RU2040912C1

RU2040912C1 - Оптический способ определения оксигенации крови и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2040912C1
Application number: RU93000467A
Authority: RU
Inventors: Э.Э. Годик; Б.Б. Ахремичев; Ю.Н. Барабаненков; Н.А. Борисов; А.Ю. Каргашин; Д.Е. Трофимов
Original assignee: Научно-инженерный центр биомедицинской радиоэлектроники института радиотехники и электроники РАН
Priority date: 1993-01-05
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 1995-08-09

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для неинвазивного определения содержания кислорода в крови оптическим методом на отражение. Способ предусматривает определение оксигенации крови облучением ткани оптическим излучением двух длин волн красного и инфракрасного диапазонов и регистрацию диффузно рассеянного излучения на фиксированных расстояниях от точки ввода зондирующего излучения. Диффузно рассеянное излучение регистрируют в точках, расположенных по одному от точки ввода зондирующего излучения и лежащих вместе с ней на одном отрезке прямой, при этом расстояние от точки ввода до ближайшей точки регистрации должно быть не менее 10 транспортных длин свободного пробега светового излучения в ткани, а интервал между точками регистрации не более 0,1 указанного расстояния. Предлагается также устройство для реализации способа. 2 с и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для неинвазивного определения содержания кислорода в крови оптическим методом на отражение.

Насыщение крови кислородом является важным клиническим параметром, определяющим состояние пациента, что особенно важно в процессе проведения хирургических операций, поскольку позволяет указать на необходимость введения больному физиологических растворов или повышения содержания кислорода во вдыхаемом воздухе.

Известны способы и устройства для определения содержания кислорода в крови неинвазивным путем оптическим методом на просвет. Они обычно содержат источники оптического излучения на двух длинах волн (как правило, красного и ближнего инфракрасного диапазонов спектра), которые расположены вне ткани и обеспечивают проникновение излучения в ткань. Кроме того, имеются приемник излучения, расположенный вне ткани и обеспечивающий прием рассеянного тканью излучения, а также блоки питания, управления и обработки принятых сигналов. Излучающая площадка источников и приемная площадка приемника направлены навстречу друг другу, а между ними расположен исследуемый участок ткани. Принцип действия данного типа устройств состоит в том, что оптическое излучение, проходя через ткань с кровеносными сосудами, испытывает поглощение, величина которого зависит от длины волны излучения, концентрации эритроцитов крови и степени насыщения крови кислородом.

Однако устройства такого типа позволяют провести диагностику оксигенации лишь артериальной крови, так как обработка сигналов производится по пульсовой волне, и только лишь в тех местах организма человека, которые можно просветить оптическим излучением указанных диапазонов. В то же время для широкого ряда медицинских приложений необходимо знать и общую оксигенацию венозной и артериальной крови, например, для слежения за процессом потребления кислорода тканью.

Известны оптические способы определения оксигенации крови, включающие облучение ткани оптическим излучением двух длин волн красного инфракрасного диапазонов и регистрацию диффузно рассеянного излучения на фиксированных расстояниях от точки ввода зондирующего излучения.

Известно также устройство для определения оксигенации крови оптическим методом на отражение, включающее датчик с установленными на его рабочей поверхности излучателями и фотоприемниками, подключенными через регистрирующие каскады и аналого-цифровой преобразователь к микропроцессорному блоку. Принцип действия данного устройства состоит в том, что приемники размещаются на таком расстоянии от излучателей, чтобы оптический путь красного света, принимаемого одним приемником, и оптический путь инфракрасного света, принимаемого вторым приемником, были равны. Однако указанное техническое решение наряду с определенными преимуществами имеет существенный недостаток, который сводится к тому, что оно не позволяет исключить нормировку регистрируемого сигнала на интенсивность падающего излучения, что приводит к дополнительным ошибкам в определении оксигенации крови.

Техническим результатом изобретения является создание оксиметра, позволяющего осуществить измерение общей оксигенации венозной и артериальной крови, усредненной по некоторой области ткани, на основе метода отражения оптического излучения.

