Фотооксигемометр

 

Союз Советскик

Социалистические

Реслублнк

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

liii969249 (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 06.04.81 (21) 3272818/28-13 с присоединением заявки .% (23) Приоритет

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень ¹40

Дата опубликования описания 30 . 1 0 . 82

j (51)М. (л.

Й 61 Б 5/00

3Ьеударстеенный квинтет

СССР

Ilo делен нэабретеннй н вткрытнй (32 УДK615.47 (088.8) (72) Автор изобретения

Б.И.Чигирев (7I) Заявитель

Ленинградский ордена Ленина злектротехниче им, В.И.Ульянова (Ленина1

Ф4сж :: "т (54) ФОТООКСИГEMOMETP

Изобретение относится к медицинс- кой технике, в частности к медицинским фотометрическим устройствам, предназначенным для определения степени насыщения гемоглобина крови кислородом без нарушения целостности кожного или слизистого покровов организма.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является уст-, ройство для измерения степени насыщения крови кислородом, содержащее источник света, включающий оптическую систему, связанную с сосудом, который открытой частью прижимается к поверх-,5 ности тела и заполняется кровью при понижении в нем давления с помощью отсасывающего устройства. Кроме того, в известное устройство входит генератор тактовых импульсов, два фотопри- ро емника, формирующие сигналы, пропорциональные интенсивности рассеянного света в двух спектральных диапазонах, усилители, устройство определения отношения интенсивностей ра сеянного кровью света и регистратор (! 1.

Недостаток известного устройства заключается в том, что егo оптическая схема является одноканальной дпя каждого спектрального диапазона излучения, позтому onределяются не количественные оптические характеристики крови, а интенсивности световых потоков в двух спектральных диапазонах, При зтом предполагается, что спектральный состав мощности излучения, падающего на исследуемый участок ткани, остается всегда постоянным.

Кроме того, в устройстве затруднена регистрация динамики изменения насыщения кропи кислородом, так как нарушается естественная циркупяция к;ови в сосудах, расположенных г-. обпа« сти укрепления датчика.

Цель изобретения — повышение точности определения степени оксигенации крови путем автоматическлгo определения количественных оптических ха.

3 <}6c>2)< рактеристик крови в исследуемых тка- нях поверхности тела независимо от особенностей кожного покрова.

Поставленная цель достигается тем, что в фотооксигемометр, содержащий генератор тактовых импульсов. ус -.-:.литель, регистратор, двухволновый источник света и два фотог)риемни)ка,. введены источник эталонного напряжеНИЯ, анаЛОГОВОЕ ЗаПОМИЧаЮЩЕЕ УСтРОй- )В ство, сумматор и переключатель, первый Вход которого соединен с генераТОРОМ таКтОВЫХ ИМПУЛЬСОВ, ПРИС)ЕМ УСИлитель ВыпОлнен В Виде дифференциал): " ного усилителя, Выход которого соединен с первым входом сумма Гора, первый выход переключателя подключен к первому входу усилителя % второму входу сумматора, В орой и третий выходы параКЛЮЧатЕЛЯ СОЕДИНЕНЫ С ВХОДаМИ ИСтОЧ.:. ника cBGTB> четвертый Выход переключ теля соединен с регистратором, lA!bil, И ШЕСТОЙ CO ВТОРЫМ ВХОДОМ ДиффЕРРН циальиогo усилителя, седьмой — со входом аналогового запоминающего уст- --, РОИС Гва р а B1OPOVI „TPP ТИИ, 4ЕТ ВВО i Ы пятый и 1))естой Входы переключателя соединены соответстваннс. с Выходами первого:", второго фотопои мников, сумматора, аналогового запоми,-:ающего устройства, источ:-)ика эталоинс4-О наПРЯжа,)ИЯ, КРОМЕ ТОГ О, фОТОПР)ЛЕ)ЛНИКИ установлены на разном расстоянии от двухволнового источника света.

На чертеже изображена структурная

;с электрическая схема фотооксиге))ол ат Pc! .

