WO2017091107A1 - Оптический датчик формы пульсовой волны человека - Google Patents

Оптический датчик формы пульсовой волны человека Download PDF

Info

Publication number
WO2017091107A1
WO2017091107A1 PCT/RU2016/000780 RU2016000780W WO2017091107A1 WO 2017091107 A1 WO2017091107 A1 WO 2017091107A1 RU 2016000780 W RU2016000780 W RU 2016000780W WO 2017091107 A1 WO2017091107 A1 WO 2017091107A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
emitter
module
photodetector
sensor
holder
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000780
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Константин Болеславович ТУМИНАС
Original Assignee
Константин Болеславович ТУМИНАС
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Константин Болеславович ТУМИНАС filed Critical Константин Болеславович ТУМИНАС
Priority to ATGM9012/2016U priority Critical patent/AT16286U1/de
Priority to JP2018600059U priority patent/JP3220623U/ja
Priority to DE212016000234.1U priority patent/DE212016000234U1/de
Priority to CN201690001335.8U priority patent/CN209074622U/zh
Priority to KR2020187000035U priority patent/KR200493275Y1/ko
Priority to FIU20184097U priority patent/FI12263U1/fi
Priority to ES201890012U priority patent/ES1215395Y/es
Priority to MYUI2018701822A priority patent/MY195070A/en
Publication of WO2017091107A1 publication Critical patent/WO2017091107A1/ru
Priority to DKBA201800042U priority patent/DK201800042Y3/da
Priority to PH22018500007U priority patent/PH22018500007U1/en

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infrared radiation
    • A61B5/02427—Details of sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/02416—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate using photoplethysmograph signals, e.g. generated by infrared radiation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/024—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/02438—Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate with portable devices, e.g. worn by the patient
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow
    • A61B5/0261—Measuring blood flow using optical means, e.g. infrared light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
    • A61B5/14552—Details of sensors specially adapted therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6814—Head
    • A61B5/6815—Ear
    • A61B5/6816—Ear lobe
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6814—Head
    • A61B5/6815—Ear
    • A61B5/6817—Ear canal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
    • A61B2560/04—Constructional details of apparatus
    • A61B2560/0406—Constructional details of apparatus specially shaped apparatus housings
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
    • A61B2562/0238—Optical sensor arrangements for performing transmission measurements on body tissue

