Пристрій для вимірювання насичення венозної крові киснем

Пристрій для неінвазивного вимірювання насичення венозної крові киснем за дихальним ритмом фотоплетизмограми, що включає джерело випромінювання принаймні двох довжин хвиль у червоному і ближньому інфрачервоному діапазоні, фотоприймач, чутливий в області випромінювання, схему імпульсного живлення джерела випромінювання для розділення сигналів різних довжин хвиль у часі, підсилювач вхідного сигналу з АЦП, пристрій збирання і збереження даних, процесор і пристрій введення-виведення, який відрізняється тим, що додатково до складу пристрою введено звуковий синхронізатор, призначений для стабілізації дихального ритму, що включає генератор шуму, модулятор, керований зазначеним процесором, і акустичну головку. (19) (21) a200911337 (22) 09.11.2009 (24) 10.03.2011 (46) 10.03.2011, Бюл.№ 5, 2011 р. (72) МАМІЛОВ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ЄСЬМАН СЕРГІЙ СТЕПАНОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ПРИКЛАДНИХ ПРОБЛЕМ ФІЗИКИ І БІОФІЗИКИ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) RU 2259161 C1, 27.08.2005 RU 2152030 C1, 27.06.2000 EP 1757224 A2, 28.02.2006 DE 4210102 A1, 30.09.1993 US 7025728 B2, 11.04.2006 US 20080208019 A1, 28.08.2008 JP 11216133 A, 10.08.1999 3 шення коефіцієнтів модуляції з одночасним забором артеріальної крові для вимірювання насичення киснем in vitro. Ефективність пульсоксиметрів у вимірюванні насичення артеріальної крові киснем базується на наявності пульсацій артеріальної крові, що виробляються серцем. У венозній крові серцеві пульсації відсутні. У патенті [6] описані спосіб і пристрій венозної пульсової оксиметрії, в яких для створення пульсацій у венозному відділі ділянки тіла використовується механічна модуляція об'єму тканини за допомогою коливань тиску в надувній манжеті. Альтернативний підхід полягає у використанні для визначення насичення венозної крові киснем природних дихальних ритмів людини. Такий підхід базується на тому, що коливальні компоненти окисленого і відновленого гемоглобіну з частотою дихання представляють переважно венозний відділ [7, 8]. Оскільки розтяжність вен значно вища, ніж артерій, певна визначена зміна тиску крові викликає значно більшу зміну об'єму вен у порівнянні зі зміною об'єму артерій. При нормальному диханні фаза вдиху включає зменшення внутрішньогрудного тиску і зростання градієнта тиску між периферичною венозною системою і венами грудної порожнини. Це викликає відтік крові з позагрудних вен у внутрішньогрудні судини і серце. Завдяки венозним клапанам, венозний приплив збільшується при вдиху більше, ніж зменшується при видиху. Створюється ефект так званого дихального насосу, що сприяє венозному поверненню крові з периферії. В результаті дії дихального насосу периферичний об'єм венозної крові коливається з частотою дихання, зменшуючись під час вдиху і збільшуючись під час видиху. В патенті [9] описаний спосіб вимірювання насичення венозної крові киснем за амплітудою коливань поглинання, викликаних диханням, з використанням методу й апаратури збирання даних з розділенням у часі. Методи розділення у часі включають вимірювання в області часу, де інтенсивність світла модулюється імпульсами тривалістю менше пікосекунди, або вимірювання в області частот, де інтенсивність світла модулюється високочастотним (100 МГц) гармонійним сигналом. В області часу вимірюється розподіл часу прольоту прийнятих фотонів, тоді як в області частот вимірюються середня інтенсивність, амплітуда і фаза прийнятого модульованого світлового сигналу; методи області часу й області частот математично зв'язані часовим Фур'є-перетворенням. Незважаючи на можливості визначення абсолютних концентрацій гемоглобіну і його похідних, головним недоліком методів розділення у часі є складність і дорожнеча вимірювальної апаратури. У якості прототипу обрано пристрій для неінвазивного вимірювання насичення крові киснем [10], що включає систему введення-виведення випромінювання з двома випромінювачами в червоній і ближній 14 області спектру, два фотоприймачі з селективними світлофільтрами, два фільтри пульсових (дихальних) коливань, підсилювачі, два фільтри доплеровського сигналу, амплітудні детектори і корелятор. Пристрій дозволяє розділити 93785 4 внесок в оксигенацію тканини насичення крові артеріального (артеріоли) і венозного (венули) відділів киснем. Однак точність вимірювань даним пристроєм порівняно невисока. При вимірюванні насичення венозної крові киснем за коливаннями, викликаними диханням, існує проблема, пов'язана з тим, що дихальні піки не завжди виявляються в спектрі частот. На фігурі 1а показаний приклад амплітудного Фур'є-спектру фотоплетизмограми з добре вираженими піками на частоті серцевих скорочень (ЧСС =1,6 Гц) і частоті дихання (ЧД = 0,28 Гц), а на фігурі 1б показаний приклад, коли дихальний пік практично не виявляється. У цих випадках визначення насичення венозної крові киснем за дихальним ритмом неможливе. Труднощі виявлення дихальних піків, як правило, зумовлені нерівномірністю дихання. В основу винаходу поставлено задачу підвищення надійності визначення насичення венозної крові киснем за дихальними ритмами фотоплетизмограми за рахунок стабілізації частоти дихання. Поставлена