RU2294141C1 - Device for measuring oxygenation level and pulse frequency - Google Patents
Device for measuring oxygenation level and pulse frequency Download PDFInfo
- Publication number
- RU2294141C1 RU2294141C1 RU2005125289/14A RU2005125289A RU2294141C1 RU 2294141 C1 RU2294141 C1 RU 2294141C1 RU 2005125289/14 A RU2005125289/14 A RU 2005125289/14A RU 2005125289 A RU2005125289 A RU 2005125289A RU 2294141 C1 RU2294141 C1 RU 2294141C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reset
- input
- output
- integrator
- control
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к техническим средствам диагностического мониторинга функции внешнего дыхания с целью контроля процесса газообмена между организмом и окружающей средой, в частности к средствам медицинской техники, предназначенным для определения степени насыщения крови кислородом (оксигенации).The invention relates to technical means for diagnostic monitoring of the function of external respiration in order to control the process of gas exchange between the body and the environment, in particular, to means of medical equipment designed to determine the degree of blood oxygen saturation (oxygenation).
Наилучший результат диагностики (близкий к 100%) достигается при использовании неинвазивных методик, в частности пульсовой оксиметрии (пульсоксиметрии), с помощью которой производится определение сатурации (степени насыщения) крови кислородом (например, аналитические материалы ЗАО ИМЦ "Новые приборы" на сайте www.eliman.ru).The best diagnostic result (close to 100%) is achieved using non-invasive methods, in particular, pulse oximetry (pulse oximetry), which is used to determine the saturation (degree of saturation) of blood with oxygen (for example, analytical materials of the IMC "New Instruments" CJSC on www. eliman.ru).
Предложенная в 70-х годах методика пульсоксиметрии основана на использовании принципов фотоплетизмографии, позволяющей выделить артериальную составляющую абсорбции света для определения уровня оксигенации артериальной крови. Измерение этой составляющей дает возможность использовать спектрофотометрию для неинвазивного чрескожного мониторинга уровня сатурации артериальной крови кислородом (далее, кислородной сатурации). В соответствии с методикой фотоплетизмографии участок тканей, в котором исследуется кровоток, располагается на пути луча света между источником излучения и фотоприемником пульсоксиметрического датчика.The pulse oximetry technique proposed in the 70s is based on the use of the principles of photoplethysmography, which makes it possible to isolate the arterial component of light absorption to determine the level of arterial blood oxygenation. Measurement of this component makes it possible to use spectrophotometry for non-invasive percutaneous monitoring of the level of saturation of arterial blood with oxygen (hereinafter, oxygen saturation). In accordance with the photoplethysmography technique, the tissue site in which the blood flow is examined is located in the path of the light beam between the radiation source and the photodetector of the pulse oximetric sensor.
Согласно закону Beer-Lambert, величина абсорбции света пропорциональна толщине слоя поглощающего вещества, то есть при исследовании кровотока определяется размером сосуда или объемом крови, проходящим через исследуемый участок тканей (www.eliman.ru/publ/AMCM/0.html). Сужение и расширение сосуда под действием артериальной пульсации кровотока вызывают соответствующее изменение амплитуды сигнала фотоприемника.According to Beer-Lambert law, the amount of light absorption is proportional to the thickness of the layer of absorbing substance, that is, when examining blood flow, it is determined by the size of the vessel or the volume of blood passing through the studied tissue area (www.eliman.ru/publ/AMCM/0.html). The narrowing and expansion of the vessel under the influence of arterial pulsation of blood flow cause a corresponding change in the amplitude of the signal of the photodetector.
Фотоплетизмограмма (ФПГ), получаемая после усиления и обработки сигнала фотоприемника, характеризует состояние кровотока в месте расположения пульсоксиметрического датчика. В частности, когда давление крови повышается, амплитуда ФПГ возрастает, при снижении давления амплитуда ФПГ падает.Photoplethysmogram (PPG), obtained after amplification and processing of the photodetector signal, characterizes the state of blood flow at the location of the pulse oximetric sensor. In particular, when the blood pressure rises, the amplitude of the PPG increases, with a decrease in pressure, the amplitude of the PPG decreases.
Изменения в форме ФПГ могут указывать на развитие гемодинамических нарушений на исследуемом участке сосудистого русла, поэтому ФПГ отображается на графическом дисплее монитора для использования в клинической диагностике.Changes in the form of PPG can indicate the development of hemodynamic disturbances in the studied area of the vascular bed, therefore, PPG is displayed on the graphic display of the monitor for use in clinical diagnosis.
Для неинвазивного определения уровня оксигенации крови в "поле зрения" пульсоксиметрического датчика помещается участок тканей, содержащий артериальные сосуды. В этом случае сигнал с выхода пульсоксиметрического датчика, пропорциональный абсорбции света, проходящего через ткани, включает две составляющие:For non-invasive determination of blood oxygenation level, a tissue site containing arterial vessels is placed in the "field of view" of the pulse oximetric sensor. In this case, the signal from the output of the pulse oximetric sensor, proportional to the absorption of light passing through the tissue, includes two components:
- пульсирующую (переменную) компоненту, обусловленную изменением объема артериальной крови при каждом сердечном сокращении;- a pulsating (variable) component due to a change in arterial blood volume with each heart beat;
- постоянную "базовую" составляющую, определяемую оптическими свойствами кожи, венозной и капиллярной крови и других тканей исследуемого участка.- a constant "base" component, determined by the optical properties of the skin, venous and capillary blood and other tissues of the investigated area.
Путем анализа формы ФПГ можно выделить фрагменты, соответствующие моментам систолического выброса. Именно в эти короткие промежутки времени на вершине систолы удается наиболее точно определить кислородную сатурацию. Для этого используется методика двухлучевой спектрофотометрии. Измерение абсорбции света производится в моменты систолического выброса, то есть в моменты максимума амплитуды сигнала пульсоксиметрического датчика для двух длин волн излучения. Для этой цели в пульсоксиметрическом датчике используются два источника излучения с различными спектральными характеристиками.By analyzing the shape of the PPG, fragments corresponding to the moments of systolic ejection can be distinguished. It is during these short periods of time at the top of the systole that oxygen saturation can be most accurately determined. For this, a two-beam spectrophotometry technique is used. The absorption of light is measured at the moments of systolic ejection, that is, at the moments of the maximum amplitude of the pulse oximetric sensor signal for two radiation wavelengths. For this purpose, the pulse oximetric sensor uses two radiation sources with different spectral characteristics.
Для получения наибольшей чувствительности определения кислородной сатурации длины волн излучения источников выбирают в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином и гемоглобином. Этому условию удовлетворяют красная и ближняя инфракрасная области спектра излучения.To obtain the greatest sensitivity for determining oxygen saturation, the radiation wavelengths of the sources are selected in the spectral regions with the greatest difference in the absorption of light by oxyhemoglobin and hemoglobin. This condition is satisfied by the red and near infrared regions of the radiation spectrum.
При длине волны излучения 660 нм (красная область) гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин, а на волне 940 нм (инфракрасная область) - поглощение оксигемоглобина больше, чем гемоглобина.At a radiation wavelength of 660 nm (red region), hemoglobin absorbs about 10 times more light than oxyhemoglobin, and at a wavelength of 940 nm (infrared region), absorption of oxyhemoglobin is greater than hemoglobin.
Для повышения точности определения кислородной сатурации методом пульсоксиметрии используется нормирование сигналов поглощения света, для чего измеряется постоянная составляющая в моменты диастолы А= иTo increase the accuracy of determining oxygen saturation by pulse oximetry, normalization of light absorption signals is used, for which the constant component at the moments of diastole A = and
находится отношение Анорм амплитуды пульсирующей составляющей А~ к величине А=:the ratio Anorm of the amplitude of the pulsating component A ~ to the value A = is found :
АНОРМ=А~/А= A NORM = A ~ / A =
Эта процедура выполняется для каждой длины волны излучения. Нормированная величина поглощения не зависит от интенсивности излучения светодиодов, а определяется только оптическими свойствами живой ткани.This procedure is performed for each radiation wavelength. The normalized absorption value does not depend on the radiation intensity of the LEDs, but is determined only by the optical properties of living tissue.