Устройство содержит генератов

) тактовь)х и)лпульсов, усили ель 2 (IJ!I<) фЕРОНЦИ аЛ ЬИЫЙ,}, РЕГИСтРа пОР 3 . ДВУХ:;!:волновый источник 4 света, фотопри--: емники 5 и 6, источник 7 эталонного напряжения, аналоговое запо)линающее устройство <., сумматор 9, переключатель lf},. причем выход переключателя 1f} соединен,. с генератором 1 тактовых импульсов, выход диффере)нциального ус)<ли Геля 2 соединен с Г)ервым Входом сумматора первый Выход пезеключа"; cJ1R 1, } поп к:)ю,Г <) чен к первому Входу усллителя 2 и второму входу сумма тора

СОЕДИН(Н С PBÃÈÑÒPBТОРОМ Я ПЯТЫЙ II шестой - со Вторым входом диффарен: усили->e IB 2, седьмо<л

Входо л аналогового запоминающаг0 устройства Я, а второй., третий, четвертый, пятый и шестой входы переключателя 11} соединены соотвеTciBGH но с выходами первого 5 и второго

6 фотоприемников, сумматора g, аиалоГОВОГО запoминэющ ГО устройстBа л, истОчника этаЛОнноГО напряжения, двухлучевой источник !< света и фотоприемники 5 и 6 накладываются на исследуемун) ткань, Кроме того, фотоприемникй устанавливаются иа разном расстоянии QT дВухл чеВОГО истОчника света.

Устройство рабстает следующим образом. ! еиератор l та) товых импульсов ф<.рмирует на выходе первый тактовый

ИМПУЛЬС, КОТОРЫЙ ГOGòÓÏàÑò Иа ПЕРВЫЙ упр;:Вляю:<ий вход — ереключател)я 1Г! и уciàHàâëèBàåò егс B первое положение,. напряжение с источника 7 эталон ного Hапряжеиия пс:ступае . Через пере клю-<атель 1<} на первый Вход дифференциального усилителя 2 и второй ьход сумматора 9, с Выхода которого сфОрмированный сиГнал ВреВ переклю

<<атель 1

Г)оступаю<ций В исследуемую ткань и взаимоде4стB„/K)L);HÉ с ней .

Часть потока„. спредаляемая обр-iò-, НЫМ СВЕтОРВССЕЯНИЕМ нКВ)<И С СОДЕРжащейся B 1-ей кровью, падает на фотоприемники 5 и 6. !1)итенс)лвность света, паде)ющег0 на фотОприемни ки g и 6 В и е p B ol-< c и е к T p B ï ь н с м д и а и а 3 О н с. О и р cд е . Яатся cтепенью HBcb!<)Jåíè!; гемоглоЬина кровл кислородом и расстоянием до фот:-.. риемников, фотоприемники 5 и 6, имеиме)вщие лииейну)о энергетическую характеристику фототока ),например, фотодиогы), преобразуют падающие на них

СВЕТОВЫЕ ПОТОКИ 8 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГ налы. Сигиапы со Второго фотоприемника 6 через переключатель 10 поступают на второй вход дифференциального усилителя 2,, который формирует иа выходе усиленный сигнал пропорциональный разности напрян<ений с Выхода Фотоприемника 6 и источника 7 эталонного напряжения„ Этот сигнал поступает на второй вход сумматора л, где складывается с напряжением источника 7 этапонного напряжения. Ц результате иа выходе сумматора 3 формируется скорректированный сигнал, изменян.щий

Величину светового потока источника

5 9692 света (без изменения спектрального состава излучения,1 таким образом, что исключается разница между напряжением на входах дифференциального усилителя 2. При достаточно большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 2 напряжение, формируемое вторым фотоприемником 6, можно считать равным напряжению источника

7 эталонного напряжения. Таким обра- to зом, образуется контур отрицательной обратной связи, в который входят источник 7 эталонного напряжения, дифференциальный усилитель 2, сумматор

9, двухволновый источник 4 света, >5 исследуемая ткань и фотоприемник 6.

Одновременно световой поток источника 4 света, отличающийся в соответствии с оптическими свойствами исследуемой ткани на участке, равном раз- щ ности путей прохождения света, поступает на первый фотоприемник 5, с выхода которого электрический сигнал через переключатель 10 поступает на вход аналогового запоминающего уст- 25 ройства 8, где запоминается. На этом заканчивается первый такт работы устройства °

Во время второго такта, задаваемого генератором 1 тактовых импульсов, переключатель 10 устанавливается во второе положение ° Как и во время первого такта световой поток источника

4 поступает в исследуемую ткань, взаимодействует с ней, и часть потока

35 падает на первый и второй фотоприемники. Однако во втором такте источник 4 света формирует световой поток во втором спектральном диапазоне (например, область 805 нм ), который соответствует одной из изобестических точек, а в контур отрицательной обратной связи вместо фотоприемника 6 включен первый фотоприемник 5, и вместо источника 7 эталонного напряжения

45 аналоговое запоминающее устройство 8.

