RU75294U1

RU75294U1 - DIGITAL PHOTOPLETISMOGRAPH WITH SPECTRUM FUNCTION

Info

Publication number: RU75294U1
Application number: RU2008110387/22U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Парисович Тер-Асатуров; Камиль Султанмурадович Аджиев; Эльдар Камильевич Аджиев; Вадим Эдуардович Касаткин; Юрий Викторович Кондрашов; Садулла Ибрагимович Абакаров
Original assignee: Геннадий Парисович Тер-Асатуров
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2008-08-10

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к медицинским устройствам, предназначенным для диагностики состояния тонуса сосудов микроциркуляторного русла, расчета ряда количественных показателей и их статистической обработки для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов. Цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования включает фотодатчик в виде опто-пары, быстродействующий микропроцессор с аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающий регистрацию скорости изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц. И связь с персональным компьютером для обработки и отображения результатов измерения в числовом и графическом виде.The inventive utility model relates to medical devices for diagnosing the state of vascular tone of the microvasculature, calculating a number of quantitative indicators and their statistical processing for the sequence of recorded pulse cycles. A digital photoplethysmograph with a spectral function includes a photosensor in the form of an optical pair, a high-speed microprocessor with an analog-to-digital converter, which provides registration of the rate of change of the brightness signal in the frequency range from 0 to 300 Hz. And communication with a personal computer for processing and displaying measurement results in numerical and graphical form.

Description

Заявляемая полезная модель - цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования относится к медицинским устройствам, предназначенным для диагностики состояния тонуса сосудов микроциркуляторного русла, расчета ряда количественных показателей и их статистической обработки для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов.The claimed utility model, a digital photoplethysmograph with a spectral function, relates to medical devices for diagnosing the state of vascular tone in the microvasculature, calculating a number of quantitative indicators and their statistical processing for a sequence of recorded pulse cycles.

Из уровня техники известен фотоплетизмограф по патенту РФ №2054884, состоящий из фотоприемного устройства с логарифмической характеристикой, усилителя-ограничителя переменного тока с регулируемым порогом ограничения, усилителя переменного тока, демодулятора, фильтра низкой частоты, усилителя постоянного тока и регистрирующего прибора.A photoplethysmograph is known from the prior art according to RF patent No. 2054884, consisting of a photodetector with a logarithmic characteristic, an alternating current limiter amplifier with an adjustable limit threshold, an alternating current amplifier, a demodulator, a low-pass filter, a direct current amplifier, and a recording device.

Известный фотоплетизмограф работает по принципу логарифмического преобразования пульсирующего инфракрасного света в модулированный по амплитуде сигнал изменения яркости светового потока, проходящего через ткани объекта, с последующим детектированием сигнала и вычленением постояннотоковой огибающей пульсограммы, соответствующей собственно фотоплетизмограмме.The well-known photoplethysmograph works on the principle of the logarithmic conversion of pulsed infrared light into an amplitude-modulated signal for changing the brightness of the light flux passing through the tissue of the object, followed by signal detection and isolating the constant-current envelope of the pulsogram corresponding to the photoplethysmogram itself.

С целью получения достоверных данных производится последовательная фильтрация информационного сигнала от импульсных и световых помех, посредством двух замкнутых цепей обратной связи, первая из которых позволяет уменьшить динамический диапазон сигнала пульсограммы, а вторая - уменьшить влияние импульсных помех путем автоматической регулировки порога ограничения усилителя-ограничителя переменного тока в соответствии с уровнем сигнала пульса.In order to obtain reliable data, the information signal is sequentially filtered from pulsed and light interference using two closed feedback circuits, the first of which allows to reduce the dynamic range of the pulsogram signal, and the second to reduce the effect of pulsed noise by automatically adjusting the limiting threshold of the AC limiting amplifier in accordance with the level of the pulse signal.

