RU203214U1

RU203214U1 - Устройство регистрации колебаний объёмного кровенаполнения

Info

Publication number: RU203214U1
Application number: RU2020133083U
Authority: RU
Inventors: Иван Юрьевич Волков; Андрей Александрович Сагайдачный; Дмитрий Игоревич Майсков; Иван Сергеевич Залетов; Анатолий Владимирович Скрипаль
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2021-03-26

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к медицинским диагностическим приборам, и предназначена для определения формы колебаний объёмного кровенаполнения в конечностях в режиме реального времени на основе измерений температуры на поверхности кожи конечностей. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счёт преобразования температурного сигнала в сигнал по форме, максимально приближенной к форме колебаний кровотока в режиме реального времени. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве исследования колебаний тонуса кровеносных сосудов, включающем блок регистрации колебаний температуры кожи в области конечностей, согласно полезной модели, длярегистрации колебаний объёмного кровенаполнения в сосудах конечностей оно дополнительно содержитподключенный к блоку регистрации колебаний температуры кожи блок преобразования колебаний температуры в сигнал колебаний объёмного кровенаполнения, включающий активный фильтр высоких частот Саллена-Кея, выход которого соединён с входом активного фазового фильтра, выход которого соединён с входом неинвертирующего усилителя, при этом выход неинвертирующего усилителя соединён с входом повторителя напряжения для регистрации электрического сигнала, эквивалентного сигналу объёмного кровенаполнения. 3 ил. 1 табл.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к медицинским диагностическим приборам, и предназначена для определения формы колебаний объёмного кровенаполнения в конечностях в режиме реального времени на основе измерений температуры на поверхности кожи конечностей.

Снижение амплитуды колебаний объемного кровенаполнения происходит при различных нарушениях периферического кровообращения, сопровождающих такие социально-значимые патологии как сахарный диабет, облитерирующий эндартериит, венозный тромбоз и артериальный стеноз.

В настоящее время среди инструментальных способов регистрации периферической гемодинамики наиболее распространены методы лазерной допплеровской флоуметрии, фотоплетизмографии, импедансной реографии и сфигмографии (Рогаткин Д.А. Физические основы современных оптических методов исследования микрогемодинамики in vivo. // Медицинская физика. 2017. №4. С. 75-93).

Среди аналогов существует устройство для косвенной оценки периферического объёмного кровенаполнения с использованием функциональной нагрузки в виде создания окклюзии в области предплечья (см. заявку США 2008/027330 по кл. МПК А61В5/02, опуб. 31.01.2008) В рассматриваемом аналоге для регистрации колебаний температуры на поверхности кожи используется выносной температурный датчик, который крепится с помощью манжеты на указательном пальце. Сигнал с датчика поступает в устройство, которое состоит из основной платы и жидкокристаллического (ЖК) сенсорного дисплея для отображения данных и управления устройством. Основная плата состоит из блока обработки данных температуры, блока передачи данных в компьютер по шине USB, блока управления компрессионной манжетой, а также блока для отображения информации на ЖК дисплее. Все функциональные узлы устройство независимо друг от друга связаны с главным микроконтроллером. Блок обработки данных температуры включает в себя предварительный аналоговый усилитель, который соединён с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) последовательного приближения.

Основным недостатком данного устройства является отсутствие непосредственного анализа колебаний кожного кровотока по температурным измерениям.

Также известно устройство для регистрации температуры, которое содержит выносные датчики температуры, соединенные с первым входом АЦП, встроенный датчик температуры, соединенный со вторым входом АЦП, связанный с АЦП блок преобразования и сравнения, который соединяется с блоком энергонезависимой памяти, дисплеем, клавиатурой и блоком сопряжения, выход которого соединен с выводом подключения персонального компьютера (см патент РФ на полезную модель № 21092 по кл. МПК G01K7/00, опуб. 20.12.2001). Электронный терморегистратор обеспечивает достаточно высокую точность многоканальных измерений в широком интервале температур при высокой достоверности получаемой информации.

Недостатком данного устройства является ограниченный функционал, связанный с тем, что устройство не позволяет получать данные колебаний объёмного кровенаполнения на основе температурных данных.

