УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИИ
DEVICE FOR PHOTOPLETHYSMOGRAPHY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для фотоплетизмографии отражательного типа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В US 2014/0275854 A1 описано биометрическое устройство для мониторинга, которое используется для определения частоты сердечных сокращений пользователя с использованием датчика волновых сигналов сердцебиения и датчика обнаружения движения. В некоторых вариантах реализации это устройство собирает совпадающие по времени выходные данные с датчика волновых сигналов сердцебиения и выходные данные с датчика обнаружения движения, определяет периодическую составляющую выходных данных с датчика обнаружения движения и использует периодическую составляющую выходных данных с датчика обнаружения движения для удаления соответствующей периодической составляющей из выходных данных с датчика волновых сигналов сердцебиения. Из этого результата данное устройство может определить и представить частоту сердечных сокращений пользователя.
Фотоплетизмография (ФПГ) была разработана для измерения изменений объема крови в ткани человека и для обнаружения, таким образом, импульсного сигнала сердцебиения.
Как правило, при мониторинге ФПГ используют светоизлучающие диоды (светодиоды) с длинами волны от 520 нм (зеленый) до 850 нм (инфракрасный) совместно с фотодиодом. Измерения ФПГ по типу передачи, как правило, используют диапазоны длины волны (например, 650-850 нм), которые длиннее, чем измерения отражательного типа (например, с использованием длин волны в диапазоне 520-570 нм).
Теоретически, измерение отражательной способности может быть выполнено на любой поверхности кожи. Кроме того, длина пути отражения в ткани намного короче, чем таковая у пропускания. Как в измерениях отражательной способности, так и в измерениях пропускания соотношение сигнал-шум в сердцебиении основано на величине абсорбции в крови.
Обычно, измерения пропускания в целом являются более точными измерениями по сравнению с измерениями отражательной способности. Таким образом, для измерений отражательной способности требуется меньше силы света. Для этого есть две причины:
1. Длина оптического пути через ткань с кровотоком при пропускании больше, чем при отражении, соответственно, соотношение сигнал-шум измеренного изменения крови во время сердечного импульса больше при пропускании.
2. Для измерений пропускания в основном используются более длинные волны, которые проникают глубже в кожу и меньше взаимодействуют с рассеивающими частицами в ткани.
Оптические потери при измерениях ФПГ обусловлены поглощением, отражением и рассеянием в чувствительной части датчика и в ткани человека. В частности, оптические потери возникают между системой доставки света и кожей за счет потерь на отражение, когда свет проникает из одной среды в другую, и за счет поверхностного рассеяния на кожу.
Оптические свойства кожи и морфология кожи используются для моделирования потерь, обусловленных отражательной способностью кожи. Суммарная отражательная способность при разных углах падения была смоделирована для разного содержания меланина (кожа II и III типа по шкале Фицпатрика), и результаты изображены на фиг. 1 для одиночной длины волны, составляющей 520 нм). Можно сделать вывод, что ввиду френелевских потерь на поверхности кожи при высоком угле падения (> 60°) коэффициент отражения на коже быстро увеличивается по сравнению с нормальным углом падения (0°).
Основным показателем эффективности датчиков ФПГ является так называемая модуляция, которая определена как отношение сигнала переменного тока к сигналу постоянного тока (см. фиг. 2). В настоящем документе переменный ток представляет собой сигнал, подлежащий измерению (пульсирующая фракция артериальной крови, т.е. изменение объема крови), а часть, относящаяся к постоянному току, представляет собой нежелательный фоновый сигнал. Хотя использование термина «постоянный ток» указывает на сигнал частотой 0 Гц, это фактически представляет собой низкочастотное отклонение, вызванное, например, рассеянием света, отведенным от источника к детектору без прохождения через ткань (статическое), изменение предыдущего периода, вызванное движением (динамическое), и свет, достигающий детектора, отраженный от любой ткани/материи, отличной от пульсирующей артериальной крови (например, венозной крови, жира, кости, воды, клеточных мембран и т. д.).
В настоящее время в любом датчике ФПГ часть, относящаяся к постоянному току, намного больше, чем часть, относящаяся к переменному току, поэтому минимизация постоянного тока и/или максимизация переменного тока является одной из основных проблем при разработке надежного датчика ФПГ.
Сигнал ФПГ отражает движение крови в сосудах. Качество сигнала ФПГ зависит, помимо прочего, от скорости кровотока, морфологии кожи и температуры кожи. Кроме того, оптические потери в системе определяют качество сигнала ФПГ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является решение проблем оптической эффективности устройства для фотоплетизмографии отражательного типа.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения представлено устройство для фотоплетизмографии отражательного типа, содержащее по меньшей мере один источник света, по меньшей мере один датчик света и граничный слой, причем граничный слой выполнен с возможностью контакта с кожей субъекта при измерении и содержит полость между источником света и датчиком света, при этом полость препятствует прохождению света между источником света и датчиком света через граничный слой.