Definitions

  • the invention relates to medicine, namely to a functional diagnosis of a human condition and can be used in medical examinations, including hemodynamic studies, as well as in systems for monitoring the degree of fatigue of persons in driving vehicles.
  • medicine namely to a functional diagnosis of a human condition and can be used in medical examinations, including hemodynamic studies, as well as in systems for monitoring the degree of fatigue of persons in driving vehicles.
  • the pulse wave that occurs during the passage of blood through the arterial vessels of a person carries information about the state of his cardiovascular system. This information is extremely important for predicting the impact of adverse environmental factors on the adaptive capabilities of the body.
  • One of the most common methods for registering a pulse waveform is sphygmography. When using this method, sensors are used that are placed on the skin of a person in areas located directly above the arteries. The shape of the pulse wave is recorded by mechanical or optical methods according to the movements of the sensors generated by the increase in the volume of arteries under the skin.
  • a known pressure sensor (RF Patent N ° 2430344, G01L 9/08, publ. 09/27/2011, Bull. J4s27) containing a housing, a metal round membrane, a quartz piezoelectric disk mounted on the surface of the quartz holder parallel to the membrane with the formation of a gap between it and membrane, while the centers of the disk piezoelectric element and the membrane coincide with the longitudinal axis of the quartz holder, and a round electrode deposited on the surface of the piezoelectric element in its central part, a metal base with a bottom part, an inner protrusion and an internal groove, meta external support ring, outer diameter which is equal to the outer diameter of the membrane, a rivet with a cylindrical flat head, an elastic flat element with a hole in the center through which the rivet is passed, and an adjusting screw with a spherical end, and the adjusting screw is installed coaxially with the threaded hole in the center of the bottom of the metal base and is in contact with it spherical end with a
  • the sensor further comprises a first pneumatic channel in the form of communicating pneumatic filter and a throttle, respectively made in the form of a vertical cylindrical channel in the side wall of the base filled with filter material, for example felt, and a throttle in the form of a horizontal cylindrical channel of small diameter, a second pneumatic channel in the form of communicating vertical a cylindrical channel in the side wall of the base, part of which is filled with filter material, and a horizontal cylinder eskogo channel equalization spring-loaded valve in the form of a cylinder with an annular groove on its surface and a pressing head, wherein the air filter inlet and the second inlet air passage communicates with an inlet housing, 0780
  • the output of the throttle and the output of the second pneumatic channel communicate with the volume bounded by the walls, the bottom of the base and the inner surface of the membrane, and this volume communicates with the inlet of the housing through the second pneumatic channel through the equalizing valve at the time of bringing the sensor to its initial state.
  • This piezoelectric sensor is used when conducting sphygmometric studies using an occlusal cuff applied to the forearm.
  • non-contact pulse waveform sensors are also known.
  • a sensor made in the form of a semiconductor laser autodyne including a laser diode on quantum-dimensional InGaAlP structures with a diffraction-limited single spatial mode and a radiation wavelength of 654 nm, a stabilized current source for powering the specified laser, and a photodetector for measuring output power generating said laser.
  • the laser radiation should be directed to the skin surface in the wrist area, where the radial artery is located closer to the skin surface. Part of the radiation reflected from the skin surface, then returns back to the laser cavity, which leads to a change in the power of its generation during the passage of the pulse wave through the artery. The change in the laser generation power is recorded by a photodetector, and the signal from its output is sent to a data processing and storage system.
  • the disadvantages of the above devices are the complexity of the designs and the inability to use them in a portable version when conducting continuous monitoring of the state of the cardiovascular system, including persons engaged in the management of vehicles funds during the performance of their labor duties.
  • a number of sensors are known for monitoring the physiological parameters of the human cardiovascular system, including for measuring the concentration of oxygen in the blood, which are distinguished by their simplicity of design and the possibility of use in a portable version. These sensors are described, for example, in the following patents (US Patent JV ° 7263396, A61B 5/00, publ. 08/28/2007; US Patent M> 8532729, A61B 5/1455, publ. 09/10/2013; US Patent J4 "8588880, A61B 5/1455, publ. 19.1 1.2013).
  • a feature of the design of these sensors is their design in the form of a clip with the possibility of mechanical fastening on the human body in the region of the auricle, mainly on the earlobe.
  • These sensors include radiation sources and photodetectors, which makes it possible to measure the optical transmission of biological tissues saturated with blood vessels and to register the concentration of oxygen in the blood.
  • the closest to the claimed invention and adopted for the prototype device is a wearable physiological sensor (US Patent JVs8229532, ⁇ 5/1455, publ. 24.07.2012), which includes the emitter module and the photodetector module located in kinematically connected cases, the output of which is the output of the sensor, and also means for positioning the photodetector module relative to the emitter module, including an elastic element, simultaneously connected to the emitter module and the photodetector module and providing the ability to move the modes A photodetector with respect to the transmitter module with fixing its installation by contiguity to the surface of the skin in the ear.
  • the main disadvantage of the prototype is the low accuracy of the registration of the pulse wave shape.
  • wearable oximetric sensors are complete instruments that solve the most difficult diagnostic task. The health, and in some cases human life, directly depends on the accuracy of the readings of these sensors.
  • Features of the use of various devices for implementing a non-invasive diagnostic method for assessing the percentage of oxyhemoglobin in the blood are described in detail in the work (D. A. Rogatkin. Physical fundamentals of optical oximetry // Medical Physics. 2012. jV ° 2. P.97-1 14).
  • Technical requirements for the development and production of optical oximeters are set out in the interstate GOST (GOST ISO 9919-201 1 Medical electrical equipment. Particular safety requirements and basic characteristics of pulse oximeters).
  • the design of the sensor should provide for the possibility of its attachment to that part of the human body that is not exposed to accidental contact with clothing and at the same time has the highest possible density of capillary blood vessels;
  • the mounting of the sensor on the body should be, on the one hand, as reliable as possible and not allowing spontaneous displacement during human movements, and on the other hand, not causing the slightest discomfort arising from a violation or obstruction of peripheral circulation in the area of attachment.
  • the weight of the sensor should be minimal;
  • the design of the sensor should exclude or to the maximum extent to weaken the effect of illumination of the photodetector by external light sources and to provide the greatest possible value of the signal-to-noise ratio;
  • the aim of the invention is to increase the accuracy of recording the shape of the pulse wave and measuring the parameters of human hemodynamics by achieving a technical result - increasing the signal-to-noise ratio.
