Спосіб визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень і пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до галузі медичної та спортивної діагностичної радіоелектроніки. Заявлений спосіб визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень, при якому поверхню частки тіла біооб'єкта опромінюють потоком хвиль та проводять подальший аналіз їх характеристик. При цьому застосовують електромагнітне випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль на двох частотах. Інтенсивність випромінювання, яке пройшло крізь тіло або відбито від нього, вимірюють, результат виміру обробляють та відображують. Одна частота відповідає піку поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні (59±0,4 ГГц). Друга частота відповідає рівності поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні та парах води (45±0,2 ГГц або 80±0,4 ГГц). Аналіз різниці поглинання електромагнітних хвиль у біологічних тканинах для двох частот опромінювання використовують для визначення ступеня насичення крові киснем, а аналіз залежності інтенсивності поглинання UA 109005 C2 (12) UA 109005 C2 електромагнітних хвиль задіяних частот в біологічних тканинах у часі використовують для визначення частоти серцевих скорочень. Заявлений пристрій для визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень містить блок генераторів, випромінювач, приймальний пристрій, блок обробки та відображення інформації. Блок генераторів є блоком генераторів електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль на двох частотах низької нетеплової інтенсивності (до 10 2 мВт/см ), сигнали яких надходять у випромінювач, який опромінює поверхню частки тіла біооб′єкта, а випромінювання, яке пройшло крізь біооб′єкт або відбито від нього, надходить у приймальний пристрій електромагнітних хвиль, де сигнали для кожної з задіяних частот відокремлюються і передаються до блока амплітудних детекторів, при цьому сигнали, що несуть інформацію про амплітуду на кожній з двох частот опромінювання, надходять у блок обробки та відображення інформації. Застосування заявленого способу та пристрою забезпечує отримання достовірної інформації та надає можливість підвищити точність виміру. UA 109005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід належить до галузі медичної та спортивної діагностичної радіоелектроніки і може використовуватися для оперативного вимірювання таких параметрів серцево-судинної діяльності, як ступінь насичення крові киснем та частота серцевих скорочень, в системах діагностичної апаратури в медичних, терапевтичних, спортивних та відновлювальних закладах, особливо в системах контролю за станом хворих, що знаходяться під анестезією під час оперативного втручання, для обстеження дітей, спортсменів, для післяопераційного моніторингу. В медичній техніці широко відомі неінвазійні методи діагностики з оптичною реєстрацією і перетворенням біологічної інформації, що дозволяють виконувати виміри практично у будь якій точці поверхні тіла з використанням різних модифікацій оптичних приладів для вирішення спеціальних завдань дослідження параметрів та гемодинамічних показників кровотоку, загальної концентрації гемоглобіну, кровонаповнення тканин, загальної сатурації крові киснем, концентрації білірубіну. Найбільш фотохромним компонентом живої тканини є гемоглобін та його похідні (білірубін, окси-, деокси-, і метгемоглобін). Їх характерні смуги поглинання в оптичному діапазоні знаходяться в області довжин хвиль 500-600 нм, що дозволяє реєструвати будь-які зміни у гемодинаміці тканин засобами спектрофотометрії з одержанням комплексних спектрів поглинання. Це в свою чергу дозволяє діагностувати значну кількість внутрішніх патологій біотканин [1,3,4]. Найбільш розповсюдженими серед способів виміру насичення крові киснем є способи з прямою реєстрацією постійної та змінної складових сигналу, де постійна складова отримується шляхом інтегрування сигналу за певний проміжок часу. Зокрема, відомий спосіб пульсової оксиметрії, що ґрунтується на випромінюванні на біооб'єкт оптичних