Технический результат обеспечивается тем, что в оптическом способе определения оксигенации крови, включающем облучение ткани зондирующим излучением двух длин волн красного и/или инфракрасного диапазонов и регистрацию диффузно рассеянного тканью излучения на фиксированных расстояниях от точки ввода зондирующего излучения, диффузно рассеянное тканью излучение регистрируют в точках, расположенных по одну сторону от точки ввода зондирующего и лежащих вместе с ней на одном отрезке прямой. При этом расстояние от точки ввода до ближайшей точки регистрации должно быть не менее 10 транспортных длин свободного пробега зондирующего излучения в ткани, а интервал между точками регистрации не более 0,1 указанного расстояния.

Технический результат достигается в случае, когда облучение проводят на длинах волн в диапазонах 0,65-0,69 мкм и 0,84-0,97 мкм, в том числе в случае, когда облучение проводят на длинах волн 0,66 мкм и 0,87 мкм, соответствующих красному и инфракрасному диапазонам.

Устройство для реализации способа включает датчик с установленными на его рабочей поверхности излучателями и фотоприемниками, подключенными через регистрирующие каскады и аналого-цифровой преобразователь к микропроцессорному блоку. Регистрирующий каскад каждого фотоприемника образован установленными последовательно полосовым фильтром, к выходу которого параллельно подключены первые и вторые устройства выборки-хранения красного и инфракрасного каналов, соответственно, фильтры высоких частот и управляемые усилители, образующие последовательные цепочки, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, микропроцессор снабжен параллельным портом, выходы которого соединены с управляющими входами усилителей, при этом синхронизация поочередной работы излучателей и устройств выборки-хранения осуществляется от формирователя, вход которого подключен к тактовому генератору, а выходы к управляющим входам блоков питания излучателей, причем фотоприемники размещены по одну сторону от излучателей и лежат с ними на одной прямой, при этом расстояние между излучателями и ближайшим фотоприемником превышает, по крайней мере, на порядок расстояние между светочувствительными площадками фотоприемников.

На фиг. 1 представлена схема измерений с двумя фотоприемниками, используемая при реализации способа; на фиг. 2 блок-схема устройства.

Метод определения оксигенации основан на зависимости принятой интенсивности света, диффузно отраженного объемом ткани, от расстояния вдоль поверхности ткани между положениями источника и приемника зондирующего излучения. На фиг. 1 представлена принципиальная схема измерений. Участок ткани 1 облучается ограниченным световым пучком 2 от излучателя 3. Излучение диффузно распространяется в ткани и выходит обратно через облучаемую поверхность 4, где принимается двумя фотоприемниками 5 и 6, расположенными на фиксированных расстояниях ρ₁ и ρ₂. Измеряемой величиной является
U

ln

(1) где I₁ и I₂ принятые интенсивности излучения на расстояниях ρ₁ и ρ₂, соответственно, и ρ= ρ₂ ρ₁.

По величине U вычисляется коэффициент диффузного ослабления излучения κ в ткани, обусловленного совместным действием поглощения и рассеяния света. Вычисление производится по формуле
κρ

(ρU-3)

1 +

(2), где ρ( ρ₁+ ρ₂)/2 и Δρ считается малым по сравнению с ρ
Величина U измеряется для двух длин волн в диапазонах 0,65-0,67 мкм и 0,84-0,97 мкм: U_r для λ_r=0,66 мкм и U_ir для λ_iλ_ir=0,87 мкм. Спектральный диапазон этих длин волн выбирается из максимальной разницы в зависимости коэффициента поглощения от длины волны для гемоглобина, содержащего и не содержащего кислород. Ширина же линии излучения источников принципиальной роли не играет, а сказывается лишь на точности вычисления оксигенации. Для каждого значения U_r и U_ir вычисляются согласно (2) значения κ_r и κ_ir. Окончательная формула для нахождения оксигенации крови OS имеет вид
OS

(3) где σ_or и σ_oir сечения поглощения света эритроцитом с 100%-ным окислением гемоглобина для λ= λ_r и λ λ_ir соответственно;
σ_Rr и σ_Rir сечения поглощения света эритроцитом с 0%-ным окислением гемоглобина для λ= λ_r и λ λ_ir соответственно. Ориентировочные значения этих сечений поглощения света эритроцитом берутся из известных источников.