Контур отрицательной обратной связи работает как и в первом такте, т.е, таким образом, чтобы напряжение, формируемое фотоприемником 5, было равно

50 напряжению, заполненному в ячейке аналоговой памяти 8, в результате чего напряжения, формируемые фотоприемником 5 в первом и втором спектральных диапазонах, равны. Но электрический сигнал, формируемый вторым фотопри55 емником 6 во втором такте, не будет равен сигналу, формируемому в первом такте (напряжению источника 7 эталон49 6 ного напряжения) . Поскольку расстояние для прохождения света в исследуемой ткани от двухволнового источника света до первого и второго фотоприемников 5 и 6 отличается на одну и ту *e постоянную величину для обоих спектральных диапазонов, то отличие в уровнях сигналов фотоприемника 6 будет характеризовать оптические свойства крови в выбранных спектральных диапазонах, а именно - степень насыщения гемоглобина крови кислородом.

Электрический сигнал второго фотоприемника 6 во втором такте работы фотооксигемометра поступает через переключатель 10 на регистратор 3.

Этот сигнал пропорционален отношению коэффициентов обратного светорассеяния исследуемой ткани с содержащейся в ней кровью в двух спектральных диапазонах и не зависит от мощности излучения двухволнового источника света 4, свойств поверхностной части кожного покрова и других факторов.

Математическое обоснование работы устройства, показывающее, что на регистратор 3 поступает сигнал, пропорциональный отношению коэффициентов обратного светорассеяния в двух спектральных диапазонах, заключается в следующем.

Пусть средняя длина волны излучения источника 4 в первом r спектральном диапазоне;

Л вЂ” средняя длина волны излучег ния источника 4 во втором спектральном диапазоне, котоный соответствует одной из изобестических точек, у (Л )- коэффициент обратного светорассеяния исследуемой ткани

11 для излучения с длиной волны Л на участке от источника света до первого фотоприемника где Ф (A )- световой поток источника 4 о света с длиной волны Л„ поступающий в исследуемую ткань P (A )- световой поток, поступаю1 щий после взаимодействия с тканью на первый фотопрИемник.

Коэффициент р„ Л„)показывает, какая часть потока Ф (Л„),после взаимодейст-.

7 9692 вия с тканью поступает на первый фотоприемник, чем характеризует оптическое свойство участка ткани с содержащейся в ней кровью в первом спектральном диапазоне. 5

Соответственно для второго фотоприемника 6 запишем ,Р2(Л1)=42Р1)/Ф,(), (2.) где ) 2 (Л1}- коэффициент обратного торассеяния исследуемой ткани для излучения с дли— ной волны Х, на участке до второго фотоприемника 6;

35 Ф2()()- часть светового потока фа (Ло)„поступающая на второй фотоприемник 6.

Поскольку рассеяния для прохождения света в исследуемой ткани от ис- о точника 4 света до первого и второго фотоприемников и 6 отличаются на постоянную величину, то и коэффициенты )э„(Л1 ) и р (Л )HP. будут равны, Для второго сйектрального диапазо- 25 на введены аналогичные коэффи .,иенты

Р1 «2)=Ф,(Л )/ Р,й,,} {З) и зо

}э2(Л2)=. 1 (A )/Ф, (л, ), (1) где Фо (А2)- световой поток источника

4 света с длиной волны

Л2, поступающий в ткань ; ф„($ )иф ($ )- cooTBBTGTBBHHG световые

2 потоки, поступающие после взаимодействия с тканью 11 на первый и второй фотоприемники 5 и 6.

Обозначим чувствительность первого фотоприемника для излучения с длиной волны Л и Ë2 соответственно 5 (A1) и S1(Л2), аналогично для второго фотоприемника 6 — 82(Л1) и 52(Õ ), а электрические сигналы, формируемые, фотоприемниками 9 и 6 в первом такте работы соответственно /1{11) и 1/ {p ) .

Тогда

Ч ()()=5 (Л)Ф (A )=5 (Л )р(Л )Ф(Л) (q)

/2(Л1} 52Р1)Ф2(/ 1) Б2(„)Р2 (Л. }ФОР1)

{6)

В первом такте сигнал Ч2(Л1) по55 ступает на второй вход дифференциального усилителя 2, на первый вход которого подается сигнал >/ с выхода источника 7 эталонного напряжения.

