Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для контроля состояния сердечно-сосудистой системы человека в экспресс-режиме с использованием сигнала поглощения на кровеносных сосудах и тканях от излучения на двух длинах волн.The utility model relates to control and measuring equipment, namely to devices for monitoring the state of the human cardiovascular system in express mode using the absorption signal on blood vessels and tissues from radiation at two wavelengths.
В современном мире методам контроля в экспресс-режиме различных параметров в физике, химии, биологии, медицине и различных отраслях промышленности уделяется повышенное внимание. Одним из быстро развивающихся направлений в экспресс-контроле является экспресс-диагностика состояния организма человека в реальном времени, особенно которую он может выполнить без помощи медицинского персонала. Данная диагностика и приборы для её реализации являются одним из ключевых элементом персонализированной медицины.In the modern world, rapid monitoring methods for various parameters in physics, chemistry, biology, medicine, and various industries are receiving increased attention. One rapidly developing area of rapid monitoring is real-time rapid diagnostics of the human body, especially those that can be performed without the assistance of medical personnel. These diagnostics and the devices used for their implementation are a key element of personalized medicine.
Поэтому к ним в последнее время стали предъявляться очень жесткие требования, как по безопасности эксплуатации, так и по влиянию проводимых с их использованием измерений на здоровье человека. По этим причинам число сертифицированных методов для экспресс-контроля функционального состояния человека сократилось. Были определены основные факторы, по которым это состояние определяется. Одним из них является состояние сердечно-сосудистой системы (ССС) человека. Считается, что сердце - мотор организма, работа которого определяет многое. В связи с этим, развитие экспресс-диагностики в контроле ССС человека считается одним из наиболее перспективных направлений по контролю его функционального состояния. Метод трансмиссионной пульсоксиметрии полностью вписывается в концепцию современных требований к экспресс-диагностике. Этот метод позволяет человеку без помощи врача контролировать основные характеристики своего организма (пример, SpO2, пульс и т.д.). По характеру изменения пульсовой волны можно определять стабильность работы сердца.Therefore, very stringent requirements have recently been imposed on them, both for operational safety and for the impact of measurements taken with them on human health. For these reasons, the number of certified methods for express monitoring of human functional status has decreased. The main factors that determine this status have been identified. One of these is the state of the human cardiovascular system (CVS). It is believed that the heart is the body's engine, its functioning determining many aspects of health. Therefore, the development of express diagnostics for monitoring the human CVS is considered one of the most promising areas for monitoring its functional status. Transmission pulse oximetry fully complies with the concept of modern requirements for express diagnostics. This method allows a person to monitor key parameters of their body (e.g.,SpO2 , pulse rate, etc.) without the assistance of a doctor. The nature of changes in the pulse wave can be used to determine the stability of heart function.
В настоящее время разработано большое число различных типов оптических датчиков для регистрации пульсовой волны, как для пульсоксиметрии, так и для фотоплетизмографии. Основная цель этих разработок - это получение новой информации о состоянии ССС, которая содержится в потоке крови.Currently, a large number of different types of optical sensors have been developed for recording pulse waves, both for pulse oximetry and photoplethysmography. The primary goal of these developments is to obtain new information about the state of the cardiovascular system contained in the bloodstream.
По этой причине в конструкциях оптических датчиков для трансмиссионных пульсоксиметров, в которых регистрация пульсовых волн осуществляется на пальце руки или ноги человека (дальняя периферийная зона), вместо фотодиодов с обработкой сигналов пульсовых волн с помощью АЦП стали использовать ПЗС матрицы. В этом случае сигнал пульсовой волны при кадровом считывании информации в ПЗС матрице обладает ступенчатой формой в отличие от гладкой ее формы при использовании в оптическом датчике фотодиодов. Число ступенек в регистрируемом сигнале пульсовой волны определяется квантованием уровней (заполнением квантовых ям электронами). Скорость заполнения ям зависит от мощности сигнала поглощения лазерного излучения в потоке крови. При этом сама пульсовая волна формируется выбором строки, в которой отношение сигнал/шум (S/N) на пикселях максимально. Это соответствует первому максимуму в структуре пульсовой волны. В формирование шума в отношение S/N участвуют все шумы со всех пикселей ПЗС матрицы. При этом полезный сигнал считывается поочередно с одного пикселя в выбранной строке для формирования пульсовой волны.For this reason, CCD matrices have been used in optical sensor designs for transmission pulse oximeters, which record pulse waves from a person's finger or toe (the far peripheral zone), instead of photodiodes with ADC-based pulse wave signal processing. In this case, the pulse wave signal, when frame-by-frame information is read from the CCD matrix, has a stepped shape, unlike the smooth shape produced by photodiodes in the optical sensor. The number of steps in the recorded pulse wave signal is determined by level quantization (filling quantum wells with electrons). The rate of well filling depends on the signal strength of laser radiation absorption in the blood flow. The pulse wave itself is generated by selecting the row in which the signal-to-noise ratio (S/N) at the pixels is highest. This corresponds to the first maximum in the pulse wave structure. All noise from all pixels of the CCD matrix contributes to the formation of noise in the S/N ratio. In this case, the useful signal is read one pixel at a time in the selected line to form a pulse wave.
Для врачей структура пульсовой волны в форме ступенек неудобна для восприятия, так как фотоплетизмограммы и пульсовые волны, регистрируемые с использованием фотодиодов, включая цифровые, представляют собой гладкие кривые, которые отражают динамику заполнения сосуда кровью (работу левого желудочка сердца при прокачке крови по венам и сосудам). Положение максимумов и минимумов на временной оси пульсовой волны определяется с использованием АЦП (например, при тактовой частоте АЦП 10 МГц и разрядности 14 бит погрешность определения временных интервалов составляет порядка 1 мс и менее). Данной точности достаточно для определения индексов отражения RI и ригидности SI для получения дополнительной информации о состоянии здоровья человека.For physicians, the step-like structure of the pulse wave is difficult to perceive, as photoplethysmograms and pulse waves recorded using photodiodes, including digital ones, are smooth curves that reflect the dynamics of vessel filling with blood (the work of the left ventricle of the heart when pumping blood through the veins and vessels). The position of the maxima and minima on the pulse wave time axis is determined using an ADC (for example, with an ADC clock frequency of 10 MHz and a resolution of 14 bits, the error in determining time intervals is approximately 1 ms or less). This accuracy is sufficient for determining the reflectance index (RI) and the rigidity index (SI) to obtain additional information about a person's health.
С другой стороны, при использовании фотодиодов различных моделей получить новую информацию из пульсовой волны крайне сложно. Это связано с тем, что передаточная функция АЦП вносит искажения в структуру фронтов нарастания и спада пульсовой волны, что не позволяет определить небольшие изменения в состоянии ССС человека, например, связанные с приемом лекарств при прохождении курса лечения или процедур. Частота дискретизации формирования пульсовой волны составляет 258 Гц, при использовании ПЗС матрицы частота дискретизации обычно составляет 64 Гц (по числу пикселей в строке ПЗС матрицы, которая используется в типовом оптическом датчике). В случае необходимости частоту дискретизации можно увеличить до 256 Гц за счет использования другой конструкции ПЗС матрицы (цена датчика в данном случае увеличится). Преимуществом применения ПЗС матрицы в оптическом датчике является то, что его конструкция становится более универсальной по размещению её на пальце руки по сравнению с фотодиодом (максимум сигнала поглощения может попасть на край матрицы и сформируется почти такой же сигнал, как при поступлении сигнала на центр матрицы). Нет разницы, где вырезать строку для формирования структуры пульсовой волны. Это позволяет при обследовании пациента обладать небольшим интервалом по смещению максимума по фоточувствительному слою из пикселей, который может возникнуть из-за особенностей внешней конфигурации пальца. При использовании фотодиода положение датчика на пальце крайне критично.On the other hand, using various photodiodes makes it extremely difficult to obtain new information from the pulse wave. This is because the ADC transfer function distorts the rise and fall edges of the pulse wave, making it impossible to detect minor changes in a person's cardiovascular system, such as those associated with medication intake during treatment or procedures. The pulse wave sampling frequency is 258 Hz; when using a CCD matrix, the sampling frequency is typically 64 Hz (based on the number of pixels per row of the CCD matrix used in a typical optical sensor). If necessary, the sampling frequency can be increased to 256 Hz by using a different CCD matrix design (in this case, the sensor price will increase). The advantage of using a CCD matrix in an optical sensor is that its design is more versatile for placement on a finger compared to a photodiode (the maximum absorption signal can fall on the edge of the matrix, generating a signal almost identical to that generated by a signal received at the center of the matrix). There's no difference where the line is cut to form the pulse wave structure. This allows for a small range of peak shifts across the photosensitive pixel layer during patient examination, which may occur due to the specific external configuration of the finger. When using a photodiode, the position of the sensor on the finger is extremely critical.
Анализ современных моделей оптических датчиков для пульсоксиметров показал, что ПЗС матрицы размером больше 64 на 64 пикселя в промышленных приборах почти не используются. Причин здесь достаточно много, но основная из них связана с тем, что при формировании сигнала пульсовой волны вырезается строка по максимальному значению амплитуды регистрируемого сигнала на пикселях. Амплитуды ступенек в пульсовой волне формируются пропорционально заряду на каждом пикселе в выбранной строке. Это связано с тем, что в ПЗС матрице осуществляется покадровое считывание информации. В этом случае шум, который участвует в формировании отношения сигнал/шум (S/N) собирается со всех пикселей ПЗС матрицы. Это интегральный шум всех пикселей, так как разделить его невозможно. При слабом сигнале поглощения это создает проблемы с формированием формы пульсовой волны (ступеньки расплываются, границы фронтов становятся менее четкими). На фронтах спада изменения в пульсовой волне, которые связаны с особенностями работы ССС, могут быть не зарегистрированы (они на экране монитора будут не видны на фоне шумов).An analysis of modern optical sensors for pulse oximeters revealed that CCD sensors larger than 64 by 64 pixels are rarely used in industrial devices. There are many reasons for this, but the primary one is that when generating a pulse wave signal, a line is cut off based on the maximum amplitude of the recorded signal at the pixels. The amplitudes of the steps in the pulse wave are proportional to the charge at each pixel in the selected line. This is due to the fact that the CCD sensor reads information frame by frame. In this case, the noise that contributes to the signal-to-noise ratio (S/N) is collected from all pixels of the CCD sensor. This noise is the integral noise of all pixels, as it cannot be separated. With a weak absorption signal, this creates problems with pulse waveform formation (the steps become blurred, and the edges of the fronts become less distinct). At the decline fronts, changes in the pulse wave that are associated with the peculiarities of the cardiovascular system may not be registered (they will not be visible on the monitor screen against the background noise).
