RU2054884C1

RU2054884C1 - Photoplethysmograph

Info

Publication number: RU2054884C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Стромаков; Д.А. Чернов; Г.М. Антропов; Л.Н. Арнаутов; Н.С. Захаркин; А.В. Чурбаков
Original assignee: Антропов Геннадий Михайлович
Priority date: 1990-01-02
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1996-02-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: device has light sensor with photodetector 1, alternating current amplifier 3, demodulator 4, direct current amplifier 6. The device has newly introduced limiting amplifier 2 having controllable limit threshold. The direct current amplifier input is connected to control input of limiting amplifier 2. Limiting amplifier 2 is mounted between photodetector 1 and alternating current amplifier 3. Photodetector 1 has logarithmic characteristic curve. EFFECT: enhanced reliability; noise immunity. 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в офтальмологии, кардиологии и при функциональной диагностике. The invention relates to medicine and can be used in ophthalmology, cardiology and functional diagnostics.

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.A device for measuring a pulse is known, comprising a pulse sensor, an amplifier, a pulse wave separator, a clock generator, two electronic key circuits, an integrator, an indicator, a recorder, two coincidence circuits, a trigger, a multivibrator and a filter. The pulse meter allows you to select a pulse wave and measure the patient’s pulse by converting the infrared stream that has passed through the patient’s tissue [1]
This device is characterized by insufficient reliability of the pulse measurement, as it is highly susceptible to the influence of impulse noise associated with a sharp displacement of the sensor relative to the patient, for example, with hand tremors, and therefore requires special conditions for proper operation.

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.The closest prototype is a photoplethysmograph containing a photoelectronic sensor with a photodetector, an AC amplifier made in the form of an adjustable amplifier, a demodulator, a low-pass filter, a DC amplifier and a recording device. This photoplethysmograph also works on the principle of infrared flux conversion and can be used to study pulsations of blood flow [2]
The disadvantages of this device are the lack of reliability of plethysmogram isolation, since for the most accurate reproduction of the plethysmogram it is necessary to ensure unchanged external working conditions: special illumination of infrared light sources, screening of external light sources, etc., and besides, the reliability also depends on the presence of pulsed noise.

Цель изобретения повышение достоверности за счет обеспечения помехозащищенности. The purpose of the invention is to increase reliability by providing noise immunity.

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. The goal is achieved by the fact that in the known photoplethysmograph containing a photoelectric sensor with a photodetector, an adjustable AC amplifier, a demodulator, a low-pass filter and a DC amplifier are connected in series, the output of which is connected to the control input of an adjustable AC amplifier, and also a recording unit, according to the invention an amplifier-limiter with a controlled threshold is introduced, the information input of which is connected to the output of a photodetector with a logarithmic light characteristic , Limiter amplifier control input to a controlled threshold is coupled to the DC output of the amplifier, and the output to the input of the controlled alternating current amplifier, the output of the demodulator is connected to the recording unit.

На фиг. 1 изображена блок-схема фотоплетизмографа; на фиг. 2 эпюры сигналов; на фиг. 3 характеристика фотоприемника. In FIG. 1 shows a block diagram of a photoplethysmograph; in FIG. 2 diagrams of signals; in FIG. 3 characteristic of the photodetector.

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. The photoplethysmograph includes a photodetector 1, an AC limiter 2 with an adjustable limit threshold, an AC amplifier 3 made in the form of an adjustable amplifier, a demodulator 4, a low-pass filter 5, a DC amplifier 3 and a recording device 7, the output of the photodetector 1 connected to the input of the amplifier-limiter and alternating current with an adjustable limit threshold, the output of the amplifier-limiter 2 of an alternating current with an adjustable threshold limit is connected to the input of the amplifier of an alternating current amplifier 3 made in the form of an adjustable amplifier, the output of an alternating current amplifier 3 made in the form of an adjustable amplifier is connected to the input of the demodulator 4, the outputs of the demodulator 4 are connected to the input of the recording device 7 and to the input of the low-pass filter 5, the output of which is connected to the input of the DC amplifier 6, and the output of the DC amplifier 6 is connected to the control inputs of the AC amplifier 3, made in the form of an adjustable amplifier, and an AC limiting amplifier 2 with limit threshold.

Фотоплетизмограф работает следующим образом. Photoplethysmograph works as follows.

