Фотооксигемометр Советский патент 1982 года по МПК A61B5/00 

1

Изобретение относится к медицинекой 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-j,, ройство для измерения степени насьицения крови кислородом, содержащее источник света включающий оптическую систему, связанную с сосудом, который открытой частью прижимается к поверх-,j 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- 20 емника, формирующие сигналы, пропорциональные интенсивности рассеянного света в двух спектральных диапазонах, усилители, устройство определения

отношения интенсивностей рассеянного кровью света и регистратор 1.

Недостаток известного устройства заключается в том, что его оптическая схема является одноканальной для каждого Спектрального диапазона излучения, поэтому определяются не количественнь1е оптические характеристики крови, а интенсивности световых потоков в двух спектральных диапазонах. При этом 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 циркуляция крови в сосудах, расположенных в области укрепления датчика.

Цель изобретения - noBHiueHiie точности определения степени оксигенации крови путем автоматического определения количественнь.х оптических ха. рактеристик крови в исследуемых тканях поверхности тела независимо от особенностей кожного покрова. Поставленная цель достигается тем что в фотооксигемометр 5 содержащий генератор тактовых импульсов, усилитель, регистратор, двухаолновый источник света и два фотоприемникаj введены источник эталонного напряжения, аналоговое запоминающее устройство, сумматор и переключатель, первь|й вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, причем уси литель выполнен в виде дифференциаль ного усилителя, выход которого соеди нён с первым входом сумматора, первы выход переключателя подключен к первому входу усилителя и второму входу сумматора, второй и третий выходы пе ключателя соединены с входами источника света} четвертый выход перекльоч теля соединен с регистратором, пятый и шестой - со вторым входом дифферен циального усилителя, седьмой - со входом аналогового запоминающего уст ройства, а второй, третий, четвертый пятый и шестой входы переключателя соединены соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, сумматора 5 аналогового запоминающего устройства, источника эталонного напря ке ,ия5 кроме того, фотоприемники установлены на разном расстоянии от двухволнового источника света. На чертеже изображена структурная электрическая схема фотооксигемометра. Устройство содержи генератор 1 тактовых импульсов, усилитель 2 диф ференциальный.) , регистратор 3, деухволновый ИСТО1-1НИК ч с-вета, фотоприемники 5 и 6, источник 7 эталонного напряжения, аналоговое запомина1оа ее устройство 8, сумматор Э) переключатель 10, причем выход переключателя 10 соединен с генератором 1 тактовых импульсов, выход дифференциального усилителя 2 соединен с первым входом сумматора 9 первый выход переключателя 10 подклю чен к первому входу усилителя 2 и второму входу сумматора 9. второй и третий выходы переключателя 10 соеди нены со входами источ1-5ика k света, четвертый выход переключателя 10 соединен с регистратором 3, Г1ятый и шестой - со вторым входом дифференциального усилителя 2, седьмой со входом аналогового запоминающего 9 устройства 8, а второй, третий, четвертый, пятый и шестой аходы переключателя 10 соединены соответственно с выхода ии первого 5 и второго 6 фотоприемников, сумматора 9 аналогового запоминающего устройства 8. источника 7 эталонного напряжения, двухлучевой источник света и фотоприемники 5 и 6 накладываются на исследуемую ткань. Кроме того, фотоприемникй-устанавливаются на разном расстоянии от двухлучевого источника света. Устройство работает следуюигим об разом. Генератор 1 тантовых импульсов формирует на выходе первый тактовый импульс, который поступает на первый управляющий вход переключателя 10 и устанавливает е.