Одним из первых изобретений (Авторское свидетельство СССР), которое близко по физическому принципу исследований потока крови к предлагаемой полезной модели в заявке является (SU 1377025 A1 от 13.01.1984 г. (Бюллетень № 8, 1988 г. )). В изобретении «Устройство для регистрации пальцевой пульсовой кривой» предложена первая концепция регистрации периферической пульсовой кривой с использованием осветителя и фотоприемника при размещении пальца в ложменете для обеспечения выделения артериальной составляющей кровотока. Также были предложены первые технические решения для повышения отношения сигнал/шум регистрируемого на фотоприемнике оптического сигнала. Недостатком этого устройства было наличие широкого спектра волн в излучение, что в том числе не позволяло проводить измерения насыщения гемоглобина в крови кислородом.One of the first inventions (USSR Author's Certificate), which is similar in its physical principle of blood flow research to the proposed utility model in the application, is (SU 1377025 A1 dated January 13, 1984 (Bulletin No. 8, 1988)). The invention, "Device for Recording a Finger Pulse Curve," proposed the first concept for recording a peripheral pulse curve using an illuminator and a photodetector with the finger positioned in a cradled position to ensure the isolation of the arterial component of blood flow. The first technical solutions for increasing the signal-to-noise ratio of the optical signal recorded by the photodetector were also proposed. A disadvantage of this device was the presence of a broad spectrum of wavelengths in the radiation, which, among other things, prevented measurements of hemoglobin saturation with oxygen in the blood.
В 2000 годы был разработано большое число оптических датчиков для регистрации пульсовых волн. Эти устройства использовались для контроля различных физиологических параметров сердечно-сосудистой системы человека. С их использованием проводились измерения концентрации кислорода в гемоглобине потока крови, определялся пульс и сердечный ритм, в некоторых случаях эластичность вен и артерий. Данные датчики были просты в эксплуатации, ряд из них обладали возможностью быть использованы использования в носимом исполнении. Описание таких датчиков и принцип их работы представлены в следующих патентах: US № 7263396, A61B 5/00, опубл. 28.08.2007; US № 8532729, A61B 5/1455, опубл. 10.09.2013; US № 8588880, A61B 5/1455, опубл. 19.11.2013.In the 2000s, a large number of optical sensors for recording pulse waves were developed. These devices were used to monitor various physiological parameters of the human cardiovascular system. They were used to measure the concentration of oxygen in hemoglobin in the blood flow, determine the pulse and heart rate, and in some cases, the elasticity of veins and arteries. These sensors were easy to operate, and some of them had the ability to be used in a wearable version. A description of such sensors and their operating principle are presented in the following patents: US No. 7263396, A61B 5/00, published 28.08.2007; US No. 8532729, A61B 5/1455, published 10.09.2013; US No. 8588880, A61B 5/1455, published 19.11.2013.
Указанные датчики включают источники излучения и фотоприемники, что обеспечивает возможность измерения оптического пропускания насыщенных кровеносными сосудами биотканей и регистрации концентрации кислорода в крови. К их недостаткам можно отнести использование АЦП для обработки информации после фотодиода, артефакты в пульсовых волнах, связанные с интерференционными шумами, а также широкая полоса излучения у светодиода, что негативно сказывается при тонких сосудах в пальце и при больших искривлениях (физиологическая особенность человека).These sensors incorporate radiation sources and photodetectors, enabling the measurement of optical transmittance in vascularized tissue and recording of blood oxygen concentration. Their drawbacks include the use of an ADC to process information downstream of the photodiode, artifacts in pulse waves due to interference noise, and the wide emission bandwidth of the LED, which is detrimental to thin finger vessels and large curvatures (a physiological characteristic of humans).
Близким по технической реализации к предлагаемой нами полезной модели является изобретение (RU 2731414 C1 Опубликовано: 02.09.2020).The invention (RU 2731414 C1 Published: 09/02/2020) is close in technical implementation to the utility model we propose.
Заявляемый в изобретении оптический датчик предназначен для измерения пульса, сатурации и сердечного ритма при работе в автономном режиме от аккумулятора. Датчик включает излучатель 1, установленный в держателе 2, расположенным в корпусе 3 модуля излучателя 1, а также фотоприемник 4, установленный в держателе и расположенный в корпусе 5 модуля фотоприемника 4. Излучатель 1 включает, например, красный и инфракрасный светодиоды, излучающие внутри спектральных диапазонов (640-720) нм и (960-1040) нм, соответственно, т.к. известно, что в этих диапазонах спектра коэффициенты экстинкции оксигемоглобина и дезоксигемоглобина различаются наиболее существенно. Корпуса 3 и 5 модуля излучателя 1 и модуля фотоприемника 4, соответственно, выполнены из легкого и прочного пластика, например, поликарбоната. Конструкция заявляемого датчика обеспечивает возможность линейного перемещения корпуса 3 модуля излучателя 1 относительно корпуса 5 модуля фотоприемника 4 вдоль линейной направляющей 6, ось которой параллельна оптической оси устройства, соединяющей излучатель 1 и чувствительный элемент фотоприемника 4. Линейные пружины 7, установленные симметрично по обе стороны от линейной направляющей 6 обеспечивают создание «притягивающего» усилия, при этом излучатель 1 за счет наличия линейной направляющей 6 в любом положении направлен на фотоприемник 4. Держатель 2 излучателя 1 выполнен из эластичного непрозрачного материала, например, карбонизированного силикона. Такой вариант исполнения держателя частично препятствует попаданию внешней засветки на фотоприемник 4.The optical sensor claimed in the invention is intended for measuring pulse, oxygen saturation, and heart rate while operating in battery-powered mode. The sensor comprises an emitter 1 mounted in a holder 2 located in a housing 3 of the emitter module 1, as well as a photodetector 4 mounted in the holder and located in a housing 5 of the photodetector module 4. The emitter 1 includes, for example, red and infrared light-emitting diodes emitting within the spectral ranges of (640-720) nm and (960-1040) nm, respectively, since it is known that the extinction coefficients of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin differ most significantly in these spectral ranges. The housings 3 and 5 of the emitter module 1 and the photodetector module 4, respectively, are made of lightweight and durable plastic, for example, polycarbonate. The design of the claimed sensor provides the ability to linearly move the housing 3 of the emitter module 1 relative to the housing 5 of the photodetector module 4 along a linear guide 6, the axis of which is parallel to the optical axis of the device connecting the emitter 1 and the sensitive element of the photodetector 4. Linear springs 7, installed symmetrically on both sides of the linear guide 6, provide the creation of an "attractive" force, while the emitter 1, due to the presence of the linear guide 6, is directed at the photodetector 4 in any position. The holder 2 of the emitter 1 is made of an elastic opaque material, for example, carbonized silicone. This embodiment of the holder partially prevents external illumination from reaching the photodetector 4.
К недостаткам данного датчика, кроме отсутствия возможности у пациента и доктора наблюдать форму пульсовой волны, что существенно снижает возможности экспресс-диагностики состояния сердечно-сосудистой системы, можно также отнести вопрос, как пациент будет получать информацию о пульсе и сатурации, если датчик размещается на ухе (одно из мест возможного расположения датчика). Не ясен момент с попаданием влаги в промежуток между излучателем, мочкой уха и фотоприемником, которое вызовет дополнительное преломление излучения и переотражение. Ухо, в отличие от пальца, больше потеет и более чувствительно на изменение температуры. Получение иной информации о состоянии ССС и функционального состояния человека с использованием этого датчика невозможно.The disadvantages of this sensor, in addition to the inability of the patient and doctor to observe the pulse waveform, which significantly reduces the capabilities of rapid cardiovascular diagnostics, also include the question of how the patient will receive pulse and oxygen saturation information if the sensor is placed on the ear (one of the possible sensor locations). It is unclear whether moisture could get into the space between the emitter, earlobe, and photoreceiver, as this would cause additional refraction and reflection of the radiation. The ear, unlike the finger, sweats more and is more sensitive to temperature changes. Obtaining other information about the cardiovascular system and a person's functional state using this sensor is impossible.
Близким по технической реализации к предлагаемой нами ПМ является изобретение (RU 2736807 C1 Опубликовано: 20.11.2020). Изобретение обеспечивает возможность определения частоты сердечных сокращений (ЧСС), насыщенности крови, уровня стресса, состояния вегетативной нервной системы, ранней диагностика диабетической нейропатии и оценки состояния регионального кровообращения полости рта на этапах лечения заболеваний пародонта, а также дистанционной беспроводной диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека в режиме реального времени. Фотодиодный анализатор капиллярного кровотока (измерения проводятся в полости рта) содержит корпус, внутри которого расположены оптоэлектронный датчик фотоплетизмографии, фильтр, модуль Bluethooth для связи с удаленным внешним устройством и аккумулятор. Корпус выполнен П-образной формы (для насадки его на нижнюю часть челюсти), на внутренней поверхности концов которого расположены элементы для фиксации относительно челюсти пациента, при этом одна из стенок корпуса выполнена с отверстием для прохождения световых сигналов, подаваемых на слизистую поверхность полости рта, расположенного внутри корпуса модуля оптоэлектронного датчика, представленного тремя излучателями: красного, зеленого и инфракрасного излучения, и фоторезистора для приема отраженного излучения, при этом фильтр, при нарушении контакта между поверхностью слизистой оболочки полости рта и модулем оптоэлектронного датчика, имеет возможность блокировать анализ временных данных, сохраняя при этом предыдущие данные, поступающие на модуль агрегатирования-микроконтроллер, передающий данные для анализа программным обеспечением удаленного внешнего устройства различными статистическими и геометрическими методами оценки вариабельности сердечного ритма.Similar in technical implementation to our proposed PM is the invention (RU 2736807 C1 Published: November 20, 2020). The invention enables the determination of heart rate (HR), blood saturation, stress level, and autonomic nervous system status, early diagnosis of diabetic neuropathy, and assessment of regional oral circulation during periodontal disease treatment. It also enables remote wireless diagnostics of the functional state of the human cardiovascular system in real time. The photodiode capillary blood flow analyzer (measurements are performed in the oral cavity) comprises a housing containing an optoelectronic photoplethysmography sensor, a filter, a Bluetooth module for communication with a remote external device, and a battery. The housing is made in a U-shape (for attaching it to the lower part of the jaw), on the inner surface of the ends of which there are elements for fixation relative to the patient's jaw, while one of the walls of the housing is made with an opening for the passage of light signals supplied to the mucous surface of the oral cavity, located inside the housing of the optoelectronic sensor module, represented by three emitters: red, green and infrared radiation, and a photoresistor for receiving reflected radiation, while the filter, in case of contact between the surface of the mucous membrane of the oral cavity and the optoelectronic sensor module, has the ability to block the analysis of time data, while preserving the previous data coming to the aggregation module - a microcontroller, transmitting data for analysis by the software of a remote external device using various statistical and geometric methods for assessing the variability of the heart rate.
