Фотоплетизмограф своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
1. Фотоплетизмография в медицинской практике
Длительность, активность и качество жизни во многом зависят от состояния кровеносных сосудов, и, напротив, все патологии оказывают влияние на микроциркуляцию крови. Именно поэтому анализ состояния сосудистого русла, включая капилляры, помогает выявить заболевания на ранних стадиях, а также контролировать процесс терапии. Для этих целей оптимально подходит фотоплетизмография - неинвазивный, надежный и быстрый метод диагностики, когда при помощи специального устройства регистрируются пульсовые волны (волны повышенного давления в сосудах) за счет изменения светопропускания тканей в зависимости от кровенаполнения крупных сосудов в течение сердечного цикла.
Фотоплетизмография используется специалистами в терапевтической диагностике, сосудистой хирургии, кардиологии, эндокринологии и других областях и оценивает насыщение крови кислородом, уровень стресса, изменения сосудов при сахарном диабете, атеросклерозе, гипертензии, склонность к тромбозу и варикозному расширению вен, а также благодаря регулярным замерам спортсмены дозируют нагрузку, тренеры составляют индивидуальные программы, а пользователи современных фитнес-трекеров достаточно объективно оценивают свой индивидуальный режим труда и отдыха.
В ежедневной практике физиологов и клиницистов большую ценность представляет не столько сырой сигнал фотоплетизмографии, сколько результаты контурного анализа пульсовой волны и вытекающие из него жизненно важные выводы. Оценка пульсовой волны происходит при помощи различных функциональных проб. К примеру, компрессионный и декомпрессионный тест с определением давления в плечевой артерии показывает состояние венозного кровотока, медикаментозная проба с нитроглицерином оценивает толерантность к нитратам и т.д.
Пульсовая волна обрабатывается в микрокомпьютере, входящем в состав фотоплетизмографа, а результаты анализа позволяют рассчитать и вывести на экран ЧСС, выявлять нарушения сердечного ритма, предупреждать об опасных нарушениях и “выпадениях пульса”, высчитывать среднюю амплитуду пульсаций и сигнализировать о ее выходе за пределы нормы, а также отражать величину ударного объема крови, выталкиваемого клапанами сердца. При оценке дыхательных волн фотоплетизмограф контролирует глубину и “стиль” дыхания и подает тревожные сигналы при длительной остановке или опасных респираторных нарушениях.
2. Метод измерения пульсовой волны
Закрепление и ношение на теле датчиков с функцией фотоплетизмографа весьма эффективно при обследовании пациентов с артериальной гипертензией, так как в случае применения тонометра и даже устройства суточного мониторинга АД замечено значительное искажение результатов замеров и отсутствие полной картины динамики изменения показателей. Трудности диагностики и дискомфорт пациента связаны как с “эффектом белого халата”, так и со слишком большими интервалами между измерениями, которые сопровождаются сильным пережатием плечевой артерии манжетой до полного подавления пульсаций крови.
Оригинальный алгоритм расчетов при фотоплетизмографии, напротив, позволяет осуществлять непрерывный и неинвазивный мониторинг АД в течение длительного периода времени с достаточно высокой точностью и с минимальными неудобствами для пользователя, а анализ полученной информации о систолическом, диастолическом, среднем и боковом АД, о площади поперечного сечения сосуда, сердечном выбросе и общем периферическом сосудистом сопротивлении помогает лечащему врачу своевременно скорректировать антигипертензивную терапию и избежать стойкого повышения давления у пациента, тем самым значительно снизив риск грозных осложнений в виде инфарктов, инсультов, развития почечной или сердечной недостаточности.
Несмотря на высокую эффективность описанного метода, его применение в широкой клинике было ограничено из-за больших размеров, сложной конструкции и высокой стоимости специальных плетизмографов, в основном, используемых для научных исследований. Лишь с внедрением датчиков, работающих по принципу фотоплетизмографии, в фитнес-трекеры, ситуация начинает меняться в лучшую сторону. Разработаны удобные фитнес-браслеты для контроля кардио-респираторных показателей, легкие и эргономичные, при этом по качеству и характеристикам не уступающие профессиональному оборудованию и достоверно регистрирующие форму пульсовой волны с точностью измерения АД не ниже 98%.