Известен электронный терморегистратор (см. патент РФ на полезную модель № 43967 по кл. МПК G01K7/00, опуб. 10.02.2005), который содержит выносные датчики температуры, соединенные с первым основным входом АЦП, встроенный датчик температуры соединенный со вторым основным входом АЦП, связанный с АЦП блок преобразования и сравнения на микроконтроллера, соединенный с блоком энергонезависимой памяти, дисплеем, клавиатурой и блоком сопряжения, выход которого соединен с выводом подключения персонального компьютера, и встроенный источник питания со стабилизатором напряжения, соединенный с выводом подключения внешнего питания. Также устройство дополнительно содержит генератор сигналов опроса, вход которого соединен с соответствующим выходом блока преобразования и сравнения, а выход - с управляющим входом АЦП, вывод подключения датчика доступа и контрольный контакт разъема выносных датчиков температуры, связанные через коммутатор с блоком преобразования и сравнения, датчик температуры блока преобразования и сравнения, соединенный с дополнительным входом АЦП, и связанные с блоком преобразования и сравнения блок памяти уставок, блок оперативной памяти и часы реального времени, а вывод подключения персонального компьютера выполнен с возможностью дополнительного подключения термопринтера. Такой терморегистратор обеспечивает достаточно высокую точность и чувствительность многоканальных измерений в широком интервале температур при высокой достоверности получаемой информации.

Однако сам прибор выполнен на уже давно морально устаревших комплектующих. Также в приборе реализован устаревший интерфейс связи RS-232 с персональным компьютером (далее ПК). Недостатком устройства также является отсутствие непосредственной конвертации температурных данных в данные колебаний объёмного кровенаполнения.

Прототипом заявляемого устройства является электронный регистратор температуры (см. патент РФ № 2664626, по кл. МПК А61В5/01, опуб. 13.05.2018), содержащий выносной датчик температуры, соединенный с АЦП, передающим данные на персональный компьютер (ПК). Частота регистрации данных температуры устройства не менее 1 Гц. Выносной датчик температуры устройства снабжен блоком нагрева, подключенным к первому каналу микросхемы АЦП, подключенной к микроконтроллеру, передающим данные на ПК через интерфейс, кристалл микросхемы АЦП вмещает в себя трехканальный мультиплексор, инструментальный усилитель, источник опорного напряжения, управляемый источник тока и блок сигма-дельта АЦП, а микроконтроллер включает в себя Flash-память программы, оперативную память, энергонезависимую память (EEPROM), интерфейс UART для связи с ПК, интерфейс SPI для связи с АЦП. Также регистратор температуры содержит опторазвязку между блоком нагрева и измерительной цепью и опторазвязку между измерительной цепью и ПК, блок питания с блоком гальванической развязки питания, причем выносной датчик включает в себя мостовую измерительную схему с термистором, позволяющую избавиться от синфазных помех на входе АЦП, а также блок нагрева, основанный на SMD-резисторах, для теплового воздействия на тестируемый участок кожи пациента. Логикой работы и хранением данных занимается внешнее ПО, установленное на ПК, которое выполняет обработку полученного сигнала значений температуры помощью компьютерной программы с применением метода непрерывного вейвлет-анализа в диапазонах частот, соответствующих эндотелиальному (0,0095-0,02 Гц), нейрогенному (>0,02-0,05 Гц), миогенному (>0,05-0,14 Гц) механизмам регуляции тонуса микрососудов.

Однако в устройстве отсутствует возможность коррекции медикаментозного и физического терапевтического воздействия на организм человека в режиме реального времени, поскольку все преобразования происходят только после полного завершения сеанса записи температурных данных. Возможность коррекции в режиме реального времени необходима как в процессе проведения сеанса физиотерапии, так и при введении лекарств, проведении хирургических операций с использованием тепловизионного контроля.

Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание устройства, позволяющего осуществлять конвертацию данных колебаний температуры с поверхности кожи в данные колебаний периферического кровенаполнения в режиме реального времени.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет преобразования температурного сигнала в сигнал по форме, максимально приближенной к форме колебаний кровотока в режиме реального времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве исследования колебаний тонуса кровеносных сосудов, включающем блок регистрации колебаний температуры кожи в области конечностей, согласно полезной модели, для регистрации колебаний объёмного кровенаполнения в сосудах конечностей оно дополнительно содержит подключенный к блоку регистрации колебаний температуры кожи блок преобразования колебаний температуры в сигнал колебаний объемного кровенаполнения, включающий активный фильтр высоких частот Саллена-Кея, выход которого соединён с входом активного фазового фильтра, выход которого соединен с входом неинвертирующего усилителя, при этом выход неинвертирующего усилителя соединен с входом повторителя напряжения, на выходе которого формируется электрический сигнал, эквивалентный сигналу колебаний объёмного кровенаполнения, при этом блок преобразования колебаний температуры в сигнал колебаний объемного кровенаполнения имеет передаточную характеристику, воспроизводящую передаточную характеристику кожи человека.

Таким образом, в заявляемом устройстве вывод о регуляции кровотока делается на основе существования корреляции температуры и кровотока, при этом расчет корреляции проводится с использованием исходных сигналов без каких-либо изменений. Поскольку сигналы колебаний температуры и кровотока имеют различную форму, то для адекватного описания колебаний кровотока требуется модель, объясняющая различия форм сигналов. Использование модельных представлений позволяет преобразовать температурный сигнал так, чтобы его форма приближалась к форме колебаний кровотока.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана электрическая схема устройства.

На фиг. 2а и 2б показано сравнение амплитудно-частотных (фиг 2а) и фазо-частотных характеристик (фиг. 2б) (АЧХ и ФЧХ) кожи и заявляемого устройства, воспроизводящего теплофизические свойства кожи. Пунктирной линией изображены характеристики кожи, а сплошной линией характеристики устройства.

На фиг. 3 показан результат преобразования сигнала температуры в сигнал объёмного кровенаполнения с помощью предлагаемого устройства, проведено сопоставление исходного и преобразованного сигналов с сигналом объемного кровенаполнения, полученного независимым фотоплетизмографческим датчиком. На фиг.3а сплошной линией показан экспериментальный сигнал колебаний температуры - Т(t) и пунктирной линией экспериментальный сигнал колебаний объемного кровенаполнения - BF(t), полученный фотоплетизмографическим датчиком объемного кровенаполнения. На фиг.3б сплошной линией показан сигнал объёмного кровенаполнения, полученный с выхода устройства - BF*(t) в сравнении с экспериментальным сигналом - BF(t).

На чертежах позициями обозначено:

1 - фильтр высоких частот (ФВЧ) Саллена - Кея,

2 - фазовый фильтр,

3 - неинвертирующий усилитель,

4 - повторитель напряжения (цепь согласования),

5, 8 - предокклюзионный период,

6, 9 - окклюзионный период,

7, 10 - постокклюзионный период.

На всех фигурах принято следующее обозначение:

R1 - R9 - резисторы; С1 - С3 - электролитические конденсаторы; U1 - U4 - операционные усилители (ОУ).

Сущность полезной модели

Входное звено 1 блока преобразования (электрической схемы устройства) представляет собой активный фильтр высоких частот Саллена - Кея, который состоит из элементов R1C2 в цепи обратной связи и R2C1C2 в цепи прямой передачи сигнала, а также делителя напряжения на резисторах R3R4 и ОУ U1, выход которого соединён со входом фазового фильтра 2, состоящего из пассивного фильтра С3R7, делителя напряжения R5R6 и ОУ U2, выход которого соединён с входом неинвертирующего усилителя 3, который состоит из делителя напряжения на резисторах R8R9 и ОУ U3, выход которого соединён с входом повторителя напряжения 4, состоящего из ОУ U4. В качестве активного элемента в схеме используется операционный усилитель LM358. Блок регистрации колебаний температуры подключен к входному звену 1 блока преобразования.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с блока регистрации колебаний температуры, выполненного в виде датчика температуры (на фиг. 1 не показан) подаётся на вход блока преобразования через цепь прямой передачи сигнала R2C1C2, которая не пропускает постоянную составляющую сигнала и выделяет необходимые высокие частоты, поступающие на вход операционного усилителя ОУ U1, который формирует необходимую нелинейность АЧХ. Крутизна сигнала с выхода U1 обеспечивается поступлением управляющего напряжения на инвертирующий вход, которое формируется делителем напряжения на резисторах R3R4. Часть усиленного сигнала снимается с выхода U1 и через элементы R1C2 цепи обратной связи подаётся на вход U1. Далее отфильтрованный и усиленный сигнал с выхода U1 поступает на пассивный фильтр С3R7, после которого на вход U2, который выполняет фазовый сдвиг сигнала с помощью подачи части выходного сигнала на инвертирующий вход U2 через делитель R5R6. Далее сигнал с выхода U2 поступает на неинвертирующий вход U3, который выполняет усиление сигнала до необходимой величины, пропорционально напряжению поступающего на инвертирующий вход U3 с делителя напряжения R8R9. С выхода U3 сигнал поступает на вход U4, выход которого соединен с инвертирующим входом для создания глубокой отрицательной-обратной связи. Затем сигнал с выхода U4 поступает на выход блока преобразования и представляет собой сигнал объемного кровенаполнения.