Для получения значений кислородной сатурации рассчитывают отношение R нормированных величин поглощения света для двух выбранных длин волн:To obtain oxygen saturation values, the ratio R of the normalized light absorption values for two selected wavelengths is calculated:
R=(А~/А=)KP/(А~/А=)ИНФ,R = (A ~ / A = ) KP / (A ~ / A = ) INF ,
где индекс КР относится к абсорбции в красной области спектра, а индекс ИНФ - к абсорбции в инфракрасной области спектра.where the Raman index refers to absorption in the red region of the spectrum, and the INF index refers to absorption in the infrared region of the spectrum.
В качестве источников света в пульсоксиметрических датчиках используются специально разработанные бескорпусные светодиоды красного и инфракрасного диапазонов излучения (далее, красный и инфракрасный светодиоды, соответственно), размещенные на одной подложке для совмещения оптических осей излучения.As light sources in pulse oximetric sensors, specially designed open-frame light emitting diodes of the red and infrared radiation ranges (hereinafter, red and infrared light emitting diodes, respectively) placed on the same substrate for combining the optical axes of radiation are used.
В качестве фотоприемников применяются кремниевые фотодиоды, обладающие высокой чувствительностью в области красного и инфракрасного диапазонов излучения, высоким быстродействием и низким уровнем шума.Silicon photodiodes are used as photodetectors, which have high sensitivity in the red and infrared ranges of radiation, high speed and low noise.
Фотоприемник преобразует интенсивность ослабленного тканями красного и инфракрасного излучения в электрический сигнал, поступающий в тракт усиления. Излучатели пульсоксиметрического датчика включаются поочередно, то есть коммутируются с определенной частотой, что позволяет использовать для регистрации излучения один коммутируемый фотоприемник. Далее в усилительном тракте сигналы красного и инфракрасного излучения разделяются на два канала с помощью импульсов управления коммутатора, переключающих светодиоды. В каждом канале производится измерение двух составляющих ФПГ, обусловленных постоянной и переменной составляющими абсорбции, необходимых для вычисления величины R и определения уровня кислородной сатурации.A photodetector converts the intensity of red and infrared radiation attenuated by tissues into an electrical signal entering the amplification path. The emitters of the pulse oximetric sensor are switched on alternately, that is, they are switched at a certain frequency, which allows the use of a single switched photodetector for detecting radiation. Further, in the amplification path, the signals of red and infrared radiation are divided into two channels using the control pulses of the switch, switching the LEDs. In each channel, two PPG components are measured, due to the constant and variable absorption components, necessary to calculate the R value and determine the level of oxygen saturation.
Особенностью усилительного тракта является необходимость усиления сигналов фотоприемника в достаточно большом динамическом диапазоне входных сигналов (более 60 дБ). Это требование обусловлено значительным разбросом оптических характеристик кожи, подлежащих тканей, выраженности пульсаций кровотока в месте расположения пульсоксиметрического датчика у различных пациентов.A feature of the amplification path is the need to amplify the signals of the photodetector in a sufficiently large dynamic range of input signals (more than 60 dB). This requirement is due to a significant scatter in the optical characteristics of the skin, underlying tissues, the severity of pulsations of the blood flow at the location of the pulse oximetric sensor in various patients.
Реализация требуемого динамического диапазона достигается использованием цифровой автоматической регулировки усиления (АРУ), охватывающей каскады усиления сигнала и источника тока, питающего светодиоды. Система АРУ поддерживает выходные сигналы усилительного тракта на уровне максимально допустимого для аналого-цифрового преобразователя (АЦП) входного напряжения с целью уменьшения шумов квантования.The implementation of the required dynamic range is achieved using digital automatic gain control (AGC), covering the cascades of signal amplification and the current source supplying the LEDs. The AGC system maintains the output signals of the amplifier path at the level of the maximum allowable input voltage for an analog-to-digital converter (ADC) in order to reduce quantization noise.
Вычислитель пульсоксиметра содержит программное обеспечение, реализующее первичную обработку ФПГ, алгоритмы выделения артериальных пульсаций по красному и инфракрасному каналам, вычисления отношения R и определения с помощью известной калибровочной характеристики величины SpO2.The pulse oximeter calculator contains software that implements primary processing of PPG, algorithms for extracting arterial pulsations through the red and infrared channels, calculating the R ratio and determining the SpO 2 value using the known calibration characteristic.
Методика пульсоксиметрии, получившая повсеместное распространение в анестезиологической практике, характеризуется сочетанием потенциально высокой точности определения сатурации кислорода (единицы процентов), высокого быстродействия (оценка производится за время нескольких сердечных сокращений) с доступностью и простотой использования.The method of pulse oximetry, which has become widespread in anesthesiological practice, is characterized by a combination of potentially high accuracy in determining oxygen saturation (units of percent), high speed (an assessment is made over several heart contractions) with availability and ease of use.
Пульсоксиметрия внесена в современные стандарты интраоперационного мониторинга как обязательная методика при любых видах хирургических вмешательств. Введение в широкую клиническую практику пульсоксиметров считается наиболее значительным за последние 20 лет достижением в мониторинге безопасности пациента.Pulse oximetry is included in modern standards of intraoperative monitoring as a mandatory technique for any type of surgical intervention. Introduction to widespread clinical practice of pulse oximeters is considered the most significant achievement in monitoring patient safety over the past 20 years.
Так, только в США насчитывается несколько десятков фирм, выпускающих пульсоксиметры. Как правило, пульсоксиметры состоят из пульсоксиметрического датчика, надеваемого на палец пациента, и индикатора. Индикатор подключается к пульсоксиметрическому датчику либо с помощью кабеля, либо с помощью устройства беспроводной связи, например Bluetooth-канала. Эти варианты подключения описаны, например, в рекламных материалах компании Nonin Medical, Inc. (США). Цифровые пульсоксиметры - Nonin 2120 Avant, 2500 PalmSAT, 9600 Avant и другие - приведены на сайте www.nonin.com.So, only in the USA there are several dozen companies producing pulse oximeters. As a rule, pulse oximeters consist of a pulse oximetric sensor worn on the patient’s finger and an indicator. The indicator is connected to the pulse oximeter sensor either using a cable or using a wireless device, such as a Bluetooth channel. These connection options are described, for example, in nonin Medical, Inc. promotional materials. (USA). Digital pulse oximeters - Nonin 2120 Avant, 2500 PalmSAT, 9600 Avant and others - are available at www.nonin.com.
Различные схемы построения пульсоксиметров этого класса представлены в патентных публикациях: US №5645059, А 61 В 5/00, US №2002/0188862, А 61 В 5/00 и других.Various schemes for constructing pulse oximeters of this class are presented in patent publications: US No. 5645059, A 61
Пульсоксиметрический датчик включает в себя красный и инфракрасный светодиоды, а также фотоприемник (фотодиод), выход которого подключен ко входу измерительной цепи, состоящей из последовательно соединенных усилительного тракта с АРУ, быстродействующего АЦП и процессора, включающего в себя вычислитель и управляющий контроллер, выход которого подключен ко входу устройства, предназначенного для управления интенсивностью свечения светодиодов.The pulse oximetric sensor includes red and infrared LEDs, as well as a photodetector (photo diode), the output of which is connected to the input of the measuring circuit, consisting of a series-connected amplifier path with AGC, a high-speed ADC and a processor that includes a calculator and a control controller, the output of which is connected to the input of a device designed to control the intensity of the LEDs.
