Патент на изобретение №2152030

(54) ПУЛЬСОВОЙ ОКСИМЕТР (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретения относятся к медицинской технике и могут быть использованы для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом в режиме непрерывного мониторинга. Техническим результатом изобретений является создание простого пульсового оксиметра с повышенной точностью определения коэффициента сатурации. Указанная задача в первом варианте изобретения решается тем, что в пульсовой оксиметр, содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, и преобразователь ток – напряжение, введены усилитель напряжения постоянного тока, вход которого соединен с выходом преобразователя электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя напряжение – напряжение, последовательно соединенные первый синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя напряжения постоянного тока, первый фильтр верхних частот и первый усилитель напряжения переменного тока, последовательно соединенные второй синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя напряжения постоянного тока, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, а также формирователь противофазных импульсов частотой 200 – 2000 Гц, первый выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока и управляющему входу первого синхронного детектора, а второй выход – к управляющему входу второго источника тока и управляющему входу второго синхронного детектора, и подключенный своим выходом к индикатору и своими первым и вторым входами – к выходам соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока блок вычисления функции. Во втором варианте изобретения пульсовой оксиметр вместо преобразователя напряжение – напряжение и усилителя напряжения постоянного тока содержит преобразователь ток – напряжение и преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к медицинской технике и могут быть использованы для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом в режиме непрерывного мониторинга.

Одним из важных диагностических и прогностических показателей в анестизиологии, реанимации и интенсивной терапии является степень насыщения циркулирующей крови кислородом, которая характеризуется коэффициентом сатурации.

Для определения коэффициента сатурации неинвазивным методом используют пульсовые оксиметры, принцип действия которых основан на спектрометрии тканей пальца или мочки уха.

Известные пульсовые оксиметры содержат в своем составе источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, и фотоприемник, подключенный к усилительному тракту [1]. Задачей усилительного тракта является формирование четырех сигналов: постоянных составляющих красного и инфракрасного каналов, и переменных составляющих красного и инфракрасного каналов. При этом усилитель должен удовлетворять очень высоким техническим требованиям, в частности, усилитель должен иметь большой динамический диапазон (порядка 600 дБ согласно работе [1]), должен иметь, как правило, систему автоматической регулировки усиления и мощности излучения источников излучения, должен обеспечивать высокую стабильность величин отношений переменных и постоянных составляющих красного и инфракрасного сигналов.

Выполнение этих требований весьма затруднительно, что приводит к резкому снижению точности определения коэффициента сатурации. Сложность используемого оборудования приводит к усложнению его обслуживания и повышению его цены.

Известен также пульсовой оксиметр, описанный в работе [2, с. 16, рис. 1] и принятый в качестве прототипа предлагаемой группы изобретений. Этот пульсовой оксиметр содержит источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, подключенного к преобразователю электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя ток – напряжение. Для выполнения измерений пульсовым оксиметром-прототипом необходимо иметь усилительный тракт с высокими техническими характеристиками, указанными при описании аналога [1].

Задачей изобретений является создание простого пульсового оксиметра с повышенной точностью определения коэффициента сатурации.

Указанная задача в первом варианте изобретения решается тем, что в пульсовой оксиметр, содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, и преобразователь электрического сигнала, введены преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, вход которого соединен с выходом преобразователя ток – напряжение, 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 преобразователю напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, а также формирователь противофазных импульсов частотой 200-2000 Гц, первый выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока и управляющему входу первого синхронного детектора, а второй выход – к управляющему входу второго источника тока и управляющему входу второго синхронного детектора, и подключенный своим выходом к индикатору и своими первым и вторым входами – к выходам соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока блок вычисления функции

где S – коэффициент сатурации, A^Hb₁ и A^Hb₂ – коэффициенты экстинкции восстановленного гемоглобина на длинах волн излучения соответственно в красном и инфракрасном диапазонах излучения, V₁ и V₂ – двойные амплитуды переменного напряжения на выходах соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока, коэффициент экстинкции оксигемоглобина на длинах волн соответственно в красном и инфракрасном диапазонах излучения. Значения этих коэффициентов известны и зависят только от длин волн в красном и инфракрасном диапазонах излучения.

Указанная задача во втором варианте изобретения решается тем, что в пульсовой оксиметр, содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, и преобразователь ток – напряжение, подключенный к фотоприемнику, введены преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, вход которого соединен с выходом преобразователя ток – напряжение, 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 преобразователю напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, а также формирователь противофазных импульсов частотой 200-2000 Гц, первый выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока и управляющему входу первого синхронного детектора, а второй выход – к управляющему входу второго источника тока и управляющему входу второго синхронного детектора, и подключенный своим выходом к индикатору и своими первым и вторым входами – к выходам соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока блок вычисления функции (1).

Сущность предлагаемых изобретений поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 – функциональная схема устройства по первому варианту,
на фиг. 2 – принципиальная схема преобразователя напряжение – напряжение,
на фиг. 3 – временные диаграммы,
на фиг. 4 – функциональная схема устройства по второму варианту.

