Устройство для акселерационной фотоплетизмографии

Устройство относится к диагностической медицинской технике, а именно к устройствам регистрации биосигналов пульсовой волны на основе применения метода фотоплетизмографии. Данное устройство может найти применение в кардиологических системах диагностики пациентов для измерения частоты сердечных сокращений, оценки функционального состояния периферических артериальных сосудов, в том числе показателя эластичности артериальных сосудов.
Регистрация и обработка биосигналов пульсовой волны находит широкое применение в инструментальных системах кардиологической диагностики для мониторинга частоты сердечных сокращений и неинвазивного исследования гемодинамических процессов в артериальном русле человека. Одним из наиболее клинически эффективных и универсальных методов регистрации пульсовой волны является фотоплетизмография. Эволюционным развитием метода фотоплетизмографии является акселерационная фотоплетизмография, позволяющая помимо измерения частоты сердечных сокращений, оценивать функциональное состояние артериальных сосудов на основе выполнения операции двойного дифференцирования регистрируемого сигнала пульсовой волны.
Известно устройство для фотоплетизмографии (фотоплетизмограф) (Патент RU 2354290, А61В 5/0295, А61В 5/1455 опубликовано 10.05.2009), включающее генератор импульсов, источник света, синхронный селективный усилитель, фильтр нижних частот, фотоприемник, синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов.
Недостатком известного устройства является невозможность оценки функционального состояния периферических артериальных сосудов в силу отсутствия специализированных блоков обработки сигнала пульсовой волны.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для регистрации артериальной пульсации крови (Патент RU 2536282, А61В 5/0295, А61В 5/1455 опубликовано 20.12.2014), включающее генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок вычитания, адаптивный фильтр, акселерометр.
Недостатком известного устройства является отсутствие функциональных возможностей по диагностике состояния периферических артериальных сосудов человека, что приводит к снижению эффективности использования устройства в кардиологической диагностике.
В основу полезной модели поставлена задача - разработать устройство для регистрации пульсовых волн, позволяющее проводить непосредственную оценку функционального состояния периферических артериальных сосудов, в том числе показателя эластичности артериальных сосудов на основе метода акселерационной фотоплетизмографии.
Техническим результатом разработки является повышение эффективности диагностики состояния артериальных сосудов человека и расширение функциональных возможностей устройств регистрации биосигналов пульсовых волн.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройство для акселерационной фотоплетизмографии, содержащее генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, синхронный демодулятор, усилитель переменного напряжения, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, согласно полезной модели, в устройство дополнительно введены, блок двойного дифференцирования, детектор максимума, детектор минимума, блок деления, причем выход микро-контроллера подключен ко входу блока двойного дифференцирования, а выход блока дифференцирования подключен ко входу детектора максимума и одновременно ко входу детектора минимума, выход детектора максимума подключен к первому входу блока деления, выход детектора минимума подключен ко второму входу блока деления.
Благодаря описанным выше изменениям и дополнениям становится возможным реализовать алгоритм определения показателя функционального состояния артериальных сосудов человека на основе вычисления отношения первого минимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы к первому максимуму сигнала акселерационной фотоплетизмограммы. В исследованиях было показано, что данное отношение может быть использовано для определения функционального состояния артериальных сосудов человека, в том числе показателя эластичности артериальных сосудов, и имеет высокую корреляцию с возрастным трендом изменения состояния артериальных сосудов человека (статья: Kenji Takazawa et al. Assessment of Vasoactive Agents and Vascular Aging by the Second Derivative of Photoplethysmogram Waveform // Hypertension. - 1998. - Vol. 32. - P. 365-370).
Полезная модель поясняется чертежами, где на чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства для акселерационной фотоплетизмографии.
Устройство для акселерационной фотоплетизмографии содержит следующие блоки: генератор импульсов 1, источник света 2 и фотоприемник 3, выполненные в виде фотоплетизмографического датчика зажимного типа 4, располагающегося на ногтевой фаланге пальца руки обследуемого, преобразователь ток/напряжение 5, усилитель переменного напряжения 6, синхронный демодулятор 7, полосовой фильтр 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микроконтроллер 10, блок двойного дифференцирования 11, детектор максимума 12, детектор минимума 13, блок деления 14.