Палец пациента просвечивается поочередно излучениями красного и инфракрасного светодиодов. Излучение, прошедшее через ткань пальца, попадает на поверхность фотодиода, который преобразует его в электрический сигнал. Далее, этот сигнал усиливается, оцифровывается в АЦП и обрабатывается в процессоре. Результатом указанной обработки являются показатель кислородной сатурации SpO2 и частота пульса пациента, которые отображаются на индикаторе пульсоксиметра или на экране другого электронного прибора, например прикроватного монитора.The patient’s finger is alternately illuminated by red and infrared LEDs. The radiation that has passed through the finger tissue falls on the surface of the photodiode, which converts it into an electrical signal. Further, this signal is amplified, digitized in the ADC and processed in the processor. The result of this treatment is the SpO 2 oxygen saturation index and the patient’s pulse rate, which are displayed on the pulse oximeter indicator or on the screen of another electronic device, such as a bedside monitor.
Высокая крутизна спектральной характеристики абсорбции в области красного и инфракрасного излучения требует малого разброса центральной длины волны излучения светодиодов, используемых в пульсоксиметрическом датчике. Для красного диапазона длина волны излучения должна находиться в пределах (660±5) нм, для инфракрасного - (940±10) нм.The high steepness of the absorption spectral characteristic in the red and infrared regions requires a small spread in the central wavelength of the radiation from the LEDs used in the pulse oximetric sensor. For the red range, the radiation wavelength should be within (660 ± 5) nm, for the infrared - (940 ± 10) nm.
На практике технологический разброс длины волны излучения при производстве светодиодов может достигать значения ±15 нм. Поэтому возникает необходимость отбраковки светодиодов по длине волны излучения, что удорожает пульсоксиметрический датчик. Это является существенным недостатком указанного класса пульсоксиметров.In practice, the technological spread of the radiation wavelength in the production of LEDs can reach ± 15 nm. Therefore, there is a need to reject LEDs according to the radiation wavelength, which makes the pulse oximetric sensor more expensive. This is a significant drawback of this class of pulse oximeters.
Указанный недостаток устраняется в пульсоксиметре, представленном в заявке на патент US №2003/0195402, А 61 В 5/00. Так же, как и описанные выше аналоги, указанный пульсоксиметр содержит надеваемый на палец пациента пульсоксиметрический датчик с фотодиодом и двумя светодиодами, включенными встречно-параллельно в цепь питания, и устройство обработки информации. Отличительной особенностью указанного пульсоксиметра является наличие в пульсоксиметрическом датчике калибровочного элемента, а в устройстве обработки - двух калибровочных цепей, выходы которых подключены к калибровочным входам контроллера.This drawback is eliminated in a pulse oximeter, presented in patent application US No. 2003/0195402, A 61 5/00. As well as the analogues described above, the indicated pulse oximeter contains a pulse oximetric sensor worn on the patient’s finger with a photodiode and two LEDs connected counter-parallel to the power supply circuit, and an information processing device. A distinctive feature of this pulse oximeter is the presence of a calibration element in the pulse oximeter sensor, and two calibration chains in the processing device, the outputs of which are connected to the controller calibration inputs.
Входящий в состав данного пульсоксиметра контроллер подключен к выходу измерительной цепи. Измерительная цепь содержит последовательно соединенные усилительный тракт, выводы которого подключены к контактам фотодиода, фильтр и АЦП, выход которого является выходом измерительной цепи. По измерительной цепи в контроллер поступают усиленные и оцифрованные сигналы с контактов фотодиода. При их обработке используются данные калибровки измерительной цепи. Каждая калибровочная цепь содержит цифровую память с просмотровой таблицей ("Толковый словарь по вычислительным системам", Москва, "Машиностроение", 1990, с.282) и считывающее устройство, входы которого соединены с выходами калибровочного элемента, являющегося составной частью пульсоксиметрического датчика. В памяти калибровочной цепи может быть записано несколько групп параметров (калибровочных кривых), характеризующих различные образцы светодиодов. Установленный в пульсоксиметрическом датчике калибровочный элемент представляет собой микрочип, в памяти которого записаны параметры используемых в пульсоксиметрическом датчике светодиодов. Эти параметры указывают на то, какую калибровочную кривую необходимо использовать при обработке результатов измерений. После считывания из памяти микрочипа эти данные поступают в просмотровые таблицы, с помощью которых автоматически определяются коэффициенты для расчета требуемых медицинских показателей. Контроллер выполняет, кроме того, функцию регулировки параметров измерительной цепи. Для этого выход контроллера подключен ко входу цепи управления яркостью свечения светодиодов. Путем изменения яркости засветки осуществляется управление усилением постоянной составляющей сигнала, обеспечивая линейность амплитудной характеристики усилительного тракта. Указанное устройство выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.The controller included in this pulse oximeter is connected to the output of the measuring circuit. The measuring circuit contains a series-connected amplifier path, the conclusions of which are connected to the contacts of the photodiode, a filter and an ADC, the output of which is the output of the measuring circuit. Amplified and digitized signals from the contacts of the photodiode enter the controller through the measuring circuit. When processing them, the calibration data of the measuring circuit are used. Each calibration circuit contains a digital memory with a look-up table (Explanatory Dictionary of Computing Systems, Moscow, Mashinostroenie, 1990, p. 282) and a reader, the inputs of which are connected to the outputs of the calibration element, which is an integral part of the pulse oximetric sensor. Several groups of parameters (calibration curves) characterizing various LED samples can be stored in the memory of the calibration circuit. The calibration element installed in the pulse oximetric sensor is a microchip, in the memory of which the parameters of the LEDs used in the pulse oximetric sensor are recorded. These parameters indicate which calibration curve should be used when processing the measurement results. After reading the microchip from the memory, these data are transferred to look-up tables, with the help of which the coefficients for calculating the required medical indicators are automatically determined. The controller also performs the function of adjusting the parameters of the measuring circuit. To do this, the controller output is connected to the input of the brightness control circuit of the LEDs. By changing the brightness of the backlight, the gain of the constant component of the signal is controlled, ensuring the linearity of the amplitude characteristic of the amplification path. The specified device is selected as a prototype of the present invention.
Наличие в указанном пульсоксиметре средств калибровки позволяет упростить технологическую процедуру испытаний и отбора светодиодов на предприятии-изготовителе пульсоксиметрических датчиков, поскольку влияние разброса параметров светодиодов пульсоксиметрического датчика на точность измерений может быть в значительной степени скомпенсировано на стадии обработки результатов измерений. С одной стороны, это является достоинством устройства-прототипа по сравнению с вышеупомянутыми аналогами, поскольку позволяет уменьшить процент отбраковки светодиодов на предприятии-изготовителе, а с другой стороны, его недостатком, поскольку требует достаточно сложной микропроцессорной обработки с использованием просмотровых таблиц. Указанный недостаток усугубляется еще и тем, что, как правило, предприятие-изготовитель пульсоксиметра не производит пульсоксиметрических датчиков. Пульсоксиметрические датчики поставляются предприятию-изготовителю пульсоксиметра предприятиями-смежниками, обладающими соответствующей базой для производства и спектрофотометрических испытаний таких приборов. Естественно, что предприятия-изготовители пульсоксиметров стремятся приобретать пульсоксиметрические датчики лишь у тех специализированных предприятий, которые сумели наладить жесткий контроль за качеством выпускаемых пульсоксиметрических датчиков, не допуская большого разброса их характеристик. Такие пульсоксиметрические датчики имеют более высокую стоимость, но не требуют калибровки и, соответственно, не содержат калибровочных элементов. Однако они предъявляют более высокие требования к качеству усилительного тракта устройства обработки данных пульсоксиметра. Усилительный тракт должен обладать чрезвычайно широким динамическим диапазоном и высокой степенью линейности амплитудной характеристики.The presence of calibration tools in the indicated pulse oximeter makes it possible to simplify the technological procedure for testing and selecting LEDs at the manufacturer of the pulse oximetric sensors, since the influence of the spread of the parameters of the LEDs of the pulse oximetric sensor on the measurement accuracy can be largely compensated at the stage of processing the measurement results. On the one hand, this is the advantage of the prototype device in comparison with the aforementioned analogues, since it allows to reduce the rejection rate of LEDs at the manufacturer, and on the other hand, its disadvantage, since it requires rather complicated microprocessor processing using look-up tables. This drawback is further aggravated by the fact that, as a rule, the manufacturer of the pulse oximeter does not produce pulse oximetric sensors. Pulse oximetric sensors are supplied to the manufacturer of the pulse oximeter by related enterprises that have the appropriate base for the production and spectrophotometric testing of such devices. Naturally, manufacturers of pulse oximeters strive to purchase pulse oximetric sensors only from those specialized enterprises that have managed to establish strict quality control of the produced pulse oximetric sensors, avoiding a wide spread of their characteristics. Such pulse oximetric sensors have a higher cost, but do not require calibration and, accordingly, do not contain calibration elements. However, they make higher demands on the quality of the amplification path of the pulse oximeter data processing device. The amplification path must have an extremely wide dynamic range and a high degree of linearity of the amplitude characteristic.
