Электронный модуль для фотоплетизмографии и пульсоксиметрии

DOI:

В последние десятилетия прошлого века для функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой, дыхательной систем и, в известной мере, функциональных особенностей системы крови широкое распространение получили пульсоксиметры – приборы, предназначенные для определения относительного насыщения гемоглобина крови кислородом в естественных условиях жизнедеятельности человека и в динамике выполнения им различных функциональных проб [4, 5, 6, 10].

По сравнению с ранее использовавшимися для решения указанной задачи фотооксигемографами, получившими распространение в середине – последней четверти прошлого века, современные, интегральные пульсоксиметры позволяют получать высококачественные кривые периферического артериального пульса, обусловленного периодической деятельностью сердца – фотоплетизмограммы (ФПГ) [7, 9]. Контур, форма ФПГ в значительной степени напоминает контур кривой периферического пульса (сфигмограммы), получа- 16

емой с использованием механических датчиков давления, преобразующих колебания стенки пульсирующей артерии в электрический сигнал [3, 5, 8]. Благодаря последнему обстоятельству, наряду с со своим традиционным применением, пульсоксиметрическая приставка может быть использована в качестве источника первичной биологической информации о частоте сердечных сокращений и естественной вариабельности ритма сердца человека [2]. Иначе говоря, современный пульсоксиметр может выполнять ценную побочную функцию: использоваться для сопутствующей фотоплетизмографии, позволяя получать ценную диагностическую информацию о пульсовом кровенаполнении периферических регионов, тонусе их артерий и артериол, а также может найти применение для реализации методики вариационной пульсометрии, успешно конкурируя с электрокардиографическими устройствами, традиционно используемыми для получения информации об изменчивости ритма сердца [2].

Однако стационарные высококачественные пульсоксиметры, имеющие интерфейс с микроЭВМ и реализующие вышеперечисленные функции довольно дороги и не всегда доступны. В соответствие с политикой импор-тозамещения в различных отраслях науки и техники актуальна разработка отечественных приборов, пригодных для выполнения функционально-диагностических процедур в клинических и медико-биологических лабораториях.

Цель работы: создание универсальной пульсоксиметрической-фотоплетизмографи-ческой приставки, позволяющей получать информацию о сатурации артериального гемоглобина кислородом, функциональном состоянии периферической гемодинамики и вегетативных регуляциях хронотропной функции сердца.

Материалы и методы. В работе использована методика последовательного линейного проектирования электронных схем, содержащих цифровые и аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).

Конструирование электронного модуля выполнено в четыре этапа.

Первый, расчетно-проектировочный, этап осуществлялся согласно стандартным требованиям к расчетам аналоговых устройств, содержащих операционные усилители (ОУ). Конструирование цифровых узлов прибора выполнено авторами самостоятельно.

Второй этап представлял собой макетирование всех узлов устройства, выполненное поблочно, без применения пайки. На указанном этапе проведена коррекция номиналов пассивных радиоэлементов, обеспечивающих необходимые коэффициенты усиления каналов прибора, частотный диапазон его аналогового тракта, а также фильтрацию сетевых помех с частотой 50 Гц. На данном этапе разработана конструкция клипсообразного датчика, обеспечивающего получение информации об оптической плотности тканей дистальной фаланги указательного пальца человека.

На третьем этапе выполнено проектирование печатной платы устройства, монтаж и окончательная отладка электронного модуля с помощью контрольно-измерительных приборов.

На четвертом этапе осуществлена стыковка выходов электронного модуля с анало- говыми входами универсального микроконтроллера «АРДУИНО-НАНО», создание драйвера устройства, испытания прибора в реальных условиях.

Для создания электронного модуля использованы приборы: электронно-лучевой осциллоскоп (осциллограф) «С1-65А», универсальный цифровой мультиметр (авометр) «MastechMY65».

Результаты и их обсуждение (описание устройства) . Блок-схема электронного модуля представлена на рисунке 1. Принцип действия устройства является общепринятым для современных пульсоксиметров, работающих в проходящем (неотраженном) свете, и основан на получении электрического сигнала, являющегося эквивалентом интенсивности светового потока, проходящего через биологический объект, оптическая плотность которого периодически изменяется вследствие пульсовых колебаний кровенаполнения артерий данного объекта [4, 5].

Биологическим объектом является дистальная фаланга указательного пальца обследуемого, на которую одевается клипсообразный датчик информации – оптрон с открытым оптическим каналом, содержащий два источника оптического излучения (светодиоды диоды с различными длинами волн излучения) и два идентичных, предварительно подобранных по параметрам фотоприемника – кремниевые фотодиоды ФД-256.

Для получения информации о насыщении гемоглобина кислородом использован следующий технический прием: попеременная импульсная подача светового потока двумя излучателями на двух различных длинах волн: 635 нм (световой поток в красной области видимого спектра, создаваемый светодиодом КИПД-2000) и 920 нм (световой поток в инфракрасной области, создаваемый светодиодом АЛ115А).

В качестве генератора электрических импульсов, обеспечивающих попеременное включение обоих светодиодов использован несимметричный мультивибратор (цифровая ИМС К561ЛА7 или К561ЛЕ5). Прямоугольные импульсы с выхода ИМС поступают на С-вход D-триггера (цифровая ИМС К561ТМ2), включенного в качестве счетчика-делителя частоты на 2. В результате на прямом и инверсном выходах триггера появляются импульсы вдвое меньшей частоты, равной длительности и противоположные по фазе.

