Фотоплетизмограф Советский патент 1988 года по МПК A61B5/02 

1393390

I j j w

хранения, источник 9 опорного напря-компаратор 18, элемент И 19, детекжения, управляемые генераторы 10, 12тор 21 минимальных значений, измеритока, ключи 11, 13, переключатель 14,таль 22 амплитуды пульсовой волны,

.накопительньй конденсатор 15, форми измеритель 23 кровенаполнения ткани.

рователь 16, блоки 17, 20 селекции.

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

f

Изобретение относится к медицин- с;кой технике и может быть использо- нано в физиотерапии и функциональной Лиагностике для контроля и изучения периферического кровотока при Диагностике состояния сердечно-сосудистой системы человека, Целью изобретения является повыше ф1е точности измерения амплитудных и араметров кровенаполнения тканей в| условиях изменякш(ихся внешних све т|овых потоков.

I На фиг. 1 представлена функциональная схема фотоплетизмографа| на здиг. 2. - эпюры, поясняющие его ра брту.

i Фотоплетизмограф содержит источ- HtiK 1 света и фотоприемник 2, устанавливаемые на биообъекте (не показан), генератор 3 импульсов, соеди- н гнные последовательно фильтр 4 низ- кЬй частоты и самописец 5,, а также с)единенные последовательно согла- с;| ющий элемент 6, блок 7 вычитания с 1гнала засветки, блок 8 выборки- хранения, выход которого подключен к фильтру 4 низкой частоты, соединен последовательно источник 9 опор- напряжения, первые управляе- генератор 10 тока, первый ключ 1, второй управляемый генератор 12 тфка, второй ключ 13, первый вход которого соединен с входом источника 1 света, а второй - с выходом ге- HetpaTopa 3 импульсов и вторым входом 6jfoKa 7 вычитания сигнала засветки, пбфеклгочатель 14, Нсжопнтельный кон- д€1нсатор 15, соединенные последовательно формирователь 16, первьй блюк 17 селекции, компаратор 18., эл1емент И 19, второй вход которого соединен с переключателем 14 рода работ, а выход -с BTopibiM входом пер вого ключа 11, выход которого подключен к накопительному конденсатору 15, второй блок 20-селекции, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом и выходом

первого блока 17 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 значений, вход которого соединен с выходом фильтра 4 низкой частоты, измеритель 23 кровенаполнения ткани, подключенный к выходу второго управляемого генератора 12 тока. Выход фотопрйемника соединен с входом согласующего элемента 6, вход формирователя 16 подключен к выходу генератора 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 п - числа натурального ряда; К - 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 вькоде представляет собой непрерывную последовательность

K(n-t-l) импульсов. Полученные сигналы используются для удравления работой всего устройства.

Фотоплетизмограф работает следую- щим образом.

По приходу из генератора 3 прямоугольных импульсов уровня логического нуля на второй вход второго ключа 13 последний закрывается и ток с выхода второго генератора 12 тока, управляемого напряжением, проходит через источник 1 света, который при этом излучает световой поток, пропорцио- нальный току, проходящему через него Часть светового потока, прошедшая через исследуемую ткань, попадает на фотоприемник 2. Фототок фотоприемника 2 преобразуется далее в согласую- щем элементе 6 в пропорциональное этому току напряжение. Кроме светового потока, проходящего от источника 1 света, на фотоприемник 2 попадает также внешний световой поток, и напряжение полезного сигнала на выходе согласующего элемента 6 повышается на величину, пропорциональную этому внешнему световому потоку. Назовем эту дополнительную величину напряже- 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 сни- жает достоверность полезного сигнала.

Дпя 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 тра- диционного разделительного конденсатора вызвано необходимостью срхране- . 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

10 15 20 25 ЗО с

Q дЗ

50

55

вход блока 8 выборки-хранения. Последний стробируется импульсами, поступающими от второго блока 20 селекции. При этом по приходу на второй вход блока 8 выборки-хран1ения каждого К(п+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

7вычитания 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 А) представляет собой кусочно-линейную аппроксимацию сигнала пульсовой волны. Реальньй сигнал пульсовой волны имеет явно выраженные минимумы в моменты времени, соответ- ств тощие 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 Uj,,, U .

8результате удара пульса на графике появляется провал амплитудной &U, при этом на выходе детектора 21 минимальных значений появляется постоянное напряжение амплитудной U, -ди. 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 в ыхода фильтра 4 низкой частоты (фиг. 2, диаграмма 5). Одновременно на первый вход компаратора 18 поступает сигнал из блока 7 вычитания сигнала засветки.

Компаратор 18 стробируется импульсами, приходящими на первый вход в момент времени t,K-n, В этот момент происходит сравнение амплитуд одного и того же сигнала (огибающей сигнала модуляции), соответствующих разным моментам времени. Если на первом входе компаратора 18 присутствует сигнал, соответствующий текущему времени t, К-п, то на втором входе компаратора 18 присутствует сигнал, амплитуда которого запомнена в прошедший момент. При технической реализации устройства выбрано число . При меньшем числе К разность времен сравниваемых сигналов недостаточная, 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 достаточно взять число . Когда огибающая сигнала модуляции возрастает или находится на одном уровне, то в момент прихода на компаратор 18 стробирующего импульса из блока 20 селекции на выходе компаратора 18 устанавливается уровень, который через элемент И 19 поступает на второй вход первого ключа I1.