Создание таких усилительный трактов является достаточно сложной технической задачей. На ее решение и направлено настоящее изобретение.The creation of such amplifying paths is a rather complicated technical task. The present invention is directed to its solution.
Предметом изобретения является устройство для измерения уровня оксигенации и частоты пульса, содержащее надеваемый на палец пациента пульсооксиметрический датчик, выполненный с фотодиодом и двумя встречно-параллельно включенными светодиодами, один из которых работает в красной, а другой - в инфракрасной частях диапазона излучения, измерительную цепь с усилительным трактом и первым фильтром высоких частот, микропроцессорный блок с вычислителем, выполненным с возможностью расчета показаний частоты пульса и уровня оксигенации крови для индикации показаний на электронном приборе, а также с первым АЦП и с управляющим микроконтроллером, выходы которых подключены, соответственно, к первому и второму входам вычислителя, выход которого соединен со входом управляющего микроконтроллера, сигнальный вход измерительной цепи подключен к выводам фотодиода пульсоксиметрического датчика, при этом в устройство введены источник опорного напряжения и второй фильтр высоких частот, при этом первый и второй фильтры высоких частот выполнены с коммутационными входами, обеспечивающими возможность их включения в измерительную цепь и отключения от измерительной цепи, усилительный тракт содержит первый интегратор со сбросом, дифференциальный усилитель и второй интегратор со сбросом, в состав микропроцессорного блока введены второй АЦП, первый и второй блоки управления сбросом, блок управления временем свечения светодиодов и блок управления коммутацией фильтров высоких частот, вычислитель выполнен с дополнительным входом, к которому подключен выход второго АЦП, а управляющий микроконтроллер - с пятью дополнительными выходами, первый из которых подключен ко входу блока управления временем свечения светодиодов, один из токовых выводов которого через встречно-параллельно включенные светодиоды пульсоксиметрического датчика соединен с другим своим токовым выводом, второй дополнительный выход управляющего микроконтроллера через первый блок управления сбросом подключен ко входу управления первого интегратора со сбросом, третий дополнительный выход управляющего микроконтроллера через второй блок управления сбросом подключен ко входу управления второго интегратора со сбросом, четвертый и пятый дополнительные выходы управляющего микроконтроллера через блок управления коммутацией фильтров высоких частот подключены к коммутационным входам, соответственно, первого и второго фильтров высоких частот, через которые потенциальный вывод инвертирующего входа дифференциального усилителя соединен с потенциальным выводом его неинвертирующего входа, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к выходу первого интегратора со сбросом, а выход - к сигнальному входу второго интегратора со сбросом, при этом выход источника опорного напряжения подключен к опорному входу дифференциального усилителя и к неинвертирующему входу второго интегратора со сбросом, входные сигнальные выводы первого интегратора со сбросом составляют сигнальный вход измерительной цепи, выход первого интегратора со сбросом соединен со входом первого АЦП, а выход второго интегратора со сбросом подключен ко входу второго АЦП.The subject of the invention is a device for measuring the level of oxygenation and pulse rate, comprising a pulse oximetric sensor mounted on a patient’s finger, made with a photodiode and two counter-parallel-connected LEDs, one of which operates in the red and the other in the infrared parts of the radiation range, a measuring circuit with the amplification path and the first high-pass filter, a microprocessor unit with a computer configured to calculate the readings of the pulse rate and blood oxygenation level for I display indications on an electronic device, as well as with the first ADC and the control microcontroller, the outputs of which are connected, respectively, to the first and second inputs of the computer, the output of which is connected to the input of the control microcontroller, the signal input of the measuring circuit is connected to the terminals of the photodiode of the pulse oximetric sensor, this, the reference voltage source and the second high-pass filter are introduced into the device, while the first and second high-pass filters are made with switching inputs providing the possibility of their inclusion in the measuring circuit and disconnecting from the measuring circuit, the amplification path contains a first integrator with a reset, a differential amplifier and a second integrator with a reset, the second ADC, the first and second reset control units, the LEDs control unit, and the block are introduced into the microprocessor unit high-pass filter switching control, the computer is made with an additional input, to which the output of the second ADC is connected, and the control microcontroller with five additional outputs, the first of which is connected to the input of the LEDs luminescence time control unit, one of the current outputs of which is connected via the counter-parallel-connected LEDs of the pulse oximeter sensor to its other current output, the second additional output of the control microcontroller is connected to the control input of the first integrator via the first reset control unit with reset, the third additional output of the control microcontroller is connected to the control input of the second via the second reset control unit of the integrator with a reset, the fourth and fifth additional outputs of the control microcontroller are connected to the switching inputs of the first and second high-pass filters, through which the potential output of the inverting input of the differential amplifier, is connected to the potential output of its non-inverting input, which inverts through the high-pass filter switching control unit the differential amplifier input is connected to the output of the first integrator with a reset, and the output is connected to the signal input of the second int a reset with a reset, while the output of the reference voltage source is connected to the reference input of the differential amplifier and to the non-inverting input of the second integrator with a reset, the input signal outputs of the first integrator with a reset make up the signal input of the measuring circuit, the output of the first integrator with a reset is connected to the input of the first ADC, and the output of the second integrator with a reset is connected to the input of the second ADC.
Частными существенными признаками изобретения являются следующие.Particular features of the invention are as follows.
Первый интегратор со сбросом выполнен на операционном усилителе, между инвертирующим входом и выходом которого параллельно включены конденсатор и первый ключ, вход управления которого является входом управления первого интегратора со сбросом, при этом в цепь между входным сигнальным выводом первого интегратора, соединенным с катодом фотодиода, и потенциальным выводом инвертирующего входа операционного усилителя установлен резистор, выход операционного усилителя является выходом первого интегратора со сбросом, а потенциальный вывод неинвертирующего входа операционного усилителя является сигнальным выводом первого интегратора со сбросом, соединенным с анодом фотодиода.The first integrator with a reset is made on an operational amplifier, between the inverting input and the output of which a capacitor and a first switch are connected in parallel, the control input of which is the control input of the first integrator with a reset, while in the circuit between the input signal output of the first integrator connected to the cathode of the photodiode, and a potential output of the inverting input of the operational amplifier is equipped with a resistor, the output of the operational amplifier is the output of the first integrator with a reset, and the potential output the noninverting input of the operational amplifier is the signal output of the first integrator with reset coupled to the anode of the photodiode.