  • the claimed technical result is achieved in that in the optical pulse waveform sensor, including the emitter module and the photodetector module located in the kinematically connected cases, the output of which is the output of the sensor, as well as means for positioning the photodetector module relative to the emitter module, including an elastic element simultaneously connected to the module the emitter and the photodetector module and providing the ability to move the photodetector module relative to the emitter module with fixation their installation by adjoining the surface of the human skin, the external shape of the surface of the emitter holder is made conjugated to the inner surface of the lower part of the auricle and the inter-cutout of the human ear, the emitter holder is made of flexible opaque material, and the positioning tool includes a linear guide whose axis is parallel to the connecting emitter and photodetector of the optical axis and provides alignment T / RU2016 / 000780
  • the change in the volume of the vessels during the passage of the pulse wave (the shape of the sphygmogram curve) and the concentration of oxyhemoglobin in the blood (differential transmission at different wavelengths) are simultaneously recorded.
  • hemodynamics is determined solely by the shape of the sphygmogram, and blood oxygenation affects its amplitude under the assumption that during the passage of one period of the pulse wave, the oxygen content in the blood remains almost constant.
  • the accuracy of the measured hemodynamic characteristics in particular and the operability of the sensor as a whole depends on how accurately the set of essential requirements for the design of the sensor and its mounting on the human body is maintained.
  • the design of the claimed invention includes a number of new technical solutions (claimed features), the totality of which ensures the achievement of the claimed technical result, namely:
  • the external shape of the surface of the holder of the emitter is made conjugated to the inner surface of the lower part of the human auricle in the area bounded by the tragus and anti-tragus. This ensures reliable fastening of the sensor to the human body in that part of it, which does not have direct contact with clothing and contains a fairly dense circulatory network of microvessels.
  • the design of the claimed invention involves mounting on the cartilaginous part of the auricle, which eliminates the appearance of discomfort (numbness) during prolonged wearing of the sensor, and also provides a higher level and quality of the sensor output signal for due to the greater density and diameters of the blood vessels of the tissues of the auricle in the area of the sensor.
  • the center of gravity of the sensor is located between the optical axis of the sensor and the guide means of positioning. This minimizes the occurrence of a warping moment and its effect on the output signal of the sensor during wearing (to minimize the level of interference that occurs during natural head movements), and also maintain the aesthetic appeal of wearing the sensor, which is especially important for women.
  • the emitter is equipped with an opaque holder, the external shape of the surface of which the emitter is made conjugated to the inner surface of the lower part of the human auricle and encircling the outer surface of the protector.
  • a holder provides a reduction in the level of illumination of the photodetector under changing lighting, and also reduces pressure on the surface of the auricle for more comfortable long-term wearing.
  • the design of the sensor provides for the possibility of individual adjustments to the mutual position of the emitter and photodetector modules while maintaining their spatial orientation by using a linear guide.
  • Figure 1 of the drawings shows a General view of the inventive sensor
  • figure 2 shows the design of the sensor with a cut
  • figure 3 shows a schematic illustration of the human ear indicating the location of the sensor on it
  • figure 4 shows the results of comparative tests of the proposed sensor and prototype confirming the achievement of the claimed technical result.
  • the numbers indicate: 1 - emitter; 2 - the holder of the emitter; 3 - housing module emitter; 4 - photodetector; 5 - housing of the photodetector module; 6 - linear guide; 7 - springs.
  • the numbers show: 8 - a tragus; 9 - anti-tragus; 10 - interstitial notch (shaded area corresponds to the place adjacent to the ear of the holder of the emitter 2 of the inventive sensor) and 11 is the earlobe.
  • the inventive sensor includes an emitter 1 installed in the holder 2 and located in the housing 3 of the module of the emitter 1, as well as a photodetector 4 installed in the holder and located in the housing 5 of the module of the photodetector 4.
  • the emitter 1 includes, for example, red and infrared LEDs emitting inside the spectral ranges (640-720) nm and (960-1040) nm, respectively, because It is known that in these spectral ranges the extinction coefficients of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin differ most significantly.
  • Cases 3 and 5 of the emitter module 1 and the photodetector module 4, respectively, are made of light and durable plastic, for example, polycarbonate.
  • the design of the inventive sensor allows linear movement of the housing 3 of the emitter module 1 relative to the housing 5 of the photodetector module 4 along a linear guide 6, the axis of which is parallel to the optical axis of the device connecting the emitter 1 and the sensing element of the photodetector 4.
  • Linear springs 7 mounted symmetrically on both sides of the linear guide 6 provide the creation of "attractive" efforts, while the emitter 1 due to the presence of a linear guide 6 in any position is directed to the photodetector 4.
  • Holder 2 IR radiator 1 is made of opaque resilient material, such as silicone carbonized. This embodiment of the holder prevents external exposure to the photodetector 4.
  • Figure 4 presents two curves describing the shape of the pulse waves of one subject, obtained from two sensors with the same optoelectronic design, but with different designs.
  • the lower curve of the graph shows the pulse wave obtained from the output of the prototype sensor, and the upper one obtained using the inventive sensor.
  • fragments of both curves in the region of local maxima are shown in an enlarged view.
  • Experimental studies of pulse waves showed that the signal-to-noise ratio in the claimed invention is approximately 30 dB better than in the prototype. This quality provides an increase in the accuracy of recording the parameters of human hemodynamics. So on the enlarged fragment (type A), the features of the pulse wave shape are clearly visible in the region of the maximum, while in the prototype (type B) these features are completely masked by noise.
  • the inventive optical sensor of the shape of the pulse wave of a person contains a new set of features that ensure the achievement of a technical result - improving the accuracy of measurements by increasing the signal-to-noise ratio.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике состояния человека и может быть использовано при проведении медицинских обследований в том числе при исследовании гемодинамики, а также в системах контроля степени утомляемости лиц при управлении транспортными средствами. В оптическом датчике формы пульсовой волны человека, включающим расположенные в кинематически соединенных корпусах модуль излучателя и модуль фотоприемника, а также средство позиционирования модуля фотоприемника относительно модуля излучателя с упругим элементом, одновременно соединенным с модулем излучателя и модулем фотоприемника и обеспечивающим возможность перемещения модуля фотоприемника относительно модуля излучателя с фиксацией их установки путем примыкания к поверхности кожи человека, внешняя форма поверхности держателя излучателя выполнена сопряженной к внутренней поверхности нижней части ушной раковины человека, держатель излучателя выполнен из эластичного непрозрачного материала, а средство позиционирования включает линейную направляющую, ось которой параллельна соединяющей излучатель и фотоприемник оптической оси.

