SU1655463A1

SU1655463A1 - Photoplethysmograph

Info

Publication number: SU1655463A1
Application number: SU874307846A
Authority: SU
Inventors: Александр Семенович Наумович; Сергей Григорьевич Бойко; Владимир Сергеевич Улащик; Игорь Александрович Карпович
Original assignee: Минский государственный медицинский институт
Priority date: 1987-09-21
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1991-06-15

Abstract

Изобретение относитс к медицинской технике и может быть использовано дл контрол за периферическим кровообращением . Целью изобретени вл етс повышение точности диагностики при одновременном сокращении времени обследовани путем обеспечени одновременности регистрации динамики поверхностного и общего кровенаполнени . Фотоплетизмограф содержит управл емый источник 1 тока, источник 2 света, фотоприемник 3. усилитель 4, регистратор 5, блок 6 управлени , второй источник 7 тока, второй источник 8 света, ключи 9, интеграторы 10, блоки 11 вычитани , блоки 12 выборки-хранени , фильтры 13, логарифма-горы 14, усилители 15переменного тока, дополнительный ключ 16и дополнительный интегратор 17. Фотоплетизмограф позвол ет дифференцированно в режимах На просвет и На отражение оценивать периферический кровоток. 1 илThe invention relates to medical technology and can be used to control peripheral circulation. The aim of the invention is to improve the accuracy of diagnosis while reducing the time of the examination by ensuring simultaneous registration of the dynamics of surface and total blood supply. The photoplethysmograph contains a controlled current source 1, a light source 2, a photodetector 3. an amplifier 4, a recorder 5, a control unit 6, a second current source 7, a second light source 8, keys 9, integrators 10, subtraction blocks 11, sampling-storage units 12 , filters 13, log-mountains 14, amplifiers of 15 alternating currents, an additional key 16 and an additional integrator 17. The photoplethysmograph allows the peripheral blood flow to be differentiated in the Luminal and Per reflection modes. 1 silt

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для функциональной диагностики и контроля за периферическим кровообращением в процессе проведения фармакологических и физиотерапевтических воздействий.The invention relates to medical equipment and can be used for functional diagnostics and control of peripheral blood circulation during pharmacological and physiotherapeutic effects.

Целью изобретения является повышение точности диагностики при одновременом сокращении времени обследования путем обеспечения одновременности регистрации динамики поверхностного и общего кровенаполнения.The aim of the invention is to improve the accuracy of diagnosis while reducing the time of the examination by ensuring the simultaneous registration of the dynamics of superficial and general blood supply.

На чертеже представлена функциональная схема фотоплетизмографа.The drawing shows a functional diagram of a photoplethysmograph.

Фотоплетиэмограф содержит соединенные последовательно управляеый источник 1 тока, источник 2 света, соединенные последовательно фотоприемник 3 и усилитель 4, а также регистратор 5.The photoplethyograph contains connected in series controlled current source 1, light source 2, connected in series photodetector 3 and amplifier 4, as well as recorder 5.

Фотоплетизмограф также содержит блок 6 управления, соединенные последовательно второй управляемый источник 7 тока, второй источник 8 света, два канала обработки, каждый из которых содержит соединенные последовательно ключ 9, интегратор 10, блок 11 вычитания, блок 12 выборки-хранения, фильтр 13, логарифматор 14, усилитель 15 переменного тока. Выходы каналов подключены соответственно к первому и второму входу регистратора 5, выполненного двухканальным. Соединенные последовательно дополнительный ключ 16 и дополнительный интегратор 17, выход которого соединен с вторыми входами блоков 11 вычитания. Выход усилителя 4 подключен к первым входам ключей 9 первогр и второго каналов и первому входу дополнительного ключа 16. Первый выход блока 6 управления соединен с входом первого управляемого источника 1 тока и вторым входом ключа 9 первь.о канала, второй выход - со вторым входом дополнительного ключа 16, третий выход - с входом второго управляемого источника 7 тока и вторым входом ключа 9 второго канала, четвертый выход со вторыми входами интеграторов 10 первого и второго каналов и вторым входом дополнительного интегратора 17, пятый выход - со вторыми входами блоков 12 выборки-хранения.The photoplethysmograph also contains a control unit 6, connected in series with a second controlled current source 7, a second light source 8, two processing channels, each of which contains a key 9 connected in series, an integrator 10, a subtraction unit 11, a sample-storage unit 12, a filter 13, a logarithm 14, AC amplifier 15. The outputs of the channels are connected respectively to the first and second input of the recorder 5, made two-channel. The additional key 16 and the additional integrator 17 connected in series, the output of which is connected to the second inputs of the subtraction blocks 11. The output of amplifier 4 is connected to the first inputs of the keys 9 of the first and second channels and the first input of the additional key 16. The first output of the control unit 6 is connected to the input of the first controlled current source 1 and the second input of the key 9 of the first channel, the second output to the second input of the additional key 16, the third output with the input of the second controlled current source 7 and the second input of the key 9 of the second channel, the fourth output with the second inputs of the integrators 10 of the first and second channels and the second input of the additional integrator 17, the fifth output with the second the input inputs of the blocks 12 sampling-storage.