49 8

На выходе дифференциального усилителя

2 формируется сигнал где К вЂ” коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Поскольку дифференциальный усилитель 2 включен в контур отрицательной Ооратной сВязи, то при К 27 1 разность напряжений на его выходе стремится к нулю, т,е, 1 =1 (Х„) (e) л

Подставив (6) н (8), получаем

М, = Ь (Х„) р2 (Л1 ) ф, Р,), откуда М

@ (л )= .И) 2(1) г (1)

Подставив (9) а ((5), получаем

S,&,)1„(Ä)

1 1 5,(Л )p (Д )

Напряжение >/„{p1) в первом такте работы запоминается в аналоговом запоминающем устройстве 8. Запоминание может сопровождаться преобразованием н Кп раз, тогда запомненный сигнал (/„ определяется выражением

5,(Л1) Р, (А1)

М, =-„,. К М, (11)

82 (3.2)P2(r )

Аналогично можно показать, что во втором такте работы на выходе второго фотоприемника 6 выходное .напряжение определяется выражением ., < 2) S(Л2) р

Подставим значение /„из (11) в {12} „8„)S Р ) р„(,)я,(Л )

Обоз начим

Р1 (А„)/Р, (,) =Р (А1), 91 (/(2)/УХ (Л )=.Р(A2) 1 где р {А„) и р {Л } — коэффициенты обратного светорассеяния участка ткани на участке между первым и вторым фотоприемниками cooTBeTctBFHHo н первом и втором спекгральных диапазонах

Поскольку расстояние, которое проходит световой поток обоих спектральных диапазонов в исспедуемой ткани от второго фотоприемника 6 к первому фотоприемнику 5 постоянно, отношение коэффициентов р {А„)/}э{Л2)харакгеризует onòè÷åñêèå сноиства крови н выраженным спектральных диапазонах на

9 9692 одном и том же участке ткани от первого фотоприемника до второго, В выражении (13) обозначим

Кч 11 2 2,а (14)

5(Л)-5(Л ) п з

Тогда формула (13) примет вид

Ч2(Л ) S (Л„) / )" (Л2) .(1 )

В (15 ) коэффициент а является посто- 0 янной величиной, которую регулировкой V> или Кп легко привести к такому значению, чтоЬы сигнал 1/ (Л2) соответствовал степени насыщения гемоглобина крови кислородом в соответ- ts ствии с врыажением, указанным в (1 ).

Сигнал 1/2(32) поступает на регистратор 3, который может быть отградуирован непосредственно в единицах степени оксигенации крови. 20

Отличия в спектральной чувствительности фотоприемников 5 и 6 не влияют на раЬоту устройства, поскольку они компенсируются при установке значения коэффициента а. Основное требование к фотоприемникам - линейность энергетической характеристики фототока, т.е. независимость их чувствительности от величины светового потока в раЬочем диапазоне.

Таким образом, за счет наличия контура отрицательной обратной связи в фотооксигемометре на точность определения степени оксигенации крови не влияют различия в пигментации кожного покрова, толщины рогового слоя кожи, появление на поверхности кожи выделений потовых и сальных желез, мышечные сокращения и другие факторы.

40 формула изобретения фотооксигемометр, содержащий генератор тактовых импульсов, усилитель, I

"9 10 регистратор, двухволновый источник света и два фотоприемника, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения степени оксигенации крови путем автоматического определения количественных оптических характеристик крови s исследуемых тканях независимо от особенностей кожного покрова, в него введены источник эталонного напряжения, аналоговое запоминающее устройство, сумматор и переключатель, первый вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, причем уси" литель выполнен в виде дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, первый выход переключателя подключен к первому входу усилителя и второму входу сумматора, второй и третий выходы переключателя соединены с входами источника света, четвертый выход переключателя соединен с регистра" тором, пятый и шестой — с вторым входом дифференциального усилителя, седьмой - с входом аналогового запоминающего устройства, а второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы переключателя соединены соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, сумматора, аналогового запоминающего устройства, источника эталонного напряжения, кроме того, фотоприемники установлены на разном расстоянии от двухволнового источника света.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Патент Японии 11 52-2567 1, кл. А 61 В 5/111, 1377. г() Занаа а237уа Тиааж 71н Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11)03$, Москва, Н- 5, Раушскав наб,, д, 4/5 атгаатлт—

Филиал ППП "Патент, и. Ywropnp, ул.

Составитель Б.йигурин

Редактор И.Ковальчук Техред И..Гайду Корректор H,Kîðoäü