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.Using a photodiode in idle mode allows you to get a logarithmic conversion of the light flux into the output voltage. The logarithmic conversion function can also be obtained in photodetectors with a logarithmic converter, which in integrated design provide high-precision logarithmic conversion and have, as a rule, high sensitivity in terms of luminous flux, for example, FOU-139B provides conversion of the form U _out. K ln E, where E is the illumination, K is a constant equal to 10 ^-4 -10 ⁴ lux. The integrated photodetector 1, used as a pulse sensor, has a high sensitivity to the light flux and the logarithmic dependence of the photocurrent on the light flux and is located on the part of the patient’s body from which the photoplethysmogram is supposed to be taken. The source of infrared light for the photodetector 1 can be scattered room light or a low-power infrared emitter, although, due to the high sensitivity of the photodetector 1, the photoplethysmograph can work almost in the dark. The luminous flux passing through the tissue of the object is modulated in intensity (amplitude modulation due to blood supply to the tissues), spurious light interference (from electric lamps, heating devices, etc.) as well as pulsed noise (interference associated with random changes in the position of the sensor relative to the patient’s body). This total light signal enters the photodetector 1, which converts the light flux into an electrical signal (Fig. 2, diagram U _{output 1} ). A device with a logarithmic characteristic has the property of converting multiplicative signals (the light signal arriving at the photodetector is a signal modulated in amplitude with a modulation coefficient determined by the blood supply of tissues, i.e., in fact, this is the product of two signals) into additive ones (the output signal of the photodetector consists of the sum of two signals: constant component, which depends on the intensity of the external light flux and does not depend on the information signal, and a variable component, cat paradise determined information signal and is independent of ambient light level t. e. in fact conditions of measurement). With a logarithmic transformation, the variable component can be represented as
U _out. U _fp1 -U _fp2. К ln Е ₀ Т ₁ -к ln Е ₀ Т ₂ К ln (Е ₀ Т _{1 /} Е ₀ Т ₂ ) К ln Т ₁ / Т ₂ , where Е _{0 is the} external illumination;
Δ T modulation of the transmittance of the tissue Δ T T ₁ -T ₂ ;
K is a constant, i.e., regardless of the level of external illumination, we get a signal only about the parameter of interest for us, the modulation coefficient of tissue transmittance. Since the modulation coefficient of tissue transmittance (information signal) is always not more than 1% of the initial light flux, therefore, the logarithmic characteristic of the photodetector for the modulating function at any point can be considered linear with high accuracy (Fig. 3, corresponding to the specification for devices of this type ), although a logarithmic conversion is applied to the entire input luminous flux. Thus, when using a photodetector with a logarithmic characteristic, the accuracy of obtaining an information signal is the same as when using conventional receivers with a linear characteristic. Due to the fact that a photodetector device 1 with a logarithmic characteristic is used, having a small sensitivity threshold, the variable component of the output signal from the photodetector device 1 is practically independent of the level of ambient light and is determined only by the pulse signal. From the output of the photodetector 1, the signal is supplied to an alternating current limiting amplifier 2 with an adjustable limiting threshold. This unit 2 is introduced to reduce the influence of impulse noise arising, for example, with a sharp displacement of the sensor relative to the patient. Amplifier-limiter 2 AC with an adjustable threshold limit selects the variable component of the signal corresponding to the pulse signal, and freely passes this signal to the output, and pulsed noise "cuts" at the level corresponding to the maximum value of the pulse signal (Fig. 2, diagram U _output2 ) . From the output of an amplifier-limiter 2 of alternating current with a variable threshold of limitation, the signal goes to an amplifier 3 of alternating current, made in the form of an adjustable amplifier, where it is amplified in amplitude to a nominal value, and then to a demodulator 4. At the output of the demodulator, two signals are generated: a photoplethysmogram signal, frequency-selected during the passage of the tract, amplifier-limiter 2, amplifier 3, demodulator 4, and the signal due to optical density, not associated with changes in blood supply and conductive state by the outer surface of the tissue, the degree of contact pressure thereto photodetecting apparatus 1 and t. d. These factors define a large dynamic range of the pulse signal. In the low-pass filter 5 having a time constant of several pulse periods, a constant component corresponding to the optical density is extracted. This signal, amplified by a DC amplifier 6, acts on the control input of the AC amplifier 3, made in the form of an adjustable amplifier, and on the control input of the AC amplifier-limiter 2 with an adjustable limit threshold (Fig. 2, signal diagram U _{output 3, 4} and U _out . _5.6 ). Thus, two feedback circuits are closed, the first of which allows to reduce the dynamic range of the pulsogram signal, and the second to reduce the effect of impulse noise by automatically adjusting the limit threshold in accordance with the pulse signal level. From the output of the demodulator 4, the signal is fed to a recording device 7 for recording photoplethysmogram.

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. A photoplethysmograph is used at the MNTK MG for recording photoplethysmograms from various parts of the patient’s body. Tests of the photoplethysmograph showed a high reliability of signal extraction in the twilight illuminations of the patient's body in the absence of an additional infrared light source.

Claims

PHOTO PLETISMOGRAPH containing a light source, a photodetector, a series-connected adjustable AC amplifier, a demodulator, a low-pass filter and a DC amplifier, the output of which is connected to the control input of a variable AC amplifier, as well as a recording unit, characterized in that, in order to increase the reliability measured by providing noise immunity, a limiter amplifier with a controlled threshold is introduced into it, the information input of which is connected to the output of the photodetector, ennogo logarithmic light characteristic control input connected to the output of the dc amplifier, and the output - to the input of the controlled alternating current amplifier, the demodulator output is connected to the recording unit.