Первый источник 2 света размещается напротив фотоприемника 3 и между ними помещается объект исследования. Второй источник 8 света размещается в одной пло-¹скости с фотоприемником 3.The first light source 2 is placed opposite the photodetector 3 and an object of study is placed between them. The second light source 8 is located in a single-plane Plo ¹ to 3 photodetector.

Фотоплетиэмограф работает следующим образом.Photoplethyograph works as follows.

В процессе работы фотоплетизмографа происходит последовательное чередование однотипных циклов, каждвый из которых за нимает пять равных временных интервалов. Эти интервалы задает блок 6 управления, вырабатывающий на своих выходах пять импульсных последовательностей одинаковой частоты, смещенных относительно друг друга на величину длительности одного импульса.During the operation of the photoplethysmograph, a sequential alternation of the same type cycles takes place, each of which takes five equal time intervals. These intervals are set by the control unit 6, which generates at its outputs five pulse sequences of the same frequency, offset from each other by the duration of one pulse.

Принцип работы фотоплетизмографа основан на временном разделении сигналов фотоприемника при работе с двумя источниками света, излучающими неперекрывающиеся импульсы светового потока. Подавление помех, обусловленных внешними световыми засветами, наводками и внутренними флуктуациями, осуществляется методом усреднения с вычитанием компоненты, обусловленной засветкой. Частота импульсов светового потока источников света для удобства последующего детектирования сигналов фотоприемника должна Выбираться из условияThe principle of operation of the photoplethysmograph is based on the temporal separation of the signals of the photodetector when working with two light sources emitting non-overlapping pulses of the light flux. The suppression of interference caused by external light flashes, crosstalk and internal fluctuations is carried out by the method of averaging with subtraction of the component due to flare. The frequency of pulses of the light flux of light sources for the convenience of subsequent detection of photodetector signals should be selected from the condition

Бизл» fm .Beasle "fm.

где fm - верхняя частота в спектре пульсового сигнала.where fm is the upper frequency in the spectrum of the pulse signal.

В действующем макете, например. Бизл^ЗкГц.In the current layout, for example. Beasle ^ ZkHz.

В результате временного разделения й детектирования образуются два сигнала, огибающие которых являются пульсовыми сигналами. Любой из этих сигналов можно представить выражениемAs a result of the time separation of detection, two signals are formed, the envelopes of which are pulse signals. Any of these signals can be represented by the expression

U(t) = A(1 + m(tj). (1) где А -- амплитуда постоянной несущей;U (t) = A (1 + m (tj). (1) where A is the amplitude of the constant carrier;

т(г) - нормализованный пульсовой сигнал, т.е. огибающая.t (g) is the normalized pulse signal, i.e. envelope.

Для сравнительного анализа обоих пульсовых сигналов следует произвести нормализацию, для чего предлагается логарифмировать детектированные сигналы, в результате получаемFor a comparative analysis of both pulse signals, normalization should be performed, for which it is proposed to logarithm the detected signals, as a result we get

IgU (t) = IgA + lg (1 + m (t)) ~ Ig A + m (t). (2)IgU (t) = IgA + log (1 + m (t)) ~ Ig A + m (t). (2)

Последнее преобразование выполнено по известному соотношению lq(1 + Δχ) ~Δχ при малых Δ х. что имеет место в данном случае.The last transformation was performed according to the well-known relation lq (1 + Δχ) ~ Δχ for small Δ x. what is the case in this case.

Постоянная компонента lq А легко вычитается с помощью раздельной RC-цепочки, в результате остается одна переменная компонента m(t), которая является нормализованным пульсовым сигналом.The constant of the component lq A is easily subtracted using a separate RC-chain, as a result, there remains one variable of the component m (t), which is a normalized pulse signal.

Оба источника света излучают импульсы светового потока; один - в первом, другой - в третьем временном интервале. Во втором временном интервале фотоприемник принимает внешние световые засветки. Четвертый и пятый временные интервалы являются служебными для обработки сигналов.Both light sources emit pulses of light flux; one in the first, the other in the third time interval. In the second time interval, the photodetector receives external light illumination. The fourth and fifth time slots are overhead for signal processing.

Управляемые источники 1 и 7 тока при поступлении импульсов от блока 6 управления вырабатывают стабильные импульсы токов для Запитывания соответствующих источников 2 и 8 света. Световые потоки, поглощаясь биологическими тканями исследуемой области, модулируются по амплитуде и достигают фотоприемника 3. Усилитель 4 выполняет функцию предварительного усиления сигнала фотоприемника 3 и импедансного согласования с ним.Managed current sources 1 and 7, upon receipt of pulses from the control unit 6, generate stable current pulses to power the corresponding light sources 2 and 8. The light flux, absorbed by the biological tissues of the studied region, is modulated in amplitude and reaches the photodetector 3. The amplifier 4 performs the function of pre-amplifying the signal of the photodetector 3 and impedance matching with it.

