Цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования
Заявляемая полезная модель относится к медицинским устройствам, предназначенным для диагностики состояния тонуса сосудов микроциркуляторного русла, расчета ряда количественных показателей и их статистической обработки для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов. Цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования включает фотодатчик в виде опто-пары, быстродействующий микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающий регистрацию скорости изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц. И связь с персональным компьютером для обработки и отображения результатов измерения в числовом и графическом виде.
Заявляемая полезная модель - цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования относится к медицинским устройствам, предназначенным для диагностики состояния тонуса сосудов микроциркуляторного русла, расчета ряда количественных показателей и их статистической обработки для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов.
Из уровня техники известен фотоплетизмограф по патенту РФ №2054884, состоящий из фотоприемного устройства с логарифмической характеристикой, усилителя-ограничителя переменного тока с регулируемым порогом ограничения, усилителя переменного тока, демодулятора, фильтра низкой частоты, усилителя постоянного тока и регистрирующего прибора.
Известный фотоплетизмограф работает по принципу логарифмического преобразования пульсирующего инфракрасного света в модулированный по амплитуде сигнал изменения яркости светового потока, проходящего через ткани объекта, с последующим детектированием сигнала и вычленением постояннотоковой огибающей пульсограммы, соответствующей собственно фотоплетизмограмме.
С целью получения достоверных данных производится последовательная фильтрация информационного сигнала от импульсных и световых помех, посредством двух замкнутых цепей обратной связи, первая из которых позволяет уменьшить динамический диапазон сигнала пульсограммы, а вторая - уменьшить влияние импульсных помех путем автоматической регулировки порога ограничения усилителя-ограничителя переменного тока в соответствии с уровнем сигнала пульса.
В отличие от известного средства заявляемый фотоплетизмограф работает по принципу дифференциального преобразования постоянного по яркости красного света длинной волны 0,62 мкм с последующей математической обработкой оцифрованного информационного сигнала и
отображением на экране монитора частотного спектра собственных пульсаций сосудов микроциркуляторного русла. Использование красного света не меняет состояния микроциркуляторного русла сосудов. Таким образом, по сравнению с характеристикой информационного сигнала, полученного с помощью известного средства, снижается вероятность низкочастотных помех, обусловленных оптической плотностью светового потока.
С целью обеспечения высокой чувствительности в широком частотном диапазоне и помехозащищенности результатов измерений в схему заявляемого фотоплетизмографа включен фотодатчик с дифференцирующей характеристикой, регистрирующий скорость изменения во времени яркости светового сигнала (dI/dt), проходящего через ткани объекта.
В медицине фотоплетизмограмма, основанная на изменении яркости прошедшего сквозь исследуемую ткань света, традиционно рассматривалась как характеристика объема прошедшей крови во времени. Обычно на основании этой зависимости строят дифференциальную фотоплетизмограмму dI/dt, которая отражает скорость движения крови на исследуемом участке ткани. Имеется ряд методик анализа этих кривых, основанных на нахождении характерных точек в каждом импульсе движения крови и расчету по ним определенных критериев, характеризующих состояние кровеносной системы, ее тонуса и т.п.
С помощью заявляемого фотоплетизмографа дифференциальный сигнал яркости (dI/dt) регистрирует непосредственно. Для построения прямой фотоплетизмограммы выполняется операция интегрирования зарегистрированного сигнала по времени одновременно с автоматической очисткой сигнала от шумов. В результате на экране монитора отображаются три согласованных во времени кривых: график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), отражающий объем прошедшей крови во времени; второй график, полученный при интегрировании исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), - прямая фотоплетизмограмма, отражающая скорость
движения крови в исследуемой ткани (по горизонтальной оси графика отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты кi . При интегрировании исходного дифференциального сигнала (dI/dt) происходит автоматическая очистка фотоплетизмограммы от шумов.
Третий график представляет собой результат дифференцирования исходного дифференциального сигнала яркости, т.е. (dI 2/dt2), отражающий изменение ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени. Этот график можно также интерпретировать, как изменение силы ударов пульса во времени.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного фотоплетизмографа, заключается в наиболее полном исследовании параметров кровотока сосудов с обеспечением достоверности результата за счет упрощения коммутативной схемы устройства, а также оптических и дифференциальных характеристик фотодатчика.
Сущность полезной модели.
Заявляемый цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования представляет собой единое аппаратно-программное диагностическое устройство для исследования динамики капиллярного кровотока, Фотоплетизмограф выполнен на базе сигнального микропроцессора, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь, с подсоединенным к нему фотодатчиком. Микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц., оцифровку и накопление данный в оперативной памяти, взаимодействие с управляющей программой персонального компьютера.
Математическая обработка оцифрованного первичного сигнала позволяет получить частотный спектр фотоплетизмограммы в диапазоне 0,1 -300 Гц., и обеспечивает расчет ряда количественных показателей со статистической обработкой для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов.
Заявляемый фотоплетизмограф работает следующим образом.
Фотоэлемент, выполненный в виде опто-пары, закрепляют на исследуемом участке тела. Сквозь ткани исследуемого участка пропускают немодулированный (при неизменной яркости) красный свет с длинной волны 0,62 мкм. В отличие от других источников света такой свет не меняет состояния микроциркуляторного русла.