Description

ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ФОРМЫ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ ЧЕЛОВЕКА Область техники
Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике состояния человека и может быть использовано при проведении медицинских обследований в том числе при исследовании гемодинамики, а также в системах контроля степени утомляемости лиц при управлении транспортными средствами. Предшествующий уровень техники
Известно, что пульсовая волна, возникающая при прохождении крови по артериальным сосудам человека, несет информацию о состоянии его сердечно-сосудистой системы. Эта информация чрезвычайно важна для целей прогнозирования влияния неблагоприятных факторов среды на адаптационные возможности организма. Одним из наиболее распространенных методов регистрации формы пульсовой волны является сфигмография. При использовании этого метода применяют датчики, размещаемые на коже человека в областях, расположенных непосредственно над артериями. При этом форма пульсовой волны регистрируется механическими или оптическими методами по движениям датчиков, порождаемым увеличением объема артерий под кожей.
Известен датчик давления (Патент РФ N°2430344, G01L 9/08, опубл. 27.09.201 1, Бюлл. J4s27), содержащий корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента, в центральной его части, металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепку с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране. Датчик дополнительно содержит первый пневматический канал в виде сообщающихся пневматического фильтра и дросселя, выполненных соответственно в форме вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, заполненного фильтрующим материалом, например войлоком, и дросселя в виде горизонтального цилиндрического канала малого диаметра, второй пневматический канал в виде сообщающихся вертикального цилиндрического канала в боковой стенке основания, часть которого заполнена фильтрующим материалом, и горизонтального цилиндрического канала с уравнительным подпружиненным клапаном в виде цилиндра с кольцевой проточкой по его поверхности и нажимной головкой, причем вход пневматического фильтра и вход второго пневматического канала сообщаются с входным отверстием корпуса, 0780
3
выход дросселя и выход второго пневматического канала сообщаются с объемом, ограниченным стенками, донной частью основания и внутренней поверхностью мембраны, а этот объем сообщается с входным отверстием корпуса через второй пневматический канал посредством уравнительного клапана в момент приведения датчика в исходное состояние. Данный пьезоэлектрический датчик применяют при проведении сфигмометрических исследований с помощью окклюзионной манжеты, накладываемой на предплечье.
Кроме контактных известны также бесконтактные датчики формы пульсовых волн. В работе (У санов Д. А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О. Определение формы пульсовой волны по сигналу полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2013. Т.39. В.5. С.82-87) описан датчик, выполненный в виде полупроводникового лазерного автодина, включающего лазерный диод на квантово-размерных InGaAlP структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой и длиной волны излучения 654 нм, стабилизированный источник тока для питания указанного лазера, а также фотодетектор для измерения выходной мощности генерации указанного лазера. При проведении сфигмографических исследований с помощью данного датчика излучение лазера должно быть направлено на поверхность кожи в области запястья, где лучевая артерия расположена ближе к поверхности кожи. Часть излучения, отраженного от поверхности кожи, при этом возвращается обратно в резонатор лазера, что приводит к изменению мощности его генерации при прохождении пульсовой волны по артерии. Изменение мощности генерации лазера регистрируют фотодетектором, а сигнал с его выхода направляют в систему обработки и хранения данных.
Недостатками описанных выше устройств являются сложность конструкций и невозможность их использования в носимом исполнении при проведении продолжительного мониторинга состояния сердечно- сосудистой системы в том числе лиц, занятых управлением транспортных средств, во время исполнения ими трудовых обязанностей.
Известен ряд датчиков, предназначенных для контроля физиологических параметров сердечно-сосудистой системы человека в том числе для измерения концентрации кислорода в крови, отличающихся простотой конструкции и возможностью использования в носимом исполнении. Эти датчики описаны, например, в следующих патентах (Патент США JV°7263396, А61В 5/00, опубл. 28.08.2007; Патент США М>8532729, А61В 5/1455, опубл. 10.09.2013; Патент США J4«8588880, А61В 5/1455, опубл. 19.1 1.2013). Особенностью конструкций указанных датчиков является их конструктивное исполнение в виде клипсы с возможностью механического закрепления на теле человека в области ушной раковины, преимущественно на мочке уха. Указанные датчики включают источники излучения и фотоприемники, что обеспечивает возможность измерения оптического пропускания насыщенных кровеносными сосудами биотканей и регистрации концентрации кислорода в крови.
Наиболее близким к заявляемому изобретению и принятым за прототип устройством является носимый физиологический датчик (Патент США JVs8229532, А61В 5/1455, опубл. 24.07.2012), включающий расположенные в кинематически соединенных корпусах модуль излучателя и модуль фотоприемника, выход которого является выходом датчика, а также средство позиционирования модуля фотоприемника относительно модуля излучателя, включающее упругий элемент, одновременно соединенный с модулем излучателя и модулем фотоприемника и обеспечивающий возможность перемещения модуля фотоприемника относительно модуля излучателя с фиксацией его установки путем примыкания к поверхности кожи человека в области ушной раковины.