Разделение усиленного сигнала фотоприемника 3 на три компоненты h, 1г и 1з осуществляется посредством ключевых элементов 9 и 16 (Ιι = сигнал от первого источника света, I2 - от второго источника света,The amplified signal of the photodetector 3 is divided into three components h, 1d and 1z by means of key elements 9 and 16 (Ιι = signal from the first light source, I2 - from the second light source,

- от внешней световой засветки).- from external light exposure).

Разделенные сигнальные компоненты h, I2 и I3 с целью усреднения подаются на соответствующие интеграторы 10 и 17, имеющие равные постоянные интегрирования. Усреднение позволяет снизить уровень флуктуаций несущей.Separated signal components h, I2 and I3 with the aim of averaging are fed to the corresponding integrators 10 and 17 having equal integration constants. Averaging reduces the level of carrier fluctuations.

' Блоки 11 вычитания осуществляют вычитание усредненной сигнальной компоненты засветки из усредненных сигналов, обусловленных работой соответственно первого 2 и второго 8 источников света. Реализация блоков 11 вычитания может быть осуществлена на основе любого дифференциального усилителя общего назначения.'Subtraction units 11 subtract the averaged signal component of the illumination from the averaged signals due to the operation of the first 2 and second 8 light sources, respectively. The implementation of the subtraction blocks 11 can be carried out on the basis of any general-purpose differential amplifier.

Блоки 12 выборки-хранения осуществляют периодическую выборку сигналов в каждом четвертом временном интервале с последующим поддержанием выбранного уровня. В результате выборочного детектирования образуется полезный сигнал с огибающей ступенчатого типа.Sample-storage units 12 periodically sample signals in every fourth time interval, followed by maintaining the selected level. As a result of selective detection, a useful signal with a step-type envelope is formed.

В пятом временном интервале производится сброс интеграторов ·10 и 17 с целью подготовки их для нового цикла работы.In the fifth time interval, the integrators 10 and 17 are reset to prepare them for a new cycle of work.

Фильтры 13 низкой частоты предназначены для сглаживания сигналов и ограничения частотного спектра сигналов, например, на уровне 30 Гц. Логарифматор и усилитель 15 переменного тока осуществляют обработку сигнала в соответствии с выражением (2), после чего он поступает на входы двухканального регистратора или интерфейс для сопряжения с ЭВМ.Low-pass filters 13 are designed to smooth the signals and limit the frequency spectrum of the signals, for example, at 30 Hz. The logarithm and the amplifier 15 of the alternating current process the signal in accordance with expression (2), after which it is fed to the inputs of a two-channel recorder or interface for interfacing with a computer.

Использование двух источников излучения и одного фотоприемника позволяет па раллельно регистрировать прошедшее и отраженное излучение с одной области биообъекта одновременно.The use of two radiation sources and one photodetector allows one to simultaneously register transmitted and reflected radiation from one area of a biological object simultaneously.

Изменения кровотска модулируют по амплитуде проходящие через ткани и отраженные назад световые потоки. Амплитудная модуляция этих потоков различна по форме и глубине, т;..к как модуляция отраженного светового потока обусловлена колебаниями наполнения подкожно расположенных небольших сосудов, а модуляция прошедшего светового потока обусловлена изменением кровенаполнения всех просвечиваемых слоев биообъекта.Changes in blood flow modulate in amplitude the light streams passing through the tissues and reflected back. The amplitude modulation of these fluxes is different in shape and depth, t; .. to how the modulation of the reflected light flux is caused by fluctuations in the filling of subcutaneous small vessels, and the modulation of the transmitted light flux is due to a change in the blood supply of all translucent layers of the bioobject.

Claims

Claim

A photoplethysmograph comprising a serially connected first current source and a light source, a photodetector and amplifier connected in series, and a recorder, characterized in that, in order to improve diagnostic accuracy while reducing examination time by ensuring simultaneous recording of the dynamics of the surface and total blood supply, into it introduced a control unit connected in series with a second controlled current source and a light source, two processing channels, each of which contains a key connected in series, an integrator, a subtraction unit, a sampling-storage unit, a filter, a logarithmator, an AC amplifier, the channel outputs are connected respectively to the first and second inputs of a recorder made two-channel, additional key and an integrator connected in series, the output of which is connected to the second the inputs of the subtraction blocks, the output of the amplifier is connected to the first inputs of the keys of the first and second channels and the first input of the additional key, the first output of the control unit is connected the input of the first controlled current source and the second key input of the first channel, the second output with the second input of the additional key, the third output with the input of the second controlled current source and the second key input of the second channel, the fourth output with the second inputs of the integrators of the first and second channels and the second the input of the additional integrator, the fifth output - with the second inputs of the sample-storage units.