Сенсорна головка для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини

Реферат: Сенсорна головка для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини містить циліндричний корпус, циліндричну насадку-діафрагму, оптичне волокно, попередній підсилювач фотоструму, оптико-електричний з'єднувальний кабель з фіксатором, внутрішня діафрагма, оптична шайба, кільцевий фотодіод, спрямовуючий та захисний виступи циліндричного корпусу, причому циліндричний корпус має наскрізний отвір для розміщення оптико-електричного з'єднувального кабелю з фіксатором та оптичного волокна, циліндрична насадка-діафрагма прикріплена до зовнішньої поверхні циліндричного корпусу з його нижнього торця, внутрішня діафрагма, оптична шайба, кільцевий фотодіод, спрямовуючий та захисний виступи циліндричного корпусу розміщені з нижнього його торця, внутрішня діафрагма прикріплена до спрямовуючого виступу з можливістю легкої заміни, над нею послідовно розміщені оптична шайба, кільцевий фотодіод, попередній підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіода, а вихід попереднього підсилювача фотоструму через отвір підключено до оптико-електричного кабелю. Технічний результат: знижуються витрати оптичної потужності зондуючого випромінювання за рахунок зменшення витрат зворотно-розсіяного випромінювання, спрощується технологія виготовлення приймального вікна за рахунок заміни фокону на оптичну шайбу та кільцевий фотодіод, зменшується довжина сенсорної голівки, спрощується можливість зміни параметрів оптичного вікна у процесі експлуатації шляхом заміни внутрішньої діафрагми на іншу з іншим діаметром, яка виготовлена з можливістю легкої заміни. UA 100627 C2 (12) UA 100627 C2 UA 100627 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Сенсорна головка належить до області медичного приладобудування і може бути застосована у приладах для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини та концентрації гемоглобіну у медицині та фізіологічних дослідженнях. Відомий діагностичний пристрій для вимірювання фізіологічних та біологічних характеристик шкіри та слизових оболонок in VIVO [патент Росії на винахід №2234853 RU від 26.12.2002]. Пристрій складається з джерела живлення, з'єднаного з оптичною головкою, в якій розміщені фотоприймач з вхідним вікном та джерела випромінювання в зеленій, червоній та інфрачервоній ділянках спектра, блок керування роботою випромінювачів, виконаний з можливістю почергового включення джерел випромінювання, блок обробки даних, зв'язаний з фотоприймачем, який відрізняється тим, що він забезпечений додатковими джерелами випромінювання в інфрачервоній ділянці спектра і джерелом випромінювання в синій ділянці спектра, а оптична головка виконана з центральною порожниною та радіальними відкритими порожнинами, стінки яких покриті матеріалами, що поглинають світло, при цьому джерела випромінювання встановлені в радіальних порожнинах, а фотоприймач - в центральній так, що його вхідне вікно розташоване в площині робочої поверхні оптичної головки. Пристрій має оптичну головку, яка виконана у вигляді циліндра або циліндра, який переходить в нижній частині на конус з перерізом. Цей пристрій вибраний нами за аналог. Спільними рисами аналога та пропонованого пристрою є оптична головка, яка виконана у вигляді циліндра з центральною порожниною, опромінювач біотканини, фотоприймач, вхідне вікно якого розташоване у площині робочої поверхні оптичної головки. Недоліками аналога є неефективне використання енергії зондуючого випромінювання, тому що використовується тільки частина енергії зворотно-розсіяного потоку світла. Крім того, в пристрої-аналогу траєкторія світла для опорного та вимірювального каналів не співпадають у просторі, тому параметри розсіяння та поглинання вимірювального та опорного каналів, які визначаються різними ділянками біотканини, можуть відрізнятися. Ці відмінності є джерелом додаткових похибок вимірювання. Відомий сенсор кровонаповнення з двома лазерними діодами, змішувачем, передавальним волоконно-оптичним кабелем, виносною оптичною головкою з випромінювачем та одним приймальним каналом, вхідне вікно якого розташовано у площині робочої поверхні головки і виконано у вигляді торця оптичного волокна [Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори.- К.: Інститут кібернетики, 2007.