Оптоэлектронный ик-датчик пульсовой волны
Владельцы патента RU 2336810:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище (военный институт) (RU)
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для диагностики пульсовой волны биологического объекта при решении различных задач диагностики его состояния. Оптоэлектронный ИК-датчик пульсовой волны содержит общую конструктивную основу с двумя цилиндрическими воздушными каналами, расположенными под острым углом α друг к другу, причем вблизи точки их взаимного взаимодействия в первом цилиндрическом канале размещен ИК-светодиод. Датчик конструктивно реализован так, что в качестве конструктивной основы используется полусфера из оптически прозрачного материала, во второй цилиндрический воздушный канал помещен ИК-дифференциальный фотодиод, который совместно с ИК-светодиодом размещены в противоположных концах цилиндрических воздушных каналов относительно точки их взаимного расположения, причем ИК-дифференциальный фотодиод имеет степень вращения вокруг своей оси и расположен так, что его поперечная осевая линия совпадает с продольной осевой линией полусферы. Выполнение датчика обеспечивает возможность контроля венозного уровня кровотока на фоне капиллярного уровня, тем самым расширяя область его применения. 2 ил.
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для диагностики пульсовой волны биологического объекта при решении различных задач диагностики его состояния.
Современная медицина успешно реализует известную биофизическую зависимость - изменение степени отражательной способности биотканей при ее зондировании инфракрасными (ИК) длинами волн пропорционально изменению степени насыщения биотканей кровью синфазно с работой («ударами») сердца.
Известен ИК-датчик, который используется при контроле частоты пульса человека [Измеритель частоты пульса, встроенный в наручные часы. - Электроника, 1977, №9, с.10, 11]. Непосредственно на базе ручных электронных часов реализуется схема включения ИК-датчика и обработки его электрических сигналов. Для устойчивой работы схемы обработки сигнал с ИК-датчика усиливается усилителем. ИК-датчик состоит из ИК-светодиода и ИК-фотоприемника, которые конструктивно расположены рядом друг с другом, но разделены оптически непрозрачной зоной/областью. При отсутствии отраженного от биоткани зондирующего ИК-сигнала прямого взаимного влияния ИК-светодиода на ИК-фотодиод нет. Данное положение является принципиальным. Поверхность такого ИК-датчика защищена от возможного загрязнения в процессе работы защитным стеклом. Если приложить палец к защитному стеклу, то такой ИК-датчик фиксирует степень изменения насыщения биоткани кровью (капиллярный уровень) синфазно с работой сердца. ИК-датчик непосредственно подключен к линейному усилителю. Дальнейшая схема пересчета позволяет косвенно определить по сигналу такого ИК-датчика искомую частоту пульса.
Недостатки устройства:
- ИК-датчик работает достаточно неустойчиво при значительной солнечной активности, что «ослепляет ИК-датчик»;
- степень прижимания тканей пальца к контактной зоне ИК-датчика влияют на степень отраженного сигнала, что может влиять на точность пересчета при определении частоты пульса;
- колебания (дрожание руки) также влияет на искажение результатов ИК-датчика;
- принципиально невозможно контролировать венозный уровень кровотока из-за фонового капиллярного уровня.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является конструкция ИК-датчика, которая также применяется при контроле частоты пульса человека [Ефремов В., Нисневич М. Измеритель частоты пульса / Радио, №4, 1986. - С.41-44]. ИК-датчик конструктивно (Фиг.1) выполнен в прямоугольном каркасе (1) из оптически непрозрачного твердого материала, например текстолита, в котором на одной линии под острым углом α друг к другу сформированы два цилиндрических канала (2, 3). В первый из каналов вмонтирован ИК-светодиод (5), а во второй - ИК-фотодиод (6). Взаимный острый угол расположения каналов а таков, что оптически непрозрачная перегородка исключает прямое влияние ИК-светодиода (5) на ИК-фотодиод (6). Внешняя поверхность ИК-датчика защищена от возможного загрязнения защитной, оптически прозрачной для ИК длин волн пластиной (4), например, из полистирола. Реализация возможностей ИК-датчика (Е) достигается путем его подключения к линейному усилителю (А).
Недостатки данного устройства (прототипа) точно такие же, как и в аналоге.
Перечисленные выше общие недостатки в рассмотренных устройствах вызваны только одним принципиальным моментом - измерительная схема является «взвешенной», так как в ней присутствует только измерительный канал и отсутствует опорный канал, который должен быть синфазен с измерительным каналом. Последнее приводит к существенным погрешностям первичных измерений, что отражается на принципиальной невозможности контролировать венозный уровень кровотока из-за фонового капиллярного уровня.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является возможность контроля венозного уровня кровотока на фоне капиллярного уровня.
Указанный технический результат достигается тем, что оптоэлектронный ИК-датчик пульсовой волны, содержащий общую конструктивную основу с двумя цилиндрическими воздушными каналами, расположенными под острым углом а друг к другу, причем вблизи точки их взаимного взаимодействия в первом цилиндрическом канале размещен ИК- светодиод, конструктивно реализованный так, что в качестве конструктивной основы используется полусфера из оптически прозрачного материала, во второй цилиндрический воздушный канал помещен ИК-дифференциальный фотодиод, который совместно с ИК-светодиодом размещены в противоположных концах цилиндрических воздушных каналов относительно точки их взаимного расположения, причем ИК-дифференциальный фотодиод имеет степень вращения вокруг своей оси и расположен так, что его поперечная осевая линия совпадает с продольной осевой линией полусферы.
