Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну
Номер патенту: 108289
Опубліковано: 10.04.2015
Автори: Осадців Олександр Іванович, Войтович Ігор Данилович, Осадців Іван Васильович, Мержвинський Павло Анатолійович, Ходаковський Микола Іванович, Мержвинський Анатолій Олександрович, Стадник Анатолій Володимирович
Формула / Реферат
Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну, який містить вхідний блок, перший вхід якого з'єднаний з вхідним пристроєм, другий вхід-вихід зв'язаний з входом блока керування, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних випромінювачів, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування, який відрізняється тим, що в нього додатково введені індуктивний датчик, автогенератор, блок вимірювання зміщення частоти, формувач та інтерпретатор, причому індуктивний датчик з'єднаний з другим входом-виходом оптичної головки, третій вихід оптичної головки зв'язаний з входом автогенератора, вихід якого зв'язаний з першим входом блока вимірювання зміщення частоти, вихід якого з'єднаний з формувачем, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блока керування, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти, четвертий вихід оптичної головки є виходом пристрою.
Текст
Реферат: Пристрій належить до області медичного приладобудування і може бути застосований для неінвазивного вимірювання кровонаповнення біотканини та концентрації гемоглобіну у медицині та фізіологічних дослідженнях. Інформація для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну надходить з вхідного пристрою на перший вхід вхідного блока, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом блока керування, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних випромінювачів, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування, другий вхід-вихід оптичної головки з'єднаний з індуктивним датчиком, третій вихід оптичної головки зв'язаний з входом автогенератора, вихід якого зв'язаний з першим входом блока вимірювання зміщення частоти, вихід якого з'єднаний з формувачем, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блоку керування, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти, четвертий вихід оптичної головки є виходом пристрою. Пристрій дозволяє досягати покращення функціональних характеристик та підвищення точності за рахунок введення в пристрій незалежного каналу вимірювання кровонаповнення на основі індуктивного датчика та корекції величини оптичного сигналу, що використовується в процесі UA 108289 C2 (12) UA 108289 C2 інтерпретації сигналів оптичного сенсора у відповідності з фізичними законами взаємодії зондуючих випромінювань з біотканиною. UA 108289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до області медичного приладобудування і може бути застосований у приладах для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини та концентрації гемоглобіну у медицині та фізіологічних дослідженнях. Відомий сенсор для неінвазійного вимірювання кровонаповнення біотканини [Сенсорна головка для неінвазивного вимірювання кровонаповнення біотканини. Войтович І.Д., Мержвинський А.О., Багацький В.О., Мержвинський П.А, Стадник А.В., Фролов Ю.О. Патент України № 100627, - опубл. - 10.01.2013, бюл. № 1], який містить оптично непрозорий циліндричний корпус, насадку-діафрагму, оптичне волокно, конусоподібний оптичний фокона, фіксатор опромінювача, фотоприймач, вихід якого з'єднаний з входом попереднього підсилювача фотоструму, з'єднувальний кабель з фіксатором та оптичним волокном, внутрішню діафрагму, над якою послідовно розміщені оптична шайба, кільцевий фотодіод, попередній підсилювач фотоструму, вхід якого з'єднаний з виходом кільцевого фотодіода. Цей пристрій вибраний 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 істотні похибки при використанні для вимірювання концентрації гемоглобіну в крові через розкид товщини дерми (сполучної ткані шкіри) конкретного пацієнта та потенціальні можливості поточної зміни кровонаповнения внаслідок дії фізико-психологічних факторів. Відомий сенсор для неінвазійного вимірювання кровонаповнення живого тіла з вбудованим у нього фотоприймачем (Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. - Київ.: Інститут кібернетики НАН України, 2007. - 514 с., 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 аналог. Спільними рисами аналога та пристрою, що пропонується, є циліндричний корпус, циліндрична насадка-діафрагма, оптичне волокно, попередній підсилювач фотоструму, оптикоелектричний 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-аналога, які не дозволяють одержати очікувані технічні результати, є трати 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; значна довжина сенсорної головки, що утруднює фіксацію головки на біооргані пацієнта та ускладнений процес конструктивної зміни параметрів приймального оптичного вікна, що вимагає заміни фокона на фокон з іншою геометрією. Відомий пристрій для вимірювання фізико-біологічних характеристик шкіри Диагностическое устройство для измерения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo. Пaт. Російської Федерації, N 2234853, опубл. 26.12.2002 p.], що містить вхідний блок, оптичну головку, яка виконана в корпусі з оптично непрозорого матеріалу і містить опромінювач поверхні біотканини, фотоприймач з вхідним вікном і підсилювач аналогових електричних сигналов, блок керування роботою випромінювачів та обробки сигналів підсилювача. Цей пристрій вибраний нами за прототип. Спільними рисами прототипу та запропонованого пристрою є: вхідний блок, оптичну головку, яка виконана в корпусі з оптично непрозорого матеріалу і містить опромінювач поверхні біотканини, фотоприймач з вхідним вікном і підсилювач аналогових електричних сигналів, блок керування роботою випромінювачів та обробки сигналів підсилювача. Недоліками прототипу, які не дозволяють одержати очікувані технічні результати, є неможливість досягнути неспотвореного вимірювання концентрації гемоглобіну в крові через залежність результатів вимірювань не тільки від кровонаповнення кожної мікросудини відносно поточного кровонаповнення φпоточ до деякого середнього (номінального) значення φ=φ поточ/φном, але і від товщини дерми (шару крововмісних мікросудин). В основу винаходу поставлена задача покращення функціональних характеристик та підвищення точності за рахунок введення в пристрій незалежного каналу вимірювання кровонаповнення на основі індуктивного датчика та корекції величини оптичного сигналу, що вимірюється та використовується в процесі інтерпретації сигналів оптичного сенсора у відповідності з фізичними законами взаємодії зондуючих випромінювань з біотканиною. 1 UA 108289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вирішення поставлених задач досягається тим, що пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну містить блок сполучення, блок керування, блок оптичних випромінювачів, оптичну головку та підсилювач, додатково, згідно з винаходом, введені автогенератор, індуктивний датчик, блок вимірювання зміщення частоти, формувач та інтерпретатор. Відмінними ознаками запропонованого пристрою є автогенератор, індуктивний датчик, блок вимірювання зміщення частоти, формувач та інтерпретатор. Введення в пристрій нових деталей та їх зв'язків дозволяє одержати результати не спотвореного вимірювання концентрації гемоглобіна в крові через залежність результатів вимірювань не тільки від кровонаповнення кожної мікросудини відносно поточного кровонаповнення φпоточ до деякого середнього (номінального) значення φ=φпоточ/φном, але і від товщини дерми (шару крововмісних мікросудин) за рахунок використання індуктивного датчика та автогенератора биттів. На фіг. 1 наведена структурна схема пристрою для неінвазійного вимірювання концентрації гемоглобіну. На фіг. 2 наведена функціональна схема пристрою для неінвазійного вимірювання концентрації гемоглобіну. Структурна схема пристрою для неінвазійного вимірювання концентрації гемоглобіну (фіг. 1) містить вхідний блок 1, перший вхід якого з'єднаний з вхідним пристроєм, другий вхід-вихід зв'язаний з входом блока керування 2, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних випромінювачів 3, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою 4, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем 7, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування 2, другий вхід-вихід оптичної