Пальцевый фотоплетизмограф

Автор: Eugeny · Дата: 10 Февраль 2011 · Есть 1 комментарий

УЧЕБНЫЙ ПРОЕКТ «ПАЛЬЦЕВЫЙ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФ»

На примере этого проекта студентам предлагается повторять и совершенствовать один из распространенных медицинских приборов – фотоплетизмограф. Принцип работы прибора достаточно прост, но техническая реализация требует обширных знаний в области электроники  и позволяет студентам освоить работу с современными микроконтроллерами, графическими жидкокристаллическими дисплеями, радиомодулями, интерфейсами передачи данных и др.

Продолжение темы экспериментальный образец прибора

 

Метод фотоплетизмографии основан на регистрации оптической плотности исследуемой ткани. Исследуемый участок ткани просвечивается инфракрасным светом, который после рассеивания (или отражения), попадает на фотоприемник. Интенсивность света, отраженного или рассеянного исследуемым участком ткани (органа), определяется количеством содержащейся в нем крови.

Использование пальцевой фотоплетизмографии имеет большую диагностическую ценность в оценке проходимости периферических сосудов, быстрой и точной оценки локального капиллярного кровотока.

Пальцевая фотоплетизмография предоставляет в течении короткого периода времени точную и объективную информацию об изменениях параметров кровообращения при воздействии на организм различных физических факторов, что позволяет использовать ее в физиотерапии. Диагностические возможности фотоплетизмографии позволяют прогнозировать оптимальную дозу фактора воздействия и предупреждать отрицательные реакции в результате передозировки воздействующего физического фактора.

Исследование артериального пульса дает возможность получить важные сведения о работе сердца и состоянии кровообращения. Определяются следующие свойства пульса: ритм, частота, напряжение, наполнение, величина и форма.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Методика фотоплетизмографии базируется на методе оптической денситометрии с количественной и качественной оценкой характера поглощения или рассеяния света в тканях организма. Высокая чувствительность, достоверность и хорошая воспроизводимость показателей метода пальцевой фотоплетизмографии дают возможность объективизировать динамическую оценку у наблюдаемых больных изменений функционального состояния отдельных звеньев и в целом состояния сердечно-сосудистой системы и влияния на нее центральных отделов нервной и вегетативной нервной системы.

Следует пояснить, что стандартный метод пальцевой фотоплетизмографии основан на том, что исследуемая концевая фаланга пальца кисти или стопы просвечивается с одной стороны обычным некогерентным светом, который после рассеивания в ней с противоположной стороны поступает на фотоприемник.

Интенсивность света, рассеянного участком исследуемой ткани, отражает количество содержащейся в ней крови в реальный отрезок времени, регистрируя количественную и качественную динамику последовательных изменений объема крови в изучаемом участке ткани в период каждого сердечного цикла на протяжении всего процесса измерений.

Предметом изучения при проведении пальцевой фотоплетизмографии являются пульсовые волны. Предоставляемая ими информация отражает на периферическом уровне гемодинамики деятельность сердечнососудистой системы.

Пульсовая волна состоит из двух компонентов – анакротической и дикротической фазы.

Вид пульсовой волны

Первый пик пульсовой волны, соответствующий анакротическому периоду пульсовой волны (А1), образуется в период систолы. Амплитудное значение анакротической фазы носит также название амплитуды пульсовой волны и соответствует ударному объему крови при сердечной выбросе, предоставляя таким образом косвенные сведения о степени инотропного эффекта.

Второй пик пульсовой волны, соответствующий дикротическому периоду пульсовой волны (А2). Дикротическая фаза предоставляет информацию о тонусе сосудов.

Вершина пульсовой волны соответствует наибольшему объему крови, а ее противолежащая часть – наименьшему объему крови в исследуемом участке ткани. Характер пульсовой волны зависит от эластичности сосудистой стенки, частоты пульса, объема исследуемого участка ткани, ширины просвета сосудов. Считается, что частота и продолжительность пульсовой волны зависит от особенностей работы сердца, а величина и форма ее пиков – от состояния сосудистой стенки.

Изучаемые параметры фотоплетизмограммы можно разделить на четыре группы:

1.      Амплитудные, соответствующие анакротическому и дикротическому периоду. Несмотря на то, что эти параметры являются относительными, их изучение в динамике предоставляет ценную информацию о силе сосудистой реакции в процессе действия какого-либо кратковременно действующего на организм фактора.

2.     Временные, предоставляющие информацию о длительности сердечного цикла и частоты сердечных сокращений, соотношении и длительности систолы и диастолы и формирующих их фаз. Эти параметры имеют абсолютные значения и могут сравниваться с существующими нормативными показателями. В этой группе изучается длительность анакротической и дикротической фазы пульсовой волны, длительность пульсовой волны, индекс восходящей волны, время наполнения в период систолы, продолжительность систолической и диастолической фазы сердечного цикла, частота сердечных сокращений.

3.     Статистические, определяющие вариабельность амплитуды и сердечного ритма на большом промежутке времени (минуты).

