Пульсовой оксиметр

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом, частоты и формы пульсовых волн оптическими методами. Сущность полезной модели заключается в том, что для повышения точности определения коэффициента сатурации и фиксации формы пульсовых волн используется частотное разделение красного и инфракрасного каналов, излучение в которых модулируется разными частотами. Это позволяет применить полосовые усилители с высокой добротностью, резонансные частоты которых разносятся более чем на пять полос пропускания. Усилители с переменным коэффициентом усиления позволяют нормировать сигналы пульсовой волны. 1 з.п., 2 фиг.

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом, частоты и формы пульсовых волн оптическими методами.

Известен пульсовой оксиметр [патент РФ 2233620, A61B 5/145, заявлен 23.06.2003 г.] содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, подключенный к преобразователю ток-напряжение, преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, последовательно соединенные первый синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, первый фильтр верхних частот и первый усилитель напряжения переменного тока, последовательно соединенные второй синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, формирователь сигналов управления, а также блок вычисления и индикатор, при этом выход преобразователя ток-напряжение подключен к первому входу преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, выходы первого и второго усилителей напряжения переменного тока подключены соответственно к первому и второму входам блока вычисления, выход которого подключен к индикатору, а второй выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом первого источника тока и управляющим входом первого синхронного детектора, третий выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом второго источника тока и управляющим входом второго синхронного детектора, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство выборки и хранения и фильтр нижних частот, при этом выход преобразователя ток-напряжение соединен с входом устройства выборки и хранения, первый выход формирователя сигналов управления соединен с управляющим входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом преобразователя напряжения с логарифмической характеристикой преобразования.

Недостатком аналога является низкая точность определения коэффициента сатурации, поскольку нет схемотехнической компенсации фоновых электрических помех, нет компенсации дрейфа нуля операционных усилителей, а также подавления шумов и помех, находящихся вне зоны рабочего диапазона.

Известен также пульсовой оксиметр [патент РФ 2332165, A61B 5/145, заявлен 29.09.2006 г.], выбранный за прототип и содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к генератору импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне, фотоприемник, подключенный к преобразователю ток-напряжение, первый выход которого подключен к четвертому входу устройства выборки и хранения, первый и второй усилители напряжения, первый и второй фильтры низких частот, первый и второй фильтры высоких частот, блок управления, первый и второй выход которого подключен соответственно к входу генератора импульсов засветки источника излучения в красном диапазоне, и к входу генератора импульсов засветки источника излучения в инфракрасном диапазоне излучения, третий выход блока управления подключен к первому входу устройства выборки и хранения, а также блок индикации, отличающийся тем, что в него введены первый и второй коммутаторы, определитель наличия или отсутствия датчика на пальце пациента, первый и второй сумматоры и автономный источник питания, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом устройства хранения и выборки, второй вход - с пятым выходом блока управления, а выход - с входом первого усилителя напряжения, первый вход второго сумматора соединен с выходом первого усилителя напряжения, а второй, третий и четвертый вход соответственно - с третьим, четвертым и пятым выходом блока управления, первый выход второго сумматора подключен к входу первого фильтра низких частот, выход которого подключен к входу первого фильтра высоких частот и первому входу блока управления, второй выход второго сумматора подключен к входу второго фильтра низких частот, выход которого подключен к входу второго фильтра высоких частот и второму входу блока управления, первый, второй, третий и четвертый входы первого коммутатора подключены соответственно к выходу первого фильтра высоких частот, выходу второго фильтра высоких частот, четвертому и третьему выходу блока управления, выход первого коммутатора соединен с входом второго усилителя напряжения, первый, второй и третий входы второго коммутатора подключены соответственно к выходу второго усилителя напряжения, четвертому и третьему выходу блока управления, на первом выходе второго коммутатора установлены последовательно соединенные третий фильтр низкой частоты и третий фильтр высокой частоты, выход которого подключен к четвертому входу блока управления, а на втором выходе второго коммутатора последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты и четвертый фильтр высокой частоты, выход которого подключен к третьему входу блока управления, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к второму и третьему входу устройства выборки и хранения, многоразрядный и трехразрядный выход блока управления подключен соответственно к многоразрядному и трехразрядному входу блока индикации, причем выход определителя наличия или отсутствия датчика на пальце пациента подключен к шестому входу блока управления, а автономный источник питания выполнен с возможностью обеспечения питания с номиналами напряжений +6 v, -6 v,+5 v.

