УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МУТНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области оптических измерений и может быть использовано для определения концентраций компонент мутных сред, в том числе компонент крови в живых организмах.
Известно устройство для определения концентраций компонентов мутных сред, содержащее блок излучения, оптически связанный через исследуемую среду с блоком регистрации излучении, подключенным к блоку обработки сигналов и отображения информации /1/.
Это устройство позволяет со значительной погрешностью определять соотношение концентраций оксигемоглобина и дизоксигемоглобина неинвазивным способом (без повреждения кожных покровов). Низкая точность обусловлена тем, что исследуемая среда - мутная среда, поэтому регистрируемое излучение проходит в этой среде разные оптические пути и в результате этого определяемое соотношение искомых концентраций компонент крови не является линейной функцией от среднего оптического пути. А поэтому для разных участков тела (а тем более для разных пациентов), где проводятся исследования результаты существенно отличаются.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для определения концентраций компонентов пульсирующих мутных сред, преимущественно
компонентов крови, содержащее блок излучения, блок регистрации излучения, подключенный к блоку управления и обработки сигналов, связанный с блоком излучения, который оптически связан через исследуемую пульсирующую мутную среду с блоком регистрации излучения /2/.
Недостатком известного устройства является сложность в его реализации, так как необходимо создать спектрофотометр с высоким спектральным разрешением в широком спектральном диапазоне (в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра), чтобы обеспечить точный подбор спектральных пар. При этом спектрофотометр оказывается достаточно дорогим и габаритным.
Полезная модель решает задачу регистрации концентраций компонентов мутных сред.
Сущность полезной модели заключается в автоматизации технологии определения концентраций компонент мутных сред без внедрения в исследуемую среду.
Технический результат от использования полезной модели заключается в неинвазивном определении концентраций компонент крови, например, глюкозы и гемоглобина.
Устройство для определения концентраций компонентов мутной среды, преимущественно крови, поясняется фиг.1, 2.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для определения концентраций компонентов пульсирующей мутной среды.
На фиг.2 представлено упрощенное конструктивное исполнение основных узлов устройства.
Устройство содержит блок излучения 1, блок регистрации излучения 2, подключенный к блоку 3 управления, обработки сигналов и отображения результатов, связанный с блоком излучения 1. Блок излучения 1 оптически связан с блоком 2 регистрации излучения через исследуемую мутную среду 4. Устройство также содержит анализатор излучения 5 и блок 6 формирования линейной поляризации с вращением плоскости
поляризации, оптически связанный с выходом блока 1 излучения и через исследуемую мутную среду 4, анализатор 5 - с входом блока 2 регистрации излучения. Устройство также содержит блок 7 формирования пульсаций, имеющим механическую связь с исследуемой мутной средой 4 и электрически подключенный к блоку 3 управления, обработки сигналов и отображения результатов.
Блок излучения 1 может быть выполнен в виде набора светодиодов (11, 12, 13), работающих на разных длинах волн (диапазон спектра излучения набора светодиодов может, например, быть от 0,58 до 0,95 мкм, диапазон может и более широким).
В состав блока 2 регистрации излучения может входить фотоприемник 21, выполненный на основе фотодиода, электронные защелки (схемы выборки хранения) 22, 23, 24, усилители сигналов 25, 26, 27. При этом фотоприемник 21 оптически связан через анализатор 5 с исследуемой средой 4. Выход фотоприемника 21 электрически подключен к электронным защелкам 22, 23, 24, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам блока 3. Выходы защелок 22, 23, 24 подключены через усилители 23, 24, 25 к соответствующим входам блока 3.
Блок 3 управления, обработки сигналов и отображения результатов может быть, например, выполнен на микроконтроллере MSP430P325, (имеет в своем составе 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с коммутатором сигналов на входе), подключенный соответствующими входами-выходами к персональному компьютеру.
