ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ С АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
PHOTOPLETHYSMOGRAPH WITH ADAPTIVE CORRECTION OF CONSTANT COMPONENT

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам регистрации сигнала периферической артериальной пульсации крови на основе применения методов фотоплетизмографии. Данное устройство может найти применение в кардиологических системах диагностики пациентов для мониторинга частоты сердечных сокращений, оценки состояния периферических артериальных сосудов.
Известно устройство для фотоплетизмографии, включающее последовательно соединенные генератор импульсов, амплитудный модулятор и источник света, и последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель, выпрямитель, фильтр низких частот и полосовой усилитель, а также блок автоматической регулировки интенсивности излучения, последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, компаратор и формирователь импульсов (Патент RU 2032376, МПК А61В 5/0295, опубликовано 10.04.1995).
Недостатком известного устройства является его недостаточное быстродействие устранения постоянной составляющей артериальной пульсации крови в силу высокой инерционности используемого для этой цели фильтра верхних частот, являющегося составной частью полосового усилителя. Учитывая низкочастотную природу артериальной пульсации крови для неискаженной регистрации биосигнала частота среза фильтра верхних частот выбирается небольшой, что приводит к значительной длительности переходного процесса, возникающего в фильтре верхних частот при резком изменении биосигнала.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для фотоплетизмографии (Патент RU 2354290, А61В 5/0295, опубликовано 10.05.2009), включающее генератор импульсов, источник света, синхронный селективный усилитель, фильтр нижних частот, фотоприемник, дополнительно фотоплетизмограф содержит синхронный демодулятор, полосовой фильтр, управляемый преобразователь напряжение/ток и распределитель импульсов.
Недостатком известного устройства также является его высокая инерционность коррекции постоянной составляющей артериальном пульсации крови из-за наличия фильтра верхних частот, являющегося составной частью полосового фильтра.
Принципиальное устранение указанных недостатков возможно только за счет полного отказа от использования фильтров верхних частот для устранения постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови.
В основу изобретения поставлена задача - увеличить быстродействие коррекции постоянной составляющей в фотоплетизмографе, регистрирующем сигнал артериальной пульсации крови.
Поставленная задача решается за счет того, что в фотоплетизмограф, содержащий генератор импульсов, источник света, фотоприемник, преобразователь ток/напряжение, усилитель переменного напряжения, синхронный демодулятор, согласно изобретению, в устройство дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, причем выход синхронного демодулятора подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу цифро-аналогового преобразователя.
Заявленное техническое решение соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость», так как отсутствует источник информации, в котором было бы описано техническое решение, содержащее отличительные признаки заявляемого технического решения и заявляемый фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей реализуется с использованием известных в технике элементов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлена схема предлагаемого фотоплетизмографа с адаптивной коррекцией постоянной составляющей.
Фотоплетизмограф с адаптивной коррекцией постоянной составляющей содержит следующие блоки: генератор импульсов 1, источник света 2, фотоприемник 3, преобразователь ток/напряжение 4, усилитель переменного напряжения 5, синхронный демодулятор 6, цифро-аналоговый преобразователь 7, дифференциальный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микроконтроллер 10. Источник света 2 и фотоприемник 3 конструктивно выполнены в виде единого фотоплетизмографического датчика зажимного типа 11, располагающегося на ногтевой фаланге пальца руки обследуемого.
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 4, выход преобразователя ток-напряжение 4 подключен к входу усилителя переменного напряжения 5, выход усилителя переменного напряжения 5 подключен к входу синхронного детектора 6, выход синхронного детектора 6 подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 8 и ко второму входу аналого-цифрового преобразователя 9, выход цифро-аналогового преобразователя 7 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 8, выход дифференциального усилителя 8 подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя 9, выход аналого-цифрового преобразователя 9 подключен к входу микроконтроллера 10, выход микроконтроллера 10 подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 7.
Устройство работает следующим образом.
Источник света 2 управляется 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 4, полученное напряжение поступает на усилитель переменного напряжения 5, с выхода которого усиленный сигнал поступает на синхронный демодулятор 6 для выделения огибающей сигнала, содержащую постоянную составляющую и переменную составляющую артериальной пульсации крови.
Сигнал с выхода синхронного демодулятора 6 поступает на неивертирующий вход дифференциального усилителя 8 и на второй вход аналого-цифрового преобразователя 9, где происходит квантование и дискретизация сигнала. Сигнал с выхода цифро-аналогового преобразователя 7 поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 8. На выходе дифференциального усилителя 8 формируется разностный сигнал между сигналом на неинвертирующем входе - сумма постоянной составляющей и переменной составляющей, и сигналом на инвертирующем входе усилителя - оценка постоянной составляющей, выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя 7, получаемый в результате функционирования адаптивного алгоритма в микроконтроллере 10. Выходной сигнал дифференциального усилителя 8 является переменным сигналом артериальной пульсации крови и поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 8, где происходит квантование и дискретизация биосигнала артериальной пульсации крови.
Данные с выхода аналого-цифрового преобразователя 9 поступают на вход микроконтроллера 10, где формируются два числовых массива: первый массив представляет собой дискретизированные отсчеты сигнала поступившего с выхода синхронного детектора 6, являющегося аддитивной комбинацией постоянной составляющей и переменной составляющей; второй массив представляет дискретизированные отсчеты переменного сигнала артериальной пульсации крови, поступившего с выхода дифференциального усилителя 8. Микроконтроллер 10 по встроенной программе оценивает постоянную составляющую сигнала как среднеарифметическое значение дискретизированных отсчетов первого числового массива, являющихся выходным сигналом синхронного детектора 6 (аддитивная комбинация постоянной составляющей и переменной составляющей сигнала артериальной пульсации крови) в скользящем окне; полученное значение поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 7, на выходе которого формируется постоянное напряжение равное величине постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови, которая в дальнейшем вычитается с помощью дифференциального усилителя 8.
Введение новых элементов и их взаимосвязь позволяет увеличить быстродействие коррекции постоянной составляющей сигнала артериальной пульсации крови за счет адаптивного контроля величины постоянного смещения сигнала и отсутствия необходимости введения в состав устройства инерционных элементов фильтров верхних частот.