задача розв'язується тим, що до складу пульсоксиметра включений звуковий синхронізатор дихального ритму. Суть запропонованого винаходу роз'яснюється кресленням блок-схеми пристрою для вимірювання насичення венозної крові киснем, наведеним на фігурі 2. Пристрій включає власне пульсоксиметр, що містить джерело випромінювання 1 принаймні двох довжин хвиль у червоному і ближньому ІЧ діапазоні; фотоприймач 2, чутливий в області випромінювання; схему імпульсного живлення 3 джерела випромінювання для розділення сигналів на різних довжинах хвиль у часі; підсилювач вхідного сигналу з АЦП 4; пристрій збирання і збереження даних 5; процесор 6; пристрій введеннявиведення 7, і звуковий синхронізатор дихального ритму, що включає генератор шуму 8, модулятор 9 із заданою процесором частотою дихання та акустичну голівку 10. Пристрій працює наступним чином. Джерело випромінювання, наприклад світлодіоди, опромінює ділянку тканини пацієнта світлом як мінімум двох довжин хвиль, одна з яких знаходиться переважно в червоному діапазоні, наприклад, в області 660 нм, а друга - у ближньому інфрачервоному, наприклад, в області 940 нм. Світло, що пройшло через тканину, реєструється фотоприймачем, наприклад, фотодіодом, що може бути розміщений з протилежної сторони тканини, що опромінюється, (датчик прохідного світла, наприклад, стандартний пальцевий або вушний датчик) або на одній стороні з випромінювачами (датчик розсіяного назад світла). Розділення сигналів по каналах (червоний та ІЧ) здійснюється за рахунок послідовного перемикання джерел з різними довжинами хвиль. Перемикання світлодіодів і запис сигналів з фотоприймача здійснюється переважно з частотою 200400 Гц. Сигнали з фотоприймача через підсилювач з АЦП і пристрій збирання і збереження даних передаються в процесор. Процесор відповідно до закладеної програми обчислює значення коефіцієнтів модуляції сигналів пульсовою хвилею і коефіцієнта кореляції сигналів з різною довжиною хвилі, на підставі яких обчислюються значення насиче 5 ності артеріальної крові киснем SaО2. Для обчислення SaO2 досить декількох ударів пульсу. Визначення насичення венозної крові киснем здійснюється в такий спосіб. Проводиться запис сигналів протягом 20-30 дихальних циклів (1,5-2 хвилини). Процесор здійснює швидке перетворення Фур'є сигналів з області часу в область частот і здійснює аналіз амплітудно-частотного спектру на предмет знаходження максимуму, який відповідає частоті дихального ритму, переважно в області 0,2-0,35 Гц. Аналіз здійснюється методом плаваючого вікна, наприклад, на інтервалі 30 с, з послідовним зсувом, наприклад, на пів інтервалу. За знайденим дихальним піком обчислюється середнє значення частоти дихання. Обчислене середнє значення передається на модулятор, який формує відповідний сигнал модуляції для генератора шуму. Модульований шумовий сигнал відтворюється через звукову голівку, наприклад, міні-навушник, вставлений у вухо пацієнта, або зовнішній гучномовець. Оператор може контролювати і вручну задавати частоту дихання за допомогою пристрою введення-виведення. Після вмикання синхронізації ритму дихання здійснюється запис світлових сигналів протягом 10-15 дихальних циклів, і процесор здійснює смугову Фур'є-фільтрацію записаних фотоплетизмограм з центром на заданій частоті дихання, виділяючи тільки дихальні коливання. На фігурі 3 суцільними лініями показані фотоплетизмограми червоного та інфрачервоного каналів, а пунктирними - виділені дихальні хвилі. За співвідношенням коефіцієнтів модуляції дихальних коливань на двох довжинах хвиль з використанням тих же співвідношень, що і для насичення артеріальної крові, обчислюються значення насичення венозної крові киснем SvO2. Джерела інформації 93785 6 1. Zaja J. Venous oximetry // Signa Vitae.V.2(1).- P.6-10-2007. 2. Rivers E.P. Method and apparatus for continuous measurement of central venous oxygen 7 saturation. Патент США № 5673694. МПК А61В 5/00, A61B 005/00, 1997. 3. Стерлин Ю.Г. Специфические проблемы разработки пульсовых оксиметров // Мед.техника.1993.-№6.- С. 26-30. 4. Матус К.М., Муранов С.А. Пульсовой оксиметр. Патент РФ № 2175523. МПК7 А61В 5/145,2001. 5. Мамджян Г.Г., Смелов B.C., Сакс Е.К. Пульсовой оксиметр. Патент РФ № 2332165. МПК8 А61В 5/145, 2008. 6. Chan F.C.D., Hayes M.J., Smith P.R. Venous pulse oximetry. Патент США № 7263395. МПК8 А61В 5/00, 2007. 7. Wolf Μ., Duс G., Keel M., Niederer P.. Continuous noninvasive measurement of cerebral arterial and venous oxygen saturation at the bedside in mechanically ventilated neonates // Crit. Care Med.-V.9-P. 1579-1582.-1997. 8. Franceschini M.A., Boas D.A., Zourabian Α., Diamond S.G., Nadgir S., Lin D.W., Moore J.B., Fantini S. Near-infrared spiroximetry: noninvasive measurements of venous saturation in piglets and human subjects // J.Appl. Physiol- V.92(l).- P.372384.- 2002. 9. Boas D., Franceschini M.A., Fantini S. Method for measuring venous oxygen saturation. Патент 7 США № 6985763. МПК А61В 5/00, 2006. 10. Соколов В.Г., Приезжев А.В., Корси Л.В. Устройство для неинвазивного измерения насыщения крови кислородом. Патент РФ № 2221485. МПК7 А61В 5/145, 2004. 7 93785 8 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 93785 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601