автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование принципов построения фотоплетизмографов с целью разработки современных методов оперативной обработки информации при контроле периферического кровообращения

РГВ од

- з лр ПГ0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦ]

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи

УДК 535.8

ЕГОЗИН ДОРИАН ЛЕОНАРДОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФОВ С ЦЕЛЬЮ РАЗРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ОПЕРАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ КОНТРОЛЕ ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО КРОВООБРАЩЕНИЯ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Московском Государственном Университете геодезии н картографии.

11аучиый руководитель доктор технических наук, профессор

Зацаринный A.B.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жилкин A.M.

кандидат технических наук Орбачевский Л.С.

Ведущая организация Дом оптики ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова»

Защита состоится «2Z» L*H>H9\ 2000г. в "fQ — часов на заседании специализированного Совета К063.01.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московском Государственном Университете геодезии и картографии по адресу: 103006, г. Москва, Гороховский пер., 4., 321 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «10 ъ /чай_2000г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Соломатин В.А.

/

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В последнее десятилетие в развитых странах наблюдается повышенный интерес к инструментальным методам бескровного (неинвазивного) измерения параметров систем организма.

На новом направлении прогресс в основном связан с теми методами, которые позволяют неивазивно оценивать степень жизнеспособности тканей, органов и систем организма. К ним относятся методы измерения параметров сердечно-сосудистой системы организма - именно параметров, а не соответствующих сигналов, которые потенциально несут в себе нужную информацию, но не прошли программно-алгоритмической обработки.

В настоящее время в арсенале медицины имеются разнообразные методы и аппаратура с помощью которых проводятся исследования состояния периферического кровообращения в тканях. Фотоплетизмографический метод (ФМ) наиболее полно отвечает указанным выше целям.

Данный метод позволяет разработать и применять бесконтактные датчики, что исключает сдавливание сосудов и таким образом предотвращается нарушения кровообращения в исследуемом участке тканей. Кроме того, ФМ позволяет проводить исследования бесконтактным методом как в проходящем, так и в отраженном свете, поэтому применение его в практике весьма перспективно.

Результаты обширных исследований биофизических основ ФМ, убедительно показывают возможность проведения оценки ряда основных параметров гемодинамики в биологических тканях с помощью данного метода. Однако широкое использование его сдерживается неоперативностью обработки получаемой информации, а также отсутствием метрологического обеспечения, гарантирующего единство и достоверность фотоплетизмографических измерений.

В связи со сказанным разработка методики комплексного исследования спектральных характеристик биологических тканей и качественно новых методов измерения основных параметров гемодинамики этих тканей, а также создание на их основе измерительных приборов, сочетающих в себе достаточную точность и достоверность проводимых измерений, представляет собой актуальную задачу и имеет практическую ценность.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является исследование принципов построения оптико-электронной системы для контроля периферического кровообращения, разработка оптических систем с учетом особенностей биологических тканей, разработка устройств сопряжения с персональным компьютером с первичной обработкой данных и внедрение результатов исследований по разработке фотоплетизмографического метода и аппаратуры в медицинскую практику с целью повышения оценки эффективности диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Экспериментальная проверка основных научных положений и анализ результатов исследований с использованием математической обработки данных.

Теоретически и экспериментально доказана принципиальная возможность создания высокоэффективных оптико-электронных устройств, позволяющих исследовать основные параметры кровотока в биологических тканях.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ:

- выполнить анализ и обобщение литературных сведений об методах исследования периферического кровообращения;

провести анализ методов и аппаратуры, применяемых для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях;

- провести анализ спектральных характеристик биологических тканей и на этой основе сформулировать требования к спектральным характеристикам источника лучистой энергии (ИЛЭ) и к фотоприемнику;

- на основе теоретико-экспериментальных исследований разработать варианты оптических систем фотоплетизмографической установки для изучения периферического кровообращения в тканях биологического объекта;

- выполнить исследование способов калибровки фотоплетизмограмм и ФПУ;

- разработать методику сопряжения фотоплетизмографической установки с компьютером и разработать алгоритм первичной обработки оцифрованных данных;

- исследовать эффективность оптико-эллектронных устройств, предназначенных для исследования периферического кровообращения (ПКО) в тканях биологического объекта (БО), а также провести их клинические испытания.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основные положения диссертации базируются на теоретических исследованиях, выполненных автором в процессе разработки принципов создания вариантов фотоппетизмографических устройств и лабораторных исследованиях макетов этих устройств с целью определения их точностных возможностей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе поставлена и решена задача по разработке оптических систем для работы с биологическим тканями, рассмотрена обработка данных на компьютере с помощью специальных разработанных согласующих устройств по специально созданной программе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Теоретически и экспериментально доказана возможность с использованием специальной оптики полной автоматизации измерения кровотока в сосудах как отраженном, так и проходящем свете.