У данного устройства есть только одно реальное преимущество - это в полости рта интенсивный кровоток и сосуды близко расположены к поверхности и покров в полости рта очень тонкий по сравнению с кожным покровом. В остальном при эксплуатации возникают большие проблемы, начиная с попадания водяных инкрементов, которых полно в полости рта на оптические поверхности излучателя и приемника. Высока вероятность образования конденсата. Сложность самостоятельно установить такой прибор в районе коренных зубов на нижней части челюсти без перекосов, дискомфорт при проведении процедуры (рот закрыть нельзя, резкие движения делать нельзя и прочие). Длительная диагностика проблематична. Также очень жесткие требования к гигиене устройства при смене пациента. Намного проще пульсовые трансмиссионные оксиметры, которые может подключить на палец пациенту, например, стоматолог на время всего лечения зуба и прочие. Про то, что фоторезист по чувствительности хуже фотодиода, ПЗС матрицы и линейки ПЗС рассуждения не имеют смысла.This device has only one real advantage: the oral cavity has intense blood flow, the vessels are close to the surface, and the oral cavity is very thin compared to the skin. Other problems arise during operation, starting with water deposits, which are abundant in the oral cavity, getting on the optical surfaces of the emitter and receiver. Condensation is highly likely. It's difficult to independently install such a device near the molars on the lower jaw without causing distortion, and the procedure is uncomfortable (the mouth cannot be closed, sudden movements are prohibited, etc.). Long-term diagnostics are problematic. The device also has very strict hygiene requirements when changing patients. Pulse transmission oximeters, which can be attached to the patient's finger by a dentist for the duration of dental treatment, are much simpler. The idea that photoresist is less sensitive than a photodiode, CCD matrix, or CCD array is meaningless.
Близким по принципу работы и проведению измерений к предлагаемой полезной модели является изобретение (RU 2696239 C1 Опубликовано: 31.07.2019). Настоящее изобретение в целом относится к оценке показателей, указывающих на частоту пульса и насыщение кислородом артериальной крови (SpO2) у пациента. В частности, настоящее изобретение применяется в сочетании с оптическим датчиком пульсового оксиметра. Оптический источник содержит увеличенное светоизлучающее выходное отверстие, которое имеет малую толщину и высокую степень гибкости для обеспечения возможности размещения оптического источника возле целевой ткани пациента. Тонкий оптический источник повышенной гибкости и датчик обеспечивают возможность размещения пульсового оксиметра в узком пространстве (например, ноздре, носовых накладках очков, за ухом и т.д.). Например, пространство между перегородкой и другой стороной ноздри может составлять приблизительно 2 мм. Эти измерения необходимы при диагностике пациентов с рядом заболеваний верхних дыхательных систем с поражением работы носовой части. Классический вариант пульсоксиметра с прищепкой, оказывает сильное давление на нос, что приводит к недостоверным измерениям особенно SpO2. Также вызывается при длительном обследовании дискомфорт. В изобретении подробно расписаны варианты создания различных конфигураций протяженных источников излучения с использованием до 24 диодов планарного типа, что не позволяет получать от каждого из них большую мощность по причине их перегрева. Какое устройство будет использоваться в гибком слое для приема отраженного излучения в изобретение не указано. Только пишут про его гибкость. Планарные конструкции ПЗС матриц сняты с производства, так как малая глубина ямы и слабая устойчивость к перегрузке по засветке. Кроме того, при их перегибе расстояния между пикселями увеличиваются и регистрируемое изображение формируется с артефактами. Единственным решением для такой регистрации является планарный фоторезист, которым плотным слоем покрывают зону фотоприема. Чувствительность к изменениям в потоке крови у фоторезиста намного меньше чем у ПЗС элементов, кроме того форма пульсовой волны не регистрируется, что не позволяет получить новую информацию о состоянии ССС человека и об изменениях в его функциональных возможностях.Similar in its operating principle and measurement method to the proposed utility model is the invention (RU 2696239 C1 Published: July 31, 2019). The present invention generally relates to the evaluation of parameters indicating pulse rate and arterial blood oxygen saturation (SpO2 ) in a patient. In particular, the present invention is used in combination with an optical sensor of a pulse oximeter. The optical source comprises an enlarged light-emitting outlet that is thin and highly flexible to allow placement of the optical source near the patient's target tissue. The thin, highly flexible optical source and sensor allow placement of the pulse oximeter in a narrow space (e.g., a nostril, the nose pads of glasses, behind the ear, etc.). For example, the space between the septum and the other side of the nostril may be approximately 2 mm. These measurements are necessary in the diagnosis of patients with a number of upper respiratory diseases involving the nasal passages. The classic clip-on pulse oximeter exerts strong pressure on the nose, leading to unreliable measurements, especiallySpO2 . It also causes discomfort during prolonged examinations. The invention describes in detail options for creating various configurations of extended radiation sources using up to 24 planar diodes, which prevents high power output from each due to overheating. The invention does not specify the device to be used in the flexible layer for receiving reflected radiation, only mentioning its flexibility. Planar CCD matrix designs are no longer manufactured due to their shallow well depth and poor tolerance to overexposure. Furthermore, when they bend, the distances between pixels increase, resulting in artifacts in the recorded image. The only solution for such recording is a planar photoresist, which is applied in a dense layer to the photoreception zone. The sensitivity of photoresist to changes in blood flow is much lower than that of CCD elements; in addition, the pulse waveform is not recorded, which does not allow obtaining new information about the state of the human cardiovascular system and changes in its functional capabilities.
Близким по технической реализации (использование для регистрации пульсовой волны двух источников излучения в видимом и ИК диапазоне, фотоприемного устройства с АЦП и микроконтроллером для обработки сигнала пульсовой волны, жидкокристаллического индикатора для вывода информации и USB порта для передачи информации в компьютер или смартфон, чтобы её доставить врачу, который находиться в удалении от пациента, проводящего обследования своего состояния дома или на работе) является полезная модель (RU 194911 U1, Опубликовано: 30.12.2012),Similar in technical implementation (using two sources of radiation in the visible and IR ranges to register the pulse wave, a photodetector with an ADC and a microcontroller to process the pulse wave signal, a liquid crystal display to display information, and a USB port to transfer information to a computer or smartphone so that it can be delivered to a doctor who is located at a distance from the patient, who is conducting examinations of his condition at home or at work) is the utility model (RU 194911 U1, Published: 12/30/2012),
Заявляемый в полезной модели новый подход в проведении исследований заключается в следующем. В промышленную конструкцию пульсоксиметра с трансмиссионной пульсоксиметрией с встроенном в корпус ложем для пальца пациента, фотодиодом и двумя светодиодами, работающими в красной и в инфракрасной частях спектра, а также источником опорного напряжения, выход которого соединен с опорным входом измерительной цепи, и микропроцессорным блоком, выполненным с возможностью расчета показаний частоты пульса и уровня оксигенации крови, индикаторный выход которого подключен к входу блока индикации, выполненного с возможностью отображения указанных показаний на жидкокристаллическом (ЖК) экране, введены коммуникационный микроконтроллер и радиомодем с антенной. При этом микропроцессорный блок выполнен с дополнительным портом, посредством которого микропроцессорный блок связан с коммуникационным микроконтроллером, сигнальный и управляющий выходы которого подключены, соответственно, к сигнальному и управляющему входам радиомодема, выполненного с использованием технологии "прыгающих частот", при этом ЖК экран встроен в корпус портативного пульсоксиметра, как в промышленных мобильных пульсоксиметрах.The new research approach claimed in the utility model is as follows. A communications microcontroller and a radio modem with an antenna are incorporated into the industrial design of a pulse oximeter with transmission pulse oximetry, a built-in patient finger rest, a photodiode, and two LEDs operating in the red and infrared spectral regions. A reference voltage source, the output of which is connected to the reference input of the measuring circuit, and a microprocessor unit capable of calculating pulse rate and blood oxygenation readings, the indicator output of which is connected to the input of a display unit capable of displaying said readings on a liquid crystal display (LCD) are also included. In this case, the microprocessor unit is made with an additional port, through which the microprocessor unit is connected to a communication microcontroller, the signal and control outputs of which are connected, respectively, to the signal and control inputs of a radio modem made using the "frequency hopping" technology, while the LCD screen is built into the body of the portable pulse oximeter, as in industrial mobile pulse oximeters.
Основным достоинством данной ПМ является возможность дистанционной передачи информации в реальном времени от прибора, расположенного на пальце пациента во время его тестирования к другому устройству (например, за которым сидит врач или специалист по спортивной медицине). Это позволяет в реальных условиях проводить тестирование людей ряда профессий или спортсменов. К недостаткам таких устройств относится использование АЦП, что не позволяет получать новую информацию о состоянии ССС человека, невысокая чувствительность к изменениям, а также требования к электромагнитной обстановке в зоне проведения тестирования (помехи могут искажать передаваемый сигнал, что приведет к недостоверной информации). Для исключения таких искажений необходимо выбрать частоту передачи информации в узком диапазоне, на которых нет других данных в эфире. Этого не сделано. Данный факт ограничивает возможности тестирования с использованием данного устройства.The main advantage of this PM is the ability to remotely transmit real-time information from the device, placed on the patient's finger during testing, to another device (for example, one operated by a physician or sports medicine specialist). This allows for real-world testing of individuals in a number of professions or athletes. The disadvantages of such devices include the use of an ADC, which prevents the acquisition of new information about the cardiovascular system, low sensitivity to changes, and the requirements for the electromagnetic environment in the testing area (interference can distort the transmitted signal, resulting in unreliable information). To eliminate such distortions, it is necessary to select a transmission frequency within a narrow range, one that is free of other data. This has not been done. This fact limits the testing capabilities of this device.
Наиболее близким по технической реализации (содержит блоки красного и инфракрасного излучателей, фотоприемное устройство, блок синхронизации, оперативное и постоянное запоминающие устройства, блок вычислителя, первый и второй узлы сравнения, блок индикации) к предлагаемой полезной модели являются изобретение (RU 2766756 C1, Опубликовано: 15.03.2022), которое также можно считать прототипом нашей разработки. В изобретении описывается работа определения физиологических показателей здоровья пилота воздушного судна и контроля его функционального состояния непосредственно в процессе полета, и может быть использовано для контроля операторской деятельности человека.The closest technical implementation (comprising red and infrared emitter units, a photodetector, a synchronization unit, random-access memory (RAM), a read-only memory (ROM), a computing unit, first and second comparison units, and a display unit) to the proposed utility model is invention (RU 2766756 C1, Published: March 15, 2022), which can also be considered a prototype of our development. The invention describes a method for determining the physiological health indicators of an aircraft pilot and monitoring their functional state directly during flight, and can be used to monitor human operator performance.
