Микроконтроллерный измерительный преобразователь для фотоплетизмографического датчика пульса

Авторы патента:

A61B5/0295 - с использованием плетизмографии, т.е. измерение изменений объема какой-либо части или органа под воздействием циркуляции крови через них, например импедансной плетизмографии

Владельцы патента RU 2583148:

Лоскутов Евгений Данилович (RU)
Вострухин Александр Витальевич (RU)
Фоменко Виталий Владимирович (RU)

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для диагностики частоты пульса пациента. Микроконтроллерный измерительный преобразователь для фотоплетизмографического датчика пульса содержит микроконтроллер, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый и второй резисторы. Первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода. Первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника. Катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера. Второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера. Выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера. Микроконтроллерный измерительный преобразователь также содержит третий и четвертый резисторы. Ко второму выводу первого резистора подключен выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера. Первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра. Первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера. Второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера. Второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера. Достигается повышение точности измерения. 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в медицинской практике для диагностики частоты пульса пациента.

Уровень техники

Известно устройство измерителя пульса, основу которого составляет оптоэлектронный преобразователь, состоящий из ИК-светодиода и фотодиода. Данное устройство содержит следующие элементы: оптоэлектронный преобразователь, два усилителя, фильтр низкой частоты, триггер Шмидта, дифференцирующую RC-цепь, три ждущих одновибратора, две логические схемы И-НЕ, генератор измерительной частоты, два RS-триггера, электронный ключ, счетчик частоты, индикатор, две кнопки управления (см. Ефремов В.Н. Нискевич М.И. Измеритель пульса / В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 90 // Сост. Н.Ф. Назаров. - М.: ДОСААФ, 1985. - С. 27, 29; рис. 1).

Недостаток известного решения - низкая точность измерения, обусловленная погрешностью, вносимой относительно большим количеством дискретных элементов, параметры которых изменяются, например, под действием температуры.

Известно устройство для измерения частоты пульса, содержащее: оптоэлектронный преобразователь, два усилителя, фильтр низкой частоты, схему автоматической регулировки усиления, триггер Шмитта, генератор измерительных импульсов, электронный ключ, логическую схему И-НЕ, формирователь команд управления, счетчик частоты, регистр памяти, индикатор и кнопку пуска (см. патент РФ №2118119, кл. А61В).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерный фотоплетизмографический датчик пульса, содержащий микроконтроллер (МК), первый и второй резисторы, светодиод, фотоприемник (фотодиод) и RC-фильтр, первые выводы первого и второго резисторов подключены к источнику питания МК, катод светодиода и первый вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания МК, второй вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, второй вывод второго резистора и второй вывод фотоприемника подключены к первому входу аналогового компаратора (АК) МК, вход RC-фильтра подключен к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ), встроенного в МК, выход RC-фильтра подключен ко второму входу АК МК (Вострухин А.В. Микроконтроллерный фотоплетизмографический датчик пульса / А.В. Вострухин, Е.Д. Лоскутов // Развитие инновационных направлений в образовании, экономике, технике и технологиях: Межвузовская научно-практическая конференция. 17-18 мая 2012 года: сборник статей / под общ. науч. ред. д.т.н., проф. В.Е. Жидкова. - Ставрополь: Ставролит; СТИС, 2012. - Часть II. - 260 с. (http://www.stis.su/stv_files/downloads/science/mnpk_17_18_may_2012_part2.pdf))

Недостаток известного решения - низкая точность измерения, обусловленная использованием делителя напряжения в качестве измерительной цепи, образованной вторым резистором и фотоприемником. Известно, что данная измерительная цепь обладает низкой точностью измерения по сравнению с мостовыми измерительными цепями (Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник Москва.: Техносфера, 2006. - 592 с.).

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в МИП для фотоплетизмографического датчика пульса, содержащий МК, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый и второй резисторы, причем первый вывод первого резистора подключены к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания МК, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания МК, выход RC-фильтра подключен к первому входу АК МК, введены третий и четвертый резисторы, причем ко второму выводу первого резистора подключен выход ШИМ МК, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу АК МК, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания МК, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания МК.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема МИП для фотоплетизмографического датчика пульса.

Осуществление изобретения

МИП для фотоплетизмографического датчика пульса содержит (фиг.) МК 1, первый резистор (R1) 2, светодиод 3, второй резистор (R2) 4, фотоприемник (это может быть или фоторезистор, или фотодиод) 5, RC-фильтр 6, третий резистор (R3) 7 и четвертый резистор (R4) 8.