Аппаратная конвертация данных сигнала температуры в сигнал объёмного кровенаполнения заключается в следующем. Сигнал температуры подаётся на вход блока преобразования, который выполняет усиление и временной сдвиг частотных составляющих входного сигнала температуры, в соответствии с передаточной функцией схемы устройства (1). В результате на выходе устройства формируется электрический сигнал, эквивалентный сигналу объёмного кровенаполнения.

(1)

В схеме используются радиоэлементы со следующими номиналами: R1, R2, R5, R6 - 10 кОм, R3, R4, R9 - 1 кОм, R7, R8 - 100 кОм, С1, С2, С3 - 47 мкФ.

Описываемое устройство спроектировано таким образом, что его передаточная характеристика (1) воспроизводит передаточную характеристику кожи человека (2), вид которой установлен ранее на основе модельного представления кожи человека, как фильтра низких частот. [Sagaidachnyi A., Fomin A., Usanov D., Skripal A. Real-time technique for conversion of skin temperature into skin blood flow: human skin as a low-pass filter for thermal waves. // Computer methods in biomechanics and biomedical engineering. 2019. PP. 1-11.]. При этом коэффициент усиления Amp(f) на каждой частоте f входного сигнала температуры определяется выражением (3), представляющим собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) кожи. Временной сдвиг Phase(f) на каждой частоте f входного сигнала температуры определяется выражением (4), представляющим собой фазо-частотную характеристику (ФЧХ) кожи.

,

(2)

где: f - частота (Гц); z - толщина кожи (1,5 мм); χ = λ/(с·ρ) - температуропроводность (м²/с); λ - коэффициент теплопроводности (0,3 Вт/м⋅К); ρ - плотность (1100 кг/м³); с - удельная теплоёмкость (3500 Дж/кг·К).

	(3)
	(4)

Поскольку передаточная функция устройства (1) воспроизводит передаточную функцию кожи (2), то и АЧХ устройства должна совпадать с АЧХ кожи, построенной с использованием выражения (3), а ФЧХ устройства - с ФЧХ кожи, построенной с использованием выражения (4).

Хорошее совпадение характеристик, показанное на фиг. 2, свидетельствует о том, что свойства кожи качественно воспроизводятся разработанным устройством.

Предложенное электронное устройство апробироано в лабораторных условиях.

Для регистрации колебаний объёмного кровенаполнения на вход электронного устройства подавался экспериментальный сигнал температуры, записанный с указательного пальца в состоянии покоя и во время проведения окклюзионной пробы. Далее сигнал объемного кровенаполнения, полученный с выхода устройства, сопоставлялся с экспериментальным сигналом, записанным с помощью фотоплетизмографического датчика, и вычислялся коэффициент корреляции между ними.