В данном устройстве по оптической части используются еще два дополнительных источника излучения. Это связано с тем, что с помощью двух источников излучения (красного и в ближнем ИК) можно исследовать только те фракции, которые отвечают за перенос кровью кислорода - оксигемоглобин (HbO2) и дезоксигемоглобин (Hb). Неучтенными в данной ситуации остаются фракции, не участвующие в транспортировке кислорода, однако влияющие на величину насыщения крови кислородом - карбоксигемоглобин (COHb) и метгемоглобин (MetHb). Необходимо отметить, что практика клинической медицины выделяет два вида сатурации крови: функциональную и фракционную, являющимися точными параметрами, в которых учитываются все фракции гемоглобина. В классической конструкции пульсоксиметра используется только функциональная фракция.This device utilizes two additional radiation sources in its optical component. This is because two radiation sources (red and near-infrared) can only measure the fractions responsible for oxygen transport in the blood—oxyhemoglobin (HbO2 ) and deoxyhemoglobin (Hb). Fractions that do not participate in oxygen transport but influence blood oxygen saturation—carboxyhemoglobin (COHb) and methemoglobin (MetHb)—are not accounted for in this situation. It should be noted that clinical practice distinguishes between two types of blood saturation: functional and fractional. These are precise parameters that account for all hemoglobin fractions. In the classic pulse oximeter design, only the functional fraction is used.
Представленное устройство состоит из блока источника излучения красного цвета 1 (с длиной волны излучения 660 нм), блока инфракрасного источника излучения 2 (длина волны излучения 940 нм), блока желто-зеленого источника излучения 3 (длина волны излучения 565 нм), блока инфракрасного источника излучения 4 (длина волны 880 нм), фотоприемное устройство 5, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, блока синхронизации 7, и устройств, выполняющих функции управления и обработки: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 8, блока вычислителя 9, первого узла сравнения 101, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11, второго узла сравнения 102; блока индикации и оповещения 12, блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15, блока памяти 16.The presented device consists of a red radiation source unit 1 (with a radiation wavelength of 660 nm), an infrared radiation source unit 2 (radiation wavelength of 940 nm), a yellow-green radiation source unit 3 (radiation wavelength of 565 nm), an infrared radiation source unit 4 (wavelength of 880 nm), a photodetector device 5, an analog-to-digital converter (ADC) 6, a synchronization unit 7, and devices that perform control and processing functions: a random access memory (RAM) 8, a computing unit 9, a first comparison unit 101, a read-only memory (ROM) 11, a second comparison unit 102; an indication and notification unit 12, a barometer unit 13, an accelerometer unit 14, an altimeter unit 15, a memory unit 16.
По конструкции устройства видно, что оно предназначено для проведения исследований в кабине самолета или тренажерной камере, где имитируется высота и прочие. Для другого применения, например, в домашних условиях, ряд блоков можно отключить. Как и тогда изменить программу измерения и опроса.The device's design suggests it's intended for use in aircraft cabins or simulator chambers simulating altitude and other conditions. For other uses, such as at home, some units can be disabled. The measurement and survey program can then be modified.
В базовой концепции все выглядит таким образом. Выход блока красного излучателя 1 соединен с первым входом фотоприемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 2 соединен со вторым входом фотоприемника 5, выход блока желто-зеленого излучателя 3 соединен с третьим входом фотоприемника 5, выход блока инфракрасного излучателя 4 соединен с четвертым входом фотоприемника 5. Выход фотоприемника 5 соединен с первым входом АЦП 6. Выход АЦП 6 соединен с первым входом ОЗУ 8. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ОЗУ 8 соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами блока вычислителя 9. Выход блока вычислителя 9 соединен с первым входом блока памяти 16. Выход блока барометра 13 соединен со вторым входом блока памяти 16. Выход блока акселерометра 14 соединен с третьим входом блока памяти 16. Выход блока высотомера 15 соединен с четвертым входом блока памяти 16. Выход блока вычислителя 9 также соединен с первым входом блока индикации и оповещения 12, со вторым входом второго узла сравнения 102, с первым входом первого узла сравнения 101. Выход узла сравнения 101 соединен с третьим входом блока индикации и оповещения 12. Выход второго узла сравнения 102 соединен со вторым входом блока индикации и оповещения 12. Первый выход ПЗУ 11 соединен со вторым входом первого узла сравнения 101, а второй выход ПЗУ 11 соединен с первым входом второго узла сравнения 102. Первый выход блока синхронизации 7 соединен с входом блока красного излучателя 1, второй выход блока синхронизации 7 соединен с входом блока инфракрасного излучателя 2, третий выход блока синхронизации 7 соединен с входом блока желто-зеленого излучателя 3, четвертый выход блока синхронизации 7 соединен со входом блока инфракрасного излучателя 4, пятый выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом АЦП 6, шестой выход блока синхронизации 7 соединен со вторым входом ОЗУ 8, седьмой выход блока синхронизации 7 соединен с шестым входом блока вычислителя 9, восьмой выход блока синхронизации 7 соединен со входами блока барометра 13, блока акселерометра 14, блока высотомера 15 и пятым входом блока памяти 16. При такой конструкции и с учетом специфики работы пилота оптический датчик размещается на мочке уха. Это не исключает возможность его использования в домашних и клинических исследованиях, но существенно ограничивает возможности использования при движении человека, так как будет высокая вероятность засветки фотоприемника, особенно на излучении 565 нм (пик солнечной активности) и также возможно появление водных выделений в виде пота, вероятность появления которых на пальце руки человека намного меньше.In the basic concept, everything looks like this. The output of the red emitter unit 1 is connected to the first input of the photodetector 5, the output of the infrared emitter unit 2 is connected to the second input of the photodetector 5, the output of the yellow-green emitter unit 3 is connected to the third input of the photodetector 5, the output of the infrared emitter unit 4 is connected to the fourth input of the photodetector 5. The output of the photodetector 5 is connected to the first input of the ADC 6. The output of the ADC 6 is connected to the first input of the RAM 8. The first, second, third, fourth and fifth outputs of the RAM 8 are connected respectively to the first, second, third, fourth and fifth inputs of the computer unit 9. The output of the computer unit 9 is connected to the first input of the memory unit 16. The output of the barometer unit 13 is connected to the second input of the memory unit 16. The output of the accelerometer unit 14 is connected to the third input of the memory unit 16. The output of the altimeter unit 15 is connected to the fourth input of the memory unit 16. The output of the block computer 9 is also connected to the first input of the indication and notification unit 12, to the second input of the second comparison unit 102, to the first input of the first comparison unit 101. The output of the comparison unit 101 is connected to the third input of the indication and notification unit 12. The output of the second comparison unit 102 is connected to the second input of the indication and notification unit 12. The first output of the ROM 11 is connected to the second input of the first comparison unit 101, and the second output of the ROM 11 is connected to the first input of the second comparison unit 102. The first output of the synchronization unit 7 is connected to the input of the red emitter unit 1, the second output of the synchronization unit 7 is connected to the input of the infrared emitter unit 2, the third output of the synchronization unit 7 is connected to the input of the yellow-green emitter unit 3, the fourth output of the synchronization unit 7 is connected to the input of the infrared emitter unit 4, the fifth output of the synchronization unit 7 is connected to the second input of the ADC 6, the sixth output of the synchronization unit 7 is connected to the second The seventh output of the synchronization unit 7 is connected to the sixth input of the computer unit 9, and the eighth output of the synchronization unit 7 is connected to the inputs of the barometer unit 13, the accelerometer unit 14, the altimeter unit 15, and the fifth input of the memory unit 16. With this design, and taking into account the specifics of the pilot's work, the optical sensor is placed on the earlobe. This does not preclude its use in home and clinical studies, but significantly limits the possibilities of using it while the person is moving, as there is a high probability of exposure of the photodetector, especially at 565 nm (the peak of solar activity). It is also possible that water secretions in the form of sweat may appear, which is much less likely to appear on a human finger.
В данной конструкции нет системы для формирования пульсовой волны по причине использования четырех оптических систем излучения и сложной системы обработки информации на одном периоде пульса. При модернизации данной конструкции эта возможность в ней заложена, что существенно расширит функциональные возможности представленного устройства. Пока это существенный недостаток для получения новой информации об изменениях в работе ССС и функционального состояния организма.The current design lacks a pulse wave generation system due to the use of four optical emission systems and a complex information processing system for a single pulse period. This capability will be incorporated into the design during modernization, significantly expanding the device's functionality. Currently, this is a significant drawback for obtaining new information about changes in cardiovascular function and the body's functional state.