Первый вывод резистора 2 подключен к аноду светодиода 3, первый вывод резистора 4 подключен к первому выводу фотоприемника 5 и ко входу RC-фильтра 6, выход которого подключен к первому входу (к прямому входу) АК, встроенного в МК 1. Второй вывод резистора 2 подключен к выходу ШИМ, встроенного в МК 1. Первые выводы резисторов 7 и 8 подключены ко второму входу (к инверсному входу) АК МК 1. Вторые выводы резисторов 4 и 7 подключены к плюсу источника питания МК 1. Катод светодиода 3, второй вывод фотоприемника 5 и второй вывод резистора 8 подключены к минусу источника питания МК 1.

МИП для фотоплетизмографического датчика пульса работает следующим образом.

На второй вход АК подается опорное напряжение, формируемое с помощью резистивного делителя, состоящего из резисторов 7 и 8. Если сопротивления этих резисторов равны, тогда опорное напряжение равное половине напряжения источника питания МК 1. Когда между светодиодом 3 и фотоприемником 5 отсутствует биоткань, коэффициент заполнения ШИМ равен 0,5. Импульсный световой поток, формируемый светодиодом 3 под действием протекающего через него импульсного тока, формируемого ШИМ, создает на фотоприемнике 5 падение напряжения, которое также является пульсирующим. Это напряжение приложено ко входу RC-фильтра 6. На выходе RC-фильтра 6 формируется сглаженное напряжение, близкое по значению опорному напряжению.

Допустим, световой поток падающий на фотоприемник 5 уменьшился по причине снижения светопроницаемости биоткани, находящейся между светодиодом 3 и фотоприемником 5, например, возросло давление кровяного потока в кровеносных сосудах этой биоткани. В этом случае сопротивление фотоприемника 5 возрастет, что приведет к возрастанию среднего напряжения на входе RC-фильтра 6 и, следовательно, на первом входе АК МК 1. На выходе АК МК 1 будет сформирована логическая 1. ШИМ под управлением МК 1 увеличит коэффициент заполнения, что приведет в свою очередь к возрастанию среднего тока, протекающего через светодиод 3, при этом световой поток, проходящий через биоткань, возрастет, сопротивление фотоприемника 5 уменьшится, а следовательно, уменьшится и напряжение на первом входе АК МК 1. Если напряжение на первом входе АК станет меньше опорного, то на выходе АК МК 1 будет сформирован логический 0. В этом случае ШИМ под управлением МК 1 уменьшит коэффициент заполнения, что в приведет к уменьшению светового потока, падающего на фотоприемник 5, при этом сопротивление фотоприемника возрастет, что приведет к возрастанию напряжения на первом входе АК МК 1 и, следовательно, к формированию логической 1 на его выходе АК МК 1 и т.д.

Таким образом, осуществляется непрерывное управление световым потоком, проходящим через биоткань и падающим на фотоприемник 5. МК 1 будет поддерживать равенство напряжений на входах АК МК 1 путем изменения коэффициента заполнения ШИМ. В данном случае осуществляется автоматическое уравновешивание мостовой схемы, состоящей из резисторов 4, 7, 8 и фотоприемника. Известно, что уравновешиваемые мосты позволяют получить более высокую точность измерения по сравнению с неуравновешиваемыми мостами.

Изменение светопроницаемости биоткани будет приводить к пропорциональному изменению коэффициента заполнения ШИМ, который в свою очередь пропорционален двоичному коду, загружаемому МК 1 в специальный регистр (регистр сравнения) ШИМ. Таким образом, двоичный код ШИМ будет изменятся в соответствии с изменением светопроницаемости биоткани находящейся между светодиодом 3 и фотоприемником 5. Светопроницаемость биоткани изменяется в зависимости от давления крови в кровеносных сосудах, находящихся в биоткани. Давление крови в кровеносных сосудах в свою очередь зависит от фазы работы сердца. Таким образом, изменяющийся непрерывно двоичный код ШИМ МК 1 есть результат измерения изменений пульсовой волны, формируемой работой сердца.

Результат измерения изменений пульсовой волны может быть обработан непосредственно в МК 1 с целью определения частоты пульса, значение которой может быть выведено в десятичной форме, например, на цифровой индикатор (цифровой индикатор на фиг. 1 не показан).

Результаты непрерывных измерений пульсовой волны могут передаваться МК 1 в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (ОЗУ на фиг. 1 не показано) для их последующего анализа на компьютере путем считывания информации из ОЗУ в компьютер.