При реализации способа необходимо, чтобы расстояние от точки ввода зондирующего излучения до ближайшей точки регистрации было не менее 10 транспортных длин свободного пробега зондирующего излучения в ткани, что по нашим оценкам означает не менее 10 мм. В реализованном случае это расстояние было 12 мм. Интервал между точками регистрации должен составлять примерно 0,1 указанного выше расстояния. В реализованной модели он составлял 1,5 мм.

На фиг. 2 показана блок-схема предлагаемого устройства. Датчик 7 отражательного типа содержит два излучателя 8 и 9 с разным спектром излучения, которые могут быть смонтированы в едином корпусе. Они расположены на рабочей поверхности датчика излучающей площадкой наружу и подключены к формирователю 10 импульсов через индивидуальные усилители 11 и 12 тока. Работой формирователя управляет тактовый генератор 13. На той же рабочей поверхности датчика 7 на одной линии с излучателями 8, 9 размещены два фотоприемника 14 и 15, при этом их чувствительные площадки также обращены наружу. Они подключены через соответствующие им фильтры 16 и 17 к соединенным попарно-параллельно устройствам 18, 19 и 20, 21 выборки-хранения, выход каждого из которых через соответствующие фильтры 22, 23, 24, 25 высоких частот подсоединены к выходным управляемым усилителям 26, 27, 28, 29, соответственно. Таким образом, обработка сигналов проводится по четырем идентичным цепочкам 18, 22, 26 и 20, 24, 28 для красного канала и 19, 23, 27 и 21, 25, 29 для инфракрасного канала. Выходы управляемых усилителей подключены к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 30. Синхронизацию устройств 18, 19, 20, 21 выборки-хранения осуществляет формирователь 10. Выход АЦП 30 подключен к микропроцессорному блоку 31, соединенному с устройствами 32 ввода-вывода. К микропроцессорному блоку 31 подключен параллельный порт 33, который управляет работой выходных усилителей 26, 27, 28, 29. В качестве узлов 31, 32, 33 может быть использован персональный компьютер.

Устройство работает следующим образом. Тактовый генератор 13 вырабатывает импульсы прямоугольной формы частотой 2 кГц. Формирователь 10 вырабатывает пакеты токовых импульсов, управляющих работой излучателей таким образом, что в каждый момент времени может работать только один из излучателей 8, 9. Излучательные импульсы поступают на усилители 11, 12 тока, которые управляют работой излучателей 8, 9. Их излучение, проходя через поверхность ткани, рассеивается в приповерхностных кровесодержащих слоях, частично отражаясь в сторону указанной выше поверхности и выходя наружу. Здесь оно попадает на фотоприемники 14 и 15, которые преобразуют световой сигнал в электрический.

Работу приемного тракта рассмотрим на примере одного из идентичных каналов, например, тракта "дальнего" фотоприемника 14, идентичного по своим спектральным характеристикам фотоприемнику 15, однако находящемуся на большем расстоянии от излучателей 8, 9. Фотоприемник 14 вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный падающей интенсивности света, при этом в каждый момент времени сигнал определяется лишь одним из излучателей, что задается работой формирователя 10. Сигнал с фотоприемника 14 поступает на полосовой фильтр 16, который также настроен на частоту 2 кГц. На выходе фильтра 16 сигнал имеет вид двух последовательных пакетов импульсов от излучателей 8 и 9. Для разделения этих пакетов и регистрации амплитуды сигналов используется устройства 18, 19 выборки-хранения, на выходе которых присутствуют постоянные сигналы с амплитудой, характеризующей уровень принятой интенсивности света на соответствующей длине волны.