На чертежах обозначены:
1 – источник излучения в красном диапазоне излучения,
2 – первый источник тока,
3 – источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения,
4 – второй источник тока,
5 – фотоприемник,
6 – преобразователь напряжение – напряжение,
7 – усилитель напряжения постоянного тока,
8 – первый синхронный детектор,
9 – первый фильтр верхних частот,
10 – первый усилитель напряжения переменного тока,
11 – второй синхронный детектор,
12 – второй фильтр верхних частот,
13 – второй усилитель напряжения переменного тока,
14 – формирователь противофазных импульсов,
15 – индикатор,
16 – блок вычисления,
17, 18 – разделительные конденсаторы,
19, 20 – резисторы CR-цепочек,
21 – операционный усилитель,
22, 23 – резисторы обратной связи,
24 – форма сигнала на первом выходе формирователя 14,
25 – форма сигнала на втором выходе формирователя 14,
26 – форма сигнала на выходе синхронного детектора 8,
27 – форма сигнала на выходе синхронного детектора 11,
28 – форма сигнала на выходе усилителя 10,
29 – форма сигнала на выходе усилителя 13,
t – ось времени,
U – ось напряжений,
30 – преобразователь ток – напряжение,
31 – преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования.

Пульсовой оксиметр по первому варианту (см. фиг. 1) содержит источник 1 излучения, подключенный к первому источнику 2 тока, источник 3 излучения, подключенный к второму источнику 4 тока, фотоприемник 5, подключенный к преобразователю 6 электрического сигнала.

Источники 1 и 2 излучения выполнены в виде светодиодов. Длина волны излучения источника 1 лежит в красном диапазоне излучения и составляет, например, (65010) нм. Длина волны излучения источника 3 лежит в инфракрасном диапазоне излучения и составляет, например, (94015) нм.

Фотоприемник 5 выполнен в виде фотодиода. Диапазон длин волн, воспринимаемых фотоприемником 5 световых сигналов, должен перекрывать диапазон длин волн, в котором лежат длины волн излучаемых источниками 1 и 3 сигналов.

Преобразователь 6 выполнен в виде преобразователя напряжение – напряжение, например, по схеме приведенной на фиг. 2. Преобразователь 6 может быть выполнен и по другим известным схемам преобразователя напряжение – напряжение.

Пульсовой оксиметр содержит также усилитель 7 напряжения постоянного тока, вход которого соединен с выходом преобразователя 6 электрического сигнала, последовательно соединенные первый синхронный детектор 8, первый вход которого подключен к выходу усилителя 7, первый фильтр 9 верхних частот и первый усилитель 10 напряжения переменного тока, последовательно соединенные второй синхронный детектор 11, первый вход которого подключен к выходу усилителя 7, второй фильтр 12 верхних частот и второй усилитель 13 напряжения переменного тока.

Идентичные фильтры 9 и 12 верхних частот могут быть выполнены по различным известным схемам, в том числе в виде простейших разделительных CR-цепочек на пассивных элементах 17, 19 и 18, 20 (см. фиг. 1). Нижнюю границу полосы пропускания фильтров 9 и 12 выбирают исходя и из минимально возможной частоты сердцебиения пациента. Обычно нижняя граница полосы пропускания фильтров 9 и 12 составляет десятые доли герца.

Усилители 10 и 13 напряжения переменного тока должны обеспечить усиление переменных составляющих сигналов на выходах синхронных детекторов 8 и 11 в диапазоне частот сердцебиения пациента, то есть достаточен диапазон частот от долей герца до единиц герц.

Первый выход формирователя 14 противофазных импульсов подключен к управляющему входу первого источника 2 тока и управляющему входу первого синхронного детектора 8. Второй выход формирователя 14 подключен к управляющему входу второго источника 4 тока и управляющему входу второго синхронного детектора 11. Формирователь 14 может быть выполнен, например, в виде простейшего мультивибратора. При использовании в составе пульсового оксиметра цифровых устройств обработки и регистрации результатов формирователь 14 может быть выполнен, например, в виде делителя частоты тактовых импульсов этих устройств. Частота следования импульсов на выходе формирователя 14 составляет 200-2000 Гц. При более низкой частоте следования импульсов на выходе формирователя 14 снижается точность определения коэффициента сатурации из-за погрешностей временного квантования. При повышении частоты импульсов увеличиваются требования к техническим характеристикам источников 1, 3 излучения и синхронных детекторов 8 и 11.

Выходы усилителей 10 и 13 подключены соответственно к первому и второму входами блока 16 вычисления функции (1), выход которого подключен к индикатору 15.

Блок 16 может быть выполнен в виде аналогового или цифрового вычислительного устройства. В последнем случае блок 16 может содержать последовательно соединенные мультиплексор, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами блока 16, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.

Индикатор 15 может представлять собой стрелочный индикатор, цифровое табло, монитор персонального компьютера и тому подобное устройство.

Предлагаемый пульсовой оксиметр работает следующим образом.

