ПУЛЬСОВЫЙ ОКСИМЕТР
PULSE OXIMETER

Устройство относится к медицинской технике и, более конкретно, к устройствам акустического и визуального оповещения о возможном наступлении гипоксии с целью принятия мер, позволяющих избежать наступления этого состояния.
В настоящее время известно большое количество модификаций приборов для измерения насыщения крови кислородом - оксиметров, выпускаемых промышленностью серийно. Известно также много патентов, описывающих, в основном, конструктивные особенности оксиметров. Например, патенты США 5035243; 5249576; 5069213; 4621643. Принцип оценки коэффициента сатурации, реализуемый в этих устройствах, состоит в измерении поглощения артериальной и венозной кровью света в красном и инфракрасном диапазонах, вычислении коэффициента насыщения и сопоставлении измеренного коэффициента с некоторым порогом. Если измеренное значение ниже порога, то считается, что наступила гипоксия. Однако при гипоксии человек находится в бессознательном состоянии и самостоятельно повлиять на выход из этого состояния не может. Поэтому целесообразным является прогнозирование возможного наступления гипоксии с формированием предупредительного акустического и визуального сигнала. Такая задача встречается в процессе выполнения физических нагрузок у подводников, спортсменов и т.д., когда человек по самочувствию не ощущает приближающейся гипоксии. Получив сигнал, предупреждающий о возможной близости гипоксии, человек может снизить физическую нагрузку и выполнить ряд мер, рекомендованных медицинскими специалистами, например, попытаться успокоиться и сделать несколько глубоких вдохов. В результате выполнения такой простой процедуры насыщение крови кислородом увеличится, и опасность наступления гипоксии уменьшится.
Известен «Пульсовой оксиметр» (заявка на изобретение РФ №2003118781), содержащий источники излучения в красном и инфракрасном диапазонах, фотоприемник, два источника тока, преобразователь ток-напряжение, преобразователь напряжения с логарифмической характеристикой, два синхронных детектора, два фильтра верхних частот, усилители напряжения переменного тока, два синхронных детектора, блок вычислителя, индикатор, формирователь сигналов управления, устройство выборки и хранения. Устройство предназначено для измерения насыщенности крови кислородом.
Также известен «Пульсовой оксиметр» (Патент РФ №2332165), содержащий источники излучения в красном и инфракрасном диапазонах, два генератора импульсов, фотоприемник, преобразователи ток-напряжение, два устройства выборки и хранения, два усилителя напряжения, два фильтра низких частот, два фильтра высоких частот, блок управления, два генератора импульсов засветки, блок индикации, два коммутатора, определитель наличия или отсутствия датчика на пальце пациента, два сумматора и автономный источник питания. Устройство предназначено для измерения насыщения крови кислородом.
Наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является «Пульсовой оксиметр» (Патент РФ №2259161), содержащий блок красного излучателя, блок инфракрасного излучателя, блок фотоприемника, формирователь импульсов, три синхронных детектора, два вычитателя, блок вычислителя и индикации.
К недостаткам указанных устройств можно отнести отсутствие возможности информирования о тенденции снижения уровня насыщения крови кислородом, что может привести к гипоксии.
В основу заявляемого технического решения положена задача создания устройства, формирующего два сигнала оповещения, первый из которых предварительный, формируемый при возможном наступлении гипоксии, а второй - основной, формируемый при уже наступившей гипоксии и служащий для привлечения сторонней помощи.
Поставленная задача решается тем, что пульсовый оксиметр, содержащий блок красного излучателя, блок инфракрасного излучателя, фотоприемник, оптически соединенный с блоками красного и инфракрасного излучателей, блок синхронизации, соответствующими выходами соединенный с блоками красного и инфракрасного излучателей и блоком вычислителя, и блок индикации, согласно изобретению, дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство и два узла сравнения, а блок индикации включает в себя устройство оповещения, при этом аналого-цифровой преобразователь соответствующими входами соединен с фотоприемником и блоком синхронизации, а выходом - с одним из входов оперативного запоминающего устройства, другой вход которого соединен с соответствующим выходом блока синхронизации, а выходы оперативного запоминающего устройства подключены к соответствующим входам блока вычислителя, к выходу которого подключены блок индикации с устройством оповещения и два узла сравнения, каждый из которых выходом соединен с блоком индикации, а вторым входом - с постоянным запоминающим устройством.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого пульсового оксиметра, на фиг.2 изображены измеряемые параметры регистрируемой пульсовой волны (Ua и Uc - переменная и постоянная составляющие, соответственно, Un - шум, вызванный внешней засветкой) и на фиг.3 калибровочная кривая для расчета коэффициента насыщения крови кислородом.
1
2
1
2
Пульсовый оксиметр содержит блоки красного 1 и инфракрасного 2 излучателей, излучение которых, проходя через ткани пациента, попадает на фотоприемник 3. Выходом фотоприемник 3 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4, а выход АЦП 4 соединен с одним из входов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 5. Выходы ОЗУ 5 подключены к соответствующим входам блока вычислителя 6, а вторым входом ОЗУ 5 соединен с одним из выходов блока синхронизации 7, остальные выходы которого подключены к соответствующим входам блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей, АЦП 4, и блока вычислителя 6. Выход блока вычислителя 6 соединен с одним из входов каждого из узлов сравнения 8 и 8, другие входы которых соединены с соответствующими выходами постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 9, и с одним из входов блока индикации 10. Два других входа блока индикации 10, который включает в себя и устройство оповещения, соединены, соответственно, с выходами узлов сравнения 8 и 8.