Экспериментальный сигнал колебаний температуры на поверхности кожи регистрировался прибором МИТ 2.05М при помощи термопары K-типа на основе сплава хромель-алюмель. Чувствительность измерений температуры составляла 0,01°С. Измерения выполнялись в лабораторных условиях при стабильной температуре окружающей среды 23 ±0.2°C при отсутствии конвекционных потоков воздуха. Экспериментальный сигнал температуры записывался в течение времени не менее 23 минут (1380 с) для того, чтобы зарегистрировать несколько периодов низкочастотных эндотелиальных колебаний кровотока с периодом около 100 с. Для регистрации высокочастотных колебаний кровотока выбиралась частота дискретизации записываемого сигнала не менее 0.5 Гц. Данное значение частоты дискретизации в несколько раз превышает максимальную частоту колебаний кровотока 0.1 Гц, которую возможно зарегистрировать датчиками температуры с чувствительностью на уровне 0,01°С [А.А. Сагайдачный, А.В. Фомин, И.Ю. Волков. Предельные возможности современных тепловизоров, как инструмента для исследования колебаний периферического кровотока человека в различных диапазонах частот // Медицинская физика, 2016 №4, С. 84-93], что удовлетворяет правилу Котельникова для выбора частоты дискретизации.

Экспериментальный сигнал объёмного кровенаполнения регистрировался методом отражательной фотоплетизмографии с помощью оптического датчика, который представлял собой оптопару светодиод-фотодиод с центральной длиной волны 850 нм. Полученный ФПГ-сигнал поступал на модуль АЦП L-Card E14-440, где оцифровывался с частотой 50 Гц и передавался в компьютер. Далее сигнал, характеризующий динамику объёмного кровенаполнения - BF(t), определялся из ФПГ-сигнала, для этого выделялись точки максимумов пульсовых волн и по найденным точкам строилась огибающая, представляющая собой колебания объемного кровенаполнения. Данные температуры и ФПГ регистрировались на дистальной фаланге указательного пальца правой руки испытуемого, у которого отсутствовали нарушения регуляции периферического кровотока.

Окклюзионная проба заключалась в создании полного перекрытия артериального и венозного кровотока с помощью манжеты для измерения давления, накладываемой на плечо. В манжете создавалось давление на 60 мм.рт.ст. выше систолического. До окклюзии регистрировались сигналы температуры и объёмного кровенаполнения в состоянии покоя в течение 10 мин, затем поддерживалось состояние окклюзии в течение 3 мин, после снятия окклюзии регистрировалось восстановление температуры и кровенаполнения также в течение 10 мин.

На фиг.3б видно, что сигнал объёмного кровенаполнения, полученный с выхода устройства, хорошо совпадает с экспериментальным сигналом объёмного кровенаполнения в предокклюзионный и постокклюзионный периоды. Во время окклюзии наблюдается некоторое несоответствие формы сигналов, что может быть обусловлено небольшим расхождением амплитудно-частотной характеристики устройства с характеристикой кожи в области низких частот (фиг.2а).

Таблица. Корреляция экспериментальных сигналов до и после преобразования колебаний температуры Т в колебания объемного кровенаполнения ОК.

Корреляции исходных сигналов Т и ОК _ФПГ	Корреляция сигналов ОК_ФПГ и ОК _{предлагаемого устройства}
0,68	0,84

Таким образом, выполнение аппаратной конвертации колебаний температуры в колебания объемного кровенаполнения привело к повышению коэффициента корреляции Пирсона сигналов в среднем от 0,68 до 0,84, что свидетельствует об эффективности заявляемого устройства регистрации колебаний объёмного кровенаполнения.

Claims

Устройство исследования колебаний тонуса кровеносных сосудов, включающее блок регистрации колебаний температуры кожи в области конечностей, отличающееся тем, что для регистрации колебаний объёмного кровенаполнения в сосудах конечностей оно дополнительно содержит подключенный к блоку регистрации колебаний температуры кожи блок преобразования колебаний температуры в электрический сигнал, эквивалентный сигналу колебаний объёмного кровенаполнения, включающий активный фильтр высоких частот Саллена-Кея, выход которого соединён со входом активного фазового фильтра, выход которого соединён со входом неинвертирующего усилителя, при этом выход неинвертирующего усилителя соединён со входом повторителя напряжения, при этом блок преобразования колебаний температуры в сигнал колебаний объёмного кровенаполнения имеет передаточную характеристику, воспроизводящую передаточную характеристику кожи человека.