RU2032376C1

RU2032376C1 - Способ определения состояния биологической ткани и фотоплетизмограф

Info

Publication number: RU2032376C1
Authority: RU
Inventors: М.Т. Александров; В.К. Осипов; И.М. Герасимов; А.Е. Здобников; П.И. Савостин; Е.М. Андреев; Е.В. Кравченко; В.М. Чекмарев
Original assignee: Московский областной научно-исследовательский клинический институт
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1995-04-10

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к способам и устройствам для определения нормального и патологического состояния биологической ткани на основе функциональных параметров сердечно-сосудистой системы, измеряемых через относительные оптические характеристики. Цель изобретения - повышение точности исследования и исключение факторов, обусловленных индивидуальными особенностями организма обследуемого. Для этого синхронно измеряют постоянную A^c и переменную A^v составляющие фотоплетизмографы (ФПГ) в трех точках: в исследуемой, симметричной ей интактной и реперной. Определив отношение переменной A^v к постоянной A^c составляющей сигнала, равное А, для каждой точки, вычисляют нормированные индексы для исследуемой точки и симметричной ей интактной по формуле K_n= A_n-A_p/A_n+A_p, где A_n - относительная оптическая характеристика точки п, п - порядковый номер точки, причем п = 1, 3, 5 ... для точек, расположенных соответственно в центре исследуемой зоны биологической ткани на границе исследуемой зоны БТ на границе исследуемой зоны, отступя 1 - 2 см от границы исследуемой зоны; п + 1 = 2, 4, 6 для симметричных им точек интактной анатомо-топографической зоны исследования; А - относительная оптическая характеристика реперной точки. После этого определяют нормированные индексы симметрии по формуле C_n= K_n/K_n+1 . При C_n< 0,89 делают заключение о патологических изменениях в данной точке. Выполнение способа обеспечивается фотоплетизмографом, состоящим из трех одинаковых каналов A, B, C, каждый из которых имеет блок излучения (И), содержащий последовательно соединенные генератор импульсов 1, амплитудный модулятор 2 и собственно излучатель 3. Световые импульсы И, проходя через исследуемые ткани биологического объекта (БО), расположенного между ИЗ и фотоприемником (ФП), или отражаясь от него, модулируются по амплитуде, а затем принимаются ФП 4. К выходу ФП 4 последовательно подключены предварительный усилитель 5, выпрямитель 6, фильтр низких частот 7, полосовой усилитель 8, а также дифференцирующий усилитель 9, компаратор 10 и формирователь импульсов 11, которые формируют сигнал первой производной ФПГ и выделяют временные метки-фиксации моментов перехода через ноль. Для исключения влияния индивидуальных оптических характеристик БО к выходу фильтра низких частот 7 подключен блок автоматической регулировки интенсивности (АРИ), содержащий последовательно включенные сглаживающий фильтр 12, элемент сравнения с порогом 13, регулирующий элемент 14. Выходы дифференцирующего усилителя 9, полосового усилителя 8, формирователя импульсов 11, регулирующего элемента 14 подключены к соответствующим входам регистрирующего прибора 15. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к способам и устройствам для определения нормального и патологического состояния биологических тканей на основе функциональных параметров сердечно-сосудистой системы, измеряемых через относительные оптические характеристики.

Широко известны способы оценки состояния биологических тканей организма человека, заключающиеся в определении субъективных и объективных клинических показателей в области патологических процессов, таких как болевой синдром, температурная реакция, выраженность интоксикации, наличие отека и гиперемии, инфильтрация и др. и последующем сравнении соответствующих показателей с наиболее благоприятными по клиническому течению результатами.

Наиболее близким техническим решением является способ определения состояния биологической ткани с помощью прибора, принятого за прототип, заключающийся в том, что в динамике регистрируют фотоплетизмограммы исследуемой и интактной областей, на основании чего делается вывод о характере и течении патологического процесса.

Известен фотоплетизмограф, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства и содержащий генератор импульсов, источник света и последовательно соединенные фотоприемник, усилитель переменного тока, демодулятор, фильтр и регистрирующий прибор.