Фитнес-браслеты нового поколения фиксируют около 200 сигналов. Они оснащены системой оповещения об отклонениях показателей, синхронизированы с ПК и смартфонами через приложения и программы, имеющие инструменты для анализа ЧСС, контурного анализа пульсовой волны и состояния сосудов, вариабельности сердечного ритма, величины и наполненности пульса. В памяти накапливаются статистические и динамические данные АД и данные кардиограммы из двух точек, а программное обеспечение некоторых моделей поддерживает даже построение ритмограмм, скатерограмм и гистограмм.
Продолжительность ношения фитнес-браслета для измерения АД прямо пропорциональна объему накапливаемой информации и объективности медицинского заключения на ее основе. При этом для врачей существует отдельное приложение с расширенным инструментарием и возможностью вести неограниченное количество пациентов, анализировать состояние сердечно-сосудистой системы, сравнивать динамику и отслеживать реакцию на нагрузку и лекарственные препараты, а также передавать рекомендации пациенту.
Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться в функциональной диагностике. Технический результат от использования изобретения - повышение помехоустойчивости от источников искусственного освещения. Указанный технический результат достигается тем, что в фотоплетизмографе, содержащем генератор импульсов, источник света, усилитель, фильтр нижних частот и фотоприемник, усилитель выполнен в виде синхронного селективного усилителя, и фотоплетизмограф дополнительно содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов, первый выход которого соединен с входом управления управляемого преобразователя напряжение/ток и входом синхронизации синхронного демодулятора, второй, третий, четвертый и пятый выходы соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами синхронизации синхронного селективного усилителя, сигнальный вход которого подключен к выходу фотоприемника, а выход к сигнальному входу синхронного демодулятора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с сигнальным входом управляемого преобразователя напряжение/ток и через полосовой фильтр с выходом фотоплетизмографа, выход управляемого преобразователя напряжение/ток соединен с цепью управления интенсивностью излучения источника света. 1 н.п. + 3 з.п. ф-лы п.м., 4 ил.
Полезная модель относится к медицинской технике и может использоваться в функциональной диагностике.
Из описания к авторскому свидетельству СССР №1591948, МПК 3 А61В 5/02, публ. 1990 г. известен фотоплетизмограф содержащий источник излучения, два фотоприемника, схему сравнения и регистрирующий прибор. Недостатком этого фотоплетизмографа является низкая точность, вызванная влиянием теплового излучения на кроветок в процессе измерения, влиянием нестабильности источника излучения, различными площадями фотоприемников и различными расстояниями от источника излучения до первого и второго фотоприемников.
Авторским свидетельством СССР №786983, МПК А61В 5/02, публ. 1979 защищен фотоплетизмограф, содержащий фотоэлектронный датчик с фотоприемником, усилитель переменного тока, выполненный в виде регулируемого усилителя, демодулятор, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и регистрирующий прибор. Недостатками этого устройства являются недостаточная достоверность выделения плетизмограммы, так как для наиболее точного воспроизведения плетизмограммы необходимо обеспечить неизменные внешние условия работы: специальная подсветка источников инфракрасного света, экранировка внешних источников света и т.д. и кроме того достоверность также зависит от наличия импульсных помех.
Фотоплетизмограф, защищенный патентом Российской Федерации №2032376, МПК 6 А61В 5/0295, публ. 1995 г., содержит последовательно соединенные генератор импульсов, амплитудный модулятор и источник света и последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель, выпрямитель, фильтр низких частот и полосовой усилитель, а также блок автоматической регулировки интенсивности излучения, последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, компаратор и формирователь импульсов, при этом блок автоматической регулировки интенсивности излучения включен между выходом фильтра низких частот и управляющим входом амплитудного модулятора, входы дифференциального усилителя, формирователя импульсов, полосового усилителя и блока автоматической регулировки интенсивности излучения подключены к входам регистратора и являются соответственно выходами первой производной сигнала пульсации кровотока, сигнала моментов перехода этой производной через нуль, сигнала пульсации кровотока, сигнала постоянной составляющей фотоплетизмограммы.