Блок 6 формирования линейной поляризации с вращением плоскости поляризации может содержать поляризатор излучения 61 и узел 62 вращения плоскости поляризации, выполненный, например, на жидком кристалле, электроды которого подключены через цифро-аналоговый преобразователь 63 к соответствующим выходам блока 3. Поляризатор излучения 61 оптически связан с выходом блока излучения 1 и через узел 62 - с анализатором излучения 5.
Блок 7 формирования пульсаций имеет разное исполнение. Например, в виде электрического звонка или микродвигателя постоянного тока, на оси которого закреплен грузик, центр тяжести которого смещен относительно оси двигателя. При этом корпус двигателя имеет механическую связь (связь по вибросигналу) с исследуемым участком тела. Клеммы питания двигатели электрически связаны с соответствующими выходами блока 3.
На фиг.2 представлено упрощенное конструктивное исполнение основных узлов устройства. 8, 9 - корпуса устройства (показаны частично). В корпусе 8 установлен блок 1 излучения, оптически связанный через поляризатор излучения 61, узел 62 для вращения плоскости поляризации, выходное окошко 14 (окошко может быть выполнено в виде оптически прозрачного цилиндра диаметром от 1 до 5 мм (может быть и больше), толщиной от 1 до 5 мм), исследуемую пульсирующую мутною среду 4 (мочка уха), входное окошко 15 (может быть выполнено в виде оптически прозрачного цилиндра диаметром от 1 до 5 мм (может быть и больше), толщиной от 1 до 5 мм), анализатор излучения 5 с блоком 2 регистрации излучения. Остальные блоки на фиг.2 не показаны. При установке на исследуемом объекте 4 (мочке уха) корпусов 8, 9 конструкция крепления этих корпусов должна обеспечивать совпадение оптических осей узлов 1, 61, 62 и узлов 5, 9. Конструкция крепления корпусов 8, 9 не показана, поскольку она выполняется известными техническими решениями (например, по принципу бельевой прищепки, когда к одной половине прищепки прикрепляется корпус 8, а к другой - корпус 9, а пружина прищепки обеспечивает формирование локальной деформации исследуемого объекта). В дополнительном корпусе 16 по необходимости может устанавливаться блок формирования пульсаций 7.
Устройство работает следующим образом.
На исследуемом объекте 4 (мочке уха) устанавливают корпуса 8, 9. При этом окошки 10, 11 слегка вдавливаются в исследуемый объект 4, создавая локальную деформацию. С
блока 3 управления, обработки сигналов и отображения результатов на элементы излучения 11, 12, 13 (светодиоды) блока излучения 1 поочередно подаются импульсы подсвета. При поступлении импульса подсвета на оптическом выходе соответствующего элемента (11, 12, 13) формируется излучение. Это излучение проходит поляризатор 61 блока 6 формирования линейной поляризации с вращением плоскости поляризации и становится линейно-поляризованным. С блока 3 на цифро-аналоговый преобразователь 63 подаются меняющиеся во времени с постоянным периодом цифровые коды (цифровые эквиваленты текущего значения синусоидального сигнала), по которым на его выходе формируется синусоидальный сигнал с постоянной амплитудой и периодом (этот период значительно меньше (на два три порядка) периода следования импульсов подсвета). При этом плоскость поляризации линейно-поляризованного излучения, поступающего с поляризатора 61, на выходе узла 62 начинает вращаться (поворачиваться) вокруг вектора направления распространения излучения. Излучение проходит исследуемую пульсирующую мутную среду 4, частично деполяризуется, проходит анализатор 5 и поступает на оптический вход фотоприемника 21 блока регистрации излучения 2. Следует отметить, что интенсивность поляризованной составляющей излучения на входе фотоприемника 21 (ее доля во всем излучении составляет не более 0,01%, для случая, когда в качестве исследуемого объекта используется мочка уха) в соответствии с законом Малюса оказывается пропорциональным квадрату косинуса угла между главным сечением анализатора 5 и угловым положением плоскости поляризации излучения, поступающего на анализатор 5. При этом на выходе фотоприемника 21 формируется электрический сигнал, соответствующий поляризованной составляющей излучения, в виде суммы последовательностей импульсов (число последовательностей равно числу элементов излучения блока излучения 1), длительность которых соответствует длительности импульса подсвета, а огибающая амплитуды каждой последовательности импульсов повторяет форму синусоидального сигнала, частота которого равна
sλi
удвоенному значению частоты синусоидального сигнала, управляющего работой узла 62 (в соответствии с законом Малюса), а амплитуды синусоид пропорциональны интенсивности излучения соответствующего элемента (11, 12, 13) блока излучения 1 и описываются для моментов пульсаций (I) и промежутков между пульсациями выражениями (1), (2):
λi
0λi
jλi
sj
где τ - коэффициент пропускания оболочки исследуемой среды (кожи) на длине волны λi, I - интенсивность излучения на длине волны λi, падающего на исследуемую среду, E - удельный спектральный показатель поглощения j-ой компоненты среды на длине волны λi, X - длина оптического пути поляризованной составляющей излучения, соответствующего прохождению j - компоненты среды при пульсации.