Предложен метод сопряжения с компьютером на основе стандартной АЦП персонального компьютера звукового диапазона. Разработана методика калибровки фотоплетизмографа и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

принципы построения оптико-электронных систем для исследования и анализа основных параметров периферического кровообращения в биологических тканях;

- результаты разработки принципов построения и создания фотоплетизмографических датчиков;

результаты лабораторных исследований и клинической апробации фотоплетизмографического устройства для диагностики состояния периферического кровообращения в биологических тканях ;

результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке методики первичной микропроцессорной обработки информации;

- результаты экспериментальных исследований по разработке метода сопряжения фотоплетизмографической установки с персональным компьютером;

- методика и результаты предварительной обработки фото-плетизмограмм.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения , пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 90 страницы машинописного текста, 27 рисунков, 2 таблицы, 14 страниц приложения. Список литературы включает 59 наименований, в том числе 8 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации рассматриваются специфические особенности биологических объектов (БО), приведен обзор существующих методов исследования периферического кровообращения в БО с указанием основных преимуществ и недостатков каждого из них. Проведенный анализ показывает достоинства фотоплетизмографических устройств для изучения периферического кровообращения. В частности были рассмотрены в сравнительной оценке биомикроскопический, микрокинематрографический, фотоэлектрической микроплетизмографии и реографический методы Достоинствами фотоплетизмографических устройств являются: метод позволяет проводить исследование как в проходящем, так и в отраженном свете;

метод позволяет получить полезную информацию о сосудистой активности, сосудистом ответе на специфические вещества; - метод позволяет проводить изучение кровообращения в изолированных сосудах различного калибра(вены, артерии и др.);

фотодатчик не вызывает сдавливания сосудов биологической ткани, т.е. не вносит нарушения кровообращения, и является истинным регистратором объема крови в сосудах БО; - датчик не нуждается в дополнительных аксессуарах и жидких веществ для улучшения качества результатов измерения (как, например, в реоплетизмографии).

Анализ известных фотоэлектрических измерительных преобразователей, применяемых в фотоплетизмографических устройствах, показал, что они требуют повышения их основных технических параметров, а также усовершенствование конструктивного выполнения с учетом конкретного участка исследуемых тканей и органов БО.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1:

Фотоплетизмографический метод является наиболее предпочтительным для исследования состояния периферического кровообращения в тканях человека, так как позволяет проводить исследования бесконтактным способом как в проходящем так и в отраженном свете, позволяет проводить исследования микроциркуляции в тканях человека без нарушения кровообращения в исследуемом участке, что является существенным преимуществом для медицинской практики.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматриваются основные оптические характеристики тканей человека и влияние на них состава крови. Дается обоснование для выбора рабочей длины волны для источника фотоплетизмографа.

Предыдущие работы многих ученых, проведенные по изучению спектральных характеристик крови, показали, что рассеяние лучистой энергии в биологических тканях происходит в основном за счет отражения от поверхности эритроцитов. Поэтому о состоянии кровообращения в исследуемых тканях можно судить по изменению коэффициента пропускания или отражения лучистой энергии, прошедшей через эти ткани, или отраженной от них, так как абсолютные значения спектральных коэффициентов являются функцией содержащейся в них крови.

Было выяснено , что оксигемоглобин и гемоглобин пропускает видимый красный свет (620 -=- 700 нм) по разному (рис.1). С целью создания равных условий при определении кровенаполнения сосудов в независимости от

процентного содержания гемоглобина и оксигемоглобина предлогается проводить исследования в диапазоне 0,8-1,0 мкм.

Была рассмотрена методика и схемы оптико-электронных установок для прижизненного измерения спектральных коэффициентов пропускания, а также установка для определения индикатрисы рассеяния биологических тканей. Предложена методика расчета потока, поступающего на вход фотоприемника после рассеяния на биологическом объекте.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2: по характеру изменения коэффициентов пропускания или отражения лучистой энергии тканями БО можно судить о состоянии кровообращения в этих тканях;

- установлен оптимальный спектральный диапазон оптического излучения для проведения исследований по гемодинамике в тканях методом фотоплетизмографии в режимах проходящего и отраженного света, который находится в пределах 0,8 4- 1,0 мкм.

В ТРЕТЬИМ ГЛАВЕ проводится исследование принципов построения и обоснование функциональной схемы фотоплетизмографической аппаратуры и

исследуются объективные методы калибровки фотоплетизмограмм и устройства для калибровки ФПА.

Сущность исследуемого в диссертации фотоплетизмографического метода состоит в облучении исследуемого участка БО модулированным лучистым потоком от источника монохроматического излучения с последующей регистрацией энергии, прошедшей через исследуемый объект или отраженной от него, с помощью специальных оптико-электронных устройств.