К недостаткам данной конструкции можно отнести использование фотодиода для регистрации сигналов поглощения на четырех длинах волн. Из базовой конструкции пульсоксиметра была удалена ПЗС матрица (её заменили на фотодиод). Причина такой замены носит технический характер, который не решили авторы изобретения. Чтобы исключить эффект спектрального перекрытия между источниками излучения, как в волоконной технике, надо обеспечить разнесение их минимум на 100 нм по длинам волн. Максимальное поглощение по длинам волн для указанных веществ в крови, определенных в клинико-лабораторных условиях, распределяется следующим образом: дезоксигемоглобин (Hb) - 660 нм, оксигемоглобин (HbO2) - 940 нм, карбоксигемоглобин (COHb) - 580 нм, метгемоглобин (metHb) - 880 нм. Динамический диапазон ПЗС с прямой засветкой имеет максимальное поглощение до длины волны 620-630 нм (далее резкий спад). Это существенно снижает отношение S/N регистрируемого на λ = 580 нм, а с учетом ранее определенных требований по разнесению диапазонов длин волн, регистрация осуществляется на λ = 565 нм, что еще уменьшает S/N. В такой ситуации использование фотодиода предпочтительнее по S/N. Этот недостаток можно устранить использованием линейки ПЗС, изготовленной по специальному заказу, что возможно, так как есть линейки ПЗС на видимый диапазон, спад по динамическому диапазону у них начинается в районе 860-870 нм, что создаст проблемы для регистрации сигнала поглощения на λ = 940 нм. В настоящее время все сложности, связанные с влиянием передаточной функции АЦП и артефактов, формируемых при отражении излучения от поверхности фотодиода, в конструкции данного прибора остаются.The disadvantages of this design include the use of a photodiode to record absorption signals at four wavelengths. The CCD matrix was removed from the basic design of the pulse oximeter (replaced with a photodiode). The reason for this replacement is of a technical nature, which the inventors did not resolve. To eliminate the effect of spectral overlap between radiation sources, as in fiber technology, it is necessary to ensure a separation of at least 100 nm in wavelengths. The maximum absorption by wavelength for the specified substances in the blood, determined in clinical laboratory conditions, is distributed as follows: deoxyhemoglobin (Hb) - 660 nm, oxyhemoglobin (HbO2 ) - 940 nm, carboxyhemoglobin (COHb) - 580 nm, methemoglobin (metHb) - 880 nm. The dynamic range of a CCD with direct illumination has a maximum absorption up to a wavelength of 620-630 nm (then a sharp drop). This significantly reduces the signal-to-noise ratio recorded at λ = 580 nm. Given the previously defined wavelength range separation requirements, recording is performed at λ = 565 nm, further reducing the signal-to-noise ratio. In this situation, using a photodiode is preferable in terms of signal-to-noise ratio. This drawback can be eliminated by using a custom-made CCD array. This is feasible, as while CCD arrays for the visible range have a dynamic range rolloff around 860-870 nm, this creates challenges for recording the absorption signal at λ = 940 nm. Currently, all the difficulties associated with the influence of the ADC transfer function and artifacts generated by radiation reflection from the photodiode surface remain in the design of this device.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая нами полезная модель, является увеличение уровня чувствительности устройства регистрации излучения после прохождения им кровеносных сосудов и мягких тканей, используемого в конструкции оптического датчика пульсоксиметра. Существующего уровня чувствительности в устройствах регистрации излучения у оптических датчиков в настоящее время недостаточно для достоверной диагностики, особенно в случае слабого по мощности сигнала поглощения при снижении кровотока, при тонких кровеносных сосудах и других факторах изменения в структуре пульсовой волны, связанных с работой ССС.The objective of our proposed utility model is to increase the sensitivity of the radiation recording device after it passes through blood vessels and soft tissue, used in the design of an optical pulse oximeter sensor. The current sensitivity of radiation recording devices in optical sensors is currently insufficient for reliable diagnostics, especially in cases of weak absorption signal strength due to reduced blood flow, thin blood vessels, and other factors that alter the pulse wave structure associated with cardiovascular function.
Для решения данной задачи предлагается конструкция оптического датчика для регистрации в экспресс-режиме сигнала поглощения излучения (пульсовой волны) в дальней периферийной зоне после прохождения им кровеносных сосудов и мягких тканей в пальце руки человека. Излучение в режиме прямой засветки формируется на двух длинах волн из видимого и ближнего ИК диапазона от двух источников излучения.To address this problem, we propose the design of an optical sensor for rapid recording of the radiation absorption signal (pulse wave) in the far peripheral zone after it passes through blood vessels and soft tissue in a human finger. In direct-illumination mode, the radiation is generated at two wavelengths, the visible and near-IR ranges, from two radiation sources.
Конструкция оптического датчика содержит в корпусе 4 устройство обработки и управления 10 и многофункциональный блок питания 14, закрепленные на основании корпуса 4, в верхней части корпуса встроены панель управления 11 и устройство индикации 13, а в нижней части корпуса встроен USB-порт 15, при этом в корпусе 4 оптического датчика выполнено ложе 9 с встроенными в верхней стенке двумя металлическими вставками 12, изготовленными в форме цилиндров, каждая из которых содержит источники излучения, выполненные в виде полупроводниковых диодов 1 и 2, входы которых соединены с выходами многофункционального блока питания 14, в нижней стенке ложа 9 напротив источников излучения встроено фотоприемное устройство 3, выполненное в виде линейки ПЗС со строчном переносом заряда, выход которого соединен с входом устройства обработки и управления 10.The design of the optical sensor contains in the housing 4 a processing and control device 10 and a multifunctional power supply unit 14, fixed on the base of the housing 4, in the upper part of the housing a control panel 11 and an indicator device 13 are built in, and in the lower part of the housing a USB port 15 is built in, wherein in the housing 4 of the optical sensor a bed 9 is made with two metal inserts 12 built into the upper wall, made in the form of cylinders, each of which contains radiation sources made in the form of semiconductor diodes 1 and 2, the inputs of which are connected to the outputs of the multifunctional power supply unit 14, in the lower wall of the bed 9 opposite the radiation sources a photodetector device 3 is built in, made in the form of a CCD line with a line charge transfer, the output of which is connected to the input of the processing and control device 10.
Технический результат, в отличие от ранее достигнутых возможностей по регистрации пульсовой волны с использованием различных оптических датчиков, заключается в том, что заявленный оптический датчик с линейкой ПЗС для регистрации сигнала поглощения излучения от полупроводниковых диодов обеспечивает отношение сигнал/шум (S/N) минимум на порядок выше, чем в других конструкциях оптических датчиков с матрицей ПЗС.The technical result, in contrast to previously achieved capabilities for recording a pulse wave using various optical sensors, is that the claimed optical sensor with a CCD array for recording a signal of absorption of radiation from semiconductor diodes provides a signal-to-noise ratio (S/N) at least an order of magnitude higher than in other designs of optical sensors with a CCD matrix.
Кроме того, обеспечивается подстройка при необходимости в автоматическом режиме мощности излучения полупроводниковых диодов для формирования более четкой структуры пульсовой волны в случае наличия физиологических особенностей в организме человека (тонкие кровеносные сосуды и прочие) или нахождения его в определенном состоянии (например, под наркозом во время операции и прочие). Это увеличивает точность измерения положения на временной шкале максимумов и минимумов пульсовой волны, что повышает достоверность определения различных индексов (отражения, ригидности и т.д.), которые характеризуют состояние организма человека. Кроме того, в структуре пульсовой волны формируется ряд новых фрагментов, которые связаны как с отклонениями в работе ССС человека, так и с влиянием на её работу приема лекарств, проведения процедур, тренировок и прочие. Это позволяет в реальном времени контролировать проведение назначенного терапевтического лечения и вносить корректировки в его реализацию. Определять более достоверно эффективность действия лекарств и процедур. Также расширяются возможности по неинвазивному контролю состояния организма человека во время операции, тренировках и прочие.Furthermore, the power output of semiconductor diodes is automatically adjusted, if necessary, to generate a clearer pulse wave structure in the presence of physiological characteristics in the human body (thin blood vessels, etc.) or in a specific state (for example, under anesthesia during surgery, etc.). This increases the accuracy of measuring the position of pulse wave peaks and valleys on the time scale, which increases the reliability of determining various indices (reflectivity, rigidity, etc.) that characterize the human body's condition. Furthermore, a number of new fragments are formed in the pulse wave structure, which are associated with both abnormalities in the human cardiovascular system and the impact of medications, procedures, training, and other factors on its functioning. This allows for real-time monitoring of prescribed therapeutic treatment and adjustments to its implementation, as well as more reliably determining the effectiveness of medications and procedures. Also, the capabilities for non-invasive monitoring of the human body's condition during surgery, training, and other activities are expanded.
При увеличении функциональных возможностей пульсоксиметра с новым оптическим датчиком сохраняется его компактность, мобильность при перемещении. Он может работать как от автономного источника питания, так и от аккумулятора. Информацию о результатах исследований работы ССС при необходимости можно перенести в ноутбук, планшет или иное устройство, что позволит её отправить в реальном времени врачу в случае проведения обследования пациентом самостоятельно, например в домашних условиях. При использовании нового датчика с линейкой ПЗС все функции по измерению пульса, сатурации и сердечного ритма сохраняются с обеспечением более высокой точности в ряде измерений.While the pulse oximeter's functionality has been enhanced with a new optical sensor, it remains compact and portable. It can operate on either a standalone power source or a battery. Cardiovascular function test results can be transferred to a laptop, tablet, or other device, allowing them to be sent in real time to a physician during self-assessment, such as at home. When using the new CCD sensor, all pulse, oxygen saturation, and heart rate measurement functions are retained, while providing increased accuracy in some measurements.
Поверка оптического датчика, как и всего пульсоксиметра необходима один раз в два-три года, как и другим моделям пульсоксиметров с оптическими датчиками с использованием стандартных методик.Calibration of the optical sensor, as well as the entire pulse oximeter, is required once every two to three years, as with other models of pulse oximeters with optical sensors, using standard methods.
На фиг. 1 представлена структурная схема оптического датчика для регистрации пульсовой волны: 1 и 2 - источники излучения (полупроводниковые диоды) на длины волны излучения λ1 = 660 нм и λ2 = 940 нм соответственно; 3 - фотоприемное устройство (линейка ПЗС со строчным переносом заряда); 4 - корпус датчика; 5 - ноготь; 6 - палец; 7 - кровеносные сосуды; 8 - поток крови; 9 - ложе для пальца; 10 - устройство обработки и управления; 11 - панель управления; 12 - металлические вставки; 13 - устройство индикации; 14 - многофункциональный блок питания; 15 – USB-порт.Fig. 1 shows the structural diagram of the optical sensor for recording the pulse wave: 1 and 2 - radiation sources (semiconductor diodes) for radiation wavelengths λ1 = 660 nm and λ2 = 940 nm, respectively; 3 - photodetector (line charge transfer device); 4 - sensor housing; 5 - nail; 6 - finger; 7 - blood vessels; 8 - blood flow; 9 - finger bed; 10 - processing and control device; 11 - control panel; 12 - metal inserts; 13 - indicator device; 14 - multifunctional power supply; 15 - USB port.
На фиг. 2 представлена структурная схема части оптического датчика размещенного на пальце руки: 1 и 2 - источники излучения (полупроводниковые диоды) на длины волны излучения λ1 = 660 нм и λ2 = 940 нм соответственно; 3 - фотоприемное устройство (линейка ПЗС со строчным переносом заряда); 4 - корпус датчика; 5 - ноготь; 6 - палец; 7 - кровеносные сосуды; 8 - поток крови; 9 - ложе для пальца.Fig. 2 shows a structural diagram of a part of the optical sensor placed on a finger: 1 and 2 - radiation sources (semiconductor diodes) for radiation wavelengths λ1 = 660 nm and λ2 = 940 nm, respectively; 3 - photodetector (line charge transfer device); 4 - sensor housing; 5 - nail; 6 - finger; 7 - blood vessels; 8 - blood flow; 9 - finger rest.