сигналів червоного та інфрачервоного діапазону довжин хвиль, оптоелектронному перетворенні сигналів, що пройшли крізь об'єкт або відбиті від нього, нормуванні рівня змінної складової електричного перетвореного сигналу за рівнем його постійної складової на кожній довжині оптичної хвилі з подальшим порівнянням пронормованих рівнів [2, 5]. Прикладами пристроїв, в яких реалізується оптичний спосіб є пульсові оксиметри, що випускаються провідними світовими виробниками, такими як "Necilor inc.», "Ohmeda", "Radiometer", "Datex" та ін. [5]. Основним недоліком вищезазначених оптичних способів є невисока точність та швидкодія визначення SpO2, що не дозволяє слідкувати за динамікою під час її різкого коливання. Так, наприклад, дослідження, представлені в [5], виявили, що згадані пульсові оксиметри реагують на гіпоксію із затримкою від 20 до 30 с Відомі способи визначення насичення крові киснем, в яких поставлене завдання покращити точність і швидкодію визначення SpO2 шляхом більш досконалої статистичної обробки сигналів [6] або за рахунок введення нового принципу нормування рівнів сигналів шляхом їх послідовного логарифмування та диференціювання [7]. Відомий спосіб неінвазивного визначення ступеня насичення крові киснем, згідно з яким тканину опромінюють світловим потоком та реєструють інтенсивність відбитого випромінювання у яскраво- та темно-червоній областях спектра, які відповідають кровотокам, що містять оксигемоглобін та деоксигемоглобін [8]. Відомий спосіб та пристрій для його здійснення, де тіло опромінюють імпульсним світлом, а з світлового потоку, що пройшов крізь частку тіла, оптичними фільтрами виділяють зелену, червону та блакитну області спектра, одержані сигнали обробляють та відображають [9]. Недоліками наведених способів є те, що в них досліджується загальний оптичний сигнал від різних шарів та поверхонь частки тіла, тому точність цих методів принципово не може бути високою. Відомий спосіб, згідно з яким частку тіла опромінюють модульованим у часі світловим потоком і вимірюють інтенсивність цього потоку, який пройшов крізь частку тіла у діапазонах 810-950 нм та 506,5, 523, 549, 569, 586 нм. [10]. Однак, світловий потік, який пройшов крізь частку тіла, формується за рахунок дифузних відбитків світлового потоку різними частинками цієї частки тіла. Тому, спектральний склад такого потоку несе хибну інформацію щодо спектральних властивостей крові і, як наслідок, виміри мають значну похибку. Підсумовуючи аналіз відомих способів визначення насичення крові киснем, необхідно визнати складність використання оптичних способів по причині сильного розсіювання світла в біологічних тканинах, що призводить до значних похибках при вимірюваннях, хоча у цих способів є і позитивні ознаки, зокрема відсутність чутливості до електромагнітних впливів та порівняльна простота пристроїв діагностики [12]. До недоліків оптичних способів пульсоксиметрії можна також віднести зростання похибок вимірів при сильному зовнішньому 1 UA 109005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 світлі, патологічному гемоглобіні, ігнорування невеликої кількості кисню, що переноситься кров'ю, але не вимірюється оптичними оксиметрами. Недоліком також є чутливість оптичного діапазону до зовнішніх впливів і перешкод, що виникають під час роботи освітлювальних ламп та інших побутових приладів, що створюють пульсуючий світловий потік з різними частотами пульсацій [13]. За найближчий аналог вибрано "Спосіб неінвазивного аналізу крові" [11], згідно з яким поверхню біооб'єкта опромінюють одночасно модульованими у часі світловим потоком та ультразвуковим променем, який подають перпендикулярно до світлового потоку, при цьому світловий потік модулюють по амплітуді і по фазі на частоті, що дорівнює частоті ультразвукового променя з подальшим аналізом їх характеристик. Однак, незважаючи на те, що світловий потік та ультразвуковий промінь за способом найближчого аналога модулюють у часі по амплітуді, все ж виключити негативний вплив шумів та перешкод, що створюють неоднорідні шари тканин неможливо, тому точність вимірів як і в попередніх способах має значну похибку. Задачею винаходу є створення нового способу визначення параметрів серцево-судинної діяльності, таких як насичення крові киснем та частота серцевих скорочень, та пристрою для його здійснення, який забезпечить достовірну інформацію та надасть можливість значно підвищити точність вимірів. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень поверхню біооб'єкта опромінюють потоком хвиль з подальшим аналізом їх характеристик. Згідно з винаходом, що пропонується, застосовані електромагнітні хвилі міліметрового діапазону на двох частотах, одна частота відповідає піку поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні (59±0,4 ГГц), друга частота відповідає рівності поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні та в парах води (45±0,2 ГГц або 80±0,4 ГГц, ). Поглинання електромагнітних хвиль для двох задіяних частот буде різним і залежатиме від ступеня насичення крові киснем. Чим більше кров насичена киснем, тим більше будуть поглинатись електромагнітні хвилі на першій частоті І тим слабший буде рівень сигналу на цій частоті у порівнянні з сигналом другої частоти, для якого наявність кисню у середовищі з великою концентрацією молекул води буде майже непомітна. Результат виміру сигналів від електромагнітних хвиль, що пройшли крізь біологічну тканину або були відбиті від неї, для двох частот опромінення обробляється і відображується для визначення ступеня насичення крові киснем. Водночас, за рахунок серцевих скорочень кровонаповнення судин змінюється у часі і сигнали від електромагнітних хвиль задіяних частот, що пройшли крізь біологічну тканину або були відбиті від неї, зазнають модуляції по амплітуді з частотою серцевих скорочень. Відокремлення та обробка цього сигналу модуляції використовуються для визначення частоти серцевих скорочень. У пристрої для визначення таких параметрів серцево-судинної діяльності, як ступінь насичення крові киснем та частота серцевих скорочень, що містить блок генераторів електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону, випромінювач, приймальний пристрій електромагнітних хвиль, блок амплітудних детекторів, блок обробки та відображення інформації, згідно з винаходом, що пропонується, у схему пристрою введені генератори електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль у вільному просторі 2 на двох частотах низької нетеплової інтенсивності (до 10 мВт/см ), при цьому частота одного з сигналів відповідає піку поглинання енергії електромагнітного випромінювання у кисні (59±0,4 ГГц), частота другого дорівнює рівності поглинання енергії електромагнітного випромінювання у кисні та в парах води (45±0,2 ГГц або 80±0,4 ГГц), сигнали генераторів надходять у випромінювач, який опромінює поверхню частки тіла біооб'єкта. Випромінювання, яке пройшло крізь біооб'єкт або відбито від нього надходить у приймальний пристрій електромагнітних хвиль, де сигнали для кожної з задіяних частот відокремлюються і передаються до блока амплітудних детекторів, далі сигнали, що несуть інформацію про амплітуду на кожній з двох частот опромінювання, надходять у блок обробки та відображення інформації. Запропонований спосіб позбавлений недоліків оптичного методу, в той час як його переваги - неінвазивність вимірювань, широкі діагностичні можливості, можливості дистанційних вимірювань збережені. Електромагнітне випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль у вільному просторі на двох частотах, яке використано у пропонованому способі, менше розсіюється в біологічних тканинах у порівнянні з оптичним діапазоном, у цьому діапазоні суттєво менший рівень зовнішніх випромінювань техногенного і природного походження, що заважають вимірюванням, чому сприяє сильне поглинання електромагнітних хвиль міліметрового діапазону в атмосфері, яка має виражену екрануючу властивість, особливо для деяких відділків даного діапазону. Для ілюстрації на рис.1 показана залежність погонного 2 UA 109005 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ослаблення