Такой фотоплетизмограф отличается повышенной сложностью и имеет недостаточно высокую помехозащищенность от источников искусственного освещения.
Из описания к патенту Российской Федерации №2054884, МПК 6 А61В 5/0295, публ. 1996 г. известен фотоплетизмограф, содержащий источник света, фотоприемник,
последовательно соединенные регулируемый усилитель переменного тока, демодулятор, фильтр низких частот и усилитель постоянного тока, выход которого подключен к входу управления регулируемого усилителя переменного тока, а также блок регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений за счет обеспечения помехозащищенности, в него введен усилитель-ограничитель с управляемым порогом, информационный вход которого подключен к выходу фотоприемника, выполненного с логарифмической световой характеристикой, вход управления соединен с выходом усилителя постоянного тока, а выход - с входом регулируемого усилителя переменного тока, при этом выход демодулятора подключен к блоку регистрации. Этот фотоплетизмограф принят в качестве прототипа заявляемых технических решений. Недостаток прототипа - невысокая помехозащищенность от источников искусственного освещения.
Технический результат от использования полезной модели - повышение помехоустойчивости и
Указанный технический результат достигается тем, что в фотоплетизмографе, содержащем генератор импульсов, источник света, усилитель, фильтр нижних частот и фотоприемник, усилитель выполнен в виде синхронного селективного усилителя, и фотоплетизмограф дополнительно содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов, первый выход которого соединен с входом управления управляемого преобразователя напряжение/ток и входом синхронизации синхронного демодулятора, второй, третий, четвертый и пятый выходы соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами синхронизации синхронного селективного усилителя, сигнальный вход которого подключен к выходу фотоприемника, а выход к сигнальному входу синхронного демодулятора, выход которого через фильтр нижних частот соединен с сигнальным входом управляемого преобразователя напряжение/ток и через полосовой фильтр с выходом фотоплетизмографа, выход управляемого преобразователя напряжение/ток соединен с цепью управления интенсивностью излучения источника света. Синхронный селективный усилитель содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с выходом через резистор, а неинвертирующий с нулевой шиной, и два, включающих по четыре аналоговых ключа, коммутационные моста, в каждом из которых в одной диагонали включен конденсатор, а другая диагональ подключена к резистору, включенному между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, при этом управляющие входы аналоговых ключей в противоположных плечах первого коммутационного моста объединены и являются: один - первым входом синхронизации, другой - вторым входом синхронизации, управляющие входы аналоговых ключей в противоположных плечах второго коммутационного моста соединены и являются: один - третьим входом синхронизации, другой - четвертым входом
синхронизации синхронного селективного усилителя. Распределитель импульсов содержит двухразрядный двоичный счетчик, счетный вход которого является входом распределителя импульсов, а единичный выход первого разряда - первым выходом распределителя импульсов, и, подключенный к двухразрядному двоичному счетчику, дешифратор с парафазными входами, первый, второй, третий и четвертый выходы которого являются вторым, третьим, четвертым и пятым выходами распределителя импульсов. Синхронный демодулятор содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через резистор соединен с выходом, а неинвертирующий вход через резистор с корпусом, сигнальный вход синхронного демодулятора соединен через резистор с инвертирующим входом операционного усилителя и через аналоговый ключ, управляющий вход которого является входом синхронизации, соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходом синхронного демодулятора.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блочная схема заявляемого фотоплетизмографа, на фиг.2 - функциональная схема синхронного селективного усилителя, на фиг.3 - функциональная схема распределителя импульсов, на фиг.4 - функциональная схема синхронного демодулятора, на фиг.5 - временная диаграмма работы распределителя импульсов.
От состояния кровеносных сосудов во многом зависит то, насколько долго и активно будет жить человек. Большинство серьезных осложнений возникает именно из-за проблем с сосудами, и наоборот – любые заболевания отражаются на микроциркуляции, т. е. на транспорте биологических жидкостей на уровне тканей организма. Эти проблемы отражаются на форме пульсовой волны и на соотношении анакротической и дикротической фазах пульсовой волны. На анализе пульсовой волны и основан метод фотоплетизмографии.