Основным недостатком прототипа является низкая точность регистрации формы пульсовой волны. При кажущейся конструктивной простоте носимые оксиметрические датчики являются полноценными приборами, решающими сложнейшую диагностическую задачу. От точности показаний этих датчиков напрямую зависит здоровье, а в отдельных случаях и жизнь человека. Особенности применения различных устройств для осуществления неинвазивного диагностического метода оценки процентного содержания оксигемоглобина в крови подробно изложены в работе (Д.А.Рогаткин. Физические основы оптической оксиметрии // Медицинская физика. 2012. jV°2. С.97- 1 14). Технические требования к разработке и производству оптических оксиметров изложены в межгосударственном ГОСТе (ГОСТ ISO 9919-201 1 Изделия медицинские электрические. Частные требования безопасности и основные характеристики пульсовых оксиметров).
Руководствуясь требованиями обеспечения высокой точности сфигмометрических и оксиметрических измерений носимыми оптическими датчиками формы пульсовой волны, надежности их крепления на теле испытуемых лиц при долговременном ношении в широком диапазоне климатических условий и условий внешнего освещения при минимальном дискомфорте, можно сформулировать ряд обязательных положений:
· конструкция датчика должна предусматривать возможность его крепления на той части тела человека, которая не подвергается случайному контакту с одеждой и обладает при этом наибольшей из возможных плотностью капиллярных кровеносных сосудов;
• крепление датчика на теле должно быть, с одной стороны, максимально надежным и не допускающим самопроизвольного смещения при движениях человека, а с другой - не причиняющим малейшего дискомфорта, возникающего при нарушении или затруднении периферийного кровообращения в области крепления. Вес датчика должен быть минимальным;
· конструкция датчика должна исключать или в максимальной степени ослаблять влияние засветки фотоприемника внешними источниками света и обеспечивать наибольшее из возможных значение отношения сигнал/шум;
• средства фиксации датчика на теле человека должны предусматривать возможность адаптации расположения излучателей и приемника к физиологическим особенностям испытуемого индивидуума без внесения изменений в параметры калибровки устройства или методики анализа получаемых данных. Сущность изобретения
Целью создания изобретения является повышение точности регистрации формы пульсовой волны и измерения параметров гемодинамики человека за счет достижения технического результата - повышения значения отношения сигнал/шум.
Заявленный технический результат достигается тем, что в оптическом датчике формы пульсовой волны, включающем расположенные в кинематически соединенных корпусах модуль излучателя и модуль фотоприемника, выход которого является выходом датчика, а также средство позиционирования модуля фотоприемника относительно модуля излучателя, включающее упругий элемент, одновременно соединенный с модулем излучателя и модулем фотоприемника и обеспечивающий возможность перемещения модуля фотоприемника относительно модуля излучателя с фиксацией их установки путем примыкания к поверхности кожи человека, внешняя форма поверхности держателя излучателя выполнена сопряженной к внутренней поверхности нижней части ушной раковины и межкозелковой вырезке уха человека, держатель излучателя выполнен из эластичного непрозрачного материала, а средство позиционирования включает линейную направляющую, ось которой параллельна соединяющей излучатель и фотоприемник оптической оси и обеспечивает соосность T/RU2016/000780
7
положения излучателя и фотоприемника.
Кроме того, излучатель оптического датчика может включать два источника излучения, длины волн λΐ и Х2 излучения которых могут быть выбраны внутри спектральных диапазонов λΐ =(640-720) нм и λ2=(960- 1040) нм.
Анализ формы пульсовой волны человека (сфигмограммы) дает возможность судить о физиологическом состоянии человека в целом и о состоянии его сердечно сосудистой системы в частности, т.е. о скорости притока и оттока крови в капиллярах, о тонусе и эластичности сосудов, их объемном кровенаполнении, упругости стенок крупных сосудов, сократительной функции миокарда и других. При исследовании формы пульсовой волны с помощью оптических датчиков, работающих "на пропускание", измеряют коэффициент ослабления излучения кровенасыщенными тканями в различных спектральных диапазонах. При этом одновременно регистрируют изменение объема сосудов при прохождении пульсовой волны (форма кривой сфигмограммы) и концентрацию оксигемоглобина в крови (дифференциальное пропускание на различных длинах волн). Следует помнить, что гемодинамика определяется исключительно формой сфигмограммы, а оксигенация крови влияет на ее амплитуду в предположении того, что в течение прохождения одного периода пульсовой волны содержание кислорода в крови остается практически постоянным. Точность измеряемых характеристик гемодинамики в частности и работоспособность датчика в целом зависит от того, насколько точно выдержана совокупность существенных требований к конструктивному исполнению датчика и его креплению на теле человека.
Конструкция заявляемого изобретения включает ряд новых технических решений (заявляемых признаков), совокупность которых обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно:
1) внешняя форма поверхности держателя излучателя выполнена сопряженной к внутренней поверхности нижней части ушной раковины человека в области ограниченной козелком и противокозелком. Это обеспечивает надежное крепление датчика к телу человека в той его части, которая не имеет непосредственного соприкосновения с одеждой и содержит достаточно плотную кровеносную сеть микрососудов. В отличие от известных датчиков, приспособленных к варианту крепления на мочку уха, конструкция заявляемого изобретениия предполагает крепление на хрящеватую часть ушной раковины, что исключает появление дискомфорта (ощущения онемения) при длительном ношении датчика, а также обеспечивает более высокий уровень и качество выходного сигнала датчика за счет большей плотности и диаметров кровеносных сосудов тканей ушной раковины в области расположения датчика. Кроме того, центр тяжести датчика расположен между оптической осью датчика и направляющей средства позиционирования. Это позволяет минимизировать возникновение перекашивающего момента и его влияния на выходной сигнал датчика во время ношения (минимизировать уровень помех, возникающих во время естественных движений головой), а также сохранить эстетическую привлекательность ношения датчика, что особенно важно для женщин.