Недостатками известных способа и устройства (прибора) является то, что они не обеспечивают точности определения состояния биологической ткани и не исключают влияния на его результаты индивидуальных особенностей обследуемого. Это обусловлено сущностью способа и конструктивными особенностями прибора, предусматривающими последовательную (не синхронную, не одновременную) регистрацию физиологических параметров, например постоянной и переменной составляющих фотоплетизмограммы. В то же время в результате проведенных исследований установлено, что разница во времени между фиксацией постоянной и переменной составляющих существенно влияет на точность измеряемых показателей. Например, в течение 5 с значение переменной составляющей может измениться в 2 и более раз. Далее, измерение и сравнение согласно способу-прототипу физиологических параметров в патологической и симметричной ей анатомо-топографической областях не обеспечивает полный учет индивидуальных биологических особенностей конкретного больного в связи с тем, что как показали последние исследования, изменения в тканях патологической области вызывают изменения в симметричной ей анатомо-топографической интактной области. И, наконец, не предусмотрен учет реактивности больного, поскольку для исследования в динамике и сравнения физиологических характеристик необходимо иметь базу сравнения, в качестве которой берутся усредненные показатели, не позволяющие дать точную характеристику индивидуальных особенностей конкретного больного в данный момент времени, так как величины физиологических параметров подвержены сильным колебаниям во времени, например максимальные и минимальные индивидуальные оптические характеристики могут отличаться в 15 раз.

Цель изобретения состоит в повышении точности исследования с одновременным исключением факторов, обусловленных индивидуальными особенностями организма обследуемого. Поставленная цель достигается тем, что синхронно измеряют постояную А^с и переменную А^v составляющие сигнала фотоплетизмограммы (ФПГ), регистрируемые в момент перехода первой производной ФПГ через "0", в трех точках, а именно в реперной точке, точках, соответствующих центру обследуемой зоны биологической ткани, границе обследуемой зоны и отступив 1-2 от границы обследуемой зоны, а также в симметричных им точках интактной анатомо-топографической зоны, определяют отношение переменной А^v к постоянной составляющей А^с сигнала, равное А, для каждой точки. Далее определяют нормированные индексы по формуле
K_n=

где А_n относительная оптическая характеристика точки n, n порядковый номер точки, причем V_n 1, 3, 5. для точек, расположенных соответственно в центре исследуемой области биологической ткани, на границе исследуемой области, отступив 1-2 см от границы исследуемой области, V_n+1 2, 4, 6. для симметричных им точек интактной анатомо-топографической зоны исследования;
А_р относительная оптическая характеристика реперной точки.

Вероятность равенства нулю нормированного индекса К_n не более 5%
После этого определяют нормированные индексы симметрии по формуле
C_n=

при С_n ≥0,89 делают заключение о нормальном состоянии биологической ткани в точке n, при C_n < 0,89 делают заключение о патологических изменениях в исследуемой биологической ткани.

Поставленная цель достигается также тем, что фотоплетизмограф, используемый для определения состояния биологической ткани, содержащий генератор импульсов, амплитудный модулятор, источник света и последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель, выпрямитель, фильтр низких частот и полосовой усилитель, а также блок автоматической регулировки интенсивности излучения, снабжен последовательно соединенными дифференцирующим усилителем, компаратором и формирователем импульсов, а блок автоматической регулировки интенсивности излучения включен между выходом фильтра низких частот и управляющим входом амплитудного модулятора. При этом выходы 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 ноль, сигнала пульсации кровотока (переменной составляющей А^v фотоплетизмограммы), сигнала постоянной составляющей ФПГ А^с. Именно такое введение перечисленных элементов, их расположение и взаимосвязь обеспечивают согласно способу проведение синхронных изменений физиологических показателей в каждой из точек исследования, в симметричной ей интактной и в реперной.

На фиг.1 изображена блок-схема фотоплетизмографа; на фиг.2 формы сигналов, поступающих с выходов фотоплетизмографа; на фиг.3 графики изменения нормированного индекса симметрии С_n в точках, соответствующих центру очага поражения, границе и отступив 2 см от границы очага поражения, при использовании в фотоплетизмографе источника света с длиной волны λ= 0,63 мкм; на фиг.4 то же, для света с длиной волны λ= 0,89 мкм.