Этот экспресс-метод исследования сосудов заключается в определении объема крови в капиллярах при просвечивании участка кожи красным и инфракрасным светом. В АПК Медсканер БИОРС-05 (Велнесс) для этого используется пульсоксиметрический датчик. Он надевается на указательный палец левой (или правой) руки, т. к. именно в кончиках пальцев наиболее интенсивный капиллярный кровоток.
КАК РАБОТАЕТ МЕТОД
Объем любого органа включает в себя объем тканей и объем заполняющей его крови. Таким образом, объем тканей постоянен, а объем крови меняется в зависимости от фазы сердечного цикла. Метод фотоплетизмографии представляет собой регистрацию оптической плотности ткани. Исследуемый участок просвечивается красным и инфракрасным светом, который затем попадает на фотопреобразователь. Длина волны излучаемого света подобрана таким образом, чтобы он поглощался эритроцитами в артериальном русле. Поэтому его интенсивность зависит от количества крови в исследуемой ткани. Регистрируемый сигнал называется фотоплетизмограммой, которая оценивается по определенным параметрам.
ДЛЯ ЧЕГО ИСПОЛЬЗУЕТСЯ
Фотоплетизмография помогает выявлять изменения сосудов при сахарном диабете, атеросклерозе, гипертонической болезни. Также по улучшению состояния сосудов можно судить об эффективности лечения или оздоровительных методов, выявлять осложнения после болезни. В частности, этот метод помогает выявить изменения сосудов у людей, перенесших COVID-19.
В спортивной медицине фотоплетизмография помогает разработать индивидуальную программу тренировок. Известно, что интенсивная физическая активность с увеличением мышц в объеме часто приводит к перегрузке вен и даже их разрыву. Регулярный контроль позволяет избежать варикоза (расширения вен) и связанных с этим осложнений.
Метод помогает подобрать индивидуальную диету, исключить из рациона продукты питания, противопоказанием к которым может быть повышенная вязкость крови или нарушения кальциевого обмена. При склонности к образованию тромбов (тромбозу) в сосудах необходимо исключить из рациона куриный желток, печень, икру и т. д., а для предотвращения вымывания кальция из организма необходимо снизить потребление кофе, сахара, пальмового масла.
Проверку на фотоплетизмографе обязательно стоит пройти до начала реабилитационных мероприятий, основанных на вибрационном воздействии (например, на вибрационных платформах), или других упражнений, которые связаны с риском отрыва тромба (такие как прыжки со скакалкой и т. п.). То же касается использования вибрационных кроватей и прочих приспособлений и процедур, которые вызывают вибрацию в организме. Чаще всего тромбы образуются на стенках вен ног. После отрыва тромб переносится током крови и может закупорить сосуд на своем пути. При этом может возникнуть угрожающее жизни состояние, например при закупорке легочной артерии.
РЕАБИЛИТАЦИЯ ПОСЛЕ COVID-19
Оценка фотоплетизмограммы имеет особое значение для реабилитации постковидных пациентов. Как известно, одним из основных осложнений после перенесенной вирусной пневмонии, ассоциированной с COVID-19, является увеличение вязкости крови, которое выливается в гипертонию, тромбоз, миокардит и другие поражения сердечно-сосудистой системы.
На основании значений индекса жесткости и индекса отражения назначаются процедуры и проводится мониторинг состояния сосудов в процессе реабилитации.
СУТЬ МЕТОДА
Пульсовая волна образуется в результате выброса крови левым желудочком сердца во время его сокращения. Давление распространяется по аорте и артериям, и скорость этой волны зависит от ширины просвета сосуда, эластичности и толщины сосудистой стенки, а также от силы сокращения сердца. Поэтому фотоплетизмография помогает выявить признаки сужения (стеноза) и склероза, оценить сосудистый тонус и работу сердца.