гс в первое положение,. Напряжение с источника / эталонного напряжения поступает через пере ключатель 10 на первый вход дифференциального усилителя 2 и второй вход сумматора Э, с выхода которого сформированный сигнал через переключатель 10 поступает на второй вход источника 4 света, который формирует световой поток в первом спектральном диапазоне (например, область 660 нм), поступающий в исследуемую ткань и взаимодействующий с ней. Часть потока, спределяемая обрат. ным светорассеянием гкани с содержаш,ейся в ней кровью, падает на фотоприемники 5 и 6, Интенсивность света, падающего на фотоприемники 5 и 6 в первом спектральном диапазоне определяется степенью насьииения гемоглобина крови кислородом и расстоянием до фотогриемников, Фотоприемники 5 и 6, имеимеющие линейную энергетическую характеристику фототока (например, фотодиоды) . преобразуют падающие на них световые потоки э электрические сигналы. Сигналы со второго фотоприемника 6 через переключатель 10 поступают на второй вход дифференциального усилителя 25 который формирует на выходе усиленный сигналJ пропорциональный разности напряжений с выхода фотоприемника 6 и источника 7 эталонного напряжения. Этот сигнал поступает на второй вход сумматора Ч, где складывается с напряжением источника 7 эталонного напряжения, В результате на выходе сумматора 9 формируется скорректированный сигнал, изменяющий величину светового потока источника света (без изменения спектрального состава излучения) таким образом, чт 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 образом, образуется контур отрицательной обратной связи, в который входят источник 7 эталонного напряжения, дифференциальный усилитель 2, сумматор 9, двухволновый источник k света, исследуемая ткань и фотоприемник 6. Одновременно световой поток источ ника света, отличающийся в соответ ствии с оптическими свойствами иссле дуемой ткани на участке, равном разности путей прохождения света, посту пает на первый фотоприемник 5, с выхода которого электрический сигнал через переключатель 10 поступает на вход аналогового запоминающего устройства 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 пер вого такта световой поток источника k поступает в исследуемую ткань, вза падает на первый и второй фотоприемники. Однако во втором такте источ ник t света формирует световой поток во втором спектральном диапазоне (.на пример, область 805 нм}, который соответствует одной из изобестических точек, а в контур отрицательной обра ной связи вместо фотоприемника 6 вклю чен первый фотоприемник 5, и вместо источника 7 эталонного напряжения аналоговое запоминающее устройство 8 Контур отрицательной обратной связи работает как и в первом такте, т.е. таким образом, чтобы напряжение, фор мируемое фотоприемником 5i было равно напряжению, заполненному в ячейке ана логовой памяти 8, в результате чего напряжения, формируемые фотоприемником 5 в первом и втором спектральных диапазонах, равны. Но электрический сигнал, формируемый вторым фотоприемником 6 во втором такте, не будет равен сигналу, формируемому в первом такте (напряжению источника 7 эталон 96 ного напряжения). Поскольку расстояние для прохождения света в исследуемой ткани от двухволнового источника k света до первого и второго фотоприемников 5 и 6 отличается на одну и ту же 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 8 ней кровью в двух спектральных диапазонах и не зависит от мощности излучения двухволнового источника света k, 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 следуЮ1чем. Пусть Я - средняя длина волны излучения источника t в первом г спектральном диапазоне; Л - средняя длина волны излучения источника k во втором спектральном диапазоне, котоный соответствует одной из изобестических точек; fi. () коэффициент обратного светорассеяния исследуемой ткани 11 для излучения с длиной волны Л на участке от источника света до первого фотоприемника Jj Р,((Л)/Ф(Л, (Я где Ф (Л )- световой поток источника света с длиной волны Л , поступающий в исследуемую ткань) С) световой поток, поступающий после взаимодействия с тканью на первый фото- . приемник. Коэффициент р (Л)показывдет, какая часть потока фц(л),посл-е взлимодейс т-79ВИЯ с тканью поступает на первый фотоприемник 5) характеризует оптическое свойство участка ткани с содер жащейся в ней