство выборки-хранения, выходом соединенное с входом интегратора и фильтром, а также регистратор. третье и четвертое устройство выборки-хра10

1777077

Фг. 8

+up 5

Составитель С.Рябов

Редактор А.Мельникова Техред М.Моргентал Корректор М.Андрушенко

Заказ 4119 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 нения и генератор импульсов, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в него введены модулятор, включенный между источником света и интегратором, блок обработки, включенный между фильтром и регистратором, и. блок управления, первый выход которого соединеи с первым входом третьего устройства выборки-хранения, второй вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, а выход — к второму входу блока вычитания и первому входу четвертого устройства выборки-хранения, выход которого соединен с третьим входом блока вычитания, а второй вход — с вторым входом пер5 вого устройства выборки-хранения и . вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к второму входу второго устройства выборки-хранения, четвертый выход — к второму входу модулятора, 10 а вход — к выходу генератора импульсов.