Теория и расчет оптико-электронных приборов и характер

преобразования сигналов в ОЭП-приборах были подробно исследованы и описаны Якушенковым ЮГ.

Исследования, проведенные в ходе работ над диссертацией, показали, что основные положения этой теории могут быть распространены и на фото плетизмографию.

На рис.2. показаны процессы преобразования сигнала в фотоплетизмографах, полученные в результате проведенных исследований, где в качестве источника излучения взят светодиод, а в качестве приемника излучения фотодиод.

Излучение светодиода 3 модулируется по току несущей частотой модулятором 2. После прохождения биологической ткани сигнал становиться промодулированым также и на низкой частоте под воздействием кровенаполнения сосудов. Этот сигнал является полезным и его необходимо детектировать. Для этого сигнал, воспринимаемый фотоприемником 4, сначала усиливается усилителем переменного 5 тока, настроенным на частоту модуляции модулятора 2, для выделения сигнала на фоне помех. После этого сигнал поступает на детектор 7, который из амплитудно-модудированного сигнала выделяет его постоянную составляющую и переменную составляющую сигнала.

Блок питания

Клал

Детектор

1Г

6 Усилитель переменного тока

8 Усилитель низкой частоты

V

АЦП

010110100100101 01001110010010!

010П 0100100101

_

10

Процессор |<-

12

Устройство вывода

; Устройство хранения информации

Рис. 2. Процессы преобразования сигнала в фотоплетихмографе

о

Постоянная составляющая характеризует оптическую плотность исследуемого участка БО. Переменная составляющая сигнала характеризует степень кровонаполнения этого же участка.

ФП

а)

б)

Г

2К

излучатель

I

В

БО

в)

Рис. 3. Функциональные схемы волоконно-оптических датчиков для проведения исследований по гемодинамике в тканях биологических объектов в режиме отраженного света.

Далее обработке подвергается только сигнал, который характеризует степень кровонаполнения участка биологического объекта. Он усиливается усилителем низкой частоты 8 и поступает на аналого-цифровой преобразователь 9 и далее в микропроцессорное устройство в виде

персонального компьютера 10, где идет математическая обработка сигнала, результаты которой записываются в банк данных 11 или выводятся на печать через устройство 12.

С целью повышения точности и объективности измерений при определении степени кровенаполнения сосудов применяется калибровка фотоплетизмографов. Калибровка осуществляться устройством для калибровки 13.

Одним из наиболее важных компонентов ФПА является оптическая система, предназначенная для подведения лучистой энергии к исследуемому участку от источника лучистой энергии (ИЛЭ) и выделения полезного сигнала от объекта исследования.

Так как основные параметры и эксплуатационные возможности ФПА во многом определяются оптической системой, то были проведены специальные энергетические исследования, с тем, чтобы сформулировать требования к ее элементам, в частности, к ИЛЭ и фотоприемнику и использовать эти данные при проектировании и конструировании ФПА.

С учетом особенностей работы с биологическими объектами были предложены оптические системы на основе волоконо-оптического световода, проведен энергетический расчет коэффициента использования лучистой энергии Ки приемным каналом фотоплетизмографического датчика в зависимости от его конструктивных параметров и расстояния от его торца до поверхности объекта исследования (рис.3).

Для схемы а):

К..

х + В — г2

х2 + В2 -К2

I-

_у/х2+2 х{в2-г2)+{г2 + в2) А-2+2а(В2-К2Ыя2+Л2)_ х + В2 - Я2

^х2+2х{в2-г2)+{гг+В2Ч

с1х

Для схемы б):

х2 + В2 -Я2

^х2+2х{в2-гг)+(гг+в2) у]х2+2 лг(й2-Л2)+(Л2+Д2)

ах

х1 +Вг - г1

1Х,+2Х{В2~г2)+{Г2+Б2] _

Также была рассмотрена схема (вариант в) в которой в качестве источника лучистой энергии используется светодиод, например, типа АЛ-107Б, установленный на конце фото гшетизмо графического датчика таким образом, чтобы его излучающая площадка была бы расположена в центре торца волоконно-оптического световода, а приемные волокна приемного канала расположены концентрически вокруг светодиода и определен коэффициент использования Кт лучистой энергии отраженной от поверхности исследуемого биологического объекта приемным каналом фотоплетизмографического датчика в зависимости от конструктивных его параметров и расстояния Ь от торца световода до поверхности биологического объекта. Для схемы в):

--Г

Р I

Я2-г2 +д/я2 +(г2 -р2)2 +2 В2[р2 +г2)-^ +(я2 -р2] +1В2{рг +Я2)

Однако для случая, когда необходимо исследовать гемодинамику сосудов в доступных местах биологического объекта, например, поверхность рук, можно упростить оптическую систему фотоплетизмографа для случая использования светодиода в качестве источника излучения и фотодиода в качестве приемника излучения. В этом случае можно исключить из схемы оптический световод и прикладывать светодиод и фотодиод непосредственно на исследуемый объект.