На фиг. 3 (а, б, в) представлены результаты зависимости изменения амплитуды регистрируемого сигнала поглощения за один период пульсовой волны для различных устройств регистрации излучения в конструкции оптического датчика: а) фотодиод; б) ПЗС матрица; в) линейка ПЗС.Fig. 3 (a, b, c) shows the results of the dependence of the change in the amplitude of the recorded absorption signal for one period of the pulse wave for various radiation recording devices in the design of an optical sensor: a) photodiode; b) CCD matrix; c) CCD array.
На фиг. 4 представлен результат изменения амплитуды регистрируемого сигнала поглощения за один период пульсовой волны для случая регистрации излучения с использованием линейки ПЗС в режиме подстройки мощности излучения диодов 1 и 2 (фиг. 1) по минимальной ширине максимумов и минимумов в структуре волны и максимальному отношению между ними.Fig. 4 shows the result of changing the amplitude of the recorded absorption signal for one period of the pulse wave for the case of recording radiation using a CCD array in the mode of adjusting the radiation power of diodes 1 and 2 (Fig. 1) according to the minimum width of the maxima and minima in the wave structure and the maximum ratio between them.
Предлагаемая нами конструкция оптического датчика, которую можно считать мобильным пульсоксиметром, относится к оптическому приборостроению и обеспечивает контроль работы ССС в экспресс-режиме, а также измерение пульса и сатурации путем регистрации сигнала поглощения излучения в дальней периферийной зоне после прохождения им кровеносных сосудов и мягких тканей в пальце руки человека, в которой предусмотрена буферизация пикселей, используется прямая засветка на двух длинах волн излучения - из видимого и ближнего ИК диапазона от двух источников излучения (полупроводниковых диодов 1 и 2), которые размещены в металлических вставках 12 в форме цилиндра, обеспечивающих длины волн излучения λ1 = 660 нм и λ2 = 940 нм соответственно, содержащихся в корпусе датчика 4, в котором также размещено фотоприемное устройство 3 (линейка ПЗС со строчным переносом заряда) для регистрации оптического излучения после прохождения им кровеносных сосудов и мягких тканей в пальце руки человека 6, расположенном специальном ложе 9, размещенном в корпусе 4, в котором также размещены в металлических вставках 12 в форме цилиндра с источниками излучения 1 и 2. В корпусе 4 располагаются: устройство обработки и управления 10 и многофункциональный блок питания 14, который может работать как от сетевого напряжения, так и от аккумуляторов, на верхней части корпуса 4 рядом располагаются устройство индикации 13 и панель управления 11, которая подключена к многофункциональному блоку питания 14 и устройству обработки управления 10, закрепленным на основании корпуса 4. К выходам многофункционального блока питания 14 также подключено устройство индикации 13 и линейка ПЗС 3. К выходу устройства управления и обработки 10 в нижней части корпуса подключен USB-порт 15, через который подключается ноутбук, планшет или смартфон для обработки данных и дальнейшей их передачи.The design of the optical sensor proposed by us, which can be considered a mobile pulse oximeter, relates to optical instrumentation and ensures control of the operation of the cardiovascular system in express mode, as well as measurement of the pulse and saturation by recording the radiation absorption signal in the far peripheral zone after it passes through blood vessels and soft tissues in the finger of the human hand, which provides for pixel buffering, direct illumination is used at two wavelengths of radiation - from the visible and near IR range from two radiation sources (semiconductor diodes 1 and 2), which are placed in metal inserts 12 in the form of a cylinder, providing radiation wavelengths λ1 = 660 nm and λ2 = 940 nm, respectively, contained in the body of the sensor 4, which also houses a photodetector 3 (line charge transfer CCD) for recording optical radiation after it passes through blood vessels and soft tissues in the finger of the human hand 6, located in a special bed 9, placed in a housing 4, in which are also placed in metal inserts 12 in the form of a cylinder with radiation sources 1 and 2. In the housing 4 are located: a processing and control device 10 and a multifunctional power supply 14, which can operate both from the mains voltage and from batteries, on the upper part of the housing 4 next to the indicator device 13 and the control panel 11, which is connected to the multifunctional power supply 14 and the processing control device 10, fixed on the base of the housing 4. The indicator device 13 and the CCD array 3 are also connected to the outputs of the multifunctional power supply 14. A USB port 15 is connected to the output of the control and processing device 10 in the lower part of the housing, through which a laptop, tablet or smartphone is connected for processing data and their subsequent transmission.
При подключении к ней через USB-порт 15 ноутбука, планшета или смартфона функциональные возможности диагностики ССС существенно расширяются, также возможна передача информации на расстояния в реальном времени с использованием устройств, подключенных через USB-порт.When connected to a laptop, tablet or smartphone via USB port 15, the functionality of cardiovascular diagnostics is significantly expanded, and it is also possible to transmit information over distances in real time using devices connected via a USB port.
На фиг. 1 представлена конструкция разработанного оптического датчика, в корпусе 4 которого в выполненном ложе 9 в нижней стенке размещены функциональные элементы, принципиально новым из которых является фотоприемное устройство - линейка ПЗС 3 со строчном переносом заряда и панель управления 11, встроена на верхней части корпуса 4, на которой также размещается устройство индикации 13. В левой части корпуса 4 расположено ложе 9 для размещения в нем пальца руки человека 6, на поверхность которого поступает излучение от двух источников излучения (полупроводниковых диодов 1 и 2 (фиг. 1)). Палец 6 должен размещаться в ложе 9 таким образом, чтобы излучение полупроводниковых диодов 1 и 2, размещенных в цилиндрических вставках в верхней стенке ложа 9, не попадало на ноготь 5. Для этого конструкция ложа 9 выполнена, так же, как и в стандартных датчиках пульсоксиметров, чтобы палец можно было по нему перемещать до упора в стенку ложа 9. Зоны перемещения пальца в ложе 9 достаточно для рук различных людей. Проблемой при измерениях, как и во всех конструкциях подобных датчиков пульсоксиметров, могут быть длинные ногти пациента, так как зона перемещения пальца в ложе имеет ограниченные размеры (не более 10 см).Fig. 1 shows the design of the developed optical sensor, in the housing 4 of which, in the formed bed 9 in the lower wall, functional elements are placed, a fundamentally new one of which is a photodetector - a CCD array 3 with a line charge transfer and a control panel 11, built into the upper part of the housing 4, on which the indicator device 13 is also located. In the left part of the housing 4, a bed 9 is located for placing a finger of a person's hand 6 in it, onto the surface of which radiation from two radiation sources (semiconductor diodes 1 and 2 (Fig. 1)) is received. Finger 6 should be positioned in holder 9 so that radiation from semiconductor diodes 1 and 2, housed in cylindrical inserts in the upper wall of holder 9, does not fall on nail 5. To achieve this, holder 9 is designed, similar to standard pulse oximeter sensors, to allow the finger to be moved along it until it contacts the wall of holder 9. The finger movement range in holder 9 is sufficient for the hands of various individuals. As with all similar pulse oximeter sensor designs, long patient nails may pose a problem during measurements, as the finger movement range in the holder is limited (no more than 10 cm).
Для регистрации сигнала поглощения от излучения полупроводниковых диодов 1 и 2, прошедшего через кровеносные сосуды и мягкие ткани используется фотоприемное устройство 3 (линейка ПЗС с по большей мере 128 пикселями, работающей в режиме прямой засветки). Полупроводниковые диоды 1 и 2 расположены в корпусе 4 напротив линейки ПЗС 3, так чтобы их излучение в отсутствие пальца в ложе 9 полностью поступало на пиксели линейки ПЗС 3. В разработанном оптическом датчике использовался опытный образец линейки ПЗС со 128 пикселями, изготовленной в ЦНИИ «Электрон» (аналог линеек, выпускаемых компанией Hamamamatsu). В Таблице 1 представлены параметры данной линейки.To record the absorption signal from semiconductor diodes 1 and 2, transmitted through blood vessels and soft tissue, photodetector 3 (a CCD array with at least 128 pixels, operating in direct illumination mode) is used. Semiconductor diodes 1 and 2 are located in housing 4 opposite CCD array 3 so that their radiation, when the finger is not in the support 9, is fully transmitted to the pixels of CCD array 3. The developed optical sensor utilized a prototype CCD array with 128 pixels manufactured at the Elektron Central Research Institute (analogous to arrays produced by Hamamamatsu). Table 1 presents the parameters of this array.
Таблица 1. Основные технические характеристики линейки ПЗСTable 1. Main technical characteristics of the CCD line
Принцип регистрации пульсовой волны при использовании оптического датчика с фотоприемным устройством (линейкой ПЗС) по сравнению с ранее используемыми конструкциями оптических датчиков не изменяется. Для получения максимального отношения S/N регистрируемого сигнала поглощения, на основании которого формируется пульсовая волна, используются две длины волны: λ1 = 660 нм (красная область) и λ2 = 940 нм (ближний ИК). Излучение в ИК области спектра на λ2 оказывает максимальное воздействие на оксигемоглобин, а излучение в красной области спектра на λ1 - на гемоглобин. Такое одновременное комбинационное воздействия на два типа гемоглобина, который содержится в крови, позволяет увеличить отношение S/N в несколько и более раз по сравнению со случаем использования в оптических датчиках одной длины волны. Этот способ реализован во всех промышленных пульсоксиметрах.The principle of pulse wave recording using an optical sensor with a photodetector (CCD array) remains unchanged from previously used optical sensor designs. To achieve the maximum S/N ratio of the recorded absorption signal, which is used to generate the pulse wave, two wavelengths are used:λ1 = 660 nm (red region) andλ2 = 940 nm (near IR). Radiation in the IR region of the spectrum atλ2 has the maximum effect on oxyhemoglobin, while radiation in the red region of the spectrum atλ1 has the maximum effect on hemoglobin. This simultaneous combined effect on the two types of hemoglobin contained in the blood allows for an increase in the S/N ratio by several times or more compared to the use of a single wavelength in optical sensors. This method is implemented in all industrial pulse oximeters.