4.     Вычисляемые параметры с использованием значений предыдущих групп. К этой группе относятся: индекс дикротической волны, отражающий положение вершины дикротической волны относительно анакротической; отношение длительности анакротической и дикротической фаз.

Вычисление вышеприведенных параметров позволяет проводить диагностику как  при оценке мгновенной реакции организма на воздействие внешних физических факторов, например, при проведении интенсивной терапии, так и при регистрации изменений гемодинамики на протяжении длительного периода.

Регистрацию вышеперечисленных параметров, вычисление амплитудных, временных и статистических параметров пульсовой волны и их графическое отображение выполняется с помощью макета фотоплетизмографа, разработанного на кафедре ФБМЭ и КИТ ХНУ им. В.Н. Каразина.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Разработан макет оптического пульсографа, который позволяет регистрировать пульсовую волну, вычислять частоту сердечных сокращений, артериальное давление и проводить анализ вариабельности сердечного ритма.

Датчиком регистрации изменения кровотока в сосудах является специальная прищепка, которая содержит инфракрасный излучатель – светодиод и приемник – фотодиод. Между излучателем и приемником располагается палец пациента.

Фотодиод подключен непосредственно ко входу дифференциального усилителя с высокоомным входом, что обеспечивает надежное подавление синфазной помехи, создаваемой промышленной электросетью.

Все каскады усилителя сигнала фотодиода построены на операционных усилителях с высоким входным сопротивлением и низким значением дрейфа нуля, например ‑ TL064. Схемотехника каскадов усилителя не отличается от классических, построенных с помощью дифференциальных, инвертирующих и неинвертирующих ступеней.

Данный прибор оснащен автоматической регулировкой усиления (АРУ) и смещения нуля (АРСН), так как уровень сигнала зависит от индивидуальных особенностей пациента. Коррекция АРУ и АРСН осуществляется программно и позволяет адаптировать уровень измеряемого сигнала под динамический диапазон входных напряжений АЦП МК. Адаптация подразумевает использование не менее 70% шкалы.

Макет устройства имеет два типа усилителей: низкочастотный и высокочастотный (40 кГц), что позволяет провести сравнение качества усиленного сигнала методом прямого усиления (без использования модулирующего колебания) и с помощью амплитудной модуляции (модулятор – система сосудов и капилляров с изменяющимся кровенаполнением). После сравнительного анализа двух видов усилителей установлено, что при соблюдении общих радиотехнических правил монтажа электронных компонентов (соединение аналоговой и цифровой «земли» в одной точке, использование RC- и LC-фильтров в цепях питания усилительных приборов) разницы в качестве усиленного сигнала нет.

Устройство базируется на 8-ми разрядном микроконтроллере с RISC архитектурой ATMega16. Выбор микроконтроллера (МК) обусловлен широкой функциональностью и приемлемой стоимостью.

Визуализация графика пульсовой волны, вариабельности и всех измеряемых и вычисляемых параметров производится с помощью графического жидкокристаллического индикатора (ГЖКИ) WG12864.

Структурная схема фотоплетизмографа

Устройство оснащено слотом для SD-карты памяти, что позволяет сохранять данные на электронном носителе для последующего проведения контурного анализа пульсовой волны уже на персональном компьютере (ПК).

ПРОГРАММНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБОРА

Программа микроконтроллера разработана в среде AVR Studio на языке С++ и состоит из следующих модулей:

– работы с АЦП, позволяющий менять частоту дискретизации и управлять скоростью развертки на ГЖКИ;

– работы с интерфейсом SPI, который служит для обмена данными между устройством и стандартной картой памяти;

– работы со встроенным универсальным асинхронным приемо-передатчиком (UART), который обеспечивает непосредственную связь с ПК через преобразователь интерфейсов USB-UART (CP2102);

– простой цифровой фильтр, реализующий алгоритм скользящего среднего по трем точкам:

который сглаживает случайные импульсные помехи и существенно (положительно) влияет на качество нахождения максимумов и точек перегиба пульсовой волны;

– вычисления амплитудных и временных интервалов.

– работы с ГЖКИ, обеспечивающий вывод графической (график функции и гистограмму) и символьной информации (знакогенератор для функций печати строки), отлажены библиотеки для работы с ГЖКИ фирмы «WINSTAR»;

– обработки кнопок управления и переключения режимов;

– автоматической коррекции амплитуды и смещения нуля. Отладка программы осуществлялась на программаторе STK500.

В приборе реализовано вычисление следующих временных показателей:

Амплитудно-временные характеристики пульсовой волны

– длительность пульсовой волны,

– длительность дикротической фазы пульсовой волны,

– длительность анакротической фазы пульсовой волны

– индекс восходящей волны

– время наполнения

– продолжительность систолической фазы сердечного цикла

– продолжительность диастолической фазы сердечного цикла

– частота сердечных сокращений.

Достоинством данного прибора является невысокая себестоимость и широкий набор измеряемых данных гемодинамики, а так же, благодаря ГЖКИ, возможность как сопряженного с ПК, так и независимого использования.

Рубрика: Наші розробки, Новини ·