Второй интегратор со сбросом выполнен на операционном усилителе, между инвертирующим входом и выходом которого параллельно включены конденсатор и второй ключ, вход управления которого является входом управления второго интегратора со сбросом, при этом в цепь между сигнальным входом второго интегратора со сбросом и инвертирующим входом операционного усилителя установлен резистор, а неинвертирующий вход и выход операционного усилителя являются, соответственно, неинвертирующим входом и выходом второго интегратора со сбросом.The second integrator with a reset is made on the operational amplifier, between the inverting input and the output of which a capacitor and a second switch are connected in parallel, the control input of which is the control input of the second integrator with a reset, while the circuit between the signal input of the second integrator with the reset and the inverting input of the operational amplifier the resistor, and the non-inverting input and output of the operational amplifier are, respectively, the non-inverting input and output of the second integrator with a reset.
Первый и второй фильтры высоких частот выполнены по одинаковой схеме, содержащей последовательно соединенные резистор, управляемый ключ и конденсатор, второй вывод которого подключен к земле, при этом выводы резистора являются, соответственно, потенциальными выводами сигнального входа и выхода фильтра высоких частот, а вход управления ключом - коммутационным входом данного фильтра высоких частот.The first and second high-pass filters are made in the same way, containing a series-connected resistor, a controlled key and a capacitor, the second terminal of which is connected to ground, while the resistor leads are, respectively, potential outputs of the signal input and output of the high-pass filter, and the key control input - the switching input of this high-pass filter.
Микропроцессорный блок, первый и второй фильтры высоких частот, дифференциальный усилитель, первый и второй интеграторы со сбросом конструктивно выполнены на одной плате, встраиваемой в электронный прибор, служащий для индикации показаний уровня оксигенации крови и частоты пульса, например в компьютерный монитор.The microprocessor unit, the first and second high-pass filters, a differential amplifier, the first and second integrators with a reset are structurally made on a single board built into an electronic device that serves to indicate readings of the level of blood oxygenation and heart rate, for example, in a computer monitor.
Пульсооксиметрический датчик выполнен с возможностью подключения к измерительной цепи и микропроцессорному блоку с помощью кабеля.The pulse oximetric sensor is configured to be connected to the measuring circuit and the microprocessor unit using a cable.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения уровня оксигенации и частоты пульса, которое могло бы эффективно работать с пульсоксиметрическими датчиками различных фирм-производителей и не требовало бы при этом сложных калибровочных процедур. Это позволило бы существенно повысить степень эксплуатационной пригодности данного класса медицинских приборов.The present invention is to provide a device for measuring the level of oxygenation and heart rate, which could work effectively with pulse oximetric sensors of various manufacturers and would not require complex calibration procedures. This would significantly increase the usability of this class of medical devices.
Обеспечиваемый технический результат заключается в создании достаточно простого в реализации усилительного устройства с цифровой АРУ, обеспечивающего высокую линейность амплитудной характеристики, низкий уровень собственных шумов и, соответственно, широкий динамический диапазон усиления выходного сигнала пульсоксиметрического датчика, что обуславливает высокую точность и эксплуатационную надежность всего устройства для измерения уровня оксигенации и частоты пульса.The ensured technical result consists in the creation of a rather simple amplifier device with digital AGC, which provides high linearity of the amplitude characteristic, low noise floor and, accordingly, a wide dynamic range of the output signal of the pulse oximeter sensor, which leads to high accuracy and operational reliability of the entire device for measuring level of oxygenation and pulse rate.
Этот результат достигается благодаря раздельному микропроцессорному управлению усилением постоянной и переменной составляющих входного сигнала. При этом управление усилением постоянной и переменной составляющих осуществляется путем регулировки времени свечения светодиодов, а не интенсивности, как в устройстве-прототипе. Требуемые уровни усиления устанавливаются с помощью управляющего микроконтроллера, который одновременно с помощью управляемых ключей контролирует параметры всего усилительного тракта.This result is achieved through separate microprocessor control of the amplification of the constant and variable components of the input signal. In this case, the gain control of the constant and variable components is carried out by adjusting the time of the LEDs, and not the intensity, as in the prototype device. The required gain levels are set using the control microcontroller, which simultaneously with the help of controlled keys controls the parameters of the entire amplifier path.
Суть изобретения поясняется на фиг.1-6.The essence of the invention is illustrated in figures 1-6.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения уровня оксигенации и частоты пульса.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed device for measuring the level of oxygenation and heart rate.
На фиг.2 представлена структурная схема построения микропроцессорного блока.Figure 2 presents the structural diagram of the construction of the microprocessor unit.
На фиг.3 показаны схема электрическая и принцип действия пульсоксиметрического датчика.Figure 3 shows the electrical circuit and the principle of operation of the pulse oximetric sensor.
На фиг.4 изображена схема электрическая первого интегратора со сбросом.Figure 4 shows the electric circuit of the first integrator with a reset.
На фиг.5 изображена схема электрическая первого и второго фильтров высоких частот.Figure 5 shows the electric circuit of the first and second high-pass filters.
На фиг.6 изображена схема электрическая второго интегратора со сбросом.Figure 6 shows the electric circuit of the second integrator with a reset.
На фиг.1-6 использованы следующие обозначения: 1 - управляющий микроконтроллер; 2 - микропроцессорный блок; 3 - блок управления временем свечения светодиодов; 4 - красный светодиод; 5 - инфракрасный светодиод; 6 - пульсоксиметрический датчик; 7 - фотодиод; 8 - первый интегратор со сбросом; 9 - усилительный тракт; 10 - первый блок управления сбросом; 11 - первый ключ; 12 - первый АЦП; 13 - дифференциальный усилитель; 14 - источник опорного напряжения; 15 - первый фильтр высоких частот; 16 - второй фильтр высоких частот; 17 - ключ фильтра высоких частот; 18 - блок управления коммутацией фильтров высоких частот; 19 - измерительная цепь; 20 - второй интегратор со сбросом; 21 - второй блок управления сбросом; 22 - второй ключ; 23 - второй АЦП; 24 - вычислитель.Figure 1-6 used the following notation: 1 - control microcontroller; 2 - microprocessor unit; 3 - control unit of the glow time of the LEDs; 4 - red LED; 5 - infrared LED; 6 - pulse oximetric sensor; 7 - photodiode; 8 - first integrator with reset; 9 - amplification path; 10 - the first block control reset; 11 - the first key; 12 - the first ADC; 13 - differential amplifier; 14 - source of reference voltage; 15 - the first high-pass filter; 16 - the second high-pass filter; 17 - key high-pass filter; 18 - control unit switching high-pass filters; 19 - a measuring circuit; 20 - second integrator with reset; 21 is a second block control reset; 22 - the second key; 23 - second ADC; 24 - computer.
Предлагаемое устройство для измерения уровня оксигенации и частоты пульса (фиг.1) содержит микропроцессорный блок 2 (фиг.2), к которому подключен пульсоксиметрический датчик 6 (фиг.3).The proposed device for measuring the level of oxygenation and heart rate (figure 1) contains a microprocessor unit 2 (figure 2), to which a pulse oximetric sensor 6 is connected (figure 3).
Пульсоксиметрический датчик 6 содержит фотодиод 7, а также красный 4 и инфракрасный 5 светодиоды, включенные встречно-параллельно.The pulse oximetric sensor 6 contains a
В состав рассматриваемого устройства для измерения уровня оксигенации и частоты пульса входит также источник 14 опорного напряжения и измерительная цепь 19. В состав измерительной цепи 19 входят первый 15 и второй 16 фильтры высоких частот и усилительный тракт 9, выполненный в виде последовательно соединенных первого интегратора 8 со сбросом, дифференциального усилителя 13 и второго интегратора 20 со сбросом.The composition of the device for measuring the level of oxygenation and heart rate also includes a reference voltage source 14 and a measuring circuit 19. The measuring circuit 19 includes the first 15 and second 16 high-pass filters and an amplification path 9 made in the form of series-connected first integrator 8 with reset, differential amplifier 13 and the second integrator 20 with reset.