) для предотвращения паразитной засветки фотоприемника датчика излучением от внешних источников излучатель снабжен непрозрачным держателем, внешняя форма поверхности которого излучателя выполнена сопряженной к внутренней поверхности нижней части ушной раковины человека и облегающей внешнюю поверхность противокозелка. Такой держатель обеспечивает снижение уровня засветки фотоприемника при изменяющемся освещении, а также уменьшает давление на поверхность ушной раковины для более комфортного длительного ношения. 3) конструкция датчика предусматривает возможность индивидуальных регулировок взаимоположения модулей излучателя и фотоприемника при сохранении их пространственной ориентации за счет использования линейной направляющей.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 чертежей показан общий вид заявляемого датчика, на фиг.2 представлена конструкция датчика с разрезом, на фиг.З представлено схематическое изображение уха человека с указанием места закрепления на нем датчика, на фиг.4 представлены результаты сравнительных испытаний предлагаемого датчика и прототипа, подтверждающие достижение заявляемого технического результата.
На фиг.2 цифрами указаны: 1 - излучатель; 2 - держатель излучателя; 3 - корпус модуля излучателя; 4 - фотоприемник; 5 - корпус модуля фотоприемника; 6 - линейная направляющая; 7 - пружины.
На фиг.З цифрами показаны: 8 - козелок; 9 - противокозелок; 10 - межкозелковая вырезка (заштрихованная область соответствует месту примыкания к уху держателя излучателя 2 заявляемого датчика) и 11— мочка уха.
Заявляемый датчик включает излучатель 1, установленный в держателе 2 и расположенный в корпусе 3 модуля излучателя 1, а также фотоприемник 4, установленный в держателе и расположенный в корпусе 5 модуля фотоприемника 4. Излучатель 1 включает, например, красный и инфракрасный светодиоды, излучающие внутри спектральных диапазонов (640-720) нм и (960-1040) нм, соответственно, т.к. известно, что в этих диапазонах спектра коэффициенты экстинкции оксигемоглобина и дезоксигемоглобина различаются наиболее существенно. Корпуса 3 и 5 модуля излучателя 1 и модуля фотоприемника 4, соответственно, выполнены из легкого и прочного пластика, например, поликарбоната. Конструкция заявляемого датчика обеспечивает возможность линейного перемещения корпуса 3 модуля излучателя 1 относительно корпуса 5 модуля фотоприемника 4 вдоль линейной направляющей 6, ось которой параллельна оптической оси устройства, соединяющей излучатель 1 и чувствительный элемент фотоприемника 4. Линейные пружины 7, установленные симметрично по обе стороны от линейной направляющей 6 обеспечивают создание «притягивающего» усилия, при этом излучатель 1 за счет наличия линейной направляющей 6 в любом положении направлен на фотоприемник 4. Держатель 2 излучателя 1 выполнен из эластичного непрозрачного материала, например, карбонизированного силикона. Такой вариант исполнения держателя препятствует попаданию внешней засветки на фотоприемник 4.
На фиг.4 представлены две кривые, описывающие форму пульсовых волн одного испытуемого, полученные от двух датчиков с идентичным оптико-электронным исполнением, но имеющих различные конструкции. На нижней кривой графика представлена пульсовая волна, полученная с выхода датчика-прототипа, на верхней - полученная с помощью заявляемого датчика. Кроме того, в увеличенном виде показаны фрагменты обеих кривых в области локальных максимумов. Экспериментальные исследования пульсовых волн показали, что отношение сигнал/шум в заявляемом изобретении примерно на 30 dB лучше, чем в прототипе. Это качество обеспечивает повышение точности регистрации параметров гемодинамики человека. Так на увеличенном фрагменте (вид А) отчетливо видны особенности формы пульсовой волны в области максимума, тогда как в прототипе (вид Б) эти особенности полностью маскируются шумом.
Таким образом, заявляемый оптический датчик формы пульсовой волны человека содержит новую совокупность признаков, обеспечивающую достижение технического результата - повышение точности измерений за счет увеличения значения отношения сигнал/шум.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Оптический датчик формы пульсовой волны человека, включающий расположенные в кинематически соединенных корпусах модуль излучателя и модуль фотоприемника, выход которого является выходом датчика, а также средство позиционирования модуля фотоприемника относительно модуля излучателя, включающее упругий элемент, одновременно соединенный с модулем излучателя и модулем фотоприемника и обеспечивающий возможность перемещения модуля фотоприемника относительно модуля излучателя с фиксацией их установки путем примыкания к поверхности кожи человека, отличающийся тем, что внешняя форма поверхности держателя излучателя выполнена сопряженной к внутренней поверхности нижней части ушной раковины человека, держатель излучателя выполнен из эластичного непрозрачного материала, а средство позиционирования включает линейную направляющую, ось которой параллельна соединяющей излучатель и фотоприемник оптической оси и обеспечивает соосность положения излучателя и фотоприемника.
2. Оптический датчик формы пульсовой волны человека по п.1, отличающийся тем, что излучатель включает два источника излучения, а длины волн λΐ и λ2 источников излучения выбраны внутри спектральных диапазонов λΐ =(640-720) нм и λ2=(960- 1040) нм.
PCT/RU2016/000780 2015-11-27 2016-11-15 Оптический датчик формы пульсовой волны человека WO2017091107A1 (ru)