Было поведено исследование мощности лучистого потока, необходимого для исследования фотоплетизмографическим методом периферического

кровообращения и сформулированы требования по выбору источника и приемника излучения.

Из анализа рассмотренных оптических схем ФПА следует, что более простой является схема, в которой в качестве ИЛЭ используется светодиод, так как при этом существенно упрощается оптическая схема, отпадает необходимость в использовании дефицитных и дорогостоящих оптико-электронных элементов (ЭОМ, интерференционный светофильтр, микробъективы и т.д.), а также появляется возможность сконструировать и изготовить компактный измерительный преобразователь. При этом значительно уменьшается количество конструктивных элементов, что позволяет упростить прибор и повысить его надежность.

Проведен анализ средств для модуляции лучистого потока, а также вопросы калибровки фотоплетизмограмм.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3:

- с учетом особенностей БО были разработаны оптические системы на основе волоконно-оптического световода;

- установлена зависимость коэффициента использования лучистой энергии приемным каналом фотоплетизмографического датчика в зависимости от его конструктивных параметров;

- доказано, что по мощности излучения светодиод типа ЗЛ129А (4,4мВт) вполне достаточен для решения конкретной решаемой задачи и в силу дешевизны и доступности вполне удовлетворяет поставленным требованиям диссертации;

- оптимальным на основе опыта оказался метод внутренней модуляции, что хорошо согласуется с фотоплетизмографией;

показано, что с помощью спектральных фильтров можно осуществлять калибровку фотоплетизмограмм.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проводится исследование и разработка устройства сопряжения фотоплетизмографа с персональным компьютером.

В качестве базового блока фотоплетизмографического устройства был использован оксиметр.

Для оперативной оценки оценки фотоплетизмограммы и предоставления результатов исследования в графическом или цифровом формате с возможностью дальнейшей обработки или хранения информации предлагается

использовать микро-ЭВМ стандартной конфигурации (достаточно использовать 386 процессор с 4-мя мегабайтами оперативной памяти) со встроенным АЦП звукового диапазона. АЦП звукового диапазона может использоваться в качестве аналого-цифрового преобразователя для ввода сигнала от аналогового блока фотоплетизмографа.

АЦП звукового диапазона типа Sound Blaster можно использовать как аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь с исключительно широкими возможностями обработки данных. Компьютер с такой картой можно использовать в качестве осциллографа, генератора или анализатора сигналов.

Исследуются форматы файлов для хранения оцифрованных данных.

Приводится обоснование применения в качестве АЦП стандартной АЦП звукового диапазона для персонального компьютера серии ШМ АТ/ХТ.

Поскольку АЦП звукового диапазона предназначен для обработки сигналов в звуковом диапазоне, то необходимо произвести согласование аналогового блока с АЦП персонального компьютера. Для этой цели автором предлагается промодулировать сигнал поступающий с выхода фотоплетизмографа, сигналом звуковой частоты ЮкГц и тем самым перенести его в звуковой диапазон.

Для этой цели был разработан электрический модулятор, выполняющий перенос сигнала от фотоплетизмографа в звуковой диапазон.

Также была разработана методика оцифровки и первичной обработки информации с возможностью представления как в цифровом, так и в графическом виде.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4: - доказано, что путем специального переноса сигнала в звуковой диапазон с помощью специально созданного в процессе разработки диссертации для оцифровки сигналов от фотоплетизмографа можно уверено использовать стандартный АЦП звукового диапазона для персонального компьютера. Это имеет особый экономический эффект, так как по сравнению с промышленными АЦП, например адаптер аналогового ввода ISA ШС-538/539, использование АЦП звукового диапазона удешевляет стоимость оборудования на порядок. При этом удалось получить требуемые параметры несмотря на использование дополнительной модуляции для переноса в

звуковой диапазон. АЦП звукового диапазона обладает приемлемыми характеристиками, достаточными для использования фотоплетизмографии. В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приводятся результаты экспериментальных исследований и описание методики предварительной обработки данных фото-плетизмограмм.

Рис. 4. Схема экспериментального стенда.

Для экспериментальных исследований ФПУ была предложена и реализована следующая методика:

- Собирется экспериментальный стенд (см. рис. 4), включающий в себя опытный образец электронного блока (оксиметра) исследуемой фотолетизмографической установки 1, фотоплетизмографический датчик 2, электронный модулятор 3, персональный компьютер с АЦП звукового диапазона, генератор 5, осциллограф 6.