електромагнітних хвиль у міліметровому діапазоні від частоти за рахунок води (водяної пари) і кисню в атмосфері [14]. Графіки, які представлені на рисунках, демонструють, що поглинання електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль у вільному просторі у середовищі, де є кисень, має яскраво виражений резонансний характер з максимумом біля частоти 59 ГГц, тоді як для частот близько 45 ГГц та 80 ГГц поглинання за рахунок наявності у середовищі молекул води, що входять до складу тканин організму у великій кількості, і кисню - однакове. При реалізації способу, що пропонується, порівнюється поглинання електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону, що пройшло крізь біотканини, на двох частотах, причому на першій частоті поглинання залежить значною мірою від присутності кисню у крові, а другу частоту можна вибирати на умовах однаковості поглинання електромагнітного випромінювання даної частоти у кисні і у воді. Так як жива тканина містить багато води, на другій частоті поглинання електромагнітного випромінювання практично не буде залежати від насичення крові киснем. За рахунок сильного поглинання у кисні електромагнітне випромінювання першої частоти буде поглинатись більше, ніж на другій. Аналіз різниці в поглинанні електромагнітного випромінювання на двох частотах нами використовується для визначення ступеня насичення крові киснем. Кровонаповнення судин змінюється у часі завдяки серцевим скороченням, тому аналіз залежності інтенсивності поглинання електромагнітного випромінювання задіяних частот в біологічних тканинах у часі використовується для визначення частоти серцевих скорочень. Як і в оптичному методі, запропонований спосіб дозволяє використати як електромагнітне випромінювання, що пройшло крізь біотканини, так і відбите електромагнітне випромінювання. Таким чином, перелічені суттєві ознаки у сукупності дозволяють забезпечити достовірну інформацію та точність вимірів насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень для моніторингу серцево-судинної системи. На рис. 2 зображено один з варіантів схеми реалізації пульсоксиметру із застосуванням радіохвильового методу та електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль у вільному просторі. Визначення таких параметрів серцево-судинної діяльності, як насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень, у пристрої, що пропонується, здійснюється наступним чином. Блок генераторів електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону 1 генерує сигнали двох 2 частот низької нетеплової інтенсивності (до 10 мВт/см ). Частота одного з сигналів відповідає піку поглинання енергії випромінювання у кисні (близько 59 ГГц), частота другого дорівнює рівності поглинання енергії у кисні та в парах води (близько 45 ГГц або 80 ГГц). Під час застосування пристрою виконується установка випромінювача 2 над вибраною зоною поверхні шкіри і опромінення цієї зони електромагнітними хвилями на двох частотах. В залежності від конкретного варіанта реалізації, приймальний пристрій електромагнітних хвиль 3 приймає випромінювання, яке пройшло крізь частку тіла або відбито від поверхні шкіри, модульоване за амплітудою сигналом пульсової хвилі, що пов'язане із серцевими скороченнями. У ньому сигнали двох задіяних частот відокремлюються і надходять до блока амплітудних детекторів 4, де кожен детектується окремо. На виході блока амплітудних детекторів маємо сигнали для двох частот опромінення біооб'єкта, рівень яких залежить від поглинання у біологічній тканині, що опромінювалась. Водночас, ці сигнали модульовані по амплітуді з частотою серцевих скорочень. Одержані сигнали поступають у блок обробки і відображення інформації 5, де після процедур фільтрації, аналого-цифрового перетворення, математичної обробки одержаних даних у відповідності із встановленим програмно реалізованим обчислювальним алгоритмом, обчислюється ступень насиченості крові киснем та частота пульсу. Одержана в результаті обробки інформація відображується у зручному вигляді. Джерела інформації: 1. Tremper K.K., Barker S.J. Pulse oximetry. Anasthtsiology, 1980, pp.98-100. 