Недостатком прототипа является низкая точность определения коэффициента сатурации и фиксации формы пульсовых волн, поскольку импульсная модуляция требует применения широкополосных каскадов в общем тракте усиления сигнала фотоприемника. В результате не удается в нужной степени подавить электрические и оптические помехи измерению. Кроме того, пальцы разных людей имеют разные коэффициенты пропускания излучения, зависящие, как от толщины, так и состояния кожных покровов. В прототипе принимаемый сигнал не нормируется, что также снижает точность измерения, особенно при слабых световых сигналах.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности определения коэффициента сатурации и фиксации формы пульсовых волн.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном пульсовом оксиметре, содержащем источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому модулятору засветки красного светодиода, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный ко второму модулятору засветки инфракрасного светодиода, управляющее устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу первого модулятора, и к входу второго модулятора, фотоприемник, первый усилитель, второй усилитель, первый фильтр нижних частот, выход которого подключен к первому входу управляющего устройств, и к входу первого фильтра верхних частот, второй фильтр нижних частот, выход которого подключен ко второму входу управляющего устройства, и к входу второго фильтра верхних частот, третий и четвертый фильтры нижних частот, выход фотоприемника через последовательно соединенные вход первого усилителя, первый полосовой усилитель и первый вход первого синхронного детектора подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход первого усилителя через последовательно соединенные второй полосовой усилитель и первый вход второго синхронного детектора подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход первого фильтра верхних частот через последовательно соединенные вход второго усилителя и вход третьего фильтра нижних частот подключен к третьему входу управляющего устройства, выход второго фильтра верхних частот через последовательно соединенные вход третьего усилителя и вход четвертого фильтра нижних частот подключен к четвертому входу управляющего устройства, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к параметрическим входам первого, второго и третьего усилителей, а шестой и седьмой выходы подключены соответственно ко вторым входам первого и второго синхронных детекторов.

Тот же результат достигается тем, что первый и второй полосовые усилители настроены на разные резонансные частоты, сдвиг по частоте между которыми составляет не менее чем пятикратную полосу пропускания каждого из полосовых усилителей.

По сравнению с прототипом полезная модель имеет новую совокупность существенных признаков, т.е. отвечает критерию новизны.

Сущность полезной модели заключается в том, что по сравнению с прототипом используется частотное разделение каналов. Излучение в красном диапазоне модулируется с частотой, отличной от частоты модуляции излучения в инфракрасном диапазоне. Это позволяет применить для разделения сигналов фотоприемника полосовые усилители с высокой добротностью. Для снижения взаимовлияния каналов резонансные частоты следует разнести более чем на пять полос пропускания усилителя. В результате существенно повышается степень фильтрации полезных сигналов и качество работы прибора. Кроме того, в полезной модели применены усилители с управляемым коэффициентом усиления, что позволяет нормировать сигналы пульсовой волны для повышения точности последующей обработки.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема пульсового оксиметра, а на фиг.2 изображена граф-схема алгоритма работы управляющего устройства.

Пульсовой оксиметр (фиг.1) содержит источник излучения 1 в красном диапазоне излучения, подключенный к первому модулятору 2 засветки красного светодиода, источник излучения 3 в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный ко второму модулятору 4 засветки инфракрасного светодиода, управляющее устройство 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу первого модулятора 2, и к входу второго модулятора 4, фотоприемник 6, первый усилитель 7, второй усилитель 8, первый фильтр нижних частот 9, выход которого подключен к первому входу управляющего устройства 5, и к входу первого фильтра верхних частот 10, второй фильтр нижних частот 11, выход которого подключен ко второму входу управляющего устройства 5, и к входу второго фильтра верхних частот 12, третий 13 и четвертый 14 фильтры нижних частот, выход фотоприемника 6 через последовательно соединенные вход первого усилителя 7, первый полосовой усилитель 15 и первый вход первого синхронного детектора 16 подключен к входу первого фильтра нижних частот 9, выход первого усилителя 7 через последовательно соединенные второй полосовой усилитель 17 и первый вход второго синхронного детектора 18 подключен к входу второго фильтра нижних частот 11, выход первого фильтра верхних частот 10 через последовательно соединенные вход второго усилителя 8 и вход третьего фильтра нижних частот 13 подключен к третьему входу управляющего устройства 5, выход второго фильтра верхних частот 12 через последовательно соединенные вход третьего усилителя 19 и вход четвертого фильтра нижних частот 14 подключен к четвертому входу управляющего устройства 5, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к параметрическим входам первого 7, второго 8 и третьего 19 усилителей, шестой и седьмой выходы подключены соответственно ко вторым входам первого 16 и второго 18 синхронных детекторов, а восьмой выход подключен к преобразователю 20.