Пульсовый оксиметр работает следующим образом.
Блок синхронизации 7 содержит генератор тактовых импульсов, который формирует несколько импульсных последовательностей, запускающих отдельные узлы. Импульс включения блока красного излучателя 1 поступает с выхода блока синхронизации 7. И блок инфракрасного излучателя 2 запускается импульсом с выхода блока синхронизации 7, но с задержкой по времени относительно импульса запуска блока красного излучателя 1. Свет от блоков излучателей, проходя через ткани пациента, вызывает изменение уровня сигнала на выходе фотоприемника 3. Разновременное кратковременное включение блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей света обеспечивает раздельное измерение поглощения света тканями пациента на разных длинах волн, по которым далее производится вычисление коэффициента насыщения крови кислородом.
АЦП 4 запускается импульсом с выхода блока синхронизации 7 с необходимой для исключения влияния переходных процессов задержкой относительно импульсов запуска блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей. После завершения аналого-цифрового преобразования цифровые отсчеты сигналов с выхода фотоприемника 3 при работе блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей записываются в соответствующие области памяти ОЗУ 5. В другую область памяти ОЗУ 5 записывается оцифрованный отсчет сигнала фоновой засветки при выключенных блоках 1 и 2. Это необходимо для устранения влияния внешней засветки фотоприемника 3 путем вычитания в блоке вычислителя 6 отсчетов фоновой засветки из отсчетов при работе блоков 1 и 2. Измерения каждого из сигналов производятся многократно за время порядка 10 с. Это необходимо для устойчивого выделения пульсовой волны. Импульсы запуска АЦП 4 с выхода блока синхронизации 7 поступают с частотой, необходимой для получения заданной точности определения параметров пульсовой волны.
i
i
i
ARi
CRi
IRi
CIRi
ARi
AIRi
CRi
CIRi
После ряда измерений сигнала с фотоприемника 3 и записи их в соответствующие области ОЗУ 5 с выхода блока синхронизации 7 в блок вычислителя 6 подается сигнал готовности. В блоке вычислителя 6 производится выделение постоянных Uc и переменных Ua составляющих сигналов с фотоприемника 3 при работе блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей с компенсацией фоновой засветки Un (фиг.2). Затем определяется значение насыщения крови кислородом S; в соответствии с калибровочной кривой S=S(R) (фиг.3), R=(U/U)(UA/U), где U - попеременная составляющая сигнала с выхода фотоприемника 3 при работе блока красного излучателя 1 и, соответственно, U - переменная составляющая при работе блока инфракрасного излучателя 2, U и U - постоянные составляющие сигналов работе блоков красного 1 и инфракрасного 2 излучателей [Калакутский Л.И. Инструментальные методы оценки состояния человека в аэрокосмических исследованиях. http://eliman.ru/Lit/Kalakutskiy_2010.doc].
1
2
i
В первом 8 и втором 8 узлах сравнения производится сравнение значения S; (где i - номер текущего определения коэффициента насыщения) со значениями Y и Z на первом и втором выходах ПЗУ 9 соответственно, где Y - порог значения насыщения крови кислородом, соответствующий кислородному голоданию, Z - порог значения насыщения крови кислородом, соответствующий критическому уровню насыщения, т.е. гипоксии.
1
2
1
i
2
Пусть гипоксия наступает достаточно медленно. Пока величина Si больше порога Y, сигналы с выходов узлов сравнения 8 и 8 не поступают, сигнал тревоги не подается. Когда величина Si станет меньше Y, сигнал с первого узла сравнения 8 поступит на вход блока индикации и оповещения 10, в котором сформируется акустический и визуальный сигнал предварительного оповещения. Если в этот момент будут приняты соответствующие меры, и содержание кислорода в крови восстановится, т.е. значение S станет больше Y, то сигнал оповещения прекратится. Если принятых мер окажется недостаточно для восстановления нормального состояния, и величина содержания кислорода Si станет меньше порога Z, то сигнал со второго узла сравнения 8 поступит в блок индикации и оповещения 10, где сформируется акустический и визуальный сигнал оповещения, отличающиеся от сигналов предварительного оповещения. Первый сигнал оповещения является предупредительным, когда насыщение крови кислородом уменьшилось до предела, при котором человек еще не потерял сознание и может выполнить компенсаторную процедуру. Второй сигнал оповещения - основной, когда гипоксия наступила. Второй сигнал предназначен для информирования окружающих лиц с целью привлечения сторонней помощи.
i
i
Индикация рассчитанного в блоке вычислителя 6 текущего значения коэффициента насыщения крови кислородом S производится в блоке 10 индикации и оповещения на основании цифрового значения S, передаваемого из блока вычислителя 6 в блок 10.
Значения Y и Z индивидуальны и зависят от особенностей организма и рода занятий пациента. Поэтому запись значений Y и Z в ПЗУ 9 производится на основании медицинских рекомендаций.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение поставленной задачи, а именно оповещение пациента о возможно приближающейся гипоксии.