Последний открывается и замыкает цепь коррекции тока источника 1 света. При этом осуществляется сравн ние амплитуды сигнала пульсовой волны в текущий момент времени с амплитудой сигнала на вьпсоде блока 8 выборки-хранения, запомненный в предыдущем такте. Таким образом, происходит оценка характера изменения кривой сигнала пульсовой волны. Если кривая испытывает 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 испытывает подъем или остается на одном уровне, то на выходе компаратора 18 присутствует разрешающий уровень,

0

0

5

первый ключ 1I 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 управляе- 5 мого 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 первьй 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 первьй ключ 11, заряжает или разряжает накопительньй 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 вы- ,читания 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 6) 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 канапу обрывается и появляется- возможность определить величину

0

5

0

5

0

5

71393390

сигнала пульсовой волны. Сигсре та по кр

нал с выхода блока 7 вычитания сигна- ла засветки, пройдя через блок 8 выборки-хранения и фильтр 4 низкой частоты (фиг. 2, диаграммы 7 и 8, форма сигналов на выходе блока 8), в случае коррекции тока, питающего источник 1 света, поступает на в-ход детектора 21 минимальных значений. Сигнал на выхо- Ю позволяет помимо графической регистс накопительного конденсатора 15 через буферный элемент, входящий в состав второго управляемого генератора 12 тока, с второго выхода последнего поступает на измеритель 23 степени кровенаполнения ткани.

Таким образом, фотоплетизмограф

да последнего отличается от опорного напряжения на величину провала кривой пульсовой волны л и (фиг. 2, диаграмма 8). Измеритель 22 измеряет разность потенциалов между опорным H пряжением и напряжением на выходе детектора 21 минимальных значений, что при соответствующей калибровке позволяет измерять коэффициент модуляции сигнала пульсовой волны непосредст- венно в процентах.

При корреляции тока источника 1 света сигнал подвергается принудительному искажению, что не позволяет

иметь полную- информацию о форме пуль- 25 тканей в условиях изменяющихся совой волны-(фиг, 2, диаграммы 7 и 8). внешних световых потоков, в него вве- Во избежание этого недостатка в уст- дены соединенные последовательно со- ройстве предусмотрен переключатель 14 гласующий элемент, блок вычитания рода работ на два положения. При изменении коэффициента модуляции пере- о ключатель устанавливается в положесигнала засветки, блок выборки хранения, выход которого подключен к фильтру низкой частоты, соединенные.последовательно источник опорного напряжения, первьм управляемьй генератор тока, первьш 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 последовательно формирователь, первьй блок селекции, компаратор, элемент И, второй вход которого соединен с перение, 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, когда все блоки устройства благодаря на личию коррекции тока источника .1 света выходят в оптимальный режим, перевести переключатель 14 в другое положение, при котором на выходе элемента И 19 постоянно присутствует уровень, закрывающий первый ключ 11, то коррекция тока источника 1 света

отключается и сигнал на выходе фильт- . ключателем рода работ, а выход - с

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 оп- 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

55

вторым входом первого ключа, выход которого подключен к накопительному конденсатору, второй блок селекции, первый и второй входы которого соед нены соответственно с входом и выхо дом первого блока селекции, а выход с вторым входом блока выборки-хране ния, вход которого подключен к второму входу первого управляемого ген ратора и второму входу компаратора, третий вход которого соединен с вых дом фильтра низкой частоты, соедине ные последовательно детектор минимальных значений и измеритель ампли

озволяет помимо графической регистс накопительного конденсатора 15 через буферный элемент, входящий в состав второго управляемого генератора 12 тока, с второго выхода последнего поступает на измеритель 23 степени кровенаполнения ткани.

Таким образом, фотоплетизмограф

Ф

рации фотоплетизмограммы измерять амплитуду пульсовой волны, а также степень кровенаполнения ткани.

ормула изобретения

Ф

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 кровенапрлне тканей в условиях изменяющихся внешних световых потоков, в него вве- дены соединенные последовательно со- гласующий элемент, блок вычитания

сигнала засветки, блок выборки хранения, выход которого подключен к фильтру низкой частоты, соединенные.последовательно источник опорного напряжения, первьм управляемьй генератор тока, первьш 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 последовательно формирователь, первьй блок селекции, компаратор, элемент И, второй вход которого соединен с пере

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 минимальных значений и измеритель ампли9139339010

туды пульсовой волны, второй вход ко-полнения ткани, подключенньм к второторого соединен с выходом источникаj выходу второго управляемого генеопорного напряжения и вторым входомратора тока, выход фотоприемника

детектора минимальных значений, вход соединен с входом согласующего элекоторого соединен с выходом фильтрамен та, вход формирователя подключен

низкой частоты, измеритель кровена-к выходу генератора импульсов.

Ui (17

1

М I I I I I I I I I М I i I I I t I I I М I t I I I I t t I I I I I I M r I I I I

,j(

2 Itl Mill ntri II ntt 11 I I II M mniMM t It in HI

.,

Фиг 2