На фотоплетизмограмме пульсовая волна состоит из двух частей. Анакротическая фаза [a] соответствует систоле (сокращению сердца), а дикротическая [b] – диастоле (расслаблению). Дикротический пик образует отражение волны крови, которая передается к ногам и направляется обратно в аорту. Считается, что частота и длительность пульсовой волны зависит от сердечной мышцы, а величина и форма пиков плетизмограммы — от состояния сосудистой стенки.
У здорового человека пульсовая волна имеет достаточно крутой подъем и относительно высокую отраженную волну.
Сужение артерий приводит к сглаживанию подъема, удлинению дикротической фазы и уменьшению высоты отраженной волны. При значительном сужении сосудистого просвета отраженной волны может не быть вовсе.
ОЦЕНКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММЫ
Фотоплетизмограмма оценивается по нескольким показателям. Самые важные параметры – индекс жесткости и индекс отражения. По индексу жесткости можно выявить сужение крупных артерий, оценить эластичность их стенок и косвенно оценить кальциевый обмен (чем выше жесткость, тем больше кальция в крови). Индекс отражения, в основном, показывает тонус артериол и мелких сосудов. Повышенный индекс отражения указывает на повышенную вязкость крови, что косвенно может свидетельствовать о наличии холестериновых бляшек и атеросклерозе.
ВИЗУАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММЫ
Для нарушений гемодинамики характерны следующие признаки, визуально определяющиеся на пульсовой волне:
— крутой подъем пульсовой волны, быстрое снижение и незначительное проявление диктротического подъёма происходит при низком периферическом сопротивлении и большом систолическом выбросе и свидетельствует об аортальной недостаточности;
— отсутствие дикротического зубца свидетельствует о наличии сахарного диабета, атеросклероза или гипертонической болезни;
— продолжительная анакротическая фаза пульсовой волны с пологим неравномерным подъемом и слабо выраженном или высоком дикротическом зубце происходит при повышенном тонусе сосудов и может проявляться при начальном атеросклерозе или повышенном давлении.
Наиболее важными считаются первые три признака. Кроме того, при различных заболеваниях на фотоплетизмограмме могут присутствовать и другие особенности: — при облитерирующем эндартериите амплитуда пульсовых волн снижена на всех пальцах пораженной конечности; — в периоды резкой перемены погоды и при магнитных бурях возрастает количество реакций, указывающих на расширение сосудов, особенно у больных ревматизмом.
КАК ПРОВОДИТСЯ ОБСЛЕДОВАНИЕ
Для проведения фотоплетизмографии требуется подключить Медсканер к ноутбуку или компьютеру. Риск поражения электротоком отсутствует, прибор получает питание через USB-порт. Измерение проводится бесконтактным способом путем определения оптической проводимости капиллярной крови в красном и инфракрасном диапазоне.
На указательный палец кисти левой руки надевают датчик таким образом, чтобы красный светодиод внутри датчика был над ногтем пальца. Во время обследования, которое проводится в течение 30 секунд, нельзя двигать рукой с датчиком, чтобы избежать искажения данных из-за сокращения мышц.
После обследования нужно мышкой выбрать на пульсограмме участок с наиболее характерными пульсовыми волнами. Программа автоматически определит контрольные точки измерений, однако выбор программы может быть некорректен из-за нечеткости формы пульсовой волны. В этом случае следует выделить вручную конец анакротической волны и начало дикротической, передвигая маркеры контрольных точек мышкой.
ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ
Фотоплетизмография является безопасным и безболезненным методом. Противопоказания отсутствуют, однако не следует надевать датчик на палец с поврежденной кожей.
В течение суток до обследования не рекомендуется принимать лекарственные препараты и воздержаться от физиотерапевтических процедур (за исключением случаев мониторинга проводимых мероприятий).
Чтобы избежать реакции сосудов на тепло или холод, температура в помещении должна поддерживаться на уровне 19-23°С. Стоит помнить, что при температуре менее 16°С происходит спазм мелких артерий.
Перед обследованием желательно несколько минут для адаптации посидеть или полежать в удобном положении. Во время измерения не следует допускать воздействия на датчик пульсоксиметра яркого искусственного освещения и прямых солнечных лучей.
