УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВИ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к приборам для определения степени насыщения крови кислородом (StO₂) и гематокрита (Ht).

Известны устройства для измерения StO₂-оксигемометры, основанные на регистрации рассеянного в крови излучения в двух спектральных диапазонах, лежащих по обе стороны от изобестической длины волны, в которых в качестве источников излучения использованы полупроводниковые инжекционные лазеры, расположенные на одной прямой по обе стороны от цилиндрической кюветы, соединенной с магистралью АИК. Лазеры излучают навстречу друг другу. Фотодетектор расположен под углом 90±0,2^о к оси световых пучков и соединен с блоком коммутации, выход которого, в свою очередь, связан с входом блока регистрации. Недостатком этих устройств является их непригодность для определения Ht, являющегося важным физиологическим параметром.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для измерения оксигенации крови. Это устройство помимо определения StО₂позволяет также контролировать Нt "in vivo" в кровеносных сосудах. Устройство выполнено в виде интегральной микросхемы, содержащей фотодетектор, три источника монохроматического излучения-светодиоды, причем два из них с λ₁ и λ₂ равноудалены от фотодетектора, а третий с λ₃отнесен от него на большее расстояние. Излучатель с λ₁ 0,66 мкм выполнен из GaР, два другие с λ₂ λ₃0,82 мкм из GaAlAs. В состав этой микросхемы входят также предварительный усилитель и системы первичной регистрации, которая связана с блоком обработки и отображения.

О степени насыщения крови кислородом судят по отношению фототоков с фотодетектора, соответствующих принимаемым интенсивностям рассеянного в крови излучения от излучателей с λ₂ и λ₁. Калибровочные зависимости этого отношения от реального насыщения крови кислородом, измеряемого с помощью независимого прибора, представляют собой набор кривых, соответствующих различным значениям Ht, что обуславливает необходимость контроля текущего значения Ht. С этой целью введен третий излучатель с λ₃ 0,82 мкм. В качестве параметра, коррелирующего со значением Ht, используется отношение фототоков, соответствующих интенсивностям рассеянного в крови излучения от источников с λ₂ и λ₃. Зависимость получаемого параметра от Ht обусловлена пространственным разнесением этих излучателей относительно фотодетектора. При этом зависимость данного отношения от Ht представляет собой набор кривых, соответствующих различным значениям StO₂. Таким образом, для определения текущих значений StO₂ и Ht необходимо сопоставление этих калибровок и использование достаточно сложного алгоритма, что, в свою очередь, сказывается на точности измерений. Наряду с этим существенным недостатком этого датчика является его непосредственный контакт с кровью, что сопровождается неизбежным сорбированием на его поверхности белков крови, а это, в свою очередь, еще больше снижает точность измерений в процессе длительных операций.

Целью изобретения является бесконтактность измерений, простота технической реализации и алгоритмической обработки регистрируемых величин, что обусловливает необходимую точность измерений как StO₂ так и Ht. Последнее достигается за счет независимости значений StO₂, получаемых с помощью фотодетектора от индивидуальных характеристик крови, в том числе и от Ht.

На фиг. 1 представлено расположение излучателей, диафрагмы и кюветы; на фиг. 2 расположение фотодетекторов относительно кюветы; на фиг. 3 схема предложенного устройства; на фиг. 4-7 кривые, характеризующие зависимость параметров крови от StO₂ и Ht.

Устройство содержит два излучателя 1 с длинами волн, лежащими по обе стороны от изобестической длины волны, щелевую диафрагму 2, цилиндрическую кювету 3, в качестве которой может быть использован светопрозрачный участок магистрали аппарата искусственного кровообращения, два фотодетектора 4 и 5, причем один из них 4 с большой приемной апертурой соединен с предусилителем 6, а второй 5 с малой приемной апертурой соединен с предусилителем 7. Генератор 8 одним из своих выходов связан с блоком 9 коммутации. Оба предусилителя 6 и 7 своими выходами связаны с входами блока 9 коммутации, выходы которого соединены с системой 10 регистрации. Два других выхода генератора 8 связаны с излучателями 1, обеспечивая их питание.

Излучатели 1 расположены один под другим в плоскости, проходящей через ось кюветы 3 (фиг. 1). На линии, перпендикулярной данной плоскости, расположен фотодетектор 4 с большой приемной апертурой, причем эта линия проходит через центр светочувствительной площадки и составляет с ней прямой угол. Фотодетектор 5 с малой апертурой расположен на прямой, проходящей через центральную точку устройства и лежащей в плоскости, перпендикулярной оси кюветы, и составляющей угол α не более 120^о с направлением распространения излучения от излучателей 1 (фиг. 2). Подобное ограничение по этому углу обусловлено немонотонностью зависимости интенсивности инфракрасного излучения рассеянного в крови, принимаемого фотодетектором 5 при больших углах, от Ht.

В качестве излучателей 1 использованы светодиоды с длинами волн λ₁= 0,65 мкм и λ₂ 0,96 мкм соответственно, включающиеся попеременно с частотой f 0,5 кГц и длительностью импульса примерно 0,25 мкс. Для формирования световых пучков использована щелевая диафрагма 2 (10х0,5 мм). В качестве фотодетекторов 4 и 5 использованы кремниевые фотодиоды с большой и малой приемными апертурами. Система регистрации разработана на базе процессора.