2. Патент США № 4807631, кл А61В5/00. Опубл.28 02 1989. 3. Бунятян А.А., Флеров Е.В., ШитиковИ.И., Арсеньев СВ. // Пульсовая оксиметрия. Красноярск, 1991.-С. 1-21. 4. Павлов СВ., Кожем'яко В.П., Петрук В.Г., Колісник П.Φ. Фотоплетизмографічні технології контролю серцево-судинної системи [Монографія]. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. - 254 с 5. Шитиков И.И. та ін. Сравнительное исследование пяти пульсовых оксиметров. / Медицинская техника. № 1. 1993.- С. 21-24. 6. Пат. 31291 Україна МПК А61В 5/00. Спосіб визначення сатурації крові киснем / Мінов О.М., Кравченко В.Й., Плаксій Ю.С, Мамілов С.О. опубл. 12.05.2000, Бюл.№ 7. 3 UA 109005 C2 5 10 15 7. Пат. 33422 Україна МПК А61В 5/00. Спосіб пульсової оксиметрії / Зудов О.М., Шарпан О.Б. опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1 8. Пат. 6872 Україна МПК А61В 5/02. Спосіб неінвазивного визначення ступеню насиченості крові киснем, опубл. 15.01.1995, Бюл. № 1. 9. Заявка 93070700 Україна МПК А61В 5/00. Пристрій для неінвазивного експрес-аналізу компонентів крові, опубл. ПВ №4, 1994. 10.Пат. 14937 Україна МПК А61В 5/00. Спосіб вимірювання загального гемоглобіну крові. / Корсунський В.М., Снігур О.О., Сичок A.M. опубл. 6.06. 1996, Бюл. №3. 11.Пат. 43665 Україна МПК А61В 5/02. Спосіб неінвазивного аналізу крові. / Фесечко В.О., Синекоп Ю.С, Аль Хадж Фатух Хазем, Іванушкіна Н.Г., Афана Луай, Жданов А.Б. опубл. 17.12.2001, Бюл. №11. 12. Мамилов CO. Модуляційна спектроскопія ближнього інфрачервоного діапазону для медичної діагностики. Автореферат дис. на здобуття наукового ступеня канд. фізикоматематичних наук: 03.00.02 -біофізика. Харківськтй національний університет ім. В.Н.Каразіна. - X., 2002. 13. Е. Хилл, М.Д. Стоунхем. Практическое применение пульсоксиметрии. (Оксфорд. Великобритания. / www/ua/arh.ru. htm-47k)' 14. Системы связи и радиорелейные линии. Учебник для электротехники ин-тов связи. Под ред. Н.И.Калашникова. - М., Связь. 1977. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 1. Спосіб визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень, при якому поверхню частки тіла біооб'єкта опромінюють потоком хвиль та проводять подальший аналіз їх характеристик, який відрізняється тим, що застосовують електромагнітне випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль на двох частотах, а інтенсивність випромінювання, яке пройшло крізь тіло або відбито від нього, вимірюють, результат виміру обробляють та відображують, причому одна частота відповідає піку поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні (59±0,4 ГГц), а друга частота відповідає рівності поглинання енергії електромагнітних хвиль у кисні та парах води (45±0,2 ГГц або 80±0,4 ГГц), аналіз різниці поглинання електромагнітних хвиль у біологічних тканинах для двох частот опромінювання використовують для визначення ступеня насичення крові киснем, а аналіз залежності інтенсивності поглинання електромагнітних хвиль задіяних частот в біологічних тканинах у часі використовують для визначення частоти серцевих скорочень. 2. Пристрій для визначення насичення крові киснем та частоти серцевих скорочень, що містить блок генераторів, випромінювач, приймальний пристрій, блок обробки та відображення інформації, який відрізняється тим, що блок генераторів містить блок генераторів електромагнітного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль на двох частотах 2 низької нетеплової інтенсивності (до 10 мВт/см ), сигнали яких надходять у випромінювач, який опромінює поверхню частки тіла біооб'єкта, а випромінювання, яке пройшло крізь біооб'єкт або відбито від нього, надходить у приймальний пристрій електромагнітних хвиль, де сигнали для кожної з задіяних частот відокремлюються і передаються до блока амплітудних детекторів, при цьому сигнали, що несуть інформацію про амплітуду на кожній з двох частот опромінювання, надходять у блок обробки та відображення інформації. 4 UA 109005 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5