Priority Applications (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATGM9012/2016U AT16286U1 (de) 2015-11-27 2016-11-15 Optischer Sensor für menschliche Pulswellenform
JP2018600059U JP3220623U (ja) 2015-11-27 2016-11-15 人の脈波形の光学センサ
DE212016000234.1U DE212016000234U1 (de) 2015-11-27 2016-11-15 Optischer Sensor für menschliche Pulswellenform
CN201690001335.8U CN209074622U (zh) 2015-11-27 2016-11-15 人体脉搏波形的光学传感器
KR2020187000035U KR200493275Y1 (ko) 2015-11-27 2016-11-15 인간 맥박 파형의 광학 센서
FIU20184097U FI12263U1 (fi) 2015-11-27 2016-11-15 Optinen mittalaite ihmisen pulssin aaltomuodolle
ES201890012U ES1215395Y (es) 2015-11-27 2016-11-15 Sensor optico de forma de onda del pulso humano
MYUI2018701822A MY195070A (en) 2015-11-27 2016-11-15 Optical Sensor of Human Pulse Waveform
DKBA201800042U DK201800042Y3 (da) 2015-11-27 2018-05-16 Optisk sensor for human pulsbølgeform
PH22018500007U PH22018500007U1 (en) 2015-11-27 2018-05-22 Optical sensor of human pulse waveform