dλi
Регистрируют между пульсациями среды (для диастолической волны: при пониженном давлении крови) интенсивность излучения I, на разных длинах волн (λi).
dj
где X - длина оптического пути поляризованной составляющей излучения, соответствующего прохождению j - компоненты среды между пульсациями.
Из блока 3 на защелки 22, 23, 24 поступают управляющие сигналы, по которым в них запоминается уровень выходного сигнала фотоприемника 21. При этом, когда светится элемент 11, сигнал с выхода фотоприемника 21 запоминается в защелке 22, когда светится элемент 12, сигнал с выхода фотоприемника 21 запоминается в защелке 23, а когда светится элемент 13, то сигнал с выхода фотоприемника 21 запоминается в защелке 24. С выходов защелок сигналы проходят через узкополосные усилители 25, 26, 27, максимальный коэффициент усиления которых обеспечивается на частоте, равной
удвоенному значению частоты сигнала, управляющего работой узла 62 (т.е. на частоте, соответствующей частоте полезного сигнала). При этом с выхода усилителей 25, 26, 27 на соответствующие входы блока 3 подаются синусоидальные сигналы, амплитуды которых описываются выражениями (пропорциональны интенсивности I) (1), (2). В блоке 3 сигналы преобразуются в эквивалентные цифровые коды, подвергаются дополнительной цифровой фильтрации, выделяются фрагменты, соответствующие моментам пульсации (выражение (1)) и промежуткам между пульсациями (выражение (2)), а затем в соответствии с выражениями (3), (4), (5) определяют концентрации компонент среды (кроме глюкозы):
λi
dλi
sλi
j
sj
dj
где D=lg(I/I) - оптическая плотность пульсирующей составляющей среды на длине волны λi, ΔX=X-Х
1
2
j
n
Из решения системы, составленной из уравнений вида (3), определяем значения ΔX, ΔХ, ... ΔX, ... ΔХ, соответствующие компонентам 1...j...n исследуемой среды.
Обозначим через
j
Тогда концентрацию, C, j - компоненты среды (кроме глюкозы) можно определить как:
В данном случае концентрации компонент среды рассматриваются как безразмерные величины (доля в объеме среды).
Для одной длины волны (например, 619 нм, работа, например, элемента 11 блока излучения 1) определяют относительно моментов времени, соответствующих переходу через ноль сигнала, управляющего работой узла 62, фазовые сдвиги сигнала с выхода
усилителя 25. Для моментов времени, соответствующих пульсации, это - , а для моментов времени, соответствующих промежутку между пульсациями, это - β.
гл
Концентрацию глюкозы С определяют как:
,
ПЛ
где К - коэффициент пропорциональности, ΔX - изменение длины оптического пути поляризованной составляющей излучения, приходящегося на плазму крови (вызвано пульсацией), определяемое из решения системы уравнений (3).
Для повышения точности определения концентраций компонентов исследуемой среды используется блок формирования пульсаций 7, который обеспечивает более высокую амплитуду пульсации.
Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность заявляемого устройства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент TW 453862 В, 11.09.2001
2. Патент RU 2298396