Фотоплетизмограф

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в функциональной диагностике. Цель - повышение достоверности измерений за счет обеспечения помехозащищенности. Сущность изобретения: фотоплетизмограф содержит фотодатчик с фотоприемником (Ф) 1, усилитель переменного тока (У) 3, демодулятор 4, усилитель постоянного тока (УПТ) 6. Новым в изобретении является введение усилителя-ограничителя (УО) 2 с регулируемым порогом ограничения. Выход УПТ 6 соединен с упровляющим входом УО 2. УО 2 включен между Ф 1 и У 3. Ф 1 характеризуется логарифмической световой характеристикой. 3 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в офтальмологии, кардиологии и при функциональной диагностике.

Известно устройство для измерения пульса, содержащее датчик пульса, усилитель, выделитель пульсовой волны, генератор тактовых импульсов, две электронные ключевые схемы, интегратор, индикатор, регистратор, две схемы совпадения, триггер, мультивибратор и фильтр. Измеритель пульса позволяет выделить пульсовую волну и измерить пульс пациента путем преобразования инфракрасного потока, прошедшего сквозь ткани пациента [1] Это устройство характеризуется недостаточной достоверностью измерения пульса, так как сильно подвержено влиянию импульсных помех, связанных с резким смещением датчика относительно пациента, например, при дрожании рук, поэтому требует специальных условий для правильной работы.

Ближайшим прототипом является фотоплетизмограф, содержащий фотоэлектронный датчик с фотоприемником, усилитель переменного тока, выполненный в виде регулируемого усилителя, демодулятор, фильтр низкой частоты, усилитель постоянного тока и регистрирующий прибор. Этот фотоплетизмограф также работает по принципу преобразования инфракрасного потока и может быть использован для исследования пульсаций кровотока [2] Недостатками этого устройства являются недостаточная достоверность выделения плетизмограммы, так как для наиболее точного воспроизведения плетизмограммы 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.

Цель изобретения повышение достоверности за счет обеспечения помехозащищенности.

Цель достигается тем, что в известном фотоплетизмографе, содержащем фотоэлектрический датчик с фотоприемником, 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, согласно изобретению введен усилитель-ограничитель с управляемым порогом, информационный вход которого подключен к выходу фотоприемника с логарифмической световой характеристикой, вход управления усилителя-ограничителя с управляемым порогом соединен с выходом усилителя постоянного тока, а выход с входом регулируемого усилителя переменного тока, при этом выход демодулятора подключен к блоку регистрации.

На фиг. 1 изображена блок-схема фотоплетизмографа; на фиг. 2 эпюры сигналов; на фиг. 3 характеристика фотоприемника.

Фотоплетизмограф содержит фотоприемное устройство 1, усилитель-ограничитель 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения, усилитель 3 переменного тока, выполненный в виде регулируемого усилителя, демодулятор 4, фильтр 5 низкой частоты, усилитель 3 постоянного тока и регистрирующий прибор 7, причем выход фотоприемного устройства 1 соединен с входом усилителя-ограничителя и переменного тока с регулируемым порогом ограничения, выход усилителя-ограничителя 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения соединен с входом усилителя 3 переменного тока, выполненного в виде регулируемого усилителя, выход усилителя 3 переменного тока, выполненного в виде регулируемого усилителя, соединен с входом демодулятора 4, выходы демодулятора 4 соединены с входом регистрирующего прибора 7 и с входом фильтра 5 низкой частоты, выход которого соединен с входом усилителя 6 постоянного тока, а выход усилителя 6 постоянного тока соединен с управляющими входами усилителя 3 переменного тока, выполненного в виде регулируемого усилителя, и усилителя-ограничителя 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения.

Фотоплетизмограф работает следующим образом.