Таким образом, с помощью несложных схемотехнических приемов обеспечена абсолютно равная длительность «красного» и «инфракрасного» импульсов оптического излучения.

К прямому и инверсному выходам триггера подключены транзисторные ключи (транзисторы КТ315Г; на рис. 1 не показаны), являющиеся усилителями тока и обеспечивающие необходимую интенсивность светового потока в обоих диапазонах. В коллекторные цепи соответствующих транзисторов включены красный и инфракрасный светоизлучающие диоды.

Прошедший через биологический объект и воспринятый фотоприемниками (фотодиоды ФД-256) световой поток преобразуется в сложный электрический сигнал, содержащий постоянную и переменную составляющую. Первая отражает оптическую плотность непульсирующих тканей биологического объекта, вторая – оптическую плотность пульсиру- ющих тканей (артерио-артериолярную составляющую).

Импульсный электрический сигнал сложной формы с выхода фотоприемников подвергается предварительному усилению (аналоговая ИМС – широкополосный ОУ КР140УД708). Коэффициент усиления ОУ составляет 2–3.

После предварительного усиления сигнал подвергается демультиплексированию (электронной селекции), таким образом, что дальнейшее усиление его компонента, являющегося эквивалентом светового потока, полученного под действием импульса красного источника света, обеспечивается одним основным усилительным каналом приставки, а усиление компонента, полученного под действием импульса инфракрасного излучателя, обеспечивается синхронно и независимо от первого вторым основным усилительным каналом прибора. В качестве селектора сигналов использован сдвоенный аналоговый мультиплексор К561КП1.

Оба основных усилительных канала (красный и инфракрасный) имеют идентичную

Рис. 1. Блок-схема электронного модуля

электрическую схему и представляют собой двухкаскадные широкополосные усилители напряжения, выполненные на интегральных ОУ (КР544УД1А), включенных по схеме инвертирующего усиления.

С выходов первых каскадов обоих основных усилителей полный электрический сигнал поступает непосредственно на аналоговые входы микроконтроллера АРДУИНО-НАНО и, через разделительный конденсатор, на входы вторых каскадов основных усилителей. Емкостная связь между первым и вторым каскадами каждого основного усилителя необходима для выделения переменной (пульсовой) составляющей полного сигнала фотоплетизмограмм.

Полный коэффициент усиления обоих каскадов основных усилительных трактов в каждом диапазоне равен 200-300.

Каждый тракт основного усиления сигнала содержит двухзвенный пассивный электрический RC-фильтр нижних частот, предназначенный для демодуляции импульсного сигнала, получаемого на выходе мультиплексора-селектора, а также для снижения уровня сетевой наводки («фона переменного тока» с частотой сети 50Гц) до приемлемого уровня.

После усиления вторым каскадом переменная составляющая фотоплетизмографи-ческих сигналов красного и инфракрасного диапазонов поступает на соответствующие аналоговые входы программируемого микроконтроллера АРДУИНО-НАНО.

Испытания разработанного электронного модуля выявили высокое качество фото-плетизмограмм, получаемых с указательной фаланги пальца обследуемых, в течение длительного времени (рис. 2).

Заключение. Применение отечественных цифровых интегральных микросхем серий К561, малошумящих операционных усилителей серий К140 (КР140) и К544 (КР544) позволяет создавать малогабаритные электронные модули, обеспечивающие высококачественную регистрацию фотоплетизмог-рамм в красном и инфракрасном диапазонах светового спектра. Это позволяет при наличии соответствующего математического алгоритма отслеживать процесс сатурации/де-сатурации гемоглобина крови в различных условиях жизнедеятельности человека.

Разработанный авторами электронный модуль, содержащий всего восемь цифро-

Рис. 2. Фрагмент тестовой записи ФПГ указательного пальца правой руки обследуемого П. в состоянии физиологического покоя. (На фрагменте показаны ФПГ на 27–31-й секундах записи, полной длительностью 1 мин. Для регистрации использован программный продукт, описанный в [8])

вых и аналоговых ИМС, обеспечивает стабильную регистрацию фотоплетизмограмм в течение длительного времени у обследуемых, имеющих резко выраженные индивидуальные особенности оптических пульсовых кривых. Это открывает возможности применения предлагаемого устройства для мониторинговых исследований колебаний регионарного пульсового кровенаполнения артерий, тонуса резистивных сосудов конечностей, в частности у лиц с нейроциркуля-торными расстройствами гемодинамики и, вероятно, болезнью Рейно. Важнейшим следствием мониторинговой регистрации ФПГ может являться вариационно-статистический и гармонический анализ вариабельности регионарного сосудистого тонуса, успешно применяемый в последние годы для анализа реограмм, углубленное изучение спектров мощности дыхательных волн и волн Майера, что актуально для ранней диагностики различной патологии периферического кровообращения [1, 3].

Электронный модуль может найти применение для исследований вариабельности сердечного ритма во внебольничных условиях, являясь недорогой альтернативой компьютеризованным электрокардиографическим мониторам.