На компьютер устанавливается специально разработанное программное обеспечение для предварительной обработки сигнала, поступающего с фотоплетизмографа на вход АЦП компьютера.

Проводится серия испытаний на людях путем съема фотоплетизмограммы с большого пальца правой и левой руки в течении 10 секунд, с записью сигнала на компьютер в виде звукового файла с помощью стандартной программы оцифровки звука.

Проводится предварительная обработка данных с помощью разработанного программного обеспечения.

Проведена проверка достоверности получаемых данных после оцифровки с помощью АЦП звукового диапазона.

По разработанной методике была проведена серия испытаний на 10-ти студентах.

Проводилось снятие фотоплетизмограмм с большого пальца правой и левой руки испытуемого. После физической нагрузки на кисти рук операция была повторена.

Фотоплетизмограммы правой и левой рук у каждого испытуемого совпадали с очень небольшими искажениями, что подтверждает стабильность показаний прибора (рис. 5). При этом фотоплетизмограммы каждого испытуемого были строго индивидуальны.

БОЛЬШОЙ ПАЛЕЦ ЛЕВОЙ РУКИ

БОЛЬШОЙ ПАЛЕЦ ПРАВОЙ РУКИ

0,00 сек

3,18 сек

Рис. 5. Фотоплетизмограммы одного пациента с симметричных мест тела и средняя фотоплетизмограмма за 5 периодов.

Функциональная нагрузка не внесла видимых изменений в фотоплетизмограмму.

Испытания показали, что испытуемые имеют разные интервалы периода фотоплетизмограммы. Этот факт существенно затрудняет автоматическую обработку данных, включающую операцию по осреднению фотоплегтизмограммы за несколько периодов (рис.5). Поэтому операция по выделению временного периода была возложена на оператора, проводящего обработку данных, который указывал временной период с помощью указателя «мышь».

Анализ результатов показал эффективность предложенного метода использования АЦП звукового диапазона в качестве устройства сопряжения фотоплетизмографа с персональным компьютером.

Предлагаемый метод предварительной обработки информации предоставляет возможность проводить дальнейший анализ данных с применением большого спектра уже разработанного программного обеспечения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5:

1. Получение устойчивых фотоплетизмограмм с симметричных мест тела испытуемого доказывает достоверность результатов измерений.

2. Получение на компьютере четких графических изображений фотоплетизмограмм подтверждает работоспособность разработанной методики сопряжения оптико-электронного прибора для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях с персональным компьютером.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

Проведенные исследования выявили ряд положительных свойств метода фотоплетизмографии в оценке состояния периферического кровообращения, в том числе отсутствие необходимости жесткой фиксации датчиков в отличие от других методов исследования (реоплетизмография, тетрополярная реография и т.д.).

В результате проделанной работы были изучен оптико-электронный метод для анализа состояния периферического кровообращения в биологических тканях. Получены оптимальные оптические системы для изучения периферического кровообращения в биологических тканях А также

выработаны рекомендации для выбора источников и приемников оптического излучения для создания фотоплетизмографических устройств.

Исследован и разработан экономически выгодный способ сопряжения фотоплетизмографического оборудования с компьютером для последующей математической обработки сигнала.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Егозин Д.Л. Сравнительная характеристика исследований гемодинамики человека фотоплетизмографом и тетраполярной реографией. // Материалы всероссийской научно-практической конференции 'Экология физического воспитания", г.Тула, декабрь 1995г.

2. Егозин Д.Л. Принципы построения измерительных преобразователей для фотоплетизмографов, работающих в режиме отраженного света. // Тезисы 50-й юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, МИИГАиК, Москва, 1996г.

3. Егозин Д.Л. О возможности применения оптико-электронных приборов для зондирования тканей организма человека. // Тезисы 51 ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, МИИГАиК,Москва, 1997 г.

4. Егозин Д.Л., Егозина В.И. Валеологические подходы к исследованию сосудистой системы человека. // Тезисы 1-го международного конгресса «Информационно-волновая медицина и биология», Республика Кипр, г. Пафос, 1998 г.

Подп, к печати 15.05.2000 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ.л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,25 Тираж80экз. Заказ№101 Цена договорная

МосГУГиК 103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ методов изучения переферического кровообращения биологических объектов.

1.1. Специфические особенности исследований биологических объектов.

1.2. Методы и приборы для исследования периферического кровообращения в тканях человека.

1 2.1. Биомикроскопический метод.

1.2.2. Метод микрокинематографии.

1.2.3. Метод фотоэлектрической микроплетизмографии.

1.2.4. Плетизмографический метод.,.

1.2.4.1. Географический метод.

1.2.4.1. Фотоплетизмографический метод.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2 Исследование оптических характеристик тканей человека.

