Патент на изобретение №2354290

(54) ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ

(57) Реферат:

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в функциональной диагностике. Фотоплетизмограф содержит генератор импульсов, источник света, усилитель, фильтр нижних частот и фотоприемник, усилитель выполнен в виде синхронного селективного усилителя. Дополнительно фотоплетизмограф 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. Использование изобретения позволяет повысить помехоустойчивость от источников искусственного освещения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться в функциональной диагностике.

Из описания к авторскому свидетельству СССР 1591948, МПКЗ А61 В 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 кровоток 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 фотоплетизмограммы, так как для наиболее точного воспроизведения фотоплетизмограммы 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, МПК6 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, МПК6 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 изобретения – повышение помехоустойчивости.

Указанный технический результат достигается тем, что фотоплетизмограф, содержащий генератор импульсов, источник света, усилитель, фильтр нижних частот и фотоприемник, дополнительно содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов, усилитель выполнен в виде синхронного селективного усилителя, первый выход распределителя импульсов 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, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной, и два, включающих по четыре аналоговых ключа, коммутационных 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 операционного усилителя соединен с выходом, а неинвертирующий вход через резистор неинвертирующего входа – с корпусом, сигнальный вход синхронного демодулятора соединен через резистор инвертирующего входа с инвертирующим входом операционного усилителя и через аналоговый ключ, управляющий вход которого является входом синхронизации, – с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходом синхронного демодулятора.

Заявленное техническое решение соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость», так как отсутствует источник информации, в котором было бы описано техническое решение, содержащее отличительные признаки заявляемого технического решения и заявляемый фотоплетизмограф реализуется с использованием известных в технике элементов.

Изобретение 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.

На фиг.14 цифрами обозначены:

1 – источник света;

2 – фотоприемник;

3 – синхронный селективный усилитель;

4 – синхронный демодулятор;

5 – полосовой фильтр;

6 – управляемый преобразователь напряжение/ток;

7 – фильтр нижних частот;

8 – генератор импульсов;

9 – распределитель импульсов;

10 – первый выход распределителя импульсов;

11 – второй выход распределителя импульсов;

12 – третий выход распределителя импульсов;

13 – четвертый выход распределителя импульсов;

14 – пятый выход распределителя импульсов;

15, 16, 17, 18 – аналоговые ключи первого коммутационного моста;

19, 20, 21, 22 – аналоговые ключи второго коммутационного моста;

23 – конденсатор в диагонали первого коммутационного моста;

24 – конденсатор в диагонали второго коммутационного моста;

25 – резистор синхронного селективного усилителя;

26 – операционный усилитель синхронного селективного усилителя;

27 – двухразрядный двоичный счетчик;

28 – дешифратор с парафазными входами;

29 – операционный усилитель синхронного демодулятора;

30 – резистор операционного усилителя синхронного демодулятора;

31 – резистор инвертирующего входа операционного усилителя синхронного демодулятора;

32 – резистор неинвертирующего входа операционного усилителя синхронного демодулятора;

33 – аналоговый ключ.

Заявляемый фотоплетизмограф содержит источник света 1, последовательно соединенные фотоприемник 2, синхронный селективный усилитель 3, синхронный демодулятор 4 и полосовой фильтр 5, выход которого является выходом фотоплетизмографа. Первый, второй, третий и четвертый входы синхронизации синхронного селективного усилителя 3 соединены соответственно со вторым, третьим, четвертым и пятым выходами распределителя 9 импульсов, вход которого подключен к генератору 8 импульсов, а первый выход – к входам синхронизации синхронного демодулятора 4 и управляемого преобразователя 6 напряжение/ток. Выход синхронного демодулятора 4 дополнительно через фильтр 7 нижних частот соединен с сигнальным входом преобразователя 6, выход которого подключен к входу управления интенсивностью света источника 1. Синхронный селективный усилитель 3 (фиг.2) содержит операционный усилитель 26, выход которого через резистор 25 соединен с инвертирующий входом, и два коммутационных моста, первый из которых включает в плечах аналоговые ключи 15, 16, 17, 18 и в диагонали конденсатор 23, а второй – в плечах аналоговые ключи 19, 20, 21 и 22 и в диагонали конденсатор 24. Объединенные входы управления аналоговых ключей 15, 16 являются первым входом синхронизации, аналоговых ключей 17, 18 – вторым входом синхронизации, аналоговых ключей 19, 20 – третьим входом синхронизации, аналоговых ключей 21, 22 – четвертым входом синхронизации синхронного селективного усилителя 3. Распределитель 9 импульсов (фиг.3) содержит двухразрядный двоичный счетчик 27 и дешифратор 28, первый и второй парафазные входы которого соединены с выходами счетчика 27. Синхронный демодулятор 4 (фиг.4) содержит операционный усилитель 29, инвертирующий вход которого через резистор операционного усилителя 30 соединен с выходом, а неинвертирующий вход через резистор неинвертирующего входа 32 – с корпусом, сигнальный вход синхронного демодулятора соединен через резистор инвертирующего входа 31 с инвертирующим входом операционного усилителя 29 и через аналоговый ключ 33 с неинвертирующим входом операционного усилителя 29. Источником света 1 может являться светодиод, а фотоприемником 2 – фотодиод.