Постоянные сигналы пропускаются через фильтры высоких частот 22, 23 для улучшения соотношения сигнала и шума. Отфильтрованный сигнал усиливается выходными усилителями 26, 27 и поступают на АЦП 30, где происходит преобразование аналогового сигнала в цифровые коды. Указанные цифровые коды поступают в микропроцессорный блок 31, где происходит их математическая обработка в соответствии с выражениями (1)-(3).

Для ввода данных, необходимых для работы микропроцессорного блока, и вывода результатов обработки существуют устройства 32 ввода-вывода. В качестве устройства ввода может быть использована клавиатура компьютера, а в качестве устройства вывода дисплей или принтер. Параллельный порт 33 предназначен для передачи цифровых кодов соответствующих требуемым коэффициентам усиления в регистры выходных усилителей 26, 27.

При реализации устройства могут быть использованы известные узлы и комплектующие изделия оптоэлектронной и радиоэлектронной базы. Например, в качестве излучателей могут быть использованы стандартные светодиодные GaAs-AlAs структуры соответствующего состава, в качестве фотоприемников стандартные кремниевые приемники. В качестве тактового генератора 13 может быть использован RC-мультивибратор на цифровой микросхеме КМОП серии. Формирователь 10 управляющих импульсов может быть выполнен на ПЗУ емкостью 1 кбит. В качестве усилителей 11, 12 тока могут быть использованы регулируемые транзисторные источники тока. Фильтры 16, 17 могут быть выполнены на интегральных операционных усилителях, а устройства выборки-хранения 18-21 на интегральных СВХ серии 1102. Фильтры 22-25 представляют собой RС звенья первого порядка. Выходные усилители могут быть выполнены на интегральных операционных усилителях. В качестве АЦП может быть использован 10-разрядный АЦП типа 1113ПВ1. Функции микропроцессорного блока 31, устройств ввода-вывода 32 и параллельный порт 33 могут выполняться, например IBМ РС.

Claims

1. Оптический способ определения оксигенации крови, включающий облучение ткани зондирующим излучением двух длин волн красного и/или инфракрасного диапазонов и регистрацию диффузно рассеянного тканью излучения на фиксированных расстояниях от точки ввода зондирующего излучения, отличающийся тем, что диффузно рассеянное тканью излучение регистрируют в точках, расположенных по одну сторону от точки ввода зондирующего излучения и лежащих вместе с ней на одном отрезке прямой, при этом расстояние от точки ввода до ближайшей точки регистрации должно быть не менее 10 транспортных длин свободного пробега зондирующего излучения в ткани, а интервал между точками регистрации не более 0,1 указанного расстояния.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение проводят на длинах волн в диапазонах 0,65 0,69 мкм и 0,84 0,97 мкм, соответствующих красному и инфракрасному диапазонам.

3. Устройство для определения оксигенации крови, включающее датчик с установленными на его рабочей поверхности излучателями и фотоприемниками, подключенными через регистрирующие каскады и аналого-цифровой преобразователь к микропроцессорному блоку, отличающееся тем, что регистрирующий каскад каждого фотоприемника образован установленными последовательно полосовым фильтром, к выходу которого параллельно подключены первые и вторые устройства выборки-хранения красного и инфракрасного каналов соответственно, фильтры высоких частот и управляемые усилители, образующие последовательные цепочки, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, микропроцессор снабжен параллельным портом, выходы которого соединены с управляющими входами усилителей, при этом синхронизация поочередной работы излучателей и устройств выборки-хранения осуществляется от формирователя, вход которого подключен к тактовому генератору, а выходы к управляющим входам блоков питания излучателей, причем фотоприемники размещены по одну сторону от излучателей и лежат с ними на одной прямой, при этом расстояние между излучателями и ближайшим фотоприемником превышает по крайней мере на порядок расстояние между светочувствительными площадками фотоприемников.