Необходимо отметить, что использование полупроводниковых диодов 1 и 2 (фиг. 1) в оптическом датчике дает ряд преимуществ по сравнению с использованием классических светодиодов, которые в основном ранее использовались в конструкциях пульсоксиметров в качестве источников излучения. Полупроводниковые (п/п) диоды излучают в режиме основной моды (в излучение светодиода мод больше). Ширина линии излучения у п/п диода Δλ = 0.25 нм для мощности 1.5 мВт. Это позволяет поставить на его торце макролинзу и сделать фронт излучения близкий к плоскопараллельному, что значительно снижает образование различных «паразитных» эффектов (в том числе интерференционные), связанных с преломлением света на границе воздух-кожа, кожа - мягкие ткани и прочие, которые приводят к образованию артефактов. В светодиодах пучок излучения расходящийся. Применение излучения с плоскопараллельным фронтом в новой конструкции датчика снижает вероятность образования спекл-картин, связанных с искривлениями в кровеносных сосудах 7 в пальце 6 (фиг. 2), их размещением под большим углом к падающему излучению и т.д. Это является физиологическими особенностями строения человека, которые надо учитывать. Кроме того, подстройка положения датчика на пальце с таким излучением более эффективна для получения адекватной формы пульсовой волны (без артефактов) по сравнению со случаем использования расходящегося пучка излучения.It should be noted that the use of semiconductor diodes 1 and 2 (Fig. 1) in the optical sensor offers several advantages over the use of classic LEDs, which were previously primarily used as radiation sources in pulse oximeter designs. Semiconductor (semiconductor) diodes emit in the fundamental mode (LED emission has a larger mode). The emission linewidth of a semiconductor diode is Δλ = 0.25 nm for a power of 1.5 mW. This allows the placement of a macrolens on its end and the creation of a nearly plane-parallel emission front, which significantly reduces the formation of various "parasitic" effects (including interference) associated with the refraction of light at the air-skin, skin-soft tissue, and other interfaces that lead to the formation of artifacts. In LEDs, the emission beam is divergent. The use of plane-parallel radiation in the new sensor design reduces the likelihood of speckle patterns associated with curvatures in blood vessels 7 in finger 6 (Fig. 2), their placement at a large angle to the incident radiation, etc. These are physiological characteristics of human anatomy that must be taken into account. Furthermore, adjusting the sensor's position on the finger with this type of radiation is more effective in obtaining an adequate pulse waveform (free of artifacts) compared to using a divergent beam.
Сигнал пульсовой волны после линейки ПЗС 3 (фиг. 1) формируется в устройстве обработки и управления 10, выходы которого соединены с входом фотоприемного устройства 3, входом устройства индикации 13 и с USB-портом 15, и отображается на экране устройства индикации 13 в ступенчатой форме, как в случае использования для его регистрации ПЗС матрицы. Он этим принципиально отличается от гладкой формы, получаемой при использовании в оптическом датчике фотодиодов. На фиг. 3 представлены три случая формирования пульсовой волны, которая регистрируется с использованием трех типов оптических датчиков.The pulse wave signal after the CCD array 3 (Fig. 1) is generated in the processing and control unit 10, the outputs of which are connected to the input of the photodetector 3, the input of the display device 13, and the USB port 15. It is displayed on the screen of the display device 13 in a stepped form, as in the case of using a CCD matrix for its recording. In this way, it differs fundamentally from the smooth form obtained when using photodiodes in the optical sensor. Fig. 3 shows three cases of pulse wave formation, which are recorded using three types of optical sensors.
Число ступенек в регистрируемом сигнале пульсовой волны (фиг. 3 (б, в)) определяется квантованием уровней (заполнением квантовых ям электронами). Скорость заполнения этих ям зависит от мощности сигнала поглощения излучения в потоке крови 8 (фиг. 1). В этом случае форма сигнала пульсовой волны формируется в виде ступенек с квантованием каждого уровня, который индивидуален для состояния человека. Этот сигнал с выхода линейки ПЗС (используется схема с двумя выходными каскадами) в цифровой форме поступает на микроконтроллер, который входит в состав 10. В линейках ПЗС компании «Hamamamatsu» используется схемы с четырьмя выходными каскадами (чтобы выходная частота была 25 МГц).The number of steps in the recorded pulse wave signal (Fig. 3 (b, c)) is determined by level quantization (filling quantum wells with electrons). The rate at which these wells are filled depends on the power of the radiation absorption signal in the blood flow 8 (Fig. 1). In this case, the pulse wave signal is formed as steps with quantization of each level, which is individual to the individual. This signal from the CCD array output (a circuit with two output stages is used) is fed in digital form to the microcontroller, which is part of 10. Hamamamatsu CCD arrays use circuits with four output stages (to achieve an output frequency of 25 MHz).
В этом случае в схеме обработки и управления 10 АЦП не требуется как в ранее используемых пульсоксиметрах с фотодиодами для регистрации оптического сигнала. Преимущество, которое было при использовании ПЗС матриц перед фотодиодами при использовании линек ПЗС сохраняется. Передаточная функция АЦП вносит искажения в структуру фронтов нарастания и спада пульсовой волны, что не позволяет определить небольшие изменения в состоянии сердечно-сосудистой системы человека, например, связанные с приемом лекарств при прохождении курса лечения или процедур. При этом сохраняются функции, которые были присущи ранее используемым пульсоксиметрам по измерению пульса, процента насыщения гемоглобина кислородом, амплитуд пиков и временных интервалов между ними.In this case, the 10 ADC processing and control circuit is not required, as was the case with previously used pulse oximeters with photodiodes for optical signal recording. The advantage of using CCD matrices over photodiodes is retained when using CCD lines. The ADC transfer function introduces distortions into the structure of the pulse wave rise and fall edges, making it impossible to detect minor changes in the human cardiovascular system, such as those associated with medication intake during treatment or procedures. However, the functions inherent in previously used pulse oximeters for measuring pulse rate, hemoglobin oxygen saturation percentage, peak amplitudes, and time intervals between peaks are retained.
Основное уменьшение S/N в новой конструкции оптического датчика более, чем на порядок, по сравнению с датчиком с ПЗС матрицей, в первую очередь связано с уменьшением собственного интегрального шума, так как для регистрации сигнала поглощения излучения в линейке ПЗС используется намного меньше пикселей по сравнению с ПЗС матрицей.The main reduction in S/N in the new design of the optical sensor, by more than an order of magnitude, compared to a sensor with a CCD matrix, is primarily due to a reduction in its own integral noise, since much fewer pixels are used to record the radiation absorption signal in the CCD array compared to a CCD matrix.
Необходимо отметить, что использование фотоприемного устройства 3 на основе линейки ПЗС значительно снижает отраженный сигнал излучения от её поверхности по сравнению с ПЗС матрицей (площадь меньше минимум на порядок) и фотодиодом. Это автоматически уменьшает возможные интерференционные явления, которые могут привести к образованию артефактов в структуре пульсовой волны, которые обработкой не убрать. Данные артефакты присутствуют при регистрации пульсовой волны с использованием отраженной пульсоксиметрии и создают в ряде случаев большие проблемы при установлении достоверности результатов обследования. Преимущество трансмиссионной пульсоксиметрии перед отраженной является то, что влияние «интерференционных» артефактов на результат измерения пульсовой волны на порядки меньше, чем в отраженной. Использование ПЗС линейки делает влияние этого артефакта несущественным на результат исследования состояния ССС человека.It should be noted that the use of a CCD-based photodetector significantly reduces the reflected radiation signal from its surface compared to a CCD matrix (the area is at least an order of magnitude smaller) and a photodiode. This automatically reduces potential interference phenomena that can lead to the formation of artifacts in the pulse wave structure that cannot be removed by processing. These artifacts are present when recording pulse waves using reflected pulse oximetry and, in some cases, create significant problems in establishing the reliability of examination results. The advantage of transmission pulse oximetry over reflected pulse oximetry is that the influence of "interference" artifacts on the pulse wave measurement result is orders of magnitude less than with reflected pulse oximetry. Using a CCD array makes the influence of this artifact insignificant on the results of a human cardiovascular system study.
Использование линейки ПЗС в оптическом датчике позволяет реализовать режим регулировки мощности п/п диодов 1 и 2 (фиг. 1), изменяя напряжение, поступающее на их входы от многофункционального блока питания 14, выходы многофункционального блока питания 14 соединены с источниками излучения 1 и 2, с входом фотоприемного устройства 3, с входом устройства обработки и управления 10, входом панели управления 11 и входом устройства индикации 13. Регулировка реализуется по максимальному отношению сигнал/шум в структуре пульсовой волны по команде с панели управления 11 в устройство обработки и управления 10. В дальнейшем возможна автоматическая регулировка мощности, с возможностью использования специального алгоритма обработки сигнала пульсовой волны, для формирования команд подстройки напряжения на п/п диодах 1 и 2. Многофункциональный блок питания может работать как от сетевого напряжения, так и от аккумуляторов.The use of a CCD array in the optical sensor makes it possible to implement a mode for regulating the power of semiconductor diodes 1 and 2 (Fig. 1) by changing the voltage supplied to their inputs from the multifunctional power supply unit 14. The outputs of the multifunctional power supply unit 14 are connected to radiation sources 1 and 2, to the input of the photodetector 3, to the input of the processing and control device 10, the input of the control panel 11 and the input of the indication device 13. The regulation is implemented based on the maximum signal-to-noise ratio in the pulse wave structure upon a command from the control panel 11 to the processing and control device 10. In the future, automatic regulation of the power is possible, with the possibility of using a special algorithm for processing the pulse wave signal to generate commands for adjusting the voltage on semiconductor diodes 1 and 2. The multifunctional power supply unit can operate both from the mains voltage and from batteries.
Основной режим работы п/п диода в конструкции оптического датчика по мощности составляет 1 мВт. Возможно его увеличение до 3.5 мВт (больше использовать сложно, так как дополнительное охлаждение п/п диодов 1 и 2 в виде металлических вставок 12 в корпус 4 (фиг. 1) не обеспечивают эффективный отвод тепла. Разогрев п/п диодов 1 и 2 приведет к изменениям в их режиме излучения.The basic operating mode of the semiconductor diode in the optical sensor design is 1 mW. It can be increased to 3.5 mW (higher power is difficult to use, as additional cooling of semiconductor diodes 1 and 2 in the form of metal inserts 12 in housing 4 (Fig. 1) does not provide effective heat dissipation. Heating semiconductor diodes 1 and 2 will lead to changes in their emission mode.
Устройство обработки и управления 10 может быть выполнено на основе микроконтроллера из серии STM32F3, например, STM32F303ZET7. С целью обеспечения электрического питания, линейка ПЗС 3, устройство обработки и управления 10, панель управления 11, устройство индикации 13 подсоединяются к многофункциональному блоку питания 14 посредством специальных электропроводов. Универсальный источник питания 14 выполнен на основе микросхемы с несколькими выходными напряжениями стабилизации от 3.5 В до 15 В, в состав которого входит аккумулятор.Processing and control unit 10 may be implemented using an STM32F3 series microcontroller, such as the STM32F303ZET7. To provide power, CCD array 3, processing and control unit 10, control panel 11, and display unit 13 are connected to multifunctional power supply 14 via dedicated electrical cables. Universal power supply 14 is implemented using a microcircuit with multiple output voltages, stabilizing from 3.5 V to 15 V, and incorporating a battery.