Источники 1, 3 излучения и фотоприемник 5 устанавливают на пальце или мочке уха с помощью известных приспособлений. Источники 1 и 3 поочередно формируют световые потоки в красном и инфракрасном диапазонах, которые, пройдя через исследуемый объект, вызывают ток в цепи фотоприемника 5, пропорциональный в каждый момент времени интенсивности облучения. Сформированный на выходе преобразователя 6 сигнал усиливается усилителем 7 и поступает затем на входы синхронных детекторов 8 и 11, которые синхронизируются импульсами, поступающими от формирователя 14 импульсов на их управляющие входы и на источники 1 и 3 излучения. При этом на выходе синхронного детектора 8 формируется сигнал, пропорциональный благодаря новому выполнению преобразователя 6 натуральному логарифму светового потока, прошедшего через исследуемый объект в красном диапазоне излучения, а на выходе синхронного детектора 11 – в инфракрасном диапазоне. Выделенные фильтрами 9 и 12 и усиленные усилителями 10 и 13 переменные составляющие сигналов поступают на входы блока 16 вычисления функции (1), на выходе которого формируется аналоговый или цифровой сигнал, несущий информацию о коэффициенте сатурации. Благодаря логарифмической характеристике преобразования в предлагаемом устройстве амплитуды переменных составляющих сигналов мало зависят от толщины ткани пальца или мочки уха, сохраняя при этом информацию о пульсовом объеме окисленного и восстановленного гемоглобина.

Пульсовой оксиметр по второму варианту отличается от оксиметра по второму тем, что он содержит преобразователь 30 ток – напряжение и преобразователь 31 напряжения с логарифмической характеристикой преобразования. Работа устройства по второму варианту происходит аналогично работе оксиметра по первому варианту. При этом достигается один и тот же результат.

Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют упростить пульсовой оксиметр с одновременным повышением точности определения коэффициента сатурации.

Промышленная применимость изобретений определяется тем, что устройства на их основе могут быть изготовлены на основании приведенного описания и чертежей и использованы для неинвазивного измерения насыщения артериальной крови кислородом в режиме непрерывного мониторинга.

Источники информации
1. Стерлин Ю.Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров. Медицинская техника, 1993, N 6, с. 26-30.

2. Орлов А. С. Определение степени насыщения циркулирующей крови кислородом по амплитуде пульсовой волны. Медицинская техника, 1992, N 5, с. 16-17.

Формула изобретения

1. Пульсовой оксиметр, содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, и преобразователь электрического сигнала, подключенный к фотоприемнику, отличающийся тем, что в него введены усилитель напряжения постоянного тока, вход которого соединен с выходом преобразователя электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя напряжение – напряжение, последовательно соединенные первый синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя напряжения постоянного тока, первый фильтр верхних частот и первый усилитель напряжения переменного тока, последовательно соединенные второй синхронный детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя напряжения постоянного тока, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, а также формирователь противофазных импульсов частотой 200 – 2000 Гц, первый выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока и управляющему входу первого синхронного детектора, а второй выход – к управляющему входу второго источника тока и управляющему входу второго синхронного детектора, и подключенный своим выходом к индикатору и своими первым и вторым входами к выходам соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока блок вычисления функции

где S – коэффициент сатурации;
A^Hb₁ и A^Hb₂ – коэффициенты экстинкции восстановленного гемоглобина на длинах волн излучения соответственно в красном и инфракрасном диапазонах излучения;
V₁ и V₂ – двойные амплитуды переменного напряжения на выходе соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока;
коэффициент экстинкции оксигемоглобина на длинах волн соответственно в красном и инфракрасном диапазонах излучения.

2. Пульсовой оксиметр, содержащий источник излучения в красном диапазоне излучения, подключенный к первому источнику тока, источник излучения в инфракрасном диапазоне излучения, подключенный к второму источнику тока, фотоприемник, выполненный в виде фотодиода, и преобразователь ток – напряжение, подключенный к фотоприемнику, отличающийся тем, что в него введены преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, вход которого соединен с выходом преобразователя ток – напряжение, 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 преобразователю напряжения с логарифмической характеристикой преобразования, второй фильтр верхних частот и второй усилитель напряжения переменного тока, а также формирователь противофазных импульсов частотой 200 – 2000 Гц, первый выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока и управляющему входу первого синхронного детектора, а второй выход – к управляющему входу второго источника тока и управляющему входу второго синхронного детектора, и подключенный своим входом к индикатору и своими первым и вторым входами к выходам соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока блок вычисления функции

где S – коэффициент сатурации;
A^Hb₁ и A^Hb₂ – коэффициенты экстинции восстановленного гемоглобина на длинах волн излучения соответственно в красном и инфракрасном диапазонах излучения;
V₁ и V₂ – двойные амплитуды переменного напряжения на выходах соответственно первого и второго усилителей напряжения переменного тока;
коэффициент экстинкции оксигемоглобина на длинах волн, соответственно, в красном и инфракрасном диапазонах излучения.

РИСУНКИ