Заявленный фотоплетизмограф работает следующим образом. Генератор 8 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой Fs=1/Ts, которые поступают на вход распределителя импульсов 9. На выходах распределителя импульсов 9 формируются синхронизирующие импульсы 1014 (фиг.5). Импульсы с первого выхода 10 распределителя 9 подаются на вход управления преобразователя 6, который управляет источником света 1. Частота модуляции светового потока источника света 1 равна Fk=1/4Ts. Световой поток, пройдя через исследуемую среду, генерирует в фотоприемнике 2 импульсы тока. Амплитуда импульсов тока определяется:

– оптическими свойствами исследуемой биологической среды (постоянная составляющая);

– изменениями оптических свойств среды, вызванными сердечной деятельностью (пульсовой волной) (переменная составляющая);

– помехами различной природы (шумовой ток фотоприемника, помехи от нестабильной установки источника света и фотоприемника, а также внешние источники освещения, питающиеся от промышленной электросети и др.).

При изучении сердечной деятельности интерес представляет переменная составляющая, вызванная пульсовой волной.

Синхронный селективный усилитель 3 преобразует импульсы тока фотоприемника 2 в импульсы напряжения. В синхронном селективном усилителе используется периодическая коммутация конденсаторов 23 и 24 с помощью аналоговых ключей 15, 16, 17, 18 и 19, 20, 21, 22. Импульс с выхода 11 (фиг.5) распределителя 9 подключает через аналоговые ключи 15 и 16 конденсатор 23 между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 26 на время Ts. Далее к операционному усилителю 26 импульсом с выхода 12 распределителя 9 через аналоговые ключи 19, 20 подключается конденсатор 24. Импульсы с выходов 13 и 14 распределителя 9 последовательно подключают конденсаторы 23 и 24 к операционному усилителю 3 через аналоговые ключи 17, 18 и 21, 22 соответственно, причем полярность подключения обкладок конденсаторов изменяется на противоположную.

Наличие периодической коммутации конденсаторов с изменением полярности подключения обкладок придает усилителю селективные свойства в области частоты коммутации Fk=1/4Ts и ее нечетных гармониках 3Fk, 5Fk и т.д., на которых и происходит усиление сигнала фотоприемника 2. Полоса пропускания синхронного усилителя определяется значениями резистора 25 и конденсаторов 23, 24. Она выбирается с учетом спектра пульсового сигнала, обусловленного сердечной деятельностью (изменение кровенаполнения в тканях). Сигнал помехи от источников освещения расположен в полосе заграждения и существенно подавляется.

С выхода синхронного селективного усилителя 3 сигнал поступает на вход синхронного демодулятора, который выделяет сигнал, отражающий изменение оптических свойств биологической ткани. Работу демодулятора 4 обеспечивает сигнал синхронизации, поступающий на вход синхронизации с выхода 10 распределителя 9.

Полосовой фильтр 5 выделяет переменный сигнал, обусловленный сердечной деятельностью, и подавляет сигнал постоянной составляющей.

Фильтр нижних частот 7 выделяет из выходного сигнала демодулятора 9 постоянную составляющую, которая определяется оптическими свойствами исследуемой биологической среды и используется для управления источником света по петле обратной связи. Контур отрицательной обратной связи позволяет минимизировать влияние изменений оптических свойств среды и нестабильностей установки источника света 1 и фотоприемника 2 на измерение переменной составляющей.

Таким образом, повышение помехоустойчивости от источников искусственного освещения достигается за счет того, что:

– центральная частота синхронного селективного усилителя всегда совпадает с частотой модуляции светового потока, обеспечивая тем самым максимум полезного сигнала на выходе;

– синхронный селективный усилитель имеет чрезвычайно высокую добротность (100-200), поэтому помехи от источников искусственного освещения, расположенные в полосе заграждения, существенно подавляются.

Формула изобретения

1. Фотоплетизмограф, содержащий генератор импульсов, источник света, усилитель, фильтр нижних частот и фотоприемник, отличающийся тем, что дополнительно содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов, усилитель выполнен в виде синхронного селективного усилителя, содержащего операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной, и два включающих по четыре аналоговых ключа коммутационных 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 – третьим входом синхронизации, управляющие входы аналоговых ключей в противоположных плечах второго коммутационного моста соединены и являются один – вторым входом синхронизации, другой – четвертым входом синхронизации синхронного селективного усилителя, при этом первый выход распределителя импульсов 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.

2. Фотоплетизмограф по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Фотоплетизмограф по п.1, отличающийся тем, что синхронный демодулятор содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через резистор операционного усилителя соединен с выходом, а неинвертирующий вход через резистор неинвертирующего входа – с корпусом, сигнальный вход синхронного демодулятора соединен через резистор инвертирующего входа с инвертирующим входом операционного усилителя и через аналоговый ключ, управляющий вход которого является входом синхронизации, – с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходом синхронного демодулятора.

РИСУНКИ