Результаты непрерывных измерений пульсовой волны могут передаваться МК 1 в реальном масштабе времени с использованием стандартных последовательных интерфейсов, в компьютер (компьютер на фиг. 1 не показан) для их оперативного анализа и сохранения.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество - повышена точность измерения путем использования уравновешивания измерительного моста, образованного резисторами 4, 7, 8 и фотоприемником 5.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь для фотоплетизмографического датчика пульса, содержащий микроконтроллер, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый и второй резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый резисторы, причем ко второму выводу первого резистора подключен выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера.

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к методам исследования состояния сердечно-сосудистой системы человека. Выполняют разложение реосигнала на низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие.

Фотоплетизмограф // 2572547

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в функциональной диагностике для оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека. Фотоплетизмограф содержит оптоэлектронный детектор пульсовой волны потока крови в пальце пациента с двумя светодиодами и фотодиодом, а также оснащенный компьютером пульт управления и источник питания.

Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей // 2567834

Изобретение относится к медицинской технике. Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей содержит генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения и синхронный демодулятор.

Способ наложения электродов для регистрации реовазограмм // 2566924

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии. Регистрируют биполярную продольную реограмму в положении испытуемого лежа на спине в экранированной комнате при температуре воздуха 22-24°С.

Способ оживления человека // 2559913

Изобретение относится к медицине, реаниматологии и может быть использовано при оживлении пациентов, находящихся в состоянии клинической смерти. Способ реанимации включает компрессию грудной клетки, искусственную вентиляцию легких, введение лекарственных средств и проведение пульсоксиметрического мониторинга.

Способ ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний на основе многоканального спектрального анализа медленных волн кардиосигналов // 2537771

Изобретение относится к медицине, а именно к неинвазивным способам качественно-количественного анализа функционального состояния сердечно-сосудистой системы. Осуществляют запись пульсового сигнала и электрокардиосигнала в течение 2-3 мин.

Устройство для регистрации артериальной пульсации крови // 2536282

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для регистрации артериальной пульсации крови содержит генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, полосовой фильтр.

Способ прогнозирования развития диастолической дисфункции миокарда правого и левого желудочков у больных бронхиальной астмой // 2532500

Изобретение относится к медицине, а именно пульмонологии, аллергологии, кардиологии, функциональной диагностике. Оценивают эластические и функциональные свойства аорты при анализе характеристик пульсовой волны, регистрируемые неинвазивной артериографией.

Устройство для регистрации сигналов пульсовой волны и дыхательного цикла человека // 2523133

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство (1) для регистрации сигналов пульсовой волны и дыхательного цикла человека содержит два токопроводящих электрода (2, 3) для размещения на теле человека, первый (4) и второй (6) операционные усилители, амплитудный детектор (5), переключаемый частотно-зависимый делитель напряжения (8) и микроконтроллер (7).

Способ определения ударного объема сердца // 2515534

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, кардиохирургии и функциональной диагностике. Осуществляют наложение двух токовых и двух измерительных электродов на определенные участки тела.

Устройство и способ измерения величины артериального давления человека // 2601697

Изобретения относятся к медицине. Устройство измерения величины артериального давления человека включает блок измерения величины артериального давления, содержащий датчик давления, блок регистрации отклонений величины артериального давления, снабженный оптическим датчиком, контроллер и дисплей. Блок измерения величины артериального давления и блок регистрации отклонений величины артериального давления объединены в запястной измерительной капсуле. Устройство содержит эластичную мембрану, с которой соединена запястная измерительная капсула. Запястная измерительная капсула или контроллер содержит малогабаритную воздушную или гидравлическую помпу. Способ измерения величины артериального давления человека реализуют с помощью устройства измерения величины артериального давления, которое располагают на запястье человека. При этом осуществляют непрерывную регистрацию отклонений величины артериального давления от исходной величины, индикацию о превышении допустимого отклонения и одновременное измерение точной величины артериального давления. Достигается повышение эффективности измерения величины артериального давления за счет расширения функциональных возможностей устройства с одновременным повышением степени мобильности, надежности и удобства в эксплуатации, а также точной передачи пульсаций с лучевой артерии в датчик давления и эффективного нагнетания необходимого объема воздуха в запястную измерительную капсулу, обеспечивая при этом необходимое усилие прижима для повышения точности измерений. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Устройство и способ для оценки частоты сердечных сокращений во время движения // 2616764