В состав конструкции пульсоксиметра может входить преобразователь напряжения, который позволяет реализовать его работу от сети, Этот преобразователь используется для зарядки аккумулятора как в ноутбуке. Через USB-порт от устройства обработки и управления 10 информация может передаваться на ноутбук, планшет и другие устройства как для обработки, хранения данных или передачи их на расстояния.The pulse oximeter may include a voltage converter, allowing it to operate from a power source. This converter is used to charge the battery, just like in a laptop. Via the USB port, information can be transferred from the processing and control unit 10 to a laptop, tablet, or other devices for processing, storing, or transmitting data over long distances.
Для подтверждения расширения функциональных возможностей использования оптических датчиков с линейкой ПЗС на фиг. 3 представлены результаты регистрации пульсовых волн одного из пациентов, у которого в дальнейшем были выявлены отклонения в работе ССС.To confirm the expansion of the functional capabilities of using optical sensors with a CCD array, Fig. 3 shows the results of recording pulse waves from one of the patients, in whom abnormalities in the functioning of the cardiovascular system were subsequently detected.
Анализ представленных форм пульсовых волн (фиг. 3), показывает, что использование линейки ПЗС позволило установить в пульсовой волне третий максимум (фиг. 3, в), который четко характеризует патологию в работе ССС пациента в отличие от регистрации пульсовой волны с использованием фотодиода и ПЗС матрицы (фиг. 3, а, б). Это однозначно подтверждает все преимущества использования линейки ПЗС по сравнению с ПЗС матрицей для получения новой информации. Необходимо также отметить, что различия в частотах дискретизации в несколько раз между случаями, когда используется оптический датчик с фотодиодом, с ПЗС матрицей и с линейкой ПЗС не позволяет получить полного совпадения, при сравнении фронтов нарастания и спада пульсовых волн. При этом положение на временной оси максимумов и минимумов в трех зарегистрированных пульсовых волнах (фиг. 3) совпадают в пределах погрешности измерений. Эта тенденция сохраняется и для других случаев регистрации пульсовых волн у пациентов с различными патологиями. В Таблице 2 представлены результаты этих сравнений.An analysis of the presented pulse wave forms (Fig. 3) shows that the use of a CCD array allowed us to establish a third maximum in the pulse wave (Fig. 3, c), which clearly characterizes the pathology in the patient's cardiovascular system, in contrast to pulse wave recording using a photodiode and a CCD matrix (Fig. 3, a, b). This clearly confirms all the advantages of using a CCD array over a CCD matrix for obtaining new information. It should also be noted that the differences in sampling frequencies of several times between the cases when an optical sensor with a photodiode, with a CCD matrix and with a CCD array are used do not allow for complete coincidence when comparing the rise and fall fronts of pulse waves. At the same time, the positions on the time axis of the maxima and minima in the three recorded pulse waves (Fig. 3) coincide within the measurement error. This trend is maintained for other cases of pulse wave recording in patients with various pathologies. Table 2 presents the results of these comparisons.
Таблица 2. Сравнение временных интервалов Δt1 и Δt2 для трех вариантов регистрации сигнала поглощения излучения для трех пациентов с различными патологиями ССС.Table 2. Comparison of time intervals Δt1 and Δt2 for three options for recording the radiation absorption signal for three patients with different cardiovascular pathologies.
Tpw= 0.76 сA patient with coronary Qi deficiency syndrome
Tpw = 0.76 s
Tpw= 0.84 сA patient with ischemic heart disease (Stasis syndrome)
Tpw = 0.84 s
Tpw= 0.92 сPatient without obvious signs of illness (Fig. 3)
Tpw = 0.92 s
Полученные результаты еще раз подтверждают корректность проведения измерений с использованием линейки ПЗС в оптическом датчике.The obtained results once again confirm the correctness of measurements using a CCD array in an optical sensor.
На фиг. 4 представлен результат работы схемы подстройки мощности излучения п/п диодов 1 и 2 для случая регистрации пульсовой волны с использованием линейки ПЗС, представленной на фиг. 3 (в).Fig. 4 shows the result of the operation of the circuit for adjusting the radiation power of semiconductor diodes 1 and 2 for the case of recording a pulse wave using the CCD array shown in Fig. 3 (c).
Анализ форм пульсовых волн (фиг. 3 (в), фиг. 4) показал при использовании опции подстройки мощности излучения п/п диодов 1 и 2 изменяется структура и амплитуда второго и третьего максимума, а также первого и второго минимума. Это позволяет более точно определить различные индексы, которые используются для контроля состояния, как ССС, так и организма человека. Амплитуда и положение первого максимума не изменяется, что окончательно подтверждает корректность и обоснованность выбор режима подстройки работы оптического датчика и достоверность полученных результатов.An analysis of the pulse waveforms (Fig. 3 (c), Fig. 4) revealed that using the power adjustment option for semiconductor diodes 1 and 2 alters the structure and amplitude of the second and third maxima, as well as the first and second minima. This allows for a more accurate determination of various indices used to monitor both the cardiovascular system and the human body. The amplitude and position of the first maximum remain unchanged, definitively confirming the correctness and validity of the optical sensor's adjustment mode and the reliability of the obtained results.
Особенностью использования датчика с линейкой ПЗС является, то, что при его установке на палец надо более внимательно следить за его расположением, так как уменьшается область регистрации излучения (сигнала поглощения на кровеносном сосуде и тканях) на фоточувствительных сенсорах. Данный факт также присущ оптическим датчикам, в которых используются фотоприемник и ПЗС матрицы, но там положение пальца относительно оптических элементов менее критично, по сравнению с использованием линейки ПЗС по причине большей площади их фоточувствительных сенсоров, используемых для регистрации излучения. Данная проблема при современном развитие 3D-печати решается достаточно просто. Для пользователя пульсоксиметра при его приобретении предлагается на месте изготовить корпус датчика с вставкой под размер его пальца (это несущественно отразится на стоимости всего прибора). Оптический датчик для регистрации в экспресс-режиме пульсовой волны в дальней периферийной зонеA particular feature of using a CCD array sensor is that its placement on a finger requires careful monitoring, as the area of radiation detection (absorption signal on the blood vessel and tissue) on the photosensitive sensors is reduced. This is also true for optical sensors that use a photodetector and CCD arrays, but the finger's position relative to the optical elements is less critical than with CCD array sensors due to the larger area of their photosensitive sensors used to detect radiation. This problem is easily solved with the advancement of 3D printing. When purchasing a pulse oximeter, the user is offered the option of having a sensor housing with an insert custom-sized to fit their finger (this will not significantly affect the cost of the entire device). An optical sensor for express pulse wave recording in the far peripheral zone.
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU237818U1true RU237818U1 (en) | 2025-10-07 |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118122C1 (en)* | 1994-05-17 | 1998-08-27 | Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище | Method of measuring of pulse wave propagation velocity, arterial pressure, temperature of body, content of hemoglobin in blood and devices intended for their realization |
| CN105942992A (en)* | 2016-04-12 | 2016-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | A real-time pulse wave detection device based on CCD |
| JP6170313B2 (en)* | 2013-02-28 | 2017-07-26 | ローム株式会社 | Pulse wave sensor |
| CN109363650A (en)* | 2018-12-18 | 2019-02-22 | 浙江工业大学 | A blood oxygen saturation and pulse measurement system based on carrier modulation method |
| US10893907B2 (en)* | 2015-08-11 | 2021-01-19 | You In KIM | Medical skin wrinkle improvement device using peak of laser pulse wave |
| RU2766756C1 (en)* | 2021-04-19 | 2022-03-15 | Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова" | Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118122C1 (en)* | 1994-05-17 | 1998-08-27 | Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище | Method of measuring of pulse wave propagation velocity, arterial pressure, temperature of body, content of hemoglobin in blood and devices intended for their realization |
| JP6170313B2 (en)* | 2013-02-28 | 2017-07-26 | ローム株式会社 | Pulse wave sensor |
| US10893907B2 (en)* | 2015-08-11 | 2021-01-19 | You In KIM | Medical skin wrinkle improvement device using peak of laser pulse wave |
| CN105942992A (en)* | 2016-04-12 | 2016-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | A real-time pulse wave detection device based on CCD |
| CN109363650A (en)* | 2018-12-18 | 2019-02-22 | 浙江工业大学 | A blood oxygen saturation and pulse measurement system based on carrier modulation method |
| RU2766756C1 (en)* | 2021-04-19 | 2022-03-15 | Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова" | Digital device for monitoring the physiological health indicators of an aircraft pilot |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ray et al. | A review of wearable multi-wavelength photoplethysmography | |
| US11800990B2 (en) | Perfusion assessment using transmission laser speckle imaging | |
| EP3380002B1 (en) | Wearable device and system for acquiring physiological information of a subject | |
| US12150741B2 (en) | Fully non-invasive blood sugar level monitoring apparatus integrated with real-time health support system | |
| US12109024B2 (en) | Pulse oximetry device, system and method | |
| US11304634B2 (en) | Non-invasive blood glucose sensor | |
| US20140051941A1 (en) | Obtaining physiological measurements using a portable device | |
| US20130267854A1 (en) | Optical Monitoring and Computing Devices and Methods of Use | |
| US20050059869A1 (en) | Physiological monitoring system and improved sensor device | |
| US20120083673A1 (en) | Depth of consciousness monitor including oximeter | |
| CA3006874A1 (en) | Systems, devices, and methods for performing trans-abdominal fetal oximetry and/or trans-abdominal fetal pulse oximetry | |
| JP2018528807A (en) | Apparatus and system for monitoring heart rate related information of a subject | |
| US20200383628A1 (en) | Optical response measurement from skin and tissue using spectroscopy | |
| WO2014089665A1 (en) | System for measurement of cardiovascular health | |
| US20190343432A1 (en) | Non-invasive hemoglobin and white blood cell sensors | |
| EP4041081B1 (en) | Pulse oximetry methods, devices and systems | |
| US20150112169A1 (en) | Finger-placement sensor | |
| US20220142520A1 (en) | A non-invasive glucometer | |
| JP2006158974A (en) | Integral type physiologic signal evaluation apparatus | |
| US10506961B1 (en) | Diagnostic transducer and method | |
| Nowara et al. | Seeing beneath the skin with computational photography | |
| Botman et al. | Photoplethysmography-based device designing for cardiovascular system diagnostics | |
| RU237818U1 (en) | An optical sensor for express recording of the pulse wave in the far peripheral zone | |
| Hayirlioglu et al. | PhysioPatch: A multimodal and adaptable wearable patch for cardiovascular and cardiopulmonary assessment | |
| Motin et al. | Compact pulse oximeter designed for blood oxygen saturation and heart rate monitoring |