Использование фотодиода в режиме холостого хода позволяет получить логарифмическое преобразование светового потока в выходное напряжение. Логарифмическую функцию преобразования можно получить также в фотоприемных устройствах с логарифмическим преобразователем, которые в интегральном исполнении обеспечивают высокоточное логарифмическое преобразование и имеют, как правило, большую чувствительность по световому потоку, например, ФОУ-139Б обеспечивает преобразование вида U_вых. К ln Е, где Е освещенность, К константа, равная 10^-4-10⁴ лк. Интегрально выполненное фотоприемное устройство 1, используемое в качестве датчика пульса, имеет большую чувствительность по световому потоку и логарифмическую зависимость фототока от светового потока и размещается на участке тела пациента, с которого предполагается снимать фотоплетизмограмму. Источником инфракрасного света для фотоприемного устройства 1 может являться рассеянный комнатный свет или маломощный инфракрасный излучатель, хотя, благодаря большой чувствительности фотоприемного устройства 1, фотоплетизмограф может работать, практически, в темноте. Световой поток, проходя через ткани объекта, модулируется по интенсивности (амплитудная модуляция, обусловленная кровенаполнением тканей), к полезному световому потоку добавляются паразитные световые помехи (от электрических светильников, нагревательных приборов и т. д.) а также импульсные помехи (помехи, связанные со случайными изменениями положения датчика относительно тела пациента). Этот суммарный световой сигнал поступает на фотоприемное устройство 1, которое преобразует световой поток в электрический сигнал (фиг. 2, диаграмма U_вых.1). Устройство с логарифмической характеристикой обладает свойством преобразовывать мультипликативные сигналы (световой сигнал, поступающий на фотоприемник это сигнал модулированный по амплитуде с коэффициентом модуляции, определяемым кровенаполнением тканей т. е. фактически это произведение двух сигналов) в аддитивные (выходной сигнал фотоприемника состоит из суммы двух сигналов: постоянной составляющей, которая зависит от интенсивности внешнего светового потока и не зависит от информационного сигнала, и переменной составляющей, которая определяется информационным сигналом и не зависит от уровня внешней освещенности т. е. фактически от условий измерения). При логарифмическом преобразовании переменная составляющая может быть представлена в виде U_вых. U_фп1-U_фп2. К ln Е₀Т₁-к ln Е₀Т₂ К ln (Е₀Т_1/Е₀Т₂) К ln Т₁/Т₂, где Е₀ внешняя освещенность; Δ Т модуляция коэффициента пропускания ткани Δ Т Т₁-Т₂; К константа, т. е. независимо от уровня внешней освещенности получаем сигнал только об интересующем нас параметре коэффициенте модуляции пропускания ткани. Так как коэффициент модуляции пропускания ткани (информационный сигнал) составляет всегда не более 1% от исходного светового потока, поэтому логарифмическая характеристика фотоприемника для модулирующей функции в любой ее точке с большой точностью может рассматриваться как линейная (фиг. 3, соответствующая ТУ на приборы этого типа), хотя ко всему входному световому потоку применяется логарифмическое преобразование. Таким образом, при использовании фотоприемника с логарифмической характеристикой точность получения информационного сигнала такая же, как и при использовании обычных приемников с линейной характеристикой. Благодаря тому, что используется фотоприемное устройство 1 с логарифмической характеристикой, имеющее малый порог чувствительности, переменная составляющая выходного сигнала с фотоприемного устройства 1 фактически не зависит от уровня внешней освещенности и определяется лишь сигналом пульса. С выхода фотоприемного устройства 1 сигнал поступает на усилитель-ограничитель 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения. Этот блок 2 введен для уменьшения влияния импульсных помех, возникающих, например, при резком смещении датчика относительно пациента. Усилитель-ограничитель 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения выделяет переменную составляющую сигнала, соответствующую сигналу пульса, и беспрепятственно пропускает этот сигнал на выход, а импульсные помехи "срезает" на уровне, соответствующем максимальному значению сигнала пульса (фиг. 2, диаграмма U_вых2). С выхода усилителя-ограничителя 2 переменного тока с переменным порогом ограничения сигнал поступает на усилитель 3 переменного тока, выполненный в виде регулируемого усилителя, где усиливается по амплитуде до номинального значения, и далее на демодулятор 4. На выходе демодулятора образуются два сигнала: сигнал фотоплетизмограммы, частотно отселектированный в процессе прохождения тракта, усилитель-ограничитель 2, усилитель 3, демодулятор 4, и сигнал, обусловленный оптической плотностью, не связанной с изменениями кровенаполнения и зависящей от состояния внешней поверхности исследуемой ткани, степени прижатия к ней фотоприемного устройства 1 и т. д. Эти факторы определяют большой динамический диапазон сигнала пульса. В фильтре 5 низкой частоты, имеющем постоянную времени несколько периодов пульса, осуществляется выделение постоянной составляющей, соответствующей оптической плотности. Этот сигнал, усиленный усилителем 6 постоянного тока, воздействует на управляющий вход усилителя 3 переменного тока, выполненного в виде регулируемого усилителя, и на управляющий вход усилителя-ограничителя 2 переменного тока с регулируемым порогом ограничения (фиг. 2, диаграммы сигналов U_вых.3,4 и U_вых.5,6). Таким образом, замыкаются две цепи обратной связи, первая из которых позволяет уменьшить динамический диапазон сигнала пульсограммы, а вторая уменьшить влияние импульсных помех путем автоматической регулировки порога ограничения в соответствии с уровнем сигнала пульса. С выхода демодулятора 4 сигнал поступает на регистрирующий прибор 7 для регистрации фотоплетизмограммы.

Фотоплетизмограф используется в МНТК "МГ" для регистрации фотоплетизмограмм с различных участков тела пациентов. Испытания фотоплетизмографа показали высокую достоверность выделения сигнала при сумеречных освещенностях тела пациента при отсутствии дополнительного источника инфракрасного света.

Формула изобретения

ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ, содержащий источник света, фотопроемник, 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 измерний 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3