Аннотация: Изобретение относится к медицинской технике. Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей содержит генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения и синхронный демодулятор. В устройство дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер. Выход синхронного демодулятора подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя. Выход цифро-аналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя. Выход дифференциального усилителя подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя. Выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера. Выход микроконтроллера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя. Применение изобретения позволит увеличить быстродействие коррекции постоянной составляющей в фотоплетизмографе, регистрирующем сигнал артериальной пульсации крови. 1 ил.
Основные результаты: Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей, содержащий генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причем выход синхронного демодулятора подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам регистрации сигнала периферической артериальной пульсации крови на основе применения методов фотоплетизмографии. Данное устройство может найти применение в кардиологических системах диагностики пациентов для мониторинга частоты сердечных сокращений, оценки состояния периферических артериальных сосудов.
Известно устройство для фотоплетизмографии, включающее последовательно соединенные генератор импульсов, амплитудный модулятор и источник света, и последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель, выпрямитель, фильтр низких частот и полосовой усилитель, а также блок автоматической регулировки интенсивности излучения, последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, компаратор и формирователь импульсов (Патент RU 2032376, МПК А61В 5/0295, опубликовано 10.04.1995).
Недостатком известного устройства является его недостаточное быстродействие устранения постоянной составляющей артериальной пульсации крови в силу высокой инерционности используемого для этой цели фильтра верхних частот, являющегося составной частью полосового усилителя. Учитывая низкочастотную природу артериальной пульсации крови для неискаженной регистрации биосигнала частота среза фильтра верхних частот выбирается небольшой, что приводит к значительной длительности переходного процесса, возникающего в фильтре верхних частот при резком изменении биосигнала.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для фотоплетизмографии (Патент RU 2354290, А61В 5/0295, опубликовано 10.05.2009), включающее генератор импульсов, источник света, синхронный селективный усилитель, фильтр нижних частот, фотоприемник, дополнительно фотоплетизмограф содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов.
Недостатком известного устройства также является его высокая инерционность коррекции постоянной составляющей артериальном пульсации крови из-за наличия фильтра верхних частот, являющегося составной частью полосового фильтра.
Принципиальное устранение указанных недостатков возможно только за счет полного отказа от использования фильтров верхних частот для устранения постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови.
В основу изобретения поставлена задача - увеличить быстродействие коррекции постоянной составляющей в фотоплетизмографе, регистрирующем сигнал артериальной пульсации крови.
Поставленная задача решается за счет того, что в фотоплетизмограф, содержащий генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, согласно изобретению, в устройство дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причем выход синхронного демодулятора подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлена схема предлагаемого фотоплетизмографа с адаптивной коррекцией постоянной составляющей.
Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей содержит следующие блоки: генератор импульсов 1, источник света 2, фотоприемник 3, преобразователь ток/напряжение 4, усилитель переменного напряжения 5, синхронный демодулятор 6, цифро-аналоговый преобразователь 7, дифференциальный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микроконтроллер 10. Источник света 2 и фотоприемник 3 конструктивно выполнены в виде единого фотоплетизмографического датчика зажимного типа 11, располагающегося на ногтевой фаланге пальца руки обследуемого.
В схеме источник света 2 управляется импульсами тока, формируемыми в генераторе импульсов 1, излучение с источника света 2 попадает на участок биологической ткани, содержащей артериальный сосуд. Излучение, прошедшее сквозь биологические ткани, поступает на фотоприемник 3, выход фотоприемника 3 подключен к входу преобразователя ток-напряжение 4, выход преобразователя ток-напряжение 4 подключен к входу усилителя переменного напряжения 5, выход усилителя переменного напряжения 5 подключен к входу синхронного детектора 6, выход синхронного детектора 6 подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 8 и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 9, выход цифро-аналогового преобразователя 7 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 8, выход дифференциального усилителя 8 подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя 9, выход аналого-цифрового преобразователя 9 подключен к входу микроконтроллера 10, выход микроконтроллера 10 подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 7.
Устройство работает следующим образом.