-514 с, рис.2.24, стор.111]. Цей сенсор прийнятий нами за аналог. Спільними рисами аналога та пропонованого пристрою є волоконно-оптичний кабель, опромінювач біотканини, фотоприймач, вхідне вікно якого виконано у вигляді торця оптичного волокна або спеціальної насадки та розташоване у площині робочої поверхні оптичної головки. Недоліками аналога є те, що в ньому відбуваються великі втрати енергії зворотно розсіяного потоку світла із-за того, що вхід розсіяного випромінювання до фотоприймача відбувається через оптоволоконний кабель. Для реалізації гнучкого кабелю необхідне тонке оптичне волокно. Потужність, яка вводиться в оптичне волокно, обмежується діаметром оптичного волокна та світловою апертурою, тому використання всього потоку "кільця розсіювання" зворотно-відбитого світла неможливо. Відомий сенсор для неінвазійного вимірювання кровонаповнення живого тіла з вбудованим у нього фотоприймачем (Войтович 1.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори.- К.: Інститут кібернетики, 2007.-514 с, рис. 2.25, стор.114). Він складається з оптично непрозорого циліндричного корпусу, насадки-діафрагми, оптичного волокна, конусоподібного оптичного фокона, фіксатора опромінювача, фотоприймача, вихід якого з'єднаний з входом попереднього підсилювача фотоструму, із з'єднувального кабелю з фіксатором. Цей сенсор вибраний нами за найближчий аналог. Спільними рисами найближчого аналога та пристрою, що пропонується, є циліндричний корпус, циліндрична насадка-діафрагма, оптичне волокно, попередній підсилювач фотоструму, оптико-електричний з'єднувальний кабель з фіксатором та оптичним волокном, причому циліндричний корпус має наскрізний отвір для розміщення оптико-електричного з'єднувального кабелю з фіксатором та оптичного волокна, циліндрична насадка-діафрагма прикріплена до зовнішньої поверхні циліндричного корпусу з його нижнього торця. Недоліками пристрою-найближчого аналога, які не дозволяють одержати очікувані технічні результати, є втрати енергії зворотно-розсіяного світла, яке є непаралельним утворюючій поверхні фокона; складна геометрія та високі вимоги до точності виготовлення фокона, що визначають високу вартість його розробки та виготовлення; 1 UA 100627 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 значна довжина сенсорної головки, що утруднює фіксацію головки на біооргані пацієнта; ускладнений процес конструктивної зміни параметрів приймального оптичного вікна, що вимагає заміни фокона на фокон з іншою геометрією. В основу винаходу поставлені задачі зниження витрат оптичної потужності зондуючого випромінювання, спрощення технології виготовлення приймального вікна за рахунок заміни фокона, зменшення довжини сенсорної головки, спрощення можливості зміни параметрів оптичного вікна у процесі експлуатації. Вирішення поставлених задач досягається тим, що сенсорна головка для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини містить циліндричний корпус, циліндричну насадкудіафрагму, оптичне волокно, попередній підсилювач фотоструму, оптико-електричний з'єднувальний кабель з фіксатором та оптичним волокном, причому циліндричний корпус має наскрізний отвір для розміщення оптико-електричного з'єднувального кабелю з фіксатором та оптичним волокном, циліндрична насадка-діафрагма прикріплена до зовнішньої поверхні циліндричного корпусу з його нижнього торця, в яку, згідно з винаходом, додатково введені внутрішня діафрагма, оптична шайба, кільцевий фотодіод, спрямовуючий та захисний виступи циліндричного корпусу розміщені з його нижнього торця, внутрішня діафрагма прикріплена до спрямовуючого виступу з можливістю легкої заміни, над нею послідовно розміщені оптична шайба, кільцевий фотодіод, попередній підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіода, а вихід через отвір підключено до оптико-електричного з'єднувального кабелю. Відмінними ознаками запропонованого пристрою є внутрішня діафрагма, оптична шайба, кільцевий фотодіод, спрямовуючий та захисний виступи циліндричного корпусу розміщені з нижнього його торця, внутрішня діафрагма прикріплена до спрямовуючого виступу з можливістю легкої заміни, над нею послідовно розміщені оптична шайба, кільцевий фотодіод, попередній підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіода, а вихід через отвір підключено до оптико-електричного з'єднувального кабелю. Введення в пристрій нових деталей та їх зв'язків дозволяє знизити витрати оптичної потужності зондуючого випромінювання за рахунок зменшення витрат зворотно-розсіяного випромінювання, спростити технологію виготовлення приймального вікна за рахунок заміни фокона на оптичну шайбу та кільцевий фотодіод, зменшити довжину сенсорної головки, спростити можливість зміни параметрів оптичного вікна у процесі експлуатації шляхом заміни внутрішньої діафрагми на іншу з іншим діаметром, яка виготовлена з можливістю легкої заміни. На фіг. 1 зображено конструкцію пропонованого пристрою, який містить циліндричний корпус 1, циліндричну