Устройство преобразования сигналов для регистрации и измерения параметров физиологического состояния человека

Устройство преобразования сигналов для регистрации и измерения параметров физиологического состояния человека. Заявка на полезную модель относится к медицине, а именно к малогабаритным устройствам регистрации и мониторинга физиологического состояния человека. Устройство отличается от известного технического решения (прототип: устройство по патенту РФ №2218075) наличием 2-го канала измерения биосигналов, что существенно повышает функциональность реализованного по патенту №2218075 устройства. Технический результат: обеспечение раздельного или совместного (по двум каналам) преобразования и измерения биосигналов двух видов с высоким коэффициентом усиления (до 70 дБ), гальванической развязкой датчиков формирователей биосигналов от выходных элементов электрической схемы устройства, а также отсутствие искажений измеряемых биосигналов достигается за счет определенной взаимосвязи между рядом элементов устройства: начальный формирователь сигналов пульсовой волны соединен с электронно-оптическим преобразователем, начальный формирователь биосигналов соединен с другим электронно-оптическим преобразователем, при этом к каждому из электронно-оптических преобразователей подключен отдельный токовый регулятор, каждый из которых позволяет перевести каждый из указанных электронно-оптических преобразователей в режим работы усилителя, а выход одного электронно-оптического и выход другого электронно-оптического преобразователя подключены к различным плечам генератора биполярных импульсов.

2. Область техники, к которой относится полезная модель

Медицинская техника

3. Уровень техники

Предлагаемое техническое решение относится к области медицинской электроники, в частности к малогабаритным устройствам тестирования и мониторинга физиологического состояния человека, которые с целью регистрации, обработки, архивирования и мониторинга биосигналов сопрягаются с персональными компьютерами.

В настоящее время известно значительное число вариантов таких малогабаритных устройств. При этом в ряде устройств осуществляется регистрация электрокардиосигналов, в других - регистрация параметров пульсовой волны (крови), например с помощью метода плетизмографии.

Известно техническое решение по патенту на изобретение РФ №2218075 (приоритет от 09.01.2001 г.) - малогабаритное устройство, включающее в себя формирователь измеряемых биосигналов (снимаемых с определенных участков тела человека плетизмографическим способом) с усилителем, блок электронно-оптического управления, окончательный формирователь измеряемых сигналов (измеритель-генератор), процессор для обработки сигналов и блок отображения информации.

Указанное устройство освоено в серийном производстве (ТУ 4033-001-73404320-2007) и обеспечивает измерение основных параметров сердечно-сосудистой системы (ССС) с достаточно высокой точностью и оперативностью: время измерения параметров ССС составляет не более 1 минуты. В то же время устройство по патенту №2218075 не предназначено для измерения других биосигналов т.к. имеет один канал преобразования и регистрации биосигналов, что в определенной мере снижает его функциональность, т.к. не позволяет наряду с параметрами пульсовой волны получить информацию о ряде других параметров физиологического состояния человека.

Кроме того, наличие 2-го канала позволяет повысить надежность применения устройства и его функциональные возможности при использовании в научно-исследовательских медицинских целях.

Реализация задачи одновременной (практически синфазной) регистрации параметров пульсовой волны и биосигналов другого рода обеспечит по мнению специалистов возможность сопоставления результатов оценки

механических сокращений сердца, наблюдаемой гемодинамики ССС и других характеристик ССС с результатами измерений других биопараметров (температуры и др.) в реальном времени.

Это позволит значительно повысить информативность каждой акции врачебного контроля за физиологическим состоянием пациентов и, соответственно, - уровень упреждающей диагностики и мониторинга.

На реализацию этой задачи направлено устройство, заявляемое по предлагаемому техническому решению.

Анализ известных заявителям аналогов показывает, что наиболее близким к полезной модели по совокупности признаков является аналог по патенту РФ № 2218075.

4. Раскрытие полезной модели

Полезная модель направлена на достижение следующего технического результата:

- малогабаритное устройство регистрации параметров пульсовой волны (по одному каналу) и биосигналов (по другому каналу) должно обеспечивать высокий уровень подавления зеркального сигнала, гальваническую развязку датчиков биосигналов от выходных элементов электрической схемы устройства и высокий уровень усиления измеряемых сигналов как при измерениях по каждому из каналов в отдельности, так и при одновременном измерении указанных сигналов.

Вышеупомянутый технический результат достигается в устройстве, которое содержит начальный формирователь измеряемых сигналов пульсовой волны и начальный формирователь биосигналов, генератор биполярных импульсов, блок обработки сигналов и блок отображения информации, отличающееся тем, что в канале измерения сигналов пульсовой волны начальный формирователь сигналов соединен с электронно-оптическим преобразователем, в канале измерения биосигналов начальный формирователь сигналов соединен с другим электронно-оптическим преобразователем таким образом, что как при отдельном измерении сигналов по каждому из каналов, так и при совместимом измерении по обоим каналам, измеряемый сигнал поступает на излучатель «своего» электронно-оптического преобразователя, а световой поток от излучателя подается на фотоприемник также «своего» электронно-оптического преобразователя, при этом к каждому из электронно-оптических преобразователей подключен «свой» токовый регулятор, а выход электронно-оптического преобразователя одного канала и выход электронно-оптического преобразователя другого канала подсоединен к различным плечам генератора биполярных импульсов.