В схеме источник света 2 управляется импульсами тока, формируемыми в генераторе импульсов 1, излучение с источника света 2 попадает на участок биологической ткани, содержащей артериальный сосуд. Излучение, прошедшее сквозь биологические ткани, поступает на фотоприемник 3, выход фотоприемника 3 подключен к входу преобразователя ток-напряжение 5, выход преобразователя ток-напряжение 5 подключен к входу усилителя переменного напряжения 6, выход усилителя переменного напряжения 6 подключен к входу синхронного демодулятора 7, выход синхронного демодулятора 7 подключен ко входу полосового фильтра 8, выход полосового фильтра 8 подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 9, выход аналого-цифрового преобразователя 9 подключен к входу микроконтроллера 10, выход микроконтроллера 10 подключен к входу блока двойного дифференцирования 11, выход блока двойного дифференцирования 11 подключен ко входу детектора максимума 12 и одновременно ко входу детектора минимума 13, выход детектора максимума 12 подключен к первому входу блока деления 14, выход детектора минимума 13 подключен ко второму входу блока деления 14.
Устройство работает следующим образом.
Источник света 2 управляется прямоугольными импульсами тока, формируемыми в генераторе импульсов 1, излучение с источника света 2 попадает на участок биологической ткани, содержащей артериальный сосуд. Прошедшее сквозь биологические ткани излучение поступает на фотоприемник 3. Фотоприемник 3 преобразует ослабленное биологическими тканями излучение в фототок, который далее преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток/напряжение 5, полученное напряжение поступает на усилитель переменного напряжения 6, с выхода которого усиленный сигнал поступает на вход синхронного демодулятора 7, где происходит выделение огибающей сигнала пульсовой волны, с выхода синхронного демодулятора 7 сигнал поступает на полосовой фильтр 8 для выделения переменной составляющей артериальной пульсации крови, а также для фильтрации присутствующих шумов и помех. Затем переменный сигнал пульсовой волны поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9, где происходит квантование  и дискретизация регистрируемого биосигнала. Данные с выхода аналого-цифрового преобразователя 9 поступают на микроконтроллер 10, далее отсчеты регистрируемого биосигнала пульсовой волны поступают с выхода микронтроллера на вход блока двойного дифференцирования 11, где вычисляется вторая производная сигнала пульсовой волны для формирования сигнала акселерационной фотоплетизмограммы. Отсчеты сигнала акселерационной фотоплетизмограммы с выхода блока двойного дифференцирования И поступают одновременно на входы детектора максимума 12 и детектора минимума 13, где происходит выделение первого максимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы и первого минимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы, соответственно. Значение амплитуды первого максимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы с выхода детектора максимума 12 поступает на первый вход блока деления 14, значение амплитуды первого минимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы с выхода детектора минимума 13 поступает на второй вход блока деления 14. В блоке деления 14 происходит вычисление отношения значения амплитуды первого минимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы к значению амплитуды первого максимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы.
Данное отношение амплитуд является показателем функционального состояния артериальных сосудов человека и может быть использовано для не-инвазивной оценки показателя эластичности артериальных сосудов человека, а также для оценки биологического возраста артериальной системы человека (статья: Kenji Takazawa et al. Assessment of Vasoactive Agents and Vascular Aging by the Second Derivative of Photoplethysmogram Waveform // Hypertension. - 1998. - Vol. 32. - P. 365-370).
Введение новых элементов (блок двойного дифференцирования, детектор максимума, детектор минимума, блок деления) и их взаимосвязь позволяют определить показатель функционального состояния артериальных сосудов человека и осуществлять неинвазивную оценку показателя эластичности  артериальных сосудов на основе вычисления отношения амплитуды первого минимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы к амплитуде первого максимума сигнала акселерационной фотоплетизмограммы.