Оптическая эффективность, помимо прочего, определена потерями отражения, когда свет проникает из одной среды в другую, и рассеянием на поверхности кожи.
Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что оптическая эффективность устройства для фотоплетизмографии ухудшается в результате прохождения света через границу между источником света и датчиком света без прохождения через субъект. Настоящее изобретение направлено на предотвращение такого влияния за счет обеспечения полости, блокирующей такое прохождение.
В предпочтительном варианте реализации на лицевой стороне, противоположной источнику света и датчику света, предусмотрен граничный слой, имеющий по меньшей мере один выступ вблизи полости.
Благодаря выступу или выдающейся части, которая предусмотрена на границе между – с одной стороны – устройством для фотоплетизмографии (содержащим источник света и датчик света), а с другой стороны – кожей объекта, размер полости между участками граничного слоя увеличен, при этом, кроме того, между полостью и кожей субъекта образован воздушный зазор.
В предпочтительном варианте реализации полость представляет собой удлиненное отверстие или щель, которое или которая дополнительно может быть  изогнуто или изогнута.
Настоящее изобретение не ограничено конкретными формами полости, а также не обязательно, чтобы полость полностью была окружена остальной частью граничного слоя. Сам по себе граничный слой не разделен полостью на разные части, так что обработка граничного слоя, например, в процессе производства устройства, остается простой.
В предпочтительном варианте реализации граничный слой содержит пластину из термопластика, прозрачную для света, используемого для фотоплетизмографии.
Примерами такого термопластичного материала являются полиметилметакрилат (ПММА) и поликарбонат.
В предпочтительном варианте реализации граничный слой содержит жесткий базовый слой и мягкое покрытие или наружный слой, при этом мягкое покрытие или наружный слой предназначен для контакта с кожей пациента.
Мягкое покрытие или наружный слой, нанесенный на жесткий базовый слой, обеспечивает улучшенный контакт граничного слоя с кожей, причем, кроме того, покрытие или наружный слой также могут быть использованы для дополнительного оптического соответствия между материалами устройства для фотоплетизмографии и кожи субъекта.
В предпочтительном варианте реализации граничный слой содержит или состоит из мягкого материала, предназначенного для контакта с кожей субъекта.
Примеры такого мягкого материала включают силикон (в частности, полидиметилсилоксан ПДМС), каучук и т.п.
В предпочтительном варианте реализации источник света и/или датчик света снабжены оболочкой, при этом оболочка источника света и/или оболочка датчика света взаимодействует с граничным слоем.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что указанная оболочка позволяет улучшить прочность устройства для фотоплетизмографии и может иметь положительные эффекты во время производства.
В предпочтительном варианте реализации устройство для фотоплетизмографии дополнительно содержит барьерную стенку, расположенную между источником света и датчиком света, препятствующую прохождению света между источником света и датчиком света между источником света, датчиком света и граничным слоем.
Барьерная стенка дополнительно предотвращает распространение света непосредственно от источника света к датчику света.
Следует понимать, что предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения может быть любая комбинация зависимых пунктов формулы изобретения или представленных выше вариантов реализации с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на варианты реализации, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
на фиг.1 показан смоделированный коэффициент отражения при длине волны, составляющей 520 нм, для разных углов падения и двух различных содержаний меланина,
на фиг. 2 проиллюстрировано влияние на сигнал фотоплетизмографии,
на фиг. 3а)-3е) изображены компоновки известных устройств для фотоплетизмографии,
на фиг. 4a) и 4b) изображены схематически аспекты устройства для фотоплетизмографии в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и
на фиг. 5 схематически изображено устройство для фотоплетизмографии в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан смоделированный коэффициент отражения на длине волны, составляющей 520 нм, для разных углов падения и двух различных содержаний меланина, как описано выше.
На фиг. 2 проиллюстрировано влияние на сигнал фотоплетизмографии. Под I0 обозначен падающий свет, при этом T показывает пропускаемый свет, а A показывает поглощенный свет. Текущее поглощенное количество света является результатом поглощения в пульсирующей артериальной крови Р, не пульсирующей артериальной крови N, венозной крови V и другой ткани О. Как указано выше, часть, относящаяся к постоянному току, сигнала не является строго постоянной, а часть, относящаяся к переменному току, (соответствующая поглощению пульсирующей артериальной кровью P) является сигналом, несущим информацию, используемую для фотоплетизмографии.