В отличие от известного средства заявляемый фотоплетизмограф работает по принципу дифференциального преобразования постоянного по яркости красного света длинной волны 0,62 мкм с последующей математической обработкой оцифрованного информационного сигнала и In contrast to the known means, the claimed photoplethysmograph works on the principle of differential conversion of a constant brightness of red light of a long wavelength of 0.62 μm, followed by mathematical processing of the digitized information signal and

отображением на экране монитора частотного спектра собственных пульсаций сосудов микроциркуляторного русла. Использование красного света не меняет состояния микроциркуляторного русла сосудов. Таким образом, по сравнению с характеристикой информационного сигнала, полученного с помощью известного средства, снижается вероятность низкочастотных помех, обусловленных оптической плотностью светового потока.displaying on the monitor screen the frequency spectrum of the own pulsations of the vessels of the microvasculature. The use of red light does not change the state of the microvasculature of blood vessels. Thus, in comparison with the characteristic of the information signal obtained using a known means, the probability of low-frequency interference due to the optical density of the light flux is reduced.

С целью обеспечения высокой чувствительности в широком частотном диапазоне и помехозащищенности результатов измерений в схему заявляемого фотоплетизмографа включен фотодатчик с дифференцирующей характеристикой, регистрирующий скорость изменения во времени яркости светового сигнала (dI/dt), проходящего через ткани объекта.In order to ensure high sensitivity in a wide frequency range and noise immunity of the measurement results, a photosensor with a differentiating characteristic is included in the scheme of the claimed photoplethysmograph, which records the rate of change in time of the brightness of the light signal (dI / dt) passing through the tissue of the object.

В медицине фотоплетизмограмма, основанная на изменении яркости прошедшего сквозь исследуемую ткань света, традиционно рассматривалась как характеристика объема прошедшей крови во времени. Обычно на основании этой зависимости строят дифференциальную фотоплетизмограмму dI/dt, которая отражает скорость движения крови на исследуемом участке ткани. Имеется ряд методик анализа этих кривых, основанных на нахождении характерных точек в каждом импульсе движения крови и расчету по ним определенных критериев, характеризующих состояние кровеносной системы, ее тонуса и т.п.In medicine, a photoplethysmogram based on a change in the brightness of the light transmitted through the test tissue has traditionally been regarded as a characteristic of the volume of transmitted blood over time. Usually, based on this dependence, a differential photoplethysmogram dI / dt is constructed, which reflects the speed of blood movement in the studied tissue site. There are a number of methods for analyzing these curves, based on finding characteristic points in each pulse of blood movement and calculating certain criteria based on them that characterize the state of the circulatory system, its tone, etc.

С помощью заявляемого фотоплетизмографа дифференциальный сигнал яркости (dI/dt) регистрирует непосредственно. Для построения прямой фотоплетизмограммы выполняется операция интегрирования зарегистрированного сигнала по времени одновременно с автоматической очисткой сигнала от шумов. В результате на экране монитора отображаются три согласованных во времени кривых: график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), отражающий объем прошедшей крови во времени; второй график, полученный при интегрировании исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt), - прямая фотоплетизмограмма, отражающая скорость Using the inventive photoplethysmograph, the differential brightness signal (dI / dt) is recorded directly. To build a direct photoplethysmogram, the operation of integrating the recorded signal over time is performed simultaneously with the automatic cleaning of the signal from noise. As a result, three time-consistent curves are displayed on the monitor screen: a graph of the initial differential signal of light brightness (dI / dt), which reflects the volume of transmitted blood in time; the second graph obtained by integrating the initial differential signal of light brightness (dI / dt) is a direct photoplethysmogram reflecting the speed

движения крови в исследуемой ткани (по горизонтальной оси графика отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты к_i. При интегрировании исходного дифференциального сигнала (dI/dt) происходит автоматическая очистка фотоплетизмограммы от шумов.the movement of blood in the test tissue (the horizontal axis of the graph shows the frequency of the signal bands (in Hertz), and the corresponding coefficients k _i on the vertical axis. When integrating the initial differential signal (dI / dt), the photoplethysmogram is automatically cleared of noise.

Третий график представляет собой результат дифференцирования исходного дифференциального сигнала яркости, т.е. (dI²/dt²), отражающий изменение ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени. Этот график можно также интерпретировать, как изменение силы ударов пульса во времени.The third graph is the result of differentiation of the original differential brightness signal, i.e. (dI ² / dt ² ), reflecting the change in acceleration (a) of the pulsating blood flow over time. This graph can also be interpreted as a change in the strength of the beat of the pulse over time.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного фотоплетизмографа, заключается в наиболее полном исследовании параметров кровотока сосудов с обеспечением достоверности результата за счет упрощения коммутативной схемы устройства, а также оптических и дифференциальных характеристик фотодатчика.The technical result achieved by using the claimed photoplethysmograph consists in the most complete study of blood flow parameters of vessels, ensuring the reliability of the result by simplifying the commutative circuit of the device, as well as the optical and differential characteristics of the photosensor.