2.1. Основные оптические характеристики тканей человека.

2.1.1. Влияние состава крови на оптические характеристики тканей человека.

2.2. Обоснование выбора длины волны света для проведения исследования кровенаполнения сосудов.

2.3. Методы для измерений спектральных коэффициентов попускания и отражения оптического излучения тканями человека.

2.3.1. Определениея коэффициента пропускания.

2.3.2. Определение индикатрисы рассеяния биологической ткани.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. Исследование принципов построения оптико-электронных систем для анализа параметров периферического кровообращения.

3.1. Принципы построения оптико-электронных систем для исследования биологических тканей.

3.1.1. Оптическая система фотоплетизмографа.

3.1.2. Определение мощности лучистого потока и тип излучателя.

3.1.2. Требования к приемнику оптической энергии.

3.1.3. Требования к излучателю оптической энергии.

3.1.4. Модуляция.

3.2. Калибровка фотоплетизмограмм.

3.3. Выводы.:.

ГЛАВА 4. Исследование параметров периферического кровообращения с применением оксиметра.

4.1, Принцип действия ОЭП - оксиметра.

4.2. Описание структурной схемы.

4J. О возможности использования оксиметра в качестве фотоплетизмографа.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Методика экспериментальных исследований ФПУ.

5.2. Результаты клинических исследований макетного образца фотоплетизмографической установки.

5.3. Выводы.

В последнее десятилетие в развитых странах наблюдается повышенный интерес к инструментальным методам бескровного (неинвазивного) измерения параметров систем организма.

На новом направлении прогресс в основном связан с теми методами, которые позволяют неивазивно оценивать степень жизнеспособности тканей, органов и систем организма, К ним относятся методы измерения параметров сердечно-сосудистой системы организма - именно параметров, а не соответствующих сигналов, которые потенциально несут в себе нужную информацию, но не прошли программно-алгоритмической обработки.

В настоящее время в арсенале медицины имеются разнообразные методы и аппаратура с помощью которых проводятся исследования состояния периферического кровообращения в тканях. Фотоплетизмографический метод (ФМ) наиболее полно отвечает указанным выше целям.

Данный метод позволяет разработать и применять бесконтактные датчики, что исключает сдавливание сосудов и таким образом направленно на предотвращение нарушения кровообращения в исследуемом участке тканей. Кроме того, фотоплетизмографический метод позволяет проводить исследования бесконтактным методом как в проходящем, так и в отраженном свете, поэтому применение его в практике весьма перспективно.

Результаты обширных исследований биофизических основ Фотоплетизмографического метода, убедительно показывают возможность проведения оценки ряда основных параметров гемодинамики в биологических тканях с помощью данного метода. Однако широкое использование его сдерживается не оперативностью обработки получаемой информации, а также отсутствием метрологического обеспечения, гарантирующего единство и достоверность фотоплетизмографических измерений.

В связи со сказанным разработка методики комплексного исследования спектральных характеристик биологических тканей и качественно новых методов измерения основных параметров гемодинамики этих тканей, а также создание на их основе измерительных приборов, сочетающих в себе достаточную точность и достоверность проводимых измерений, представляет собой актуальную задачу и имеет практическую ценность.

Решение указанных вопросов составило цель нашего исследования, а именно: исследование и разработка принципов построения оптико-электронной аппаратуры для излучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях; исследование и разработка средств сопряжения фотоплетизмографического оборудования с компьютером для последующей математической обработки сигнала; внедрение результатов исследований по разработке фотоплетизмографического метода и аппаратуры в медицинскую практику с целью повышения оценки эффективности диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- Провести анализ методов и аппаратуры, применяемых для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях;

- Провести анализ спектральных характеристик биологических тканей и на этой основе сформулировать требования к спектральным характеристикам источника лучистой энергии (ИЛЭ) и к фотоприемнику;

На основе теоретико-экспериментальных исследований разработать рекомендации по созданию фотоплетизмографической установки для изучения периферического кровообращения в тканях БО;

- Разработать устройство сопряжения фотоплетизмографической установки с компьютером и разработать алгоритм первичной обработки оцифрованных данных;

- Исследовать эффективность оптико-электронных устройств, предназначенных для исследования периферического кровообращения(ПКО) в тканях биологического объекта (БО), а также провести их клинические испытания.

При выполнении исследования мы осуществили анализ и обобщение литературных сведений, теоретическое обоснование и разработку принципов построения перспективных оптико-электронных устройств для изучения параметров гемодинамики ПКО. Были выполнены также исследования способов калибровки фотоплетизмограмм и фотоплетизмографического устройства (ФПУ), проведена экспериментальная проверка основных научных положений и сделан анализ результатов исследований с использованием математической обработки данных.