головки 4 з'єднаний з індуктивним датчиком 5, третій вихід оптичної головки 4 зв'язаний з входом автогенератора 6, вихід якого зв'язаний з першим входом блока вимірювання зміщення частоти 8, вихід якого з'єднаний з формувачем 9, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора 10, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блока керування 2, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором 6, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти 8, четвертий вихід оптичної головки 4 є виходом пристрою. Оптична головка 4 виконана у вигляді оптико-індукційної сенсорної головки (фіг. 2, блок 11) складається з оптичного випромінювача у вигляді оптоволокна, встановленого навколо оптоволокна індуктивного датчика 5 з захисним екраном, кільцевого фотодіода, підсилювача 7, автогенератора 6, оптичної шайби. Блок оптичних випромінювачів (фіг. 2, блок 12) складається з оптичного випромінювача вимірюваної довжини хвилі λ1, оптичного випромінювача опорної довжини хвилі λ2 і оптичного змішувача. Електронний блок (фіг. 2, блок 13) складається з вузла керування 2, блока вимірювання зміщення частоти 8, формувача (перетворювача частоти биттів в відносне кровонаповнення) 9, інтерпретатора 10 і вхідного блока 1. Блок керування 2 виконаний на основі мікроконтролера MSP 430F149 фірми Texas Instrument. Блок вимірювання зміщення частоти автогенерації 8 виконаний на основі мікроконтролера РІС 16F887 фірми Microchip. Пристрій неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну працює наступним чином. Робота пристрою заснована на тому, що на біооб'єкт через оптичну головку 4 діє світлове випромінювання з блока оптичних випромінювачів 3, частина якого розсіюється в біооб'єкті в деякій "ділянці активації" та виходить з нього назовні у вигляді зворотно розсіяного потоку світла. Необхідна інформація для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну (фіг. 1) надходить з вхідного пристрою на перший вхід вхідного блока 1, другий вхід-вихід якого зв'язаний з входом блока керування 2, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних випромінювачів 3, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою 4, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем 7, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування 2, другий вхід-вихід оптичної головки 4 з'єднаний з індуктивним датчиком 5, третій вихід оптичної головки 4 зв'язаний з входом автогенератора 6, вихід якого зв'язаний з першим входом блоку вимірювання зміщення частоти 8, вихід якого з'єднаний з формувачем 9, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора 10, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блока керування 2, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором 6, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти 8, четвертий вихід оптичної головки 4 є виходом пристрою. 2 UA 108289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Вхідний пристрій видає через блоки 1 і 2 (фіг. 2) сигнали почергового включення джерел випромінювання блока 3 з довжиною хвилі 523 нм та 850 нм. Світло від включених джерел через оптоволокно попадає на тестуючу біотканину. При контакті оптичної головки з біооб'єктом, світло, що проникає в тканину за рахунок багатократного внутрішнього розсіювання, частково виходить назовні тканини в області розташування оптичної головки 4 і перетворюється в фотострум. Електричні сигнали з оптичної головки 4 проходять підсилення в підсилювачі 7, оцифрування в блоці 2 і через вхідний блок 1 передаються в інтерпретатор 10 для наступної обробки у вигляді цифрових значень U1 для вимірювального сигналу і U2 для опорного сигналу. Індуктивний датчик визначає індуктивність замкнутого металевого контуру, коли біооб'єкт, що тестується наближається до нього. При наближенні біооб'єкта виникає зміна індуктивних та ємнісних параметрів індуктивності датчика. Зниження добротності викликає зміну амплітуди і частоти коливань в контурі. В процесі тестування об'єкта включається автогенератор 6 з довжиною хвилі ~ 10 м. В залежності від наведеної індуктивності, що вноситься біооб'єктом, яка пропорційна кровонаповненню, змінюється частота генерації автогенератора 