Пульсовой оксиметр работает следующим образом. Управляющее устройство 5 подает модулирующие сигналы на модуляторы 1 и 2 оптических излучателей. Модуляторы 1 и 2 представляют собой драйверы, выполненные например, на транзисторах КТ3102А9, Частота модуляции источника 1 (светодиод L3541RC) красного (660±10 нм) излучения составляет 16 кГц, частота модуляции источника (светодиод L34F3C) инфракрасного (940±15 нм) излучения составляет 24 кГц. Оба излучения проходят через исследуемую среду (палец человека) и попадают на фотоприемник 6 (фотодиод BPW34S). Электрический сигнал фотоприемника 6 усиливается усилителем 7 с управляемым коэффициентом усиления и поступает на первый и второй полосовые усилители 15 и 17. Полосовые усилители 15 и 17 настроены на частоты 16 кГц и 24 кГц соответственно и усиливают сигналы, соответствующие красному и инфракрасному сигналам излучателей, разделяя их по каналам. Усиленные сигналы с полосовых усилителей 15 и 17 выпрямляются первым и вторым синхронными детекторами 16 и 18, и поступают на первый и второй фильтры нижних частот 9 и 11 соответственно. Выпрямленные и отфильтрованные сигналы обоих каналов поступают в управляющее устройство 5 и на первый и второй фильтры верхних частот 10 и 12. Фильтры 10 и 12 пропускают только переменную пульсовую волну, подавляя постоянную составляющую сигналов красного и инфракрасного каналов. Сигналы с выходов фильтров 10 и 12 поступают на второй 8 и третий 19 усилители с управляемым коэффициентом усиления, и далее через третий 13 и четвертый 14 фильтры нижних частот - на входы устройства управления 5. Устройство управления 5 оцифровывает выходные сигналы фильтров 9,11 и 13,14, и передает их через преобразователь 20 в цифровую линию связи. Цифровая линия связи представляет собой стандартную линию связи USB (например, версии 2.0) персонального компьютера. Величина насыщения артериальной крови кислородом определяется по отношению амплитуд пульсовых волн красного и инфракрасного каналов.

Полосовые усилители 15 и 17 и синхронные детекторы 16 и 18 реализованы по типовым схемам на базе операционных усилителей AD8054 и микросхемах электронных ключей CD4066. [Королев Г.В. Электронные устройства автоматики - М.: Высшая школа, 1991]. Преобразователь 20 цифровой линии связи может быть реализован на микросхеме FT232R. Усилители 7,8, 19 реализованы на базе микросхемы AD600.

Управляющее устройство 5 может быть реализовано на микроконтроллере ADUC841, алгоритм работы которого приведен на фиг.2.

Работа управляющего устройства 5 заключается в следующем. После включения прибора осуществляется включение излучения красного 1 и инфракрасного 3 светодиодов. Для этого формируются сигналы модуляции излучения (16 и 24 кГц) и опорные сигналы тех же частот для работы синхронных детекторов 16 и 18. По изменению амплитуд сигналов несущих на выходах синхронных детекторов 16 и 18 определяется наличие пациента. В случае его отсутствия процедура повторяется, т.е. выполняется функция ожидания пациента. При обнаружении пациента начинается основной цикл работы прибора. Дополнительно формируются отсчеты пульсовых волн в красного и инфракрасного каналов. По отсчетам амплитуд несущих и пульсовых волн выполняется проверка на попадание амплитуд в рабочий диапазон. В случае непопадания производится изменение коэффициентов усиления соответствующих усилителей - усилителя 7 в общем канале и усилителей 18 и 19 сигналов пульсовых волн. Полученные отсчеты амплитуд несущих и пульсовых волн объединяются с номером отсчета и упаковываются в кодовую посылку определенного формата. Сформированная посылка передается в цифровую линию связи. Данный цикл повторяется.

Частота квантования сигналов пульсовых волн составляет 500 Гц, полоса пропускания полосовых усилителей составляет 100 Гц.

1. Пульсовой оксиметр содержит источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому модулятору засветки красного светодиода, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный ко второму модулятору засветки инфракрасного светодиода, управляющее устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу первого модулятора и к входу второго модулятора, фотоприемник, первый усилитель, второй усилитель, первый фильтр нижних частот, выход которого подключен к первому входу управляющего устройства и к входу первого фильтра верхних частот, второй фильтр нижних частот, выход которого подключен ко второму входу управляющего устройства и к входу второго фильтра верхних частот, третий и четвертый фильтры нижних частот, отличающийся тем, что выход фотоприемника через последовательно соединенные вход первого усилителя, первый полосовой усилитель и первый вход первого синхронного детектора подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход первого усилителя через последовательно соединенные второй полосовой усилитель и первый вход второго синхронного детектора подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход первого фильтра верхних частот через последовательно соединенные вход второго усилителя и вход третьего фильтра нижних частот подключен к третьему входу управляющего устройства, выход второго фильтра верхних частот через последовательно соединенные вход третьего усилителя и вход четвертого фильтра нижних частот подключен к четвертому входу управляющего устройства, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены соответственно к параметрическим входам первого, второго и третьего усилителей, а шестой и седьмой выходы подключены соответственно ко вторым входам первого и второго синхронных детекторов.

2. Пульсовой оксиметр по п.1, отличающийся тем, что первый и второй полосовые усилители настроены на разные резонансные частоты, сдвиг по частоте между которыми составляет не менее чем пятикратную полосу пропускания каждого из полосовых усилителей.