На фиг. 3а)-3е) изображены компоновки известных устройств 2а-2е для фотоплетизмографии.
Каждое устройство 2а-2е для фотоплетизмографии содержит основу 3, на которой расположены два светодиода 4 и фотодиод 5. Фотодиод 5 встроен в покрытие 6. Между светодиодами 4 и фотодиодом 5 предусмотрены стенки 7, соответственно.
Устройства 2a-2e для фотоплетизмографии выполнены с возможностью контакта с кожей 1 пациента для измерения показателей жизнедеятельности.
Из соображений ясности и простоты, дополнительные особенности пациента (а именно, кровеносные сосуды) и устройств 2a-2e для фотоплетизмографии на чертежах опущены. Это также относится к фиг. 4а), 4b) и 5.
На фиг. 3а) иллюстрирует случай, когда между светодиодами 4 и фотодиодом 5 предусмотрены только стенки 7 без дополнительного встраивания или оптического соответствия.
На фиг. 3b), в отличие от фиг. 3а), изображен случай, когда вокруг светодиодов 4 обеспечен эпоксидный наполнитель 8. Таким образом, эпоксидный наполнитель 8 является преимуществом при достижении надежной конструкции устройства, пригодной для производства.
Кроме того, при том, что на фиг. 3b) и фиг. 3с) явным образом это не изображено, следует отметить, что между эпоксидным наполнителем 8 и кожей пациента 1, как правило, имеется воздушный зазор.
В дополнение к наполнителю 8 вокруг светодиодов 4, в эпоксидный наполнитель 8 могут быть встроены фотодиод 5 и его покрытие 6, как изображено на фиг. 3с).
Компоновка, изображенная на фиг. 3d), отличается от изображенной на фиг. 3b) тем, что для контакта с кожей 3 пациента дополнительно предусмотрен граничный слой 9. Иными словами, между элементами устройства 2b для фотоплетизмографии, изображенного на фиг. 3b) (которые также предусмотрены в устройстве 2d для фотоплетизмографии) и кожей предусмотрен граничный слой 9.
Подобным образом, компоновки, изображенные на фиг. 3с) и 3е), отличаются добавлением граничного слоя 9.
В случае фиг. 3а)-3с), ввиду общего внутреннего отражения, обусловленного различными показателями преломления кожи и материалом между кожей и светодиодами 4 (т.е. или воздуха в случае фиг. 3а), или эпоксидного наполнителя 8 в случае фиг. 3b) и 3c)), свет теряется.
В случае фиг. 3d) и 3e), изменения показателей преломления (или по меньшей мере только уменьшенного изменения) между эпоксидным наполнителем 8 и граничным слоем 9 и/или граничным слоем 9 и кожей отсутствуют, а другие потери, вызванные внутренним отражением, уменьшены за счет граничного слоя 9.
Благодаря граничному слою 9, предусмотренному между системой доставки света (т.е. светодиодами 4) и кожей, а также между кожей и системой приема света (т.е. фотодиодом 5), потери, вызванные отражением на поверхностях, снижаются, а общая эффективность системы увеличивается.
На основании моделирования авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что оптический граничный элемент между системой доставки света и кожей повышает эффективность работы в 2 раза в компоновке, изображенной на фиг. 3d), и более чем в 4 раза в компоновке, изображенной на фиг. 3е). Рассматривая компоновку, изображенную на фиг. 3а) в качестве опорной (значение 1), относительный отклик фотодиода равен 0,7 для компоновки, изображенной на фиг. 3b), 0,6 для компоновки, изображенной на фиг. 3с), 2,0 для компоновки, изображенной на фиг. 3d) и 4,2 для компоновки, изображенной на фиг. 3e). Значение 0,7 для компоновки, изображенной на фиг. 3b), и 0,6 для компоновки, изображенной на фиг. 3с), обусловлено воздушными зазорами между эпоксидным наполнителем 8 и кожей 1 пациента.
Предполагается, что увеличение эффективности благодаря наличию оптической границы между системой доставки света и кожей обусловлено двумя аспектами:
1. Общие потери внутреннего отражения на эпоксидном наполнителе 8 предотвращены или по меньшей мере уменьшены за счет контакта эпоксидный наполнитель 8 - оптический граничный слой 9.
2. Френелевские отражения на коже (см. также фиг. 1 и 2) предотвращены или по меньшей мере уменьшены за счет контакта оптический граничный слой 9 - кожа.
Кроме того, предполагается, что увеличение эффективности благодаря наличию оптической границы между кожей и системой приема света обусловлено следующим:
1. Общие потери внутреннего отражения на коже предотвращены или по меньшей мере уменьшены за счет контакта кожа - оптический граничный слой 9.