6. Частота битті в подається на вхід формувача 9, який з урахуванням номінального кровонаповнення φном реалізує відносну функцію кровонаповнення [2] φвідн=φ/φном=g(fm-fb)+Δg, (1) де φ - величина кровонаповнення φ=Vb/Vt, (2) де Vb - об'єм крові, Vt - об'єм біотканини. g - коефіцієнт пропорційності між величиною відносного кровонаповнення і зміщенням частоти, яка визначається φном і залежить від частоти автогенератора f та відстані датчика від біооб'єкта. fb - частота опорного генератора, fm - частота автогенератора. Δg - константа, яка залежить від налаштування електричного режиму приладу. Якщо частота биттів відповідає номінальній, то С визначається по відомому співвідношенню [Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. - К.: Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України. - 2007. - 513 с.]: С=((a*lg(U2 U1)-b)), (3) де k - коефіцієнт, що визначається вибраними одиницями вимірювань. а - коефіцієнт, що визначається формою оптичного каналу, U2 - рівень вимірювального сигналу; U1 - рівень опорного сигналу, b - константа, що визначається при калібруванні режиму роботи приладу. Якщо частота биттів відрізняється від номінальної, то значення С в блоці інтерпретації 10 повинне обчислюватись за формулою [Мержвинский A.A., Осадцив И.В., Савченко И.И., Труба В.Г., Осадцив О.И., Ходаковский Н.И. Влияние кровенаполнения на интерпретацию сигналов неинвазионного гемоглобинометра. - Семінар "Біологічна та медична інформатика і кібернетика" – Київ - Жукин, 2013]: С=k*(a*(lg(U2/U1)*(φ/φном))+b))=k*(а*lg(U2/U1)+a*lg(φ/φном)+b)), (4) де k - коефіцієнт, що визначається взятими одиницями вимірювань, а - коефіцієнт, що визначається формою оптичного каналу; U2 - рівень вимірювального сигналу; U1 - рівень опорного сигналу, b - константа, що визначається при калібруванні режиму роботи приладу. Значення, що обчислюються інтерпретатором 10 за формулою через вхідний блок 1 передаются у вхідний пристрій для візуалізації результату. 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. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну, який містить вхідний блок, перший вхід якого з'єднаний з вхідним пристроєм, другий вхід-вихід зв'язаний з входом блока керування, другий вихід якого з'єднаний з блоком оптичних випромінювачів, оптичний вихід якого з'єднаний з оптичною головкою, перший вихід якої з'єднаний з підсилювачем, вихід якого з'єднаний з другим входом блока керування, який відрізняється тим, що в нього додатково введені індуктивний датчик, автогенератор, блок вимірювання зміщення частоти, формувач та інтерпретатор, причому індуктивний датчик з'єднаний з другим входом-виходом оптичної головки, третій вихід оптичної головки зв'язаний з входом автогенератора, вихід якого зв'язаний 3 UA 108289 C2 5 з першим входом блока вимірювання зміщення частоти, вихід якого з'єднаний з формувачем, другий вхід-вихід якого з'єднаний з другим входом інтерпретатора, другий вихід якого з'єднаний з третім входом блока керування, третій вихід якого з'єднаний з автогенератором, а четвертий вихід з'єднаний з другим входом блока вимірювання зміщення частоти, четвертий вихід оптичної головки є виходом пристрою. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюVoitovych Ihor Danylovych, Merzhvynskyi Anatolii Oleksandrovych, Khodakovskyi Mykola Ivanovych, Merzhvynskyi Pavlo Anatoliiovych, Stadnyk Anatolii Volodymyrovych
Автори російськоюВойтович Игорь Данилович, Мержвинский Анатолий Александрович, Ходаковский Николай Иванович, Мержвинский Павел Анатольевич, Стадник Анатолий Владимирович
МПК / Мітки
МПК: A61B 5/05
Мітки: пристрій, вимірювання, концентрації, гемоглобіну, неінвазивного
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-108289-pristrijj-dlya-neinvazivnogo-vimiryuvannya-koncentraci-gemoglobinu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій для неінвазивного вимірювання концентрації гемоглобіну</a>
Попередній патент: Гумова суміш для виготовлення нашпальних прокладок
Наступний патент: Пристрій подачі, який працює під тиском
Випадковий патент: Спосіб лікування агрипнії, епілептичного синдрому та патологічного потягу до алкоголю в стані відміни при синдромі алкогольної залежності