Сущность полезной модели.The essence of the utility model.

Заявляемый цифровой фотоплетизмограф с функцией спектрирования представляет собой единое аппаратно-программное диагностическое устройство для исследования динамики капиллярного кровотока, Фотоплетизмограф выполнен на базе сигнального микропроцессора, в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь, с подсоединенным к нему фотодатчиком. Микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию изменения яркостного сигнала в диапазоне частот от 0 до 300 Гц., оцифровку и накопление данный в оперативной памяти, взаимодействие с управляющей программой персонального компьютера.The inventive digital photoplethysmograph with a spectral function is a single hardware-software diagnostic device for studying the dynamics of capillary blood flow. The photoplethysmograph is made on the basis of a signal microprocessor, which includes an analog-to-digital converter, with a photosensor connected to it. The microprocessor provides control of the operating modes of the photosensor, registration of changes in the brightness signal in the frequency range from 0 to 300 Hz., Digitization and accumulation of data in RAM, interaction with the control program of a personal computer.

Математическая обработка оцифрованного первичного сигнала позволяет получить частотный спектр фотоплетизмограммы в диапазоне 0,1 -300 Гц., и обеспечивает расчет ряда количественных показателей со статистической обработкой для последовательности зарегистрированных пульсовых циклов.Mathematical processing of the digitized primary signal allows us to obtain the frequency spectrum of the photoplethysmogram in the range of 0.1-300 Hz., And provides the calculation of a number of quantitative indicators with statistical processing for the sequence of recorded pulse cycles.

Заявляемый фотоплетизмограф работает следующим образом.The inventive photoplethysmograph works as follows.

Фотоэлемент, выполненный в виде опто-пары, закрепляют на исследуемом участке тела. Сквозь ткани исследуемого участка пропускают немодулированный (при неизменной яркости) красный свет с длинной волны 0,62 мкм. В отличие от других источников света такой свет не меняет состояния микроциркуляторного русла.The photocell, made in the form of an opto-pair, is fixed on the studied area of the body. Unmodulated (at a constant brightness) red light with a wavelength of 0.62 microns is passed through the tissues of the test area. Unlike other light sources, such light does not change the state of the microvasculature.

Регистрируют изменение во времени яркостного сигнала на пути между излучающим светодиодом и фотоприемником. Для обеспечения более высоких характеристик сигнал/шум фотоплетизмограф заявляемого устройства регистрирует не абсолютные колебания яркости прошедшего света, а скорость ее изменения (dI/dt), т.е. дифференциальную фотоплетизмограмму.The change in time of the luminance signal along the path between the emitting LED and the photodetector is recorded. To ensure higher signal-to-noise characteristics, the photoplethysmograph of the claimed device does not register absolute fluctuations in the brightness of transmitted light, but its rate of change (dI / dt), i.e. differential photoplethysmogram.

Быстродействующий микропроцессор обеспечивает управление режимами работы фотодатчика, регистрацию массива данных, их оцифровку и накопление в оперативной памяти с последующей передачей на персональный компьютер для обработки и вывода на экран трех графиков.A high-speed microprocessor provides control of the operating modes of the photosensor, registration of an array of data, their digitization and accumulation in RAM with subsequent transfer to a personal computer for processing and displaying three graphs on the screen.

Дифференциальная фотоплетизмограмма несет в себе комплексную информацию о динамике движения крови в исследуемой ткани, а также, неизбежно, осложнена посторонними шумовыми сигналами из-за случайных колебаний фотодатчика, засветки исследуемой области от внешних источников света (осветительные приборы, экран монитора и т.п.), а также электрических наводок. Для подавления шумов и выделения полезного сигнала из оцифрованного массива первичных данных применяется прямое и обратное Фурье-преобразования сигнала.The differential photoplethysmogram carries complex information about the dynamics of blood movement in the tissue under study, and is also, inevitably, complicated by extraneous noise signals due to random oscillations of the photosensor, illumination of the studied region from external light sources (lighting devices, monitor screen, etc.) as well as electrical interference. To suppress noise and extract a useful signal from a digitized array of primary data, the direct and inverse Fourier transforms of the signal are used.