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151141 2015-11-27
RU2015151141 2015-11-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017091107A1 true WO2017091107A1 (ru) 2017-06-01

Family

ID=58763604

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000780 WO2017091107A1 (ru) 2015-11-27 2016-11-15 Оптический датчик формы пульсовой волны человека

Country Status (11)

Country Link
JP (1) JP3220623U (ru)
KR (1) KR200493275Y1 (ru)
CN (1) CN209074622U (ru)
AT (1) AT16286U1 (ru)
DE (1) DE212016000234U1 (ru)
DK (1) DK201800042Y3 (ru)
ES (1) ES1215395Y (ru)
FI (1) FI12263U1 (ru)
MY (1) MY195070A (ru)
PH (1) PH22018500007U1 (ru)
WO (1) WO2017091107A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019189596A1 (ja) * 2018-03-29 2019-10-03 北海道公立大学法人 札幌医科大学 生体情報測定装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2329973A1 (de) * 1973-06-13 1975-01-09 Philips Patentverwaltung Optischer pulsaufnehmer
US20100217103A1 (en) * 2009-02-16 2010-08-26 Yassir Abdul-Hafiz Ear sensor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7263396B2 (en) * 2003-08-08 2007-08-28 Cardiodigital Limited Ear sensor assembly
WO2016140837A1 (en) * 2015-03-03 2016-09-09 Valencell, Inc. Optical adapters for wearable monitoring devices

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2329973A1 (de) * 1973-06-13 1975-01-09 Philips Patentverwaltung Optischer pulsaufnehmer
US20100217103A1 (en) * 2009-02-16 2010-08-26 Yassir Abdul-Hafiz Ear sensor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019189596A1 (ja) * 2018-03-29 2019-10-03 北海道公立大学法人 札幌医科大学 生体情報測定装置
JPWO2019189596A1 (ja) * 2018-03-29 2021-03-25 北海道公立大学法人 札幌医科大学 生体情報測定装置
EP3777665A4 (en) * 2018-03-29 2021-12-08 Sapporo Medical University BIOLOGICAL INFORMATION MEASUREMENT DEVICE
JP7261491B2 (ja) 2018-03-29 2023-04-20 北海道公立大学法人 札幌医科大学 生体情報測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
PH22018500007Y1 (en) 2021-06-16
FI12263U1 (fi) 2019-01-15
ES1215395U (es) 2018-07-13
KR200493275Y1 (ko) 2021-03-03
CN209074622U (zh) 2019-07-09
DE212016000234U1 (de) 2018-07-12
JP3220623U (ja) 2019-03-28
AT16286U1 (de) 2019-05-15
ES1215395Y (es) 2018-10-04
PH22018500007U1 (en) 2021-06-16
KR20180002384U (ko) 2018-08-03
DK201800042Y3 (da) 2018-09-18
DK201800042U1 (da) 2018-05-25
MY195070A (en) 2023-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200375547A1 (en) Methods and apparatus for detecting motion via optomechanics
US20230284921A1 (en) Physiological monitoring devices having sensing elements decoupled from body motion
US11324445B2 (en) Headsets with angled sensor modules
US11589812B2 (en) Wearable devices for physiological monitoring
KR100832353B1 (ko) 생체정보 검출장치 및 혈압계
Vogel et al. In-ear vital signs monitoring using a novel microoptic reflective sensor
US20180078209A1 (en) Stabilized sensor modules and monitoring devices incorporating same
Rhee et al. Artifact-resistant, power-efficient design of finger-ring plethysmographic sensors. II. Prototyping and benchmarking
JP2015503933A (ja) 身体に装着可能な脈拍計／酸素濃度計
US20210169382A1 (en) Pulse oximetry device, system and method
RU162684U1 (ru) Оптический датчик формы пульсовой волны человека
WO2017091107A1 (ru) Оптический датчик формы пульсовой волны человека
WO2019244611A1 (ja) 測定装置、測定方法、及び測定プログラム
TW201713272A (zh) 測定裝置
RU218811U1 (ru) Оптический датчик физиологического состояния человека
IT201900002139U1 (it) Sensore ottico di forma d’onda pulsatoria umana
WO2017064837A1 (ja) 測定装置及び測定方法
Jha et al. A fiber Bragg grating sensor-based wearable system to detect the pre-Dicrotic and Dicrotic notch in the arterial pulse pressure waveform

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16868969

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018600059

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20187000035

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: U

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: U20184097

Country of ref document: FI

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: U201890012

Country of ref document: ES

Ref document number: ATGM 9012/2016

Country of ref document: AT

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 22018500007

Country of ref document: PH

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 212016000234

Country of ref document: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016868969

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016868969

Country of ref document: EP

Effective date: 20180627

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205 DATED 10.10.2018)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16868969

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1