Такое взаимное расположение указанных элементов устройства и их заданная взаимосвязь обеспечивают достижение требуемого технического результата.

Сущность устройства, заявляемого в качестве полезной модели, и особенности взаимосвязи его составных элементов пояснены с помощью блок-схемы устройства, представленного на фигуре чертежа, и следующего описания особенностей конструкции и функционирования устройства.

После предварительного усиления и фильтрации сигнала, снимаемого с выходного каскада одного из каналов формирователя 1, сигнал поступает на излучатель 2 электронно-оптического преобразователя 3. Световой поток от излучателя подается на фотоприемник 4 преобразователя. Фотоприемник работает в режиме фоторезистора. Режимы работы излучателя и приемника устанавливаются с помощью токового регулятора 5. Выбор рабочей точки преобразователя с помощью токового регулятора позволяет перевести его в режим работы усилителя. Дополнительное усиление достигается за счет большой крутизны резистивно-токовой характеристики преобразователя. Это значит, что при малых изменениях светового потока излучателя достигается существенное изменение сопротивления приемника. Это сопротивление подключено в одно из плеч биполярного генератора 6. Таким образом обеспечивается широтно-импульсная модуляция сигнала с большим коэффициентом его усиления.

Точно также преобразуется сигнал, подаваемый со второго канала, - только фоторезистор 10 подключается к другому плечу генератора 6.

С помощью предложенного технического решения при независимом питании каскадов формирователя и биполярного генератора обеспечивается гальваническая развязка датчиков от выходных элементов электрической схемы устройства, что создает возможность безопасного их размещения на теле человека. При больших коэффициентах усиления также уменьшается вероятность возникновения паразитных обратных связей, приводящих к искажению регистрируемых сигналов. Далее производится преобразование сигналов в цифровую форму, их дальнейшая обработка в блоке 12 с целью получения информации о параметрах сердечно-сосудистой системы человека в блоке 13.

5. Осуществление полезной модели

Технический результат, указанный в разделе 4 Описания полезной модели, был получен путем изготовления и последующего испытания партии экспериментальных образцов (10 шт.), выполненных в полном соответствии с блок-схемой, представленной на фигуре чертежа. В качестве исходной конструкции было использовано устройство «Pulstream» (патент №2218075). В отличие от этой исходной конструкции экспериментальные образцы были изготовлены в двухканальном исполнении с реализацией взаимосвязанных составных частей устройства, изложенной в разделе 4 Описания полезной модели. При этом были

сохранены габаритные размеры изделия «Pulstream» (135×70×25 мм), т.е. реализован технический результат в части обеспечения малогабаритности изделия.

Испытания образцов включали в себя измерение следующих параметров ССС как по каждому из каналов, так и по обоим каналам одновременно:

- величина пульса;

- наличие пауз и интервалов за определенный интервал времени;

- нарушения ритма;

- размах кардиоинтервала;

- стабильность и колеблемость пульса;

- ослабление сократительной функции левого желудочка сердца.

Сравнение полученных результатов испытаний с достигнутым техническим уровнем выпускаемых в настоящее время одноканальных портативных электрокардиографов показывают, что заявленное устройство обеспечивает современный уровень технических характеристик для изделий этого класса.

Так, например, выпускаемый серийно фирмой «Энергосила» электрокардиограф ЭК1Т/12-Вита (ТУ9441-109-17493159-2000 www.inergo.ru) обеспечивает диапазон напряжения регистрируемых сигналов от 0,03 до 7 мВ и погрешность измерений ±15%. В заявляемом устройстве указанные параметры составляли 0,02÷10 мВ, ±10%.

При этом обеспечивалось усиление сигналов не менее 70 дБ, полное отсутствие паразитных связей и искажений регистрируемых сигналов, высокая устойчивость и воспроизводимость регистрируемых пульсограмм. Таким образом, испытания экспериментальных образцов подтвердили реализуемость заявляемого технического решения на примере трансляции через 1-й и 2-й канал биосигналов пульсовой волны и их раздельного и совместного (по двум каналам одновременно) преобразования и измерения.

Устройство преобразования сигналов для регистрации и измерения параметров физиологического состояния человека, содержащее начальный формирователь измеряемых сигналов пульсовой волны, начальный формирователь измеряемых биосигналов, генератор биполярных импульсов, блок обработки сигналов и блок отображения информации, отличающееся тем, что начальный формирователь сигналов пульсовой волны соединен с электронно-оптическим преобразователем, начальный формирователь биосигналов соединен с другим электронно-оптическим преобразователем, при этом к каждому из электронно-оптических преобразователей подключен отдельный токовый регулятор, каждый из которых позволяет перевести каждый из указанных электронно-оптических преобразователей в режим работы усилителя, а выход одного электронно-оптического преобразователя и выход другого электронно-оптического преобразователя подключены к различным плечам генератора биполярных импульсов.