Заявляемый фотоплетизмограф содержит три одинаковых канала P, Q и R, каждый из которых имеет блок излучения, состоящий из последовательно соединенных генератора импульсов 1, амплитудного модулятора 2 и собственно излучателя 3, в качестве которого использован светодиод. Излучатель 3 оптически связан с фотоприемником 4, к выходу которого последовательно подключены предварительный усилитель 5, выпрямитель 6, фильтр низких частот 7, полосовой усилитель 8, дифференцирующий усилитель 9, компаратор 10 и формирователь импульсов 11. К выходу фильтра низких частот 7 подключен также блок автоматической регулировки интенсивности излучения (АРИ), содержащий последовательно включенные сглаживающий фильтр 12. Элемент сравнения с порогом 13 и регулирующий элемент 14, выход которого соединен с вторым входом амплитудного модулятора 2. Второй вход элемента сравнения с порогом 13 подключен к источнику опорного напряжения U_on.

Выход дифференцирующего усилителя 9, полосового усилителя 8, формирователя импульсов 11 и регулирующего элемента 14 подключены к соответствующим входам регистрирующего прибора 15.

Фотоплетизмограф работает следующим образом. Генератор импульсов 1 вырабатывает периодическую последовательность импульсов с частотой Р_о, которая через амплитудный модулятор 2 поступает на излучатель 3. Излучатель 3 работает в импульсном режиме. Световые импульсы, проходя через исследуемые ткани биологического объекта (БО), расположенного между излучателем 3 и фотоприемником 4, или отражаясь от них, модулируются по амплитуде, причем глубина модуляции зависит от степени кровенаполнения исследуемых тканей. Модулированный по амплитуде импульсный световой поток принимается фотоприемником 4.

Электрический сигнал с фотоприемника 4 является двухчастотным содержащим, сигнал с частотой f_о, соответствующий прошедшему через БО или отраженному от него световому потоку, и сигнал с частотой f_м, соответствующий изменению кровотока, вызванного изменением сердечной деятельности. Сигнал, снимаемый с фотоприемника 4, усиливается с помощью предварительного избирательного усилителя 5, настроенного на частоту генератора импульсов 1. Усилитель 5 обеспечивает выделение сигнала с частотой генератора импульсов 1 и исключает влияние внешних засветок на фотоприемнике 4.

Далее сигнал подается на выпрямитель 6 и фильтр низких частот 7. Выпрямитель 6 преобразует переменный амплитудно-модулированный сигнал в пульсирующий знакопостоянный сигнал. Фильтр низких частот 7 выделяет постоянную составляющую этого сигнала с наложенной на нее составляющей, пропорциональной пульсации кровотока, и отфильтровывает высокочастотную составляющую сигнала. Сигнал с выхода фильтра низких частот 7 поступает одновременно на входы полосового усилителя 8 и блока автоматической регулировки интенсивности излучения (АРИ). Полосовой усилитель 8 усиливает составляющую сигнала, пропорциональную пульсации кровотока, отсекая постоянную и высокочастотную составляющие сигнала помехи. С выхода полосового усилителя 8 сигнал, пропорциональный пульсации кровотока, поступает на вход II регистратора 15. Одновременно указанный сигнал поступает на вход дифференцирующего усилителя 9, с выхода которого сигнал, пропорциональный производной пульсации кровотока, поступает на вход IV регистратора 15. Сигнал с выхода дифференцирующего усилителя 9 также поступает на вход компаратора 10, выход которого через формирователь импульсов 11 поступает на вход III регистратора 15.

Компаратор 10 фиксирует моменты перехода сигнала, пропорционального производной пульсации кровотока через ноль. А формирователь импульсов 11 формирует в эти моменты времени короткие импульсы (временные метки), причем полярность импульсов зависима от знака второй производной.

Блок АРИ излучения работает следующим образом. При освещении тканей с различной оптической плотностью на фотоприемник попадает излучение, интенсивность которого изменяется в зависимости от плотности тканей данного БО. В результате изменяется амплитуда сигнала на выходе. Для исключения влияния плотности биологических тканей на результаты исследований в описываемом фотоплетизмографе сигнал с фильтра низких частот подается на сглаживающий фильтр 12, который ослабляет амплитуду пульсации кровотока, сохраняя на выходе постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде несущей частоты сигнала. Сигнал со сглаживающего фильтра 12 подается на элемент сравнения с порогом 13, который выделяет сигнал, пропорциональный разности между опорным напряжением U_on и напряжением, поступающим с выхода сглаживающего фильтра 12. Далее сигнал преобразуется регулирующим элементом 14, в качестве которого может быть использован регулируемый стабилизатор напряжения или тока, и подается на амплитудный модулятор 2. Амплитудный модулятор 2 выполнен в виде управляемого генератором 1 электронного ключа, нагрузкой которого является излучатель 3, а источником питания служит регулирующий элемент. В результате интенсивность светового потока, падающего на биологический объект, изменяется в зависимости от его плотности и на фотоприемник поступает стабилизированный световой поток, не зависящий от плотности БО.