Этот метод позволяет получить набор коэффициентов к_i, характеризующих интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных. В графической форме зависимость амплитуды k_i от соответствующих им частот (амплитудно-частотная характеристика) известна, как Фурье-спектр и позволяет судить о структуре исследуемого сигнала. Для сигнала фотоплетизмограммы главной This method allows to obtain a set of coefficients to _i characterizing the intensity of the harmonic components of the processed data array. In graphical form, the dependence of the amplitude k _i on the frequencies corresponding to them (amplitude-frequency characteristic) is known as the Fourier spectrum and allows one to judge the structure of the signal under study. For the photoplethysmogram signal of the main

гармоникой должна быть частота сердечного ритма (около 1 Гц), а остальные проявляться, как высоко и низкочастотные «обертоны» этого ритма, либо, как техногенные шумы. Полосы частот 50 и 100 Гц, как правило, связаны с возможностью наводок о сетей переменного тока. Эти наводки могут включаться в сигнал по цепям питания комплекса: устройство-компьютер, но главным образом, за счет попадания света ламп, питаемых переменным током и экраном компьютерного монитора. Последний фактор дает характерную узкую полосу в указанном интервале, частота которой зависит от модели и настройки монитора (например, 75 или 85 Гц). Собственные шумы электронного блока и фотодатчика могут проявиться во всем рабочем диапазоне частот от 0,1 Гц до 400 Гц. Они носят случайный характер белого шума, и их уровень зависит, в основном, от яркости регистрируемого сигнала и выбранного коэффициента усиления К_у: чем слабее сигнал и выше К_у - тем заметнее шумы.the harmonic should be the heart rate (about 1 Hz), and the rest should appear as high and low-frequency “overtones” of this rhythm, or as anthropogenic noises. Frequency bands of 50 and 100 Hz, as a rule, are associated with the possibility of pickups on AC networks. These pickups can be included in the signal along the power circuits of the complex: device-computer, but mainly due to the light from the lamps fed by alternating current and the screen of a computer monitor. The latter factor gives a characteristic narrow band in the indicated interval, the frequency of which depends on the model and monitor settings (for example, 75 or 85 Hz). The intrinsic noise of the electronic unit and the photosensor can occur in the entire operating frequency range from 0.1 Hz to 400 Hz. They are random in nature of white noise, and their level depends mainly on the brightness of the recorded signal and the selected gain K _y : the weaker the signal and higher K _y - the more noticeable the noise.

Для очистки от техногенных шумов выполняется прямое Фурье - преобразование оцифрованного сигнала и обнуляются коэффициенты k_i, характеризующих интенсивность гармонических составляющих обрабатываемого массива данных для частот в окрестности 50 и 100 Гц. Затем со скорректированным массивом коэффициентов k_i проводится обратное Фурье - преобразование, результатом которого является восстановленный яркостной сигнал, освобожденный от сетевых наводок и выводимый на монитор. Ширина полосы фильтрации может корректироваться в зависимости от получаемого результата.To clean from industrial noise, a direct Fourier transform of the digitized signal is performed and the coefficients k _i characterizing the intensity of the harmonic components of the processed data array for frequencies in the vicinity of 50 and 100 Hz are reset. Then, with the corrected array of coefficients k _i , the inverse Fourier transform is performed, the result of which is the restored luminance signal, freed from network interference and displayed on the monitor. The filter bandwidth can be adjusted depending on the result.

Для очистки фотоплетизмограммы от широкополосного белого шума используется принцип Долби-фильтрации.To clean the photoplethysmogram from broadband white noise, the Dolby filtering principle is used.

Эффективность Долби-фильтра зависит от порога фильтрации, задаваемого либо вычисляемого автоматически, как средней уровень сигнала на частотах выше 200 Гц (область регистрации белого шума). Все гармоники, амплитуда которых ниже заданного порога, обнуляются, что и обеспечивает очистку спектра от слабых сигналов, не затрагивая основной массив данных.The efficiency of the Dolby filter depends on the filtering threshold, set or calculated automatically, as the average signal level at frequencies above 200 Hz (white noise registration area). All harmonics, the amplitude of which is below a given threshold, are reset, which ensures that the spectrum is cleaned of weak signals without affecting the main data array.