Изобретения относятся к медицине. Способ определения частоты сердечных сокращений человека реализуют с помощью переносного устройства, входящего в состав системы для определения частоты сердечных сокращений. Переносное устройство для определения частоты сердечных сокращений человека содержит блок измерения частоты сердечных сокращений для генерирования сигнала частоты сердечных сокращений, блок измерения движений для измерения движений части тела человека для генерирования сигнала движения и обрабатывающий блок для измерения качества сигнала частоты сердечных сокращений, вычисления частоты сердечных сокращений на основе сигнала частоты сердечных сокращений, если качество сигнала выше предопределенного порога, и оценки частоты сердечных сокращений на основе сигнала движения, если качество сигнала ниже упомянутого порога. Обрабатывающий блок оценивает частоту сердечных сокращений на основе сигнала движения путем оценки постоянной частоты сердечных сокращений HRconstant и определения экспоненциального изменения частоты сердечных сокращений во времени. Экспоненциальное изменение частоты сердечных сокращений начинается с последней достоверно измеренной частоты сердечных сокращений и заканчивается на оцененной частоте HRconstant, которая зависит от частоты сигнала движения. Последняя достоверно измеренная частота сердечных сокращений представляет собой последнюю частоту сердечных сокращений, измеренную блоком измерения частоты сердечных сокращений в момент времени перед достижением упомянутого порога. Достигается повышение точности определения частоты сердечных сокращений. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Способ определения ударного объема сердца // 2633348

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии, кардиохирургии, функциональной диагностике. Для определения ударного объема сердца проводят наложение двух электродов на участки тела, регистрацию сопротивления R между электродами при снятии реограммы (РГ), измерение гемоглобина крови Hb. Ударный объем сердца определяют по калибровочной характеристике Q отношения сопротивления R к предельному значению R0 между электродами РГ с функцией Q0i нормированного объема от гемоглобина крови (Hb): где R0 - предельное значение сопротивления, зарегистрированное на верхней и нижней границах значениям сопротивления Ri пациентов, нормированным объемам сердца Q0i и значениям ударных объемов сердца пациентов Qi, с различной калибровкой для мужчин и женщин, при этом i=1, 2, а Функцию Q0i нормированного объема калибруют по измеренному значению гемоглобина Hb одного пациента с известным значением ударного объема сердца Q, по которым рассчитывают последовательным приближением параметры: значения предельного объема сердца Q0 и предельного гемоглобина крови Hb0. Способ повышает точность измерения ударного объема сердца, за счет адаптации сопротивления по границам диапазона и калибровке нормированного объема по одной мере гемоглобина крови. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Автономное носимое оптическое устройство и способ для непрерывного неинвазивного измерения физиологических параметров человека // 2640777

Изобретения относятся к медицине. Способ непрерывного неинвазивного измерения физиологического параметра человека осуществляют с помощью автономного носимого оптического устройства. При этом с помощью первого блока испускают первое оптическое излучение к телу человека для создания второго оптического излучения, рассеиваемого от тела человека. С помощью второго блока увеличивают пространственные изменения упорядоченного во времени пространственного распределения интенсивности второго оптического излучения. С помощью третьего блока определяют временную последовательность пространственного распределения интенсивности второго оптического излучения. С помощью четвертого блока извлекают информативный сигнал из определенной временной последовательности и извлекают физиологический параметр человека из упомянутого информативного сигнала. Информативный сигнал является пространственным информативным сигналом, содержащим одно или более из пространственного сдвига между последовательными пространственными распределениями интенсивности во временной последовательности, определенной на этапе определения, углового сдвига между последовательными пространственными распределениями интенсивности во временной последовательности, определенной на этапе определения, и коэффициента масштабирования между последовательными пространственными распределениями интенсивности во временной последовательности, определенной на этапе определения. Носимое оптическое устройство содержит единый корпус, заключающий в себе полностью первый, второй, третий и четвертый блоки и выполненный с возможностью обеспечения постоянного ношения носимого оптического устройства на теле человека. Достигается повышение точности измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу // 2646131

Изобретение относится к медицинской технике, а именно для измерения частоты пульса пациента. Микроконтроллерный датчик пульса с передачей информации по радиоканалу содержит микроконтроллер, светодиод, фотоприемник, RC-фильтр, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора подключен к аноду светодиода, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу фотоприемника, катод светодиода и второй вывод фотоприемника подключены к минусу источника питания микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, выход RC-фильтра подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму выводу первого резистора подключен выход первого широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод фотоприемника подключен к входу RC-фильтра, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, второй вывод третьего резистора подключен к плюсу источника питания микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к минусу источника питания микроконтроллера, при этом датчик пульса дополнительно содержит конденсатор, подключенный к светодиоду параллельно, второй широтно-импульсный модулятор микроконтроллера, подключенный выходом к входу радиопередатчика с двухуровневой амплитудной манипуляцией. Использование изобретения позволяет повысить точность измерений частоты пульса. 1 ил.