Заявляемый оптоэлектронный ИК-датчик пульсовой волны (Фиг.2) конструктивно выполнен в виде полусферы (1) из оптически прозрачного материала, в которой под острым углом α друг к другу сформированы два цилиндрических воздушных канала (2, 3). Между ними при этом сформировался некоторый дополнительный оптический канал (4). В первый канал (2) вмонтирован ИК-светодиод (5), а во второй (3) - ИК-дифференциальный фотодиод (6), причем размещены эти фотодиоды в противоположных концах цилиндрических воздушных каналов относительно точки их взаимного расположения. Взаимный угол α расположения каналов (2) и (3) таков, что образуемая оптически прозрачная фигура (4), похожая на конус, создает оптоэлектронный канал между каналами (2) и (3). При этом ИК- дифференциальный фотодиод (6) имеет степень вращения вокруг своей оси и расположен так, что его поперечная осевая линия А-А' (Фиг.1с) совпадает с продольной осевой линией полусферы О-О' (Фиг.1б).
При работе ИК-светодиода (5) часть сигнала через оптоэлектронный канал (4) поступает на первый (ближний к ИК- светодиоду) ИК-фотодиод (6.1), реализуя опорный канал, а отраженный от венозного уровня кровообращения синфазный сигнал поступает на второй (дальний к ИК-светодиоду) ИК-фотоприемник (6.2), реализуя измерительный канал, который синфазен с опорным каналом. В данном случае слабый сигнал капиллярного уровня уже не оказывает влияние на работу оптоэлектронного ИК-датчика. Фактически возрастает эффективная длина зондирования кровотока в биотканях, чем достигается возможность контроля венозного уровня кровотока. Реализация возможностей оптоэлектронного ИК-датчика (Е) достигается путем его подключения к дифференциальному усилителю (А) (Фиг.1б).
Существенное значение при реализации заявляемого устройства имеет наличие конструктивной основы в виде прозрачной полусферы и применение ИК-дифференциального фотодиода, которые одновременно совместно образуют опорный и измерительный каналы в оптоэлектронном ИК-датчике пульсовой волны.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
При подаче питающего напряжения на ИК-светодиод формируется ИК-световой поток, который направляется по воздушному каналу на поверхность оптически прозрачной полусферы и частично преломляется через оптически прозрачную конусообразную ее часть. Данная часть ИК-светового потока достигает первого фотоприемника ИК-дифференциального фотодиода, создавая в нем некоторый фототок постоянной величины. Таким образом реализуется опорный канал ИК-датчика.
Вторая часть синфазного ИК-светового потока может достигать по воздушному каналу биотканей кровотока как капиллярного, так венозного уровней. Так как плотность крови в капиллярном уровне меньше чем в венозном уровне, то капиллярное отражение по сравнению с венозным будет фоновым и соизмеримым с величиной опорного канала ИК-датчика. Наоборот, венозно отраженный сигнал будет синфазным, но гораздо большим по уровню, чем капиллярный, что приведет к увеличению фототока во втором фотоприемнике ИК-дифференциального фотодиода.
Сигнал с ИК-датчика за счет обработки дифференциальным усилителем будет выделять полезную составляющую пульсовой волны венозного уровня, а не капиллярного. Это позволит сравнивать, например, состояние пульсовой волны в различных точках биорганизма и использовать данные ее сравнения, например, для его диагностирования.
При практической реализации заявляемого устройства оптоэлектронного ИК-датчика пульсовой волны использовалась прозрачная полусфера с диаметром 25 мм из органического стекла, ИК-светодиод типа АЛ-107Б и ИК-дифференциальный фотодиод типа BPY-48. В качестве дифференциального усилителя использовался операционный усилитель типа К140УД608. При правильной юстировке ИК-датчика на выходе операционного усилителя удалось получить устойчивую осциллограмму огибающей пульсовой волны на запястье левой руки.
Источники информации
1. Измеритель частоты пульса, встроенный в наручные часы. - Электроника, 1977, №9, С.10, 11.
2. Ефремов В., Нисневич М. Измеритель частоты пульса / Радио, №4, 1986. - С.41-44.
Оптоэлектронный ИК-датчик пульсовой волны, содержащий общую конструктивную основу с двумя цилиндрическими воздушными каналами, расположенными под острым углом к друг к другу, причем вблизи точки их взаимного взаимодействия в первом цилиндрическом канале размещен ИК-светодиод, отличающийся тем, что в качестве конструктивной основы используется полусфера из оптически прозрачного материала, во второй цилиндрический воздушный канал помещен ИК-дифференциальный фотодиод, который совместно с ИК-светодиодом размещены в противоположных концах цилиндрических воздушных каналов относительно точки их взаимного расположения, причем ИК-дифференциальный фотодиод имеет степень вращения вокруг своей оси и расположен так, что его поперечная осевая линия совпадает с продольной осевой линией полусферы.