После 10 секундной экспозиции на монитор выводятся три согласованные во времени диаграммы:After 10 seconds of exposure, three time-consistent diagrams are displayed on the monitor:

- график исходного дифференциального сигнала яркости света (dI/dt - в условных единицах);- graph of the initial differential signal of light brightness (dI / dt - in arbitrary units);

- график Фурье-спектра (прямая фотоплетизмограмма), по горизонтальной оси которого отложены частоты полос сигнала (в герцах), а по вертикальной оси - соответствующие им коэффициенты к_i;- a graph of the Fourier spectrum (direct photoplethysmogram), the horizontal axis of which shows the frequency of the signal bands (in hertz), and the vertical axis shows the corresponding coefficients to _i ;

- график изменения ускорения (а) пульсирующего потока крови во времени.- a graph of the change in acceleration (a) of the pulsating blood flow over time.

На основании полученных данных выполняется автоматический поиск характерных точек кривых и их индикация цветом на диаграммах:Based on the data obtained, an automatic search for the characteristic points of the curves and their color indication in the diagrams is performed:

f - время быстрого кровенаполнения, (с)f - time of rapid blood supply, (s)

α - время подъема восходящей части, (с)α is the ascending time of the ascending part, (s)

Pulse - частота пульса, (ударов/мин)Pulse - heart rate, (beats / min)

Ad - амплитуда дифференциальной фотоплетизмограммы, (усл.ед.)Ad is the amplitude of the differential photoplethysmogram, (conventional units)

а - амплитуда быстрого кровенаполнения, (усл. ед)a - amplitude of rapid blood supply, (conventional units)

β - время снижения нисходящей части, (с)β is the time of decreasing the descending part, (s)

b - амплитуда максимального кровенаполнения, (усл.ед).b - the amplitude of the maximum blood supply, (conventional).

Доминирующая частота из спектра частот спонтанных колебаний исследуемых сосудов в диапазоне 10-30 Гц., представляющих собой четкие пики кривой графика, или частота, отличающаяся от зарегистрированный частот спектра не менее чем на 1 Гц. могут быть использованы, в частности, для управления показателем тонуса сосудов микроциркуляторного русла.The dominant frequency from the frequency spectrum of spontaneous oscillations of the studied vessels in the range of 10-30 Hz., Which are clear peaks of the graph curve, or a frequency that differs from the recorded spectrum frequencies by at least 1 Hz. can be used, in particular, to control the index of vascular tone of the microvasculature.

В случае необходимости нормализовать показатель тонуса сосудов микроциркуляторного русла применяется вибрационное воздействие на участок тела пациента на доминирующей частоте спектра спонтанных колебаний сосудов в диапазоне 10-30 Гц. При необходимости увеличить показатель тонуса сосудов - применяется локальная вибрация на частоте, If necessary, normalize the vascular tone index of the microvasculature using a vibrational effect on a portion of the patient’s body at the dominant frequency of the spectrum of spontaneous vessel oscillations in the range of 10-30 Hz. If necessary, increase the vascular tone indicator - local vibration at a frequency is applied,

отличающееся от зарегистрированных частот спектра спонтанных колебаний сосудов не менее чем на 1 Гц.differing from the recorded frequencies of the spectrum of spontaneous oscillations of blood vessels by at least 1 Hz.

Таким образом, в случае применения заявляемой полезной модели, точность результатов диагностики и выбора характерных точек позволяет максимально приближенно смоделировать естественный механизм гемодинамики с учетом индивидуального показателя частоты собственных колебаний сосудов, что снижает периферическое сопротивление, или нарушить этот механизм при использовании частот отличных от регистрируемых, что приводит к увеличению периферического сопротивления.Thus, in the case of the application of the claimed utility model, the accuracy of the diagnostic results and the selection of characteristic points makes it possible to approximate as closely as possible the natural mechanism of hemodynamics taking into account an individual indicator of the frequency of natural oscillations of blood vessels, which reduces peripheral resistance, or disrupt this mechanism when using frequencies other than those recorded, which leads to an increase in peripheral resistance.

Claims

A digital photoplethysmograph with a spectral function, including a photo sensor in the form of an optocoupler, a high-speed microprocessor with an analog-to-digital converter, providing registration of the rate of change of the brightness signal in the frequency range from 0 to 300 Hz and communication with a personal computer that controls the processing and display of measurement results in numerical and graphic form.