Устройство работает следующим образом. Излучение от поочередно включаемых с помощью генератора 8 излучателей 1 с помощью щелевой диафрагмы 2 формируется в квазиколлимированные световые пучки с углом расходимости примерно 5-10^о и освещает кровь, находящуюся в цилиндрической кювете 3. Рассеянное в крови излучение регистрируется фотодетекторами 4 и 5. Фототоки с фотодетекторов 4 и 5 усиливаются предусилителями 6 и 7 и поступают на вход блока 9 коммутации, где выделяются импульсы фототока, соответствующие излучению каждого из излучателей 1 и каждого из фотодетекторов за счет связи блока 9 коммутации с генератором 8. Затем усиленные и выделенные сигналы поступают в блок 10 регистрации и отображения, где осуществляется их анализ и обработка по алгоритму, зашитому в процессор.

На фиг. 4-7 представлены зависимости регистрируемых параметров от StO₂ и Ht. На этих фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: I_к⁴и I_ик⁴ фототоки с фотодетектора 4, соответствующие интенсивностям излучения рассеянного в крови от красного и инфракрасного излучателей, соответственно, I_ик⁵ фототок с фотодетектора 5, соответствующий интенсивности инфракрасного излучения, рассеянного в крови, P₁ I_ик⁴/I_к⁴˙Р₂ I_ик⁴/I_ик⁵.

Определение StO₂ основано на сопоставлении фототоков, пропорциональных интенсивностям рассеянного кровью излучения ближнего инфракрасного (0,96 мкм) и красного (0,65 мкм) диапазонов, регистрируемых фотодетектором 4. В качестве информативного параметра Р₁используется отношение величин сигналов инфракрасного и красного излучений I_ик⁴/I_к⁴. Значение StO₂ вычисляется как функция этого параметра: StO₂ f(P₁). Благодаря использованию в качестве фотодетектора 4 фотодиода с большой приемной площадкой и его расположения относительно кюветы с кровью исключается влияние на характер зависимости StO₂ f(P₁) индивидуальных характеристик крови (и в том числе Ht). Как видно из фиг. 4, указанная зависимость имеет линейный характер в большом диапазоне значений StO₂. Измеренное подобным образом значение Р₁ позволяет однозначно определить текущую величину StO₂.

Для определения Ht используются два фотодетектора 4 и 5, расположенные под разными углами к оси световых пучков, что эквивалентно их различному удалению от источников излучения. Необходимость пространственного разделения фотодетекторов обусловлена тем, что интенсивность рассеянного излучения данной длины волны в каждой точке исследуемой среды (крови) зависит от концентрации эритроцитов, значения StO₂ и интенсивности излучения светодиодов. Т. е. при фиксированном значении StO₂ распределение диффузной интенсивности по диаметру оптической кюветы будет определяться текущим значением Ht.

Таким образом, используя соотношение интенсивностей диффузно рассеянного в крови излучения инфракрасного спектрального диапазона, регистрируемого в двух пространственно разнесенных точках, и зная значение StO₂, можно однозначно определить значение Ht. В заявляемом устройстве для определения Ht предлагается использовать отношение P₂интенсивностей рассеянного в крови инфракрасного излучения, регистрируемого фотодетекторами 4 и 5. Полученный параметр Р₂I_ик⁴/I_ик⁵ и независимо определенное значение StO₂ f(P₁) позволяют определить текущее значение Ht на основе предварительно полученных зависимостей Ht f(P₂, StО₂), зашитых в виде матрицы значений в процессор. Выбор канала обработки инфракрасного сигнала в качестве информативного для определения Ht обусловлен монотонностью получаемых зависимостей в заданном диапазоне значений Ht и StO₂ (фиг. 7). При использовании красного канала монотонность отсутствует.

Использование: медицинская техника. Сущность изобретения: устройство включает два фотодетектора, один из которых с диаметром D светочувствительной площадки расположен под углом 90° к оптической оси устройства, а другой на оси, выходящей из точки пересечения оси устройства с осью цилиндрической кюветы, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической кюветы и развернутой относительно оптической оси устройства на угол не более 120°, при этом диаметр D светочувствительной площадки фотодетектора больше диаметра d светочувствительной площадки дополнительного фотодетектора. 7 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВИ, содержащее светодиодные излучатели, соединенные с генератором и оптически связанные с фотодетектором с диаметром D светочувствительной площадки через цилиндрическую кювету для размещения исследуемой среды, при этом светодиодные излучатели расположены по одну сторону от цилиндрической кюветы, симметрично относительно оптической оси устройства, которая, в свою очередь, перпендикулярна к оси цилиндрической кюветы, а фотодетектор соединен через предусилитель с блоком коммутации, который соединен с блоком регистрации, отличающееся тем, что в устройство введен дополнительный фотодетектор с диаметром d светочувствительной площадки, оптически связанный через цилиндрическую кювету со светодиодными излучателями и расположенный на оси, выходящей из точки пересечения оси устройства с осью цилиндрической кюветы, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси цилиндрической кюветы и развернутой относительно оптической оси устройства на угол не более 120^o, фотодетектор с диаметром D светочувствительной площадки расположен под углом 90^o к оптической оси устройства, причем диаметр D светочувствительной площадки фотодетектора больше диаметра d светочувствительной площадки дополнительного фотодетектора.