Микропроцессорный блок 2 (фиг.2) содержит вычислитель 24, выполненный с возможностью расчета степени кислородной сатурации, а также частоты пульса пациента, для индикации этих показателей на экране электронного прибора, например прикроватного монитора. В состав микропроцессорного блока 2 входят также первый АЦП 12 и управляющий микроконтроллер 1, выходы которых подключены, соответственно, к первому и второму входам вычислителя 24. При этом вычислитель 24 выполнен с дополнительным входом, к которому подключен второй АЦП 23. Кроме того, в состав микропроцессорного блока 2 входят первый 10 и второй 21 блоки управления сбросом, блок 18 управления коммутацией фильтров высоких частот и блок 3 управления временем свечения светодиодов.The microprocessor unit 2 (figure 2) contains a
Сигнальный вход измерительной цепи 19 образуют входные сигнальные выводы первого интегратора 8 со сбросом, к которым подключены анод и катод фотодиода 7, входящего в состав пульсоксиметрического датчика 6.The signal input of the measuring circuit 19 is formed by the input signal terminals of the first integrator 8 with a reset, to which are connected the anode and cathode of the
Управляющий микроконтроллер 1 выполнен с пятью дополнительными выходами:The
- первый дополнительный выход подключен ко входу блока 3 управления временем свечения светодиодов;- the first additional output is connected to the input of the LEDs control unit 3;
- второй дополнительный выход через первый блок 10 управления сбросом подключен ко входу управления первого интегратора 8 со сбросом;- the second additional output through the first block 10 control reset connected to the control input of the first integrator 8 with reset;
- третий дополнительный выход через второй блок 21 управления сбросом подключен ко входу управления второго интегратора 20 со сбросом;- the third additional output through the second block 21 control reset connected to the control input of the second integrator 20 with reset;
- четвертый дополнительный выход через блок 18 управления коммутацией фильтров высоких частот подключен ко входу управления коммутацией первого 15 фильтра высоких частот;- the fourth additional output through the
- пятый дополнительный выход через блок 18 управления коммутацией фильтров высоких частот подключен ко входу управления коммутацией второго 16 фильтра высоких частот.- the fifth additional output through the
Выводы блока 3 управления временем свечения светодиодов подключены к пульсоксиметрическому датчику 6 (фиг.3). При этом:The findings of the block 3 control the time of the glow of the LEDs are connected to the pulse oximetric sensor 6 (figure 3). Wherein:
- первый вывод соединен с анодом красного светодиода 4 и с катодом инфракрасного светодиода 5;- the first terminal is connected to the anode of the
- второй вывод соединен с катодом красного светодиода 4 и с анодом инфракрасного светодиода 5.- the second terminal is connected to the cathode of the
Первый 15 и второй 16 фильтры высоких частот выполнены по одинаковой схеме (фиг.5), содержащей последовательно соединенные резистор, ключ 17 фильтра высоких частот и конденсатор, второй вывод которого подключен к земле. При этом выводы резистора являются, соответственно, потенциальными выводами сигнального входа и выхода фильтра высоких частот, а вход управления ключом 17 фильтра высоких частот - входом управления коммутацией данного фильтра высоких частот.The first 15 and second 16 high-pass filters are made in the same way (Fig. 5), containing a resistor in series, a high-
Потенциальный вывод инвертирующего входа дифференциального усилителя 13 подключен к выходу первого интегратора 8 со сбросом, а потенциальный вывод инвертирующего входа дифференциального усилителя 13 - к сигнальному входу второго интегратора 20 со сбросом. При этом выход источника 14 опорного напряжения подключен к выводам, являющимся, соответственно, опорным входом второго интегратора 20 со сбросом и опорным входом дифференциального усилителя 13.The potential output of the inverting input of the differential amplifier 13 is connected to the output of the first integrator 8 with a reset, and the potential output of the inverting input of the differential amplifier 13 is connected to the signal input of the second integrator 20 with a reset. In this case, the output of the reference voltage source 14 is connected to the terminals, which are, respectively, the reference input of the second integrator 20 with a reset and the reference input of the differential amplifier 13.
Входные сигнальные выводы первого интегратора 8 со сбросом составляют сигнальный вход измерительной цепи 19, выход первого интегратора 8 со сбросом соединен со входом первого АЦП 12, а выход второго интегратора 20 со сбросом подключен ко входу второго АЦП 23.The input signal outputs of the first integrator 8 with a reset constitute the signal input of the measuring circuit 19, the output of the first integrator 8 with a reset is connected to the input of the first ADC 12, and the output of the second integrator 20 with a reset is connected to the input of the second ADC 23.
Первый интегратор 8 со сбросом (фиг.4) содержит резистор, включенный между сигнальным выводом первого интегратора 8 со сбросом, являющимся сигнальным входом измерительной цепи 19, и инвертирующим входом операционного усилителя. Между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя параллельно включены конденсатор и первый ключ 11, вход управления которого является входом управления первого интегратора 8 со сбросом.The first integrator 8 with a reset (Fig. 4) contains a resistor connected between the signal output of the first integrator 8 with a reset, which is the signal input of the measuring circuit 19, and the inverting input of the operational amplifier. Between the inverting input and the output of the operational amplifier, a capacitor and a
Второй интегратор 20 со сбросом выполнен на операционном усилителе, между инвертирующим входом и выходом которого параллельно включены конденсатор и второй ключ 22, вход управления которого является входом управления второго интегратора 20 со сбросом, при этом в цепь между сигнальным входом второго интегратора 20 со сбросом и инвертирующим входом операционного усилителя установлен резистор, а неинвертирующий вход и выход операционного усилителя являются, соответственно, неинвертирующим входом и выходом второго интегратора 20 со сбросом.The second integrator 20 with reset is made on an operational amplifier, between the inverting input and the output of which a capacitor and a
Схемотехнические вопросы построения пульсоксиметров хорошо отработаны на практике. Достаточно сказать, что уже к 1995 году в США в клинической практике использовалось более трехсот тысяч пульсоксиметров тридцати пяти фирм-производителей (www.eliman.ru).Circuitry issues of building pulse oximeters are well established in practice. It is enough to say that by 1995 in the USA more than three hundred thousand pulse oximeters from thirty-five manufacturing companies (www.eliman.ru) were used in clinical practice.
Как правило, микропроцессорный блок 2 и измерительная цепь 19 (в составе первого 15 и второго 16 фильтров высоких частот, дифференциального усилителя 13, первого 8 и второго 20 интеграторов со сбросом) конструктивно выполняются на одной плате. Эта плата встраивается в электронный прибор, служащий для индикации показаний уровня оксигенации крови и частоты пульса, например в компьютерный монитор.Typically, the microprocessor unit 2 and the measuring circuit 19 (consisting of the first 15 and second 16 high-pass filters, differential amplifier 13, first 8 and second 20 integrators with reset) are structurally performed on one board. This board is built into an electronic device used to indicate readings of the level of blood oxygenation and pulse rate, for example, in a computer monitor.
При этом пульсооксиметрический датчик 6 подключают к измерительной цепи 19 и к микропроцессорному блоку 2 с помощью кабеля (хотя возможно и беспроводное подключение, например, с помощью технологии Bluetooth).In this case, the pulse oximetric sensor 6 is connected to the measuring circuit 19 and to the microprocessor unit 2 using a cable (although it is also possible to connect wirelessly, for example, using Bluetooth technology).
Как видно из приведенного выше описания, все используемые в устройстве компоненты являются широко известными радиотехническими элементами и средствами вычислительной техники.As can be seen from the above description, all components used in the device are widely known radio engineering elements and computer equipment.
Поэтому возможность практической реализации предлагаемого устройства не вызывает сомнений.Therefore, the possibility of practical implementation of the proposed device is not in doubt.
Рассматриваемое устройство для измерения уровня оксигенации и частоты пульса работает следующим образом.Consider a device for measuring the level of oxygenation and heart rate operates as follows.
Управление работой устройства (фиг.1) осуществляется с помощью управляющего микроконтроллера 1, входящего в состав микропроцессорного блока 2 (фиг.2). Управляющий микроконтроллер 1 задает режим работы блока 3 управления временем свечения светодиодов. Блок 3 управления временем свечения светодиодов поочередно формирует токовые сигналы на каждом из своих выводов.Management of the operation of the device (figure 1) is carried out using the
Сигнал, формируемый на первом выводе блока 3 управления временем свечения светодиодов, проходит по цепи: первый вывод блока 3 управления временем свечения светодиодов - анод красного светодиода 4 - катод красного светодиода 4 - второй вывод блока 3 управления временем свечения светодиодов. При формировании этого сигнала красный светодиод 4 излучает в диапазоне красного света.The signal generated at the first output of the LED luminescence time control unit 3 passes through the circuit: the first output of the LED luminescence time control unit 3 - the anode of the red LED 4 - the cathode of the red LED 4 - the second output of the LED luminescence time control unit 3. When this signal is generated, the
Сигнал, формируемый на втором выводе блока 3 управления временем свечения светодиодов, проходит по цепи: второй вывод блока 3 управления временем свечения светодиодов - анод инфракрасного светодиода 5 - катод инфракрасного светодиода 5 - первый вывод блока 3 управления временем свечения светодиодов. При формировании этого сигнала инфракрасный светодиод 5 излучает в диапазоне инфракрасного света.The signal generated at the second output of the LED luminescence time control unit 3 passes through the circuit: the second output of the LED luminescence time control unit 3 - the anode of the infrared LED 5 - the cathode of the infrared LED 5 - the first output of the LED illumination time control unit 3. When this signal is generated, the
В паузах между формированиями этих токовых сигналов излучение красного 4 и инфракрасного 5 светодиодов отсутствует.In the pauses between the formations of these current signals, the emission of red 4 and infrared 5 LEDs is absent.
В периоды излучения светодиодов (в периоды засветки) свет, прошедший сквозь ткань пальца пациента (фиг.3), попадает на поверхность фотодиода 7, анод и катод которого подключены ко входным сигнальным выводам первого интегратора 8 со сбросом, входящего в состав усилительного тракта 9.During the periods of emission of the LEDs (during periods of exposure), the light transmitted through the tissue of the patient’s finger (Fig. 3) enters the surface of the
Одновременно с началом засветки в первом блоке 10 управления сбросом формируется команда на размыкание первого ключа 11 в первом интеграторе 8 со сбросом (фиг.4).Simultaneously with the start of illumination in the first block 10 control reset is formed a command to open the first key 11 in the first integrator 8 with reset (figure 4).
При размыкании первого ключа 11 начинается интегрирование сигнала в первом интеграторе 8 со сбросом. Когда первый ключ 11 замыкается, установленный параллельно ему конденсатор разряжается, и напряжение на выходе первого интегратора 8 со сбросом обнуляется - наступает сброс первого интегратора 8 со сбросом.When the first key 11 is opened, the integration of the signal in the first integrator 8 begins with a reset. When the
Результатом работы первого интегратора 8 со сбросом является преобразование тока фотодиода 7 в напряжение. Величина напряжения на выходе первого интегратора 8 со сбросом прямо пропорциональна длительности засветки.The result of the first integrator 8 with reset is the conversion of the current of the
Напряжение с выхода первого интегратора 8 со сбросом подается на вход первого АЦП 12, а также на инвертирующий вход дифференциального усилителя 13, опорный вход которого подключен к источнику 14 опорного напряжения. Кроме того, напряжение с выхода первого интегратора 8 со сбросом поступает на выводы первого 15 и второго 16 фильтров высоких частот.The voltage from the output of the first integrator 8 with a reset is applied to the input of the first ADC 12, as well as to the inverting input of the differential amplifier 13, the reference input of which is connected to the source 14 of the reference voltage. In addition, the voltage from the output of the first integrator 8 with a reset is applied to the terminals of the first 15 and second 16 high-pass filters.
Первый 15 и второй 16 фильтры высоких частот имеют одинаковую схему построения (фиг.5). Коммутация каждого из этих фильтров обеспечивается с помощью ключей 17 фильтров высоких частот, установленных между резистором и конденсатором в первом 15 и втором 16 фильтрах высоких частот. Замыкание и размыкание ключа 17 фильтра высоких частот в первом 15 и втором 16 фильтрах высоких частот осуществляется с помощью блока 18 управления коммутацией фильтров высоких частот, в соответствии с командами, поступающими из управляющего микроконтроллера 1. При замыкании ключа 17 фильтра высоких частот установленный на входе соответствующего первого 15 или второго 16 - фильтра высоких частот резистор подключается к конденсатору, образуя фильтрующую цепь. При размыкании ключа 17 фильтра высоких частот конденсатор отключается.The first 15 and second 16 high-pass filters have the same construction scheme (figure 5). Switching of each of these filters is provided using the
Блок 18 управления коммутацией фильтров высоких частот поочередно включает и отключает первый 15 и второй 16 фильтры высоких частот. При этом выводы резистора являются потенциальными выводами, соответственно, сигнального входа и выхода данного фильтра высоких частот. С сигнального выхода фильтров высоких частот сигнал поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 13. Как было отмечено выше, на инвертирующий вход дифференциального усилителя 13 при этом поступает постоянная составляющая сигнала. Путем вычитания из сигнала его постоянной составляющей формируется переменная составляющая сигнала в измерительной цепи 19. Дифференциальный усилитель 13 усиливает эту переменную составляющую и подает ее на сигнальный вход второго интегратора 20 со сбросом.The high-pass filter switching
Второй интегратор 20 со сбросом осуществляет дополнительное усиление переменной составляющей сигнала. При этом коэффициент усиления прямо пропорционален времени интегрирования, которое задается с помощью второго блока 21 управления сбросом в соответствии с командами, поступающими из управляющего микроконтроллера 1. Время интегрирования определяется при этом по замыканию и размыканию второго ключа 22: начало времени интегрирования соответствует размыканию второго ключа 22 (и началу заряда конденсатора), а окончание времени интегрирования и сброс соответствуют замыканию второго ключа 22 (и разряду конденсатора).The second integrator 20 with reset provides additional amplification of the variable component of the signal. The gain is directly proportional to the integration time, which is set using the second reset control unit 21 in accordance with the commands received from the
Усиленная переменная составляющая сигнала с выхода второго интегратора 20 со сбросом поступает на вход второго АЦП 23.The amplified variable component of the signal from the output of the second integrator 20 with a reset is fed to the input of the second ADC 23.
Постоянная и переменная составляющие сигнала, преобразованные в цифровую форму, соответственно, в первом 12 и во втором 23 АЦП, поступают на соответствующие входы вычислителя 24. В вычислителе 24 эти составляющие сигнала обрабатываются в соответствии с вышеупомянутыми расчетными операциями, позволяющими определить показатель оксигенации - нормированное значение R - и с помощью хранящейся в вычислителе 24 калибровочной характеристики определить значение кислородной сатурации SpO2. Одновременно в вычислителе 24 фиксируется величина периода переменной составляющей сигнала. Среднее число периодов переменной составляющей за одну минуту принимается в качестве оценки частоты пульса пациента.The constant and variable components of the signal, digitized, respectively, in the first 12 and second 23 ADCs, are fed to the corresponding inputs of the
На основе анализа полученных результатов вычислитель 24 корректирует работу управляющего микроконтроллера 1. В соответствии с указанными командами управляющий микроконтроллер 1 изменяет установки, определяющие время свечения красного 4 и инфракрасного 5 светодиодов в пульсоксиметрическом датчике 6, продолжительность интегрирования первого 8 и второго 20 интеграторов со сбросом и постоянную времени первого 15 и второго 16 фильтров высоких частот. Эти изменения осуществляются с помощью, соответственно, блока 3 управления временем свечения светодиодов, первого 10 и второго 21 блоков управления сбросом и блока 18 управления коммутацией фильтров высоких частот.Based on the analysis of the results obtained, the
Как правило, микропроцессорный блок 2 и измерительная цепь 19 (в составе первого 15 и второго 16 фильтров высоких частот, дифференциального усилителя 13, первого 8 и второго 20 интеграторов со сбросом) конструктивно выполняются на одной плате. Эта плата встраивается в электронный прибор, служащий для индикации показаний уровня оксигенации крови и частоты пульса, например в компьютерный монитор.Typically, the microprocessor unit 2 and the measuring circuit 19 (consisting of the first 15 and second 16 high-pass filters, differential amplifier 13, first 8 and second 20 integrators with reset) are structurally performed on one board. This board is built into an electronic device used to indicate readings of the level of blood oxygenation and pulse rate, for example, in a computer monitor.
При этом пульсоксиметрический датчик 6 подключается к измерительной цепи 19 и к микропроцессорному блоку 2 с помощью кабеля.In this case, the pulse oximetric sensor 6 is connected to the measuring circuit 19 and to the microprocessor unit 2 using a cable.
Благодаря совокупности указанных мер достигаются:Thanks to the combination of these measures are achieved:
- простота управления АРУ, обеспечиваемая благодаря тому, что коэффициенты усиления постоянной и переменной составляющих сигнала прямо пропорциональны, соответственно, времени засветки и времени интегрирования сигнала вторым интегратором 20 со сбросом;- ease of control of the AGC, due to the fact that the amplification factors of the constant and variable components of the signal are directly proportional to, respectively, the exposure time and the integration time of the signal by the second integrator 20 with reset;
- низкий уровень шума благодаря усреднению собственного шума первого 8 и второго 20 интеграторов со сбросом;- low noise due to averaging the intrinsic noise of the first 8 and second 20 integrators with a reset;
- высокая линейность характеристик фотодиода 7 и всего усилительного тракта 9;- high linearity of the characteristics of the
- малое время установления первого 15 и второго 16 фильтров высоких частот.- short time to establish the first 15 and second 16 high-pass filters.
Благодаря этому решается поставленная задача - может быть создано устройство для измерения уровня оксигенации и частоты пульса, эффективно работающее с пульсоксиметрическими датчиками различных фирм-производителей, в том числе с пульсоксиметрическими датчиками, не содержащими калибровочного элемента. Это позволяет существенно повысить степень эксплуатационной пригодности данного класса медицинских приборов.Thanks to this, the task is solved - a device can be created for measuring the level of oxygenation and pulse rate, which effectively works with pulse oximetric sensors of various manufacturers, including pulse oximetric sensors that do not contain a calibration element. This allows you to significantly increase the degree of operational suitability of this class of medical devices.
Обеспечиваемый технический результат заключается в обеспечении высокой степени линейности амплитудной характеристики, низкого уровня собственных шумов и, соответственно, широкого динамического диапазона усилительного тракта выходного сигнала пульсоксиметрического датчика, необходимых для достижения высокой точности и надежности всего пульсоксиметра.The provided technical result consists in providing a high degree of linearity of the amplitude characteristic, low level of intrinsic noise, and, accordingly, a wide dynamic range of the amplification path of the pulse oximetric sensor output signal, necessary to achieve high accuracy and reliability of the entire pulse oximeter.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005125289/14A RU2294141C1 (en) | 2005-08-09 | 2005-08-09 | Device for measuring oxygenation level and pulse frequency |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005125289/14A RU2294141C1 (en) | 2005-08-09 | 2005-08-09 | Device for measuring oxygenation level and pulse frequency |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2294141C1 true RU2294141C1 (en) | 2007-02-27 |
Family
ID=37990573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005125289/14A RU2294141C1 (en) | 2005-08-09 | 2005-08-09 | Device for measuring oxygenation level and pulse frequency |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2294141C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496418C1 (en) * | 2012-06-08 | 2013-10-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Pulse oximeter |
| WO2014120719A1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-08-07 | Covidien Lp | Low power monitoring systems and methods |
| RU2654615C2 (en) * | 2012-07-30 | 2018-05-21 | Конинклейке Филипс Н.В. | Device and method for extracting physiological information |
| RU194911U1 (en) * | 2019-11-15 | 2019-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "АЛЬТОНИКА" | Portable oxygenation and heart rate monitor |
| RU225596U1 (en) * | 2023-12-28 | 2024-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Digital pulse oximeter |
-
2005
- 2005-08-09 RU RU2005125289/14A patent/RU2294141C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496418C1 (en) * | 2012-06-08 | 2013-10-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" (Сфу) | Pulse oximeter |
| RU2654615C2 (en) * | 2012-07-30 | 2018-05-21 | Конинклейке Филипс Н.В. | Device and method for extracting physiological information |
| WO2014120719A1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-08-07 | Covidien Lp | Low power monitoring systems and methods |
| US9351688B2 (en) | 2013-01-29 | 2016-05-31 | Covidien Lp | Low power monitoring systems and method |
| RU194911U1 (en) * | 2019-11-15 | 2019-12-30 | Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "АЛЬТОНИКА" | Portable oxygenation and heart rate monitor |
| RU225596U1 (en) * | 2023-12-28 | 2024-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации | Digital pulse oximeter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9380969B2 (en) | Systems and methods for varying a sampling rate of a signal | |
| US7239905B2 (en) | Active pulse blood constituent monitoring | |
| US8649838B2 (en) | Wavelength switching for pulse oximetry | |
| KR100612827B1 (en) | Method and apparatus for noninvasively measuring hemoglobin concentration and oxygen saturation | |
| US6931268B1 (en) | Active pulse blood constituent monitoring | |
| US8606342B2 (en) | Pulse and active pulse spectraphotometry | |
| US6801799B2 (en) | Pulse oximeter and method of operation | |
| US7236813B2 (en) | Optical device | |
| US8133177B2 (en) | System and method for assessing capillary vitality | |
| KR102033914B1 (en) | method for measuring blood glucose and wearable type apparatus for the same | |
| US10039500B2 (en) | System and method for blood typing using PPG technology | |
| JPH10501141A (en) | System and method for non-invasively monitoring hematocrit | |
| JPH11506652A (en) | Active pulse blood component monitoring system | |
| CA2742140A1 (en) | Direct to digital oximeter and method for calculating oxygenation levels | |
| US20210177359A1 (en) | System and method for determining blood disorders for a blood type using ppg technology | |
| JP2007532188A (en) | Photoplethysmography using spatially uniform multicolor sources | |
| US20080081966A1 (en) | Symmetric LED array for pulse oximetry | |
| WO2008112582A2 (en) | Detection of oximetry sensor sites based on waveform characteristics | |
| US8588879B2 (en) | Motion compensation in a sensor | |
| CN209899402U (en) | Reflection type oximeter | |
| JP2004290544A (en) | Blood analyzer | |
| JP4385677B2 (en) | Biological information measuring device | |
| RU2294141C1 (en) | Device for measuring oxygenation level and pulse frequency | |
| JPH10337282A (en) | Reflection type oxygen saturation degree measuring device | |
| EP1771109A2 (en) | Cyanotic infant sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110810 |