насадку-діафрагму 2, оптичне волокно 3, попередній підсилювач фотоструму 4, оптико-електричний з'єднувальний кабель 5 з фіксатором 6 та оптичним волокном 3, внутрішню діафрагму 7, оптичну шайбу 8, кільцевий фотодіод 9, спрямовуючий 10 та захисний 11 виступи циліндричного корпусу 1 розміщені з його нижнього торця, причому циліндричний корпус 1 має наскрізний отвір для розміщення оптико-електричного з'єднувального кабелю 5 з фіксатором 6 та оптичним волокном 3, циліндрична насадкадіафрагма 2 прикріплена до зовнішньої поверхні циліндричного корпусу 1 з його нижнього торця, внутрішня діафрагма 7 прикріплена до спрямовуючого виступу 10 з можливістю легкої заміни, над нею послідовно розміщені оптична шайба 8, кільцевий фотодіод 9, попередній підсилювач фотоструму 4, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіоду 9, а вихід через отвір підключено до оптико-електричного з'єднувального кабелю 5. Циліндричний корпус 1 фіксує оптичні та електронні компоненти, оптично ізолює світлопроводи випромінюючого та фотоприймального каналів, захищає кільцевий фотодіод 9 від зовнішніх світлових випромінювань. Циліндрична насадка-діафрагма 2 формує геометрію вхідного вікна кільцевого фотодіода 9, захищає оптичні елементи від зовнішнього світла. Оптичне волокно 3 транспортує зондувальне оптичне випромінювання до торця оптичного волокна 3. Попередній підсилювач фотоструму 4 перетворює фотострум з виходу кільцевого фотодіода 9 в нормовані сигнали напруги. Оптико-електричний з'єднувальний кабель 5 передає зондуюче випромінювання від джерела світла до торця оптичного волокна 3 та електричний сигнал з виходу попереднього підсилювача фотоструму 4 для подальшої його обробки. Фіксатор оптико-електричного з'єднувального кабелю 6 утримує з'єднання "кабель-головка". Внутрішня діафрагма 7 формує геометрію вхідного вікна кільцевого фотодіода 9. Оптична шайба 8 захищає кільцевий фотодіод 9 від забруднення. Кільцевий фотодіод 9 перетворює енергію зворотно-розсіяного світла в електричний струм. Спрямовуючий виступ 10 утримує пошарово розміщені внутрішню діафрагму 7, оптичну шайбу 8, кільцевий фотодіод 9. Захисний виступ 11 захищає елементи головки при складанні та експлуатації. Пристрій, конструкція якого зображена на кресленні, працює наступним чином. 2 UA 100627 C2 5 10 15 Робота пристрою заснована на тому, що на біооб'єкт через головку діє певне світлове випромінювання, частина якого розсіюється в біооб'єкті в деякій "ділянці активації" та виходить з нього назовні у вигляді зворотно розсіяного потоку світла [Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори.- К.: Інститут кібернетики, 2007.-514 с.]. Зондуюче оптичне випромінювання через оптико-електричний з'єднувальний кабель 5 та оптичне волокно 3 доправляється до торця оптичного волокна 3 та випромінюється в біоорган. Зворотно розсіяне біотканиною світло через вхідне вікно, яке формується циліндричною насадкою-діафрагмою 2 та внутрішньою діафрагмою 7, через оптичну шайбу 8 потрапляє на кільцевий фотодіод 9 і перетворюється в ньому на сигнал фотоструму. Сигнал фотоструму з виходу кільцевого фотодіоду 9 подається на вхід попереднього підсилювача фотоструму 4, перетворюється в ньому на нормований сигнал напруги та через оптико-електричний з'єднувальний кабель 5 потрапляє на вихід для подальшої обробки. Реалізація пристрою можлива з використанням відомих технологій в машинобудівній та електронній галузях промисловості України. Частина елементів, з яких складається пристрій, є у вільному продажу в Україні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 Сенсорна головка для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини, яка містить циліндричний корпус, циліндричну насадку-діафрагму, оптичне волокно, попередній підсилювач фотоструму, оптико-електричний з'єднувальний кабель з фіксатором, причому циліндричний корпус має наскрізний отвір для розміщення оптико-електричного з'єднувального кабелю з фіксатором та оптичного волокна, циліндрична насадка-діафрагма прикріплена до зовнішньої поверхні циліндричного корпусу з його нижнього торця, яка відрізняється тим, що в неї додатково введені внутрішня діафрагма, оптична шайба, кільцевий фотодіод, спрямовуючий та захисний виступи циліндричного корпусу розміщені з нижнього його торця, внутрішня діафрагма прикріплена до спрямовуючого виступу з можливістю легкої заміни, над нею послідовно розміщені оптична шайба, кільцевий фотодіод, попередній підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіода, а вихід попереднього підсилювача фотоструму через отвір підключено до оптико-електричного кабелю. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3