2. Френелевские отражения на диоде (защитная пластина) предотвращены или по меньшей мере уменьшены за счет контакта оптический граничный слой 9 - диод 5/6.
Рассматривая случай, когда показатель преломления эпоксидного наполнителя 8 равен 1,41, показатель преломления воздуха между эпоксидным наполнителем 8 и кожей 1 пациента составляет 1,0, а показатель преломления кожи (и ткани) пациента составляет 1,43, потери, являющиеся результатом френелевских отражений на границе воздух/оболочка и от общего внутреннего отражения на границе эпоксидный наполнитель 8/воздух. В случае, когда промежуточный слой 9 имеет по существу такой же показатель преломления, что и эпоксидный наполнитель (т.е. 1,41), но воздушный зазор отсутствует, потери являются результатом только френелевских отражений на границе между промежуточным слоем 9 и кожей, тогда как общее внутреннее отражение по существу отсутствует. Если было также обнаружено, что потери, которые в целом возникают в результате френелевских отражений на границе воздух/кожа, выше потерь, возникающих в результате френелевских отражений на границе между граничным слоем 9 и кожей.
На фиг. 4а) и 4b) схематически изображены аспекты устройства для фотоплетизмографии в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
В варианте реализации, изображенном на фиг. 4a) и 4b), предусмотрено оптическое ФПГ устройство 10 для измерения показателей жизнедеятельности, содержащее два источника света в виде светодиодов 4 и один фотодиод 5 с оптическим граничным слоем 11 между устройством и кожей, причем граничный слой 11 имеет полости 12 между источниками 4 света и фотодиодом 5 для предотвращения потерь отражения между фотодиодом 5 и кожей, а также для предотвращения возможного достижения светом от источников света 4 фотодиода 5 непосредственно через граничный слой 11 (не проходя через пациента 3). Материал граничного слоя 11 представляет собой твердую (термо)пластичную пластину (например, из поликарбоната или ПММА). Пластина 11 также может быть покрыта (не показано) мягким материалом со стороны кожи для дополнительного улучшения оптического взаимодействия. В качестве альтернативы, граничный слой может быть выполнен из мягкого материала, такого как ПДМС или подходящий каучук.
Основная конструкция устройства 10 для фотоплетизмографии соответствует показанной на фиг. 3d). Однако граничный слой 11 не является непрерывным, как граничный слой 9, а содержит полости 12 (удлиненные и изогнутые отверстия, как изображено на фиг. 4b)), которые предусмотрены для предотвращения прохождения света внутри граничного слоя 11 от области между светодиодами 4 и кожей к области между кожей и фотодиодом 5, где в противном случае такой свет, минуя прохождение через ткань, имел бы пагубные последствия, заключающиеся в уменьшении соотношения сигнал-шум или соотношения переменный ток-постоянный ток (см. фиг. 2).
На фиг. 4b изображен пример такого граничного слоя 11, в котором также показаны относительные положения светодиодов 4 и фотодиода 5 относительно выемок или отверстий 12.
На фиг. 5 схематически изображено устройство для фотоплетизмографии в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения.
Как в случае фиг. 4а) и фиг. 3d), также и в этом случае, основная конструкция устройства 20 для фотоплетизмографии соответствует показанной на фиг. 3е). Опять же, как и в вышеупомянутом варианте реализации, граничный слой 21 не является непрерывным и содержит полости 22, которые предусмотрены для предотвращения распространения света внутри граничного слоя 21 от области между светодиодами 4 и кожей к области между кожей и фотодиодом 5, где, в противном случае, такой свет, минуя прохождение через ткань, имел бы пагубные последствия, заключающиеся в уменьшения соотношения сигнал-шум или соотношения переменный ток-постоянный ток (см. фиг. 2).
В дополнение к ситуации, уже описанной в отношении вышеописанного варианта реализации, полости 22 закрыты стойкой или выступом 23 с каждой стороны полости 22, создавая таким образом увеличенный воздушный зазор на коже между системой доставки света и системой приема света.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было изображено и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание следует рассматривать в качестве иллюстрации или примера, а не в качестве ограничения; при этом настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами реализации.
Другие вариации раскрытых вариантов реализации могут быть поняты и осуществлены специалистом в данной области техники при реализации заявленного изобретения на практике после ознакомления с чертежами, описанием и прилагаемой формулой изобретения.
В пунктах формулы изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а грамматические показатели единственного числа не исключают множественное число.
Одно устройство или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, указанных в пунктах формулы изобретения. Сам по себе тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть с успехом использована.
Все ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения объема.