Источник света 2 управляется импульсами тока, формируемыми в генераторе импульсов 1, излучение с источника света 2 попадает на участок биологической ткани, содержащей артериальный сосуд. Прошедшее сквозь биологические ткани излучение поступает на фотоприемник 3. Фотоприемник 3 преобразует ослабленное биологическими тканями излучение в фототок, который далее преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток - напряжение 4, полученное напряжение поступает на усилитель переменного напряжения 5, с выхода которого усиленный сигнал поступает на синхронный демодулятор 6 для выделения огибающей сигнала, содержащую постоянную составляющую и переменную составляющую артериальной пульсации крови.
Сигнал с выхода синхронного демодулятора 6 поступает на неивертирующий вход дифференциального усилителя 8 и на второй вход аналого-цифрового преобразователя 9, где происходит квантование и дискретизация сигнала. Сигнал с выхода цифро-аналогового преобразователя 7 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 8. На выходе дифференциального усилителя 8 формируется разностный сигнал между сигналом на неинвертирующем входе - сумма постоянной составляющей и переменной составляющей, и сигналом на инвертирующем входе усилителя - оценка постоянной составляющей, выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя 7, получаемый в результате функционирования адаптивного алгоритма в микроконтроллере 10. Выходной сигнал дифференциального усилителя 8 является переменным сигналом артериальной пульсации крови и поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 8, где происходит квантование и дискретизация биосигнала артериальной пульсации крови.
Данные с выхода аналого-цифрового преобразователя 9 поступают на вход микроконтроллера 10, где формируются два числовых массива: первый массив представляет собой дискретизированные отсчеты сигнала поступившего с выхода синхронного детектора 6, являющегося аддитивной комбинацией постоянной составляющей и переменной составляющей; второй массив представляет дискретизированные отсчеты переменного сигнала артериальной пульсации крови, поступившего с выхода дифференциального усилителя 8. Микроконтроллер 10 по встроенной программе оценивает постоянную составляющую сигнала как среднеарифметическое значение дискретизированных отсчетов первого числового массива, являющихся выходным сигналом синхронного детектора 6 (аддитивная комбинация постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала артериальной пульсации крови) в скользящем окне; полученное значение поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 7, на выходе которого формируется постоянное напряжение равное величине постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови, которая в дальнейшем вычитается с помощью дифференциального усилителя 8.
Введение новых элементов и их взаимосвязь позволяет увеличить быстродействие коррекции постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови за счет адаптивного контроля величины постоянного смещения сигнала и отсутствия необходимости введения в состав устройства инерционных элементов фильтров верхних частот.
Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей, содержащий генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причем выход синхронного демодулятора подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя.
Кроме фотоплетизмографов, которые работают в традиционной оптической схеме на пропускание (сквозь палец или сквозь мочку уха), со временем были созданы и фотоплетизмографы, которые работают со световыми сигналами, обратно рассеянными от тела (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Портативный фотоплетизмограф, работающий со световыми сигналами, обратно рассеянными телом: а - внешний вид, б - сенсор в работе при исследовании сигналов, снимаемых с ладони
Такой режим работы часто сокращенно называют фотоплетизмографией на отражение, хотя на самом деле в этом случае используется не прямо отраженный поверхностью кожи, а обратно рассеянный телом свет. Использование такого режима существенно расширило сферу возможных исследований любой части тела.
Окклюзионная фотоплетизмография - это фотоплетизмография, при которой искусственно создаются преграды для притока и оттока крови из исследуемого участка тела. В типичном варианте окклюзионного исследования фотоплетизмограмма записывается на конечной фаланге пальца, когда на предплечье той же руки надета компрессионная резиновая манжета. Манжета позволяет менять внешнее давление на кровеносные сосуды, а внешнее давление изменяет условия протекания крови по сосудам. Наблюдая происходящие изменения на фотоплетизмограмме, получаем возможность добывать дополнительную ценную информацию об организме человека.
Можно весьма точно измерять давление крови в плечевой артерии. Наиболее точные результаты получают при использовании так называемой декомпрессионной методики, которую иллюстрирует рис.