Способ осуществляется следующим образом. Наложив датчики фотоплетизмографа на одну из точек обследуемой зоны БО, на симметричную ей точку интактной анатомо-топографической зоны исследования и на реперную точку, регистрируют для каждой точки сигналы, пропорциональные:
постоянной составляющей ФПГ А^с,
переменной составляющей ФПГ А^v,
первой производной ФПГ

, а также моменты перехода первой производной ФПГ через "0". Запись сигналов для одной из точек, а также синхронная ЭКГ во II-м стандартном отведении представлены на фиг.2.

Из точки, соответствующей моменту перехода первой производной ФПГ через "0", восставляют перпендикуляр к оси времени, пересекающий записи постоянной и переменной составляющих ФПГ. Замеряют высоты А^с и А пересечения этих кривых с данным перпендикуляром и для каждой точки определяют относительную оптическую
характеристику A

Далее определяют нормированные индексы по формуле
K_n=

где А_n относительная оптическая характеристика точки n, n порядковый номер точки, причем n 1, 3, 5. для точек, расположенных, соответственно, в центре исследуемой области биологической ткани, на границе исследуемой области, отступив 1-2 см от границы исследуемой области, n+1 2, 4, 6. для симметричных им точек интактной анатомотопографической зоны исследования;
Ар относительная оптическая характеристика реперной точки. После этого определяют нормированные индексы симметрии по формуле
C_n=

При С_n ≥0,89 делают заключение о нормальном состоянии биологической ткани в точке n, а при C_n < 0,89 делают заключение о патологических изменениях в исследуемой биологической ткани.

Для реализации заявляемого способа нет необходимости получать усредненные физиологические параметры путем обследования большого количества больных по каждому виду патологии, следовательно, по сравнению с известными способами, весь процесс определения состояния исследуемой биологической ткани существенно укорачивается и сводится лишь к непосредственным измерениям и обработке результатов для конкретного пациента.

П р и м е р. Больной А. (и/б N 271/90) находился в отделении хирургической стоматологии МОНИКИ с 9 сентября по 12 октября 1990 г. с диагнозом: флегмона челюстно-лицевой области справа. Ежедневно вместе с контролем общепринятых клинических показателей проводились фотоплетизмографические исследования по предлагаемому способу.

На фиг.3 и 4 приведены графики изменения нормированных индексов симметрии С и таблица результатов проводимых одновременно измерений физиологических параметров. Ясно видна связь положительной динамики С с процессом выздоровления, а также соответствие момента, когда величина С достигает значения 0,89, и момента окончательного выздоровления.

Клинические испытания предложенных способа и устройства показали, что по сравнению с известными, обеспечивается наибольшая точность определения состояния исследуемой БТ при полной объективности характеристики течения патологического процесса.

Claims

1. Способ определения состояния биологической ткани путем фотоплетизмографического исследования в динамике и сравнения характеристик здорового и пораженного участков ткани, отличающийся тем, что синхронно измеряют постоянную А^c и переменную А^v составляющие сигнала в момент регистрации перехода первой производной через нуль в трех точках, а именно в реперной точке, в точках, соответствующих центру исследуемой области биологической ткани, границе исследуемой области и на расстоянии 1 2 см от этой границы, а также в симметричных им точках интактной анатомо-топографической зоны исследования, определяют отношение переменной А^v к постоянной А^c составляющей сигнала для каждой точки, определяют нормированные индексы из соотношения

где А_n относительная оптическая характеристика точки;
n порядковый номер точки, причем n=1,3,5 -для точек, расположенных в центре исследуемой области, на ее границе и отступя 1 2 см от границы, n+1= 2,4,6 для симметричных им точек интактной анатомо-топографической зоны исследования;
А_р относительная оптическая характеристика реперной точки,
определяют нормированные индексы симметрии из соотношения

при этом С_n ≥ 0,89 соответствует норме, С_n < 0,89 - патологии.

2. Фотоплетизмограф, содержащий 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, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, компаратор и формирователь импульсов, а блок автоматической регулировки интенсивности излучения включен между выходом фильтра низких частот и управляющим входом амплитудного модулятора, при этом выходы 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.