Теоретически и экспериментально доказана принципиальная возможность создания высокоэффективных оптико-электронных устройств , позволяющих исследовать основные параметры кровотока в биологических тканях.

Диссертационная работа выполнялась в Московском Государственном Университете геодезии и картографии. Подобные работы на начальном этапе в 1980-90 годах выполнялись также в НЦХ АМН и ЦНИИС.

Основные положения, которые выносятся на защиту: принципы построения оптико-электронных систем для исследования и анализа основных параметров периферического кровообращения;

- результаты разработки принципов построения и создания фотоплетизмографических датчиков;

- результаты лабораторных исследований и клинической апробации фотоплетизмографического устройства для диагностики состояния периферического кровообращения в биологических тканях ;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке методики первичной микропроцессорной обработки информации;

- результаты экспериментальных исследований по разработке устройств сопряжения фотоплетизмографической установки с персональным компьютером; методика и результаты математической обработки фотоплетизмограмм.

5.3. Выводы

1 Получение устойчивых фотоплетизмограмм с симметричных мест тела испытуемого доказывает достоверность результатов измерений. 2. Получение на компьютере четких графических изображений фотоплетизмограмм подтверждает работоспособность разработанной методики сопряжения оптико-электронного прибора для изучения состояния периферического кровообращения в биологических тканях с персональным компьютером.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. На основе анализа литературных источников, посвященных известным методам исследования периферического кровообращения, изучен фотоплетизмографический метод, установлена перспективность этого оптико-электронного метода и определены задачи его исследования.

2. Аналитические соотношения, приведенные в главе 3 позволяют рассчитать оптимальные конструктивные параметры оптической системы для исследования периферического кровообращения биологических объектов.

3. Исследованы оптические характеристики биологических объектов и выработаны рекомендации по выбору рабочей длины волны оптико-электронной системы для исследования периферического кровообращения

4. Выработаны рекомендации по выбору источников и приемников оптического излучения для исследования периферического кровообращения фотоплетизмографическим способом.

5. Разработана методика сопряжения оптико-электронной системы для исследования периферического . кровообращения с персональным компьютером, отличающаяся своей экономичностью.

Автор выражает благодарность доценту, к.т.н Савостину П.И. и доценту, к.т.н Герасимову И М. кафедры ЭАиЭ МИИГАиК и Зайцеву В.П за помощь в создании экспериментального стенда.

1. Аксененко М.Д, Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения: Справочник. М: «Радио и связь», 1987 - 295 с.

2. Бажухин В.И. Перспективы развития биодатчиков для медицины и биологии. Сборник научных трудов «Актуальные проблемы создания биотехнических систем» М. Издательство АМТН, 1996. - 35- 41 с.

3. Беляев К.Р., Морозов А.А. Коррекция фазовых искажений и обработка биомедицинских сигналов. Вестник МГТУ.- 1993,- N 4. С.40-53.

4. Бунатян А.А., Шитиков И.И., Флеров Е.В. Перспективы применения пульсовой оксиметрии в анестезиологии и реаниматологии. Анестезиология и реаниматология, № 1, 1991, с. 3-7.

5. Васильев В., Гуров И. Компьютерная обработка сигналов. СПб. БХВ - Санкт-Петербург, 1998 - 233 с.

6. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов М: Мир, 1988-488 с.

7. Дармин Ю.А,, Зайцев В.П., Калиниченко Г.П. и др. Фотоплетизмограф. АС. №1116570.

8. Джонсон Гай. Воздействие неионизирующего электромагнитного излучения на биологические среды и системы. ТИИЭР, Т6, 1974, с. 49-82.

9. Зайцев В.П., Жилкин A.M., Милохов К.В. и др. Способ регулирования процесса калибровки фотоплетизмографа и устройство для его осуществления. А.С. №741854.

10. П.Зайцев В.П. О калибровке фотоплетизмографов. VII Всесоюзная конференция «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение». 12-14 июля 1983 г., М , с. 133.

11. Зубенко В.Г., Щукин С И. Моделирование процессов формирования плетизмограммы и исследование информативности ее параметров. Методические указания к лабораторным работам,- М: МГТУ, 1991. 12с.

12. Зубенко В.Г. Система для неинвазивной комплексной диагностики состояния кровообращения конечностей Дисс. канд. техн. наук М., 1994.-164 с. - д.с.п.

13. Зубенко В.Г. Система для неинвазивной комплексной диагностики состояния кровообращения конечностей Автор, дисс. канд. техн. наук,- М., 1994,- 16 с.

14. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. -М.: «Энергоатомиздат», 1988 г.

15. Ильин Р.С., Федоров Г.И. Новицкий Л.А. и др. Лабораторные оптические приборы. М.: Машиностроение, 1973, - 567 с.