4.4. Сначала наблюдают пульсирование крови в пальце в нормальных условиях, когда в манжете нет избыточного давления воздуха (участок I). Потом быстро начинают накачивать воздух, повышая давление в манжете до значения несколько выше систолического артериального давления крови (участок И). Это давление передается на все кровеносные сосуды под манжетой. Как только давление становится выше давления крови в венах, они перекрываются, а отток крови из них прекращается.
Пока давление в манжете остаётся ниже систолического, приток крови через плечевые артерии в кисть и пальцы руки с каждым сокращением сердца продолжается. Поэтому кровенаполнение пальца возрастает, соответственно возрастает и сигнал на фотоплетизмограмме. Когда же внешнее давление на артерии становится выше систолического, артерии перекрываются, а приток крови тоже прекращается. На фотоплетизмограмме исчезают пульсовые волны (участок III), уровень сигнала перестает изменяться, а давление в венах сравнивается с давлением в артериях.
Появление пульсовых волн, однако, не изменяет кровенаполнения пальца, так как отток крови еще перекрыт, средний уровень сигнала остается постоянным (участок V). Это тот случай, когда пульсация крови есть, а кровотока сквозь палец нет. Лишь тогда, когда давление в манжете, т. е. внешнее давление на вены становится ниже диастолического Рд, возможен и отток крови из вен. Кровенаполнение пальца начинает уменьшаться, сигнал на фотоплетизмограмме идет на спад (участок VI). Давление Рд в манжете в момент начала спада принимается за диастолическое. Исследования показали, что по такой методике артериальное давление определяется точнее, чем обычными тонометрами с прослушиванием пульса.
В интеллектуальных фотоплетизмографах выполнением всех необходимых манипуляций (накачка и постепенное снижение давления воздуха в манжете, запись фотоплетизмограммы и профиля изменения давления, определение систолического и диастолического артериального давления, частоты пульса, их отображение на дисплее и т. п.) автоматически управляет микроконтроллер. В необходимых случаях он организует повторную автоматическую подкачку воздуха и более плавное снижение давления с целью уточнения результата измерения.
При окклюзионном исследовании периферийных кровеносных сосудов с помощью интеллектуального фотоплетизмографа давление в компрессионной манжете повышают лишь до уровня ниже диастолического, но выше обычного давления крови в венах (около 30 мм рт. ст.). Принцип исследования иллюстрирует рис. 4.4.
Сначала наблюдают пульсовые волны в пальце при отсутствии воздуха в манжете (участок I). Если надо определить давление крови в венах, то постепенно повышают давление в манжете (участок II). Когда оно сравнивается с давлением крови в венах, вены перекрываются, отток крови из пальца прекращается, его кровенаполнение начинает возрастать. Соответственно возрастает сигнал на фотоплетизмограмме (участок III). Давление, при котором начинается рост, и принимают за венозное давление PtextB .
Скорость нарастания сигнала пропорциональна скорости притока крови к пальцу. Поэтому значение ctga характеризует пропускную способность прекапиллярных кровеносных сосудов и величину объемного кровотока в пальце. Рост кровенаполнения приводит к постепенному повышению давления крови в венах. Когда оно становится выше внешнего давления, вены открываются, восстанавливается отток крови из пальца. И спустя некоторое время наступает равновесие: отток крови уравновешивается ее притоком, кровенаполнение перестает изменяться.
Рис. 4.4. Исследование периферического кровообращения с помощью окклюзионной фотоплетизмографии: а - график изменения давления в компрессионной манжете; б - соответствующая фотоплетизмограмма
Если давление в манжете фиксировано, то прирост сигнала h тем больше, чем больше эластичность кровеносных сосудов пальца. Следовательно, эта величина тоже является характерным показателем фотоплетизмограммы. С ее помощью можно оценить эластичность мельчайших вен и отследить, как влияют на пациента лекарства, предназначенные для расширения или сужения сосудов.
Если быстро выпустить воздух из манжеты (участок IV), то внешнее давление на вены исчезнет, отток крови через них станет беспрепятственным, кровенаполнение пальца начнет уменьшаться. Скорость уменьшения сигнала на фотоплетизмограмме зависит от гидравлического сопротивления посткапиллярных сосудов оттоку крови. Значение ctgP характеризует это сопротивление и проходимость вен пальца.
Читайте также: