RU2562446C2

RU2562446C2 - Способ определения скорости пульсовой волны дистанционным методом

Info

Publication number: RU2562446C2
Application number: RU2013147834/14A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Усанов; Александр Эдуардович Постельга; Анатолий Владимирович Скрипаль; Евгений Олегович Кащавцев; Алексей Алексеевич Дорошенко
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU2013147834A

Abstract

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии. Осуществляют выбор точек, между которыми необходимо определить скорость пульсовой волны. Определяют форму движения тканей в выбранных точках путем излучения электромагнитного сигнала, приема отраженного от точки сигнала, когерентного сложения отраженного сигнала с излучаемым электромагнитным сигналом и восстановления формы движения тканей в выбранных точках по суммарному сигналу. Причем в случае, если амплитуда движения в точке менее 50 мкм, используют лазерное излучение. Если амплитуда движения в точке более 50 мкм, используют СВЧ-излучение. Определяют временную задержку (Δt). На основании Δt и расстоянии между выбранными точками определяют скорость пульсовой волны. Способ позволяет повысить точность измерения за счет использования двух видов излучения. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма.

Известен способ измерения скорости распространения пульсовой волны и устройство для его осуществления, которое включает оптоэлектронный преобразователь на основе источника облучения с длинами волн инфракрасного диапазона и фотоприемник, а для синхронной регистрации центрального и периферического пульса используется двухканальный оптоэлектронный преобразователь, сигналы с выхода последних в виде импульсных последовательностей поступают на измеритель разности фаз, выходная величина которого градуирована в единицах измерения скорости (Патент РФ №94017985, МПК А61В 5/00, А61В 5/04).

Недостатком данного способа является необходимость контакта датчика с поверхностью кожи.

Известен способ регистрации скорости распространения пульсовой волны при помощи устройства, содержащего датчики артериального пульса и параллельно соединенный с датчиками электронный блок (Патент РФ №2344753, МПК А61В 5/02).

Недостатком способа является необходимость контакта датчика с поверхностью кожи.

Наиболее близким является способ неинвазивной пульсовой диагностики сердечной деятельности пациента и измерения скорости пульсовой волны, включающий закрепление микрополосковых линий на поверхности кожного покрова в зоне выхода сонной и лучевой артерий, распространение по микрополосковым линиям высокостабильного зондирующего сверхширокополосного радиосигнала, детектирование изменения параметров сигнала на выходе микрополосковых линий с помощью фазового детектора (Патент РФ 2393759, МПК А61В 5/02).

Задача настоящего способа заключается в обеспечении возможности бесконтактного определения скорости пульсовой волны.

Технический результат заключается в снижении трудозатрат на осуществление способа.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения скорости пульсовой волны дистанционным методом включает выбор точек, между которыми необходимо определить скорость пульсовой волны, определение формы движения тканей в выбранных точках, характеризуемой пульсовой волной, вычисление скорости пульсовой волны по формуле V=S/Δt, где S - расстояние между выбранными точками, Δt - временная задержка прихода пульсовой волны в указанные точки, согласно решению определение формы движения тканей в выбранных точках осуществляют путем излучения электромагнитного сигнала, приема отраженного от точки сигнала, когерентного сложения отраженного сигнала с излучаемым электромагнитным сигналом и восстановления формы движения тканей в выбранных точках по суммарному сигналу, причем в случае, если амплитуда движения в точке менее 50 мкм, используют лазерное излучение, если амплитуда движения в точке более 50 мкм, используют СВЧ-излучение.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа, на фиг. 2 представлен автодинный сигнал, соответствующий одному кардиоциклу, на фиг. 3 представлен автодинный сигнал в режиме слабой обратной связи, на фиг. 4 представлена восстановленная форма движения тканей из сигнала лазерного автодина, на фиг. 5 представлены формы движения тканей, восстановленные с сигнала: лазерного автодина - сплошная линия, СВЧ-автодина - пунктирная линия. Позициями на чертежах представлены: 1 - СВЧ-генератор, 2 - аналого-цифровой преобразователь, 3 - компьютер, 4 - полупроводниковый лазер, 5 - источник тока, 6 - фотодетектор, встроенный в корпус лазера, 7 - усилитель.

Способ заключается в следующем:

В заявляемом способе измерения основываются на автодинном принципе, при использовании которого генерация сигнала, его детектирование и усиление происходит на одном элементе, что существенно упрощает конструкцию устройства для осуществления способа.

Способ определения скорости пульсовой волны дистанционным методом включает следующие операции:

- выбирают две точки, между которыми необходимо определить скорость пульсовой волны;

- в каждой из точек определяют амплитуду движений тканей, вызванных пульсовой волной;

- излучают электромагнитный сигнал в выбранные точки, причем, если амплитуда движения в точке менее 50 мкм, используют лазерное излучение, а если амплитуда движения в точке более 50 мкм, используют СВЧ-излучение;

- принимают отраженный от точки сигнал;

- когерентно складывают отраженный сигнал с излучаемым электромагнитным сигналом;

- восстанавливают по суммарному сигналу форму движения тканей в выбранных точках, характеризуемую пульсовой волной;

- измеряют расстояние S между выбранными точками;

- по восстановленным сигналам вычисляют временную задержку At прихода пульсовой волны в указанные точки;

- вычисляют скорость пульсовой волны по формуле V=S/Δt.

Излучение электромагнитного сигнала с помощью СВЧ-генератора 1 (фиг. 1) через рупорную антенну направляют, например, на область локтя человека, где ближе всего к поверхности расположена плечевая артерия. Отраженное излучение принимают через ту же рупорную антенну и когерентно складывают с излученным электромагнитным сигналом. Суммарный сигнал выбирают в качестве информативного сигнала. Результат сложения - информативный сигнал - выделяется с помощью детектора и подается на аналого-цифровой преобразователь 2 для последующей его цифровой обработки на компьютере 3. Полученный сигнал очищают от шумов и восстанавливают содержащуюся в нем форму движения тканей.

Излучение полупроводникового лазера 4, стабилизированного источником тока 5, направляют, например, на поверхность кожи в области запястья, где лучевая артерия расположена ближе к поверхности кожи. Для уменьшения рассеяния лазерного излучения кожей на ее поверхность наносится специальное средство - гель. Часть излучения, отраженного от поверхности кожи, возвращается в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистрируется встроенным в корпус лазера фотодетектором 6. Сигнал с фотодетектора поступает через усилитель 7 на аналого-цифровой преобразователь 2 для последующей его цифровой обработки на компьютере. Из полученного сигнала восстанавливают содержащуюся в нем форму движения тканей.

Для иллюстрации возможностей предлагаемого способа были выбраны 2 точки: плечевая артерия в области локтя, и лучевая артерия в области запястья. Для регистрации пульсовой волны в плечевой артерии выбирается СВЧ-излучение, вследствие большой амплитуды колебаний, для регистрации пульсовой волны лучевой артерии выбирается оптическое излучение, вследствие малой амплитуды колебаний.

Для направленного зондирования живого объекта СВЧ-датчик снабжался рупорной антенной. Конструктивно измерительный прибор состоит из выносного датчика с рупором и цифрового блока индикации, соединенных между собой кабелем. Измерительный датчик представляет собой волноводную секцию (сечение канала 23÷10 мм²). В качестве активного элемента использовался диод типа 3А703, помещенный в зазор стержневого держателя. Частота и мощность СВЧ-генератора могли перестраиваться в результате перемещения поршня и изменения питающего напряжения на диоде Ганна. В блоке индикации измерительного прибора проводится обработка сигнала СВЧ-генератора и отображение информации в аналоговой или цифровой форме. Предусмотрена возможность подключения к блоку индикации осциллографического индикатора, анализатора спектра сигнала механических колебаний, и имеется возможность сопряжения прибора с микро-ЭВМ.

Для восстановления формы сложного непериодического движения отражателя использовалась методика, основанная на одновременном измерении интерференционного сигнала и его производной.

Переменная составляющая интерференционного сигнала имеет вид:

где А - амплитудный коэффициент, определяемый амплитудами токов, t - время, Θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны зондирующего излучения, f(t) - функция, характеризующая продольные движения объекта.

Далее мы будем рассматривать нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала

Функция, характеризующая продольные движения объекта, может быть представлена в виде:

Здесь ψ₁ - базисная вейвлет-функция, C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения:

K_ψ1 - постоянная величина, определяемая базисной вейвлет-функцией, ψ_f(ω) - Фурье - образ функции ψ₁, а - коэффициент масштаба, b - коэффициент смещения по времени, ω - переменная интегрирования. Для того чтобы равенство (1) выполнялось, необходимо, чтобы функция ψ₁ обладала свойствами вейвлета.

Функция S(t) выбрана таким образом, чтобы ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствовал спектру восстанавливаемого сигнала:

Запишем ее с учетом выражения для нормированной составляющей интерференционного сигнала:

где ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁.

Имеет смысл в дальнейшем рассматривать только такие вейвлет-функции ψ₁(t), у которых существует производная, в свою очередь являющаяся вейвлетом. В данной работе использовались вейвлет-функция МНАТ, имеющая вид:

и ее производная,

Сравнивая интегральные представления функций f(t) и S(t) (выражения (1) и (3) соответственно), можно увидеть, что они отличаются базисной вейвлет-функцией и постоянной величиной

Построив на основе интерференционного сигнала (2) функцию S(t), разложим ее по вейвлет-базису ψ₂ для получения коэффициентов вейвлет-разложения С(а,b):

Затем, используя полученные вейвлет-коэффициенты, выполним обратное преобразование, используя базис ψ₁:

Далее решается задача по восстановлению формы движения отражателя, в качестве которого выступала поверхность кожи над лучевой артерией человека в области запястья, с использованием полупроводникового лазерного автодина.

Переменная нормированная составляющая автодинного сигнала полупроводникового лазера при движении объекта может быть записана в виде (Усанов Д.А., Скрипаль Ал. В., Скрипаль Ан. В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.):

где θ - стационарный набег фазы, λ - длина волны излучения лазера, f(t) - функция продольных движений отражателя (повторяющиеся обозначения, тоже надо обсудить). В выражении (4) изменение аргумента косинуса на 2π, т.е. один период автодинного сигнала P(t), соответствует изменению расстояния до отражателя на λ/2. Например, на Фиг. 2 разность временных координат t_A и t_B двух максимумов автодинного сигнала А и В соответствуют времени, за которое отражатель проходит расстояние равное λ/2. Таким образом, f(t) может быть восстановлена при фиксировании временных координат максимумов автодинного сигнала.

При работе автодинной системы в режиме слабой обратной связи (Giuliani G., Norgia М., Donati S., Bosch Т. Laser diode self-mixing technique for sensing application // J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2002. Vol. 4. S283-S294.) автодинный сигнал приобретает наклон (Фиг. 3), характеризующий направление движения отражателя (Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser diode feedback interferometer for measurements of displacements without ambiguity // IEEE J. Quantum Electron. 1995. Vol. 31, №1. P. 113-119). Это позволяет решить проблему определения направления движения стенки лучевой артерии при восстановлении функции движения.

При измерениях использовался лазерный диод типа RLD-650 на квантово-размерных InGaAlP структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой с характеристиками: мощность излучения 5 mW, длина волны излучения 654 nm.

Автодинный сигнал регистрировался в течение времени, соответствующего нескольким кардиоциклам. На фиг. 2 представлен автодинный сигнал, соответствующий одному кардиоциклу. Для восстановления функции движения стенки артерии при прохождении пульсовой волны определялись временные координаты всех максимумов автодинного сигнала. Временной интервал между двумя ближайшими максимумами автодинного сигнала соответствует прохождению объектом расстояния, равного половине длины волны излучения лазера, т.е. 327 нм. На фиг. 4 показана форма движения тканей, восстановленная из автодинного сигнала, изображенного на фиг. 2.

Claims

Способ определения скорости пульсовой волны дистанционным методом, включающий выбор точек, между которыми необходимо определить скорость пульсовой волны, определение формы движения тканей в выбранных точках, характеризуемой пульсовой волной, вычисление скорости пульсовой волны по фомуле V=S/Δt, где S - расстояние между выбранными точками, Δt - временная задержка прихода пульсовой волны в указанные точки, отличающийся тем, что определение формы движения тканей в выбранных точках осуществляют путем излучения электромагнитного сигнала, приема отраженного от точки сигнала, когерентного сложения отраженного сигнала с излучаемым электромагнитным сигналом и восстановления формы движения тканей в выбранных точках по суммарному сигналу, причем в случае, если амплитуда движения в точке менее 50 мкм, используют лазерное излучение, если амплитуда движения в точке более 50 мкм, используют СВЧ излучение.