Регистрируют изменение во времени яркостного сигнала на пути между излучающим светодиодом и фотоприемником. Для обеспечения более высоких характеристик сигнал/шум фотоплетизмограф заявляемого устройства регистрирует не абсолютные колебания яркости прошедшего света, а скорость ее изменения (dI/dt), т.е. дифференциальную фотоплетизмограмму.
Быстродействующий микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию массива данных, их оцифровку и накопление в оперативной памяти с последующей передачей на персональный компьютер для обработки и вывода на экран трех графиков.
Дифференциальная фотоплетизмограмма несет в себе комплексную информацию о динамике движения крови в исследуемой ткани, а также, неизбежно, осложнена посторонними шумовыми сигналами из-за случайных колебаний фотодатчика, засветки исследуемой области от внешних источников света (осветительные приборы, экран монитора и т.п.), а также электрических наводок. Для подавления шумов и выделения полезного сигнала из оцифрованного массива первичных данных применяется прямое и обратное Фурье-преобразования сигнала.
Этот метод позволяет получить набор коэффициентов кi, характеризующих интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных. В графической форме зависимость амплитуды ki от соответствующих им частот (амплитудно-частотная характеристика) известна, как Фурье-спектр и позволяет судить о структуре исследуемого сигнала. Для сигнала фотоплетизмограммы главной
гармоникой должна быть частота сердечного ритма (около 1 Гц), а остальные проявляться, как высоко и низкочастотные «обертоны» этого ритма, либо, как техногенные шумы. Полосы частот 50 и 100 Гц, как правило, связаны с возможностью наводок о сетей переменного тока. Эти наводки могут включаться в сигнал по цепям питания комплекса: устройство-компьютер, но главным образом, за счет попадания света ламп, питаемых переменным током и экраном компьютерного монитора. Последний фактор дает характерную узкую полосу в указанном интервале, частота которой зависит от модели и настройки монитора (например, 75 или 85 Гц). Собственные шумы электронного блока и фотодатчика могут проявиться во всем рабочем диапазоне частот от 0,1 Гц до 400 Гц. Они носят случайный характер белого шума, и их уровень зависит, в основном, от яркости регистрируемого сигнала и выбранного коэффициента усиления Ку: чем слабее сигнал и выше К у - тем заметнее шумы.
Для очистки от техногенных шумов выполняется прямое Фурье - преобразование оцифрованного сигнала и обнуляются коэффициенты ki, характеризующих интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных для частот в окрестности 50 и 100 Гц. Затем со скорректированным массивом коэффициентов ki проводится обратное Фурье - преобразование, результатом которого является восстановленный яркостной сигнал, освобожденный от сетевых наводок и выводимый на монитор. Ширина полосы фильтрации может корректироваться в зависимости от получаемого результата.
Для очистки фотоплетизмограммы от широкополосного белого шума используется принцип Долби-фильтрации.
Эффективность Долби-фильтра зависит от порога фильтрации, задаваемого либо вычисляемого автоматически, как средней уровень сигнала на частотах выше 200 Гц (область регистрации белого шума). Все гармоники, амплитуда которых ниже заданного порога, обнуляются, что и обеспечивает очистку спектра от слабых сигналов, не затрагивая основной массив данных.
После 10 секундной экспозиции на монитор выводятся три согласованные во времени диаграммы:
- график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt - в условных единицах);
- график Фурье-спектра (прямая фотоплетизмограмма), по горизонтальной оси которого отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты кi;
- график изменения ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени.
На основании полученных данных выполняется автоматический поиск характерных точек кривых и их индикация цветом на диаграммах:
f - время быстрого кровенаполнения, (с)
- время подъема восходящей части, (с)
Pulse - частота пульса, (ударов/мин)
Ad - амплитуда дифференциальной фотоплетизмограммы, (усл.ед.)
а - амплитуда быстрого кровенаполнения, (усл. ед)
- время снижения нисходящей части, (с)
b - амплитуда максимального кровенаполнения, (усл.ед).
Доминирующая частота из спектра частот спонтанных колебаний исследуемых сосудов в диапазоне 10-30 Гц., представляющих собой четкие пики кривой графика, или частота, отличающаяся от зарегистрированный частот спектра не менее чем на 1 Гц. могут быть использованы, в частности, для управления показателем тонуса сосудов микроциркуляторного русла.
В случае необходимости нормализовать показатель тонуса сосудов микроциркуляторного русла применяется вибрационное воздействие на участок тела пациента на доминирующей частоте спектра спонтанных колебаний сосудов в диапазоне 10-30 Гц. При необходимости увеличить показатель тонуса сосудов - применяется локальная вибрация на частоте,
отличающееся от зарегистрированных частот спектра спонтанных колебаний сосудов не менее чем на 1 Гц.
Таким образом, в случае применения заявляемой полезной модели, точность результатов диагностики и выбора характерных точек позволяет максимально приближенно смоделировать естественный механизм гемодинамики с учетом индивидуального показателя частоты собственных колебаний сосудов, что снижает периферическое сопротивление, или нарушить этот механизм при использовании частот отличных от регистрируемых, что приводит к увеличению периферического сопротивления.
Цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования, включающий фотодатчик в виде оптопары, быстродействующий микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающий регистрацию скорости изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц и связь с персональным компьютером, управляющим процессом обработки и отображения результатов измерения в числовом и графическом виде.