кровью 8 первом спектральном диапазоне. Соответственно для второго фотопри емника 6 запишем Fa()) о.) где р„ (.) коэффициент обратного светорассеяния исследуемой ткани для излучения с дли ной волны Xi , на участке до второго фотоприемника 6; Ф„ (А)- часть светового потока Фд(,Л|з), поступающая на второй фотоприемник: 6. Поскольку рассеяния для прохождения света в исследуемой ткани от источника k света до первого и второго фотоприемников 5 и 6 отличаются на постоянную величину, то и коэффициенты р (Л ) и р,(Л„)не будут равны Для второго спектрального диапазона Введены аналогичные коэффи1:1ИентыР. --,(1%(г} , U2)(2bH) где Фд (А2) световой поток источника 4 света с длиной волны Л2, поступающий в ткань; ()( У соответственно световые потоки, поступающие после взаимодействия с тканью 11 на первый и второй фотоприемники 5 и 6. Обозначимчувствительность первого фотоприемника 5 для излучения с длиной волны Д и 2 соответственно и 5(Л2), аналогично для второго фотоприемника 6 S(A) и , а электрические сигналы, формируемые о фотоприемниками 5 и 6 в первом такте работы соответственно V(A) и Л Тогда V,(ЛJ S,(A,)Ф,(Л)--5,()p(ЛJФo() () (А,)СА,)%()5((,)ФоС) в первом такте сигнал V2() поступает на второй вход дифференциального усилителя 2, на первый вход которого подается сигнал V с выхода источника 7 эталонного напряжения. 98 На выходе дифференциального усилителя 2 формируется сигнал w.. где К- - коэффициент усиления, дифференциального усилителя. Поскольку дифференциальный усилитель 2 включен в контур отрицательной обратной связи, то при К,5 1 разность напряжений на его выходе стремится к нулю, т.е. f9 V() (8). Подставив (6) 8 (8), получаем М,--5()р(,)Фо). откуда j Подставив (3) в (5), получаем ,) () TN)M4) ° Напряжение /(Л) в первом такте Работы запоминается в аналоговом запоминающем устройстве 8, Запоминание может сопровождаться преобразованием в Кп раз, тогда запомненный сигнал /п определяется выражением з,(л)) (1-1) п -S.iiA2)PiCM э Аналогично можно показать, что во втором такте работы на выходе второго фотоприемника 6 выходное .наприжение определяется выражением г,(}р(} , , , .(4)) Подставим значение /п из (11) в(12}3 (Л )5„(,,) Р,(Л)) / (д л-- - i- - L) V а. ) Pi 1 )fl 2 y Обозначим . . , P-i ( )/P2 -Р i Si(4)/Pi() гдер(Л) ирСл) - коэффициенты обратного светорассеяния участка ткани на участке между первым и вторым фотоприемниками соответственно в первом и втором спектральных диапазонах. Поскольку расстояние, которое проходит световой поток обоих спектральных диапазонов в исследуемой ткани от второго фотоприемника 6 к первому фотоприемнику 5 постоянно, отношение коэффициентов р (А )/р (Л2)характеризует оптические свойства крови в выраженных спектральных диапазонах на одном и том же участке ткани от пер вого фотоприемника до второго, В выражении (13) обозначим 5,(/V,)-5 (А ) I/ V -i-r- - а ( Тогда формула (13) примет вид ((-,}19( (1) в (15 ) коэффициент а является постоянной величиной, которую регулировкой Vj или Кр легко привести к такому значению, чтобы сигнал /(Л) соответствовал степени насыщения ге моглобина крови кислородом в соответ ствии с врыажением, указанным в Сигнал /,(Д) поступает на регистратор 3, который может быть отградуиро ван непосредственно в единицах степени оксигенации крови. Отличия в спектральной чувствительности фотоприемников 5 и 6 не влияют на работу устройства, посколь ку 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 рабочем 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, формула изобретения фотооксигемометр, содержащий генератор тактовых импульсов, усилител регистратор, двухволновыи источник света и два фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения степени оксигенации крови путем автоматического определения количественных оптических характеристик крови а 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 усилитель 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 регистратором, 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 запоминаю114его 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 № 52-25670, кл. А 61 В 5/1, .