16. Ильина А.А., Ракович Х.М., Рубинштейн Д.Л, и др. О фотометрии живых тканей в ближней инфракрасной части спектра. Докл. АН СССР, 1945,48, 5, с. 346-349.

17. Ильина А. А. Пропускание тканей человеческого тела в ближней инфракрасной части спектра. Докл. АН СССР, 1946, 54, 7, с. 595-598.

18. Ильина А. А. Пропускание лучей ближней инфракрасной части спектра тканями человеческого тела. Физиол. Журнал СССР, 1949, 35, 3, с. 338-348.

19. Ишимару А. Распростронение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т1. Однородное рассеяние и теория переноса.

20. Киселев В. А. Исследование сосудистых реакций с помощью четырех лучевого фотоплетизмографа. Ж. Врачебное дело. 1956, часть I, с. 79-80.

21. Крепе Е М. Оксигемометрия. М.—Л., 1959.

22. Лукач Ю.С., Сибиряков А С. Архитектура ввода-вывода персональных ЭВМ IBM PC. Свердловск: Инженерно-техническое бюро, 1990.

23. Морозов А. А., Широков О.И. Устройство для ввода и отбора реограмм в микроЭВМ Актуальные проблемы современного приборостроения: Тез. докл. II Всесоюзн. научн -техн. конф. М., 1988. - С. 144. - д.с.п.

24. Морозов А.А., Светашев М.Г. Разработка двухканального фотоплетизмографа для исследования гемодинамики. 165 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана: Тез. докл. научн,-техн. конф. М., 21-23 ноября 1995,- ЧII - С.94.

25. Мошкевич B.C. Фотоплетизмография (аппаратура и методы исследования). М.: «Медицина», 1970 - 207 с.

26. Мячев А. А и др. Интерфейсы систем обработки данных.—М. «Радио и связь», 1989.

27. Мячев А.А и др. Интерфейсы средств вычислительной техники.—М.: «Радио и связь», 1993.

28. Патент Российской Федерации №2040912, 05.01.93

29. Патент Российской Федерации №1586673, 23.06.88

30. Патент Российской Федерации №2013076, 29.03.91

31. Патент Российской Федерации №2033744, 24.05.91

32. Патент Российской Федерации №2003279, 22.01.91

33. Патент Российской Федерации №2054884, 02.01.90

34. Патент Российской Федерации №2032376, 28.06.9139. Патент США №3980075

35. Плетизмограф двухканальный. Техническое описание, инструкция по эксплуотации и паспорт. JL: ВНИИМП - 19?9.

36. Савицкий Н.Н. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. Л.: «Медицина», 1974 - 301 с.

37. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Статистический анализ данных на компьютере. -М.: «Инфра», 1998 528 с.

38. Удалов Н.П. Полупроводниковые датчики. Ленинград, «Машиностроение», 1965 г.

39. Фролов А.В., Фролов Г.В. Мультимедиа для Windows. Руководство для программиста. М., «ДИАЛОГ-МИФИ», 1994, 284 с. (Библиотека системного программиста, Т. 15).

40. Чернышева Ю.Н. Обработка экспериментальных данных с использованием компьютера. М, «Радио и связь», 1999 - 255 с.

41. Щукин С.И. Новые аппараты и системы для индивидульной терапии и неинвазивной диагностики состояния кровообращения. Сратегия здоровья и интеллектуальное обеспечение медицины. Тез. докл. III Межд.форум. М., 1994, с.78-79.

42. Щукин С.И. Информационные технологии в биотехнических системах неинвазивной диагностики и терапии. Журнал «Конверсия», №10, 1997, с. 33-34.

43. Щукин С И., Беляев К.Р., Морозов А,А., Зубенко В.Г., Чернов М.Ю., Корнеев Н.В. Компьютерная система для ввода, записи и архивирования реоплетизмографических исследований/ // Высшая школа России и конверсия.: Тез.докл.Всерос.научно-практич.конф,-М.1993.

44. Юшин A.M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. Т. 1—-М.: «Радиософт», 1998-512 с.

45. Якушенков ЮГ. Теория и расчет оптико-электронных приборов М.: Машиностроение, 1989 359 с.

46. Brumen V, Horvat D. Bonic I. Evaluation of serial application of capillaroscopy, photoplethysmography, and dermothermometry in diagnosis and prevention of radiolesions of peripheral microvessels. USA, Microvasc-Res, 1994 Mar, 47(2): 270-8.

47. Guillot B. Techniques used to evaluate the cutaneous microcirculation: application of photoplethysmography to the assessment of a phlebotropic agent in the treatment of leg ulcers. USA Angiology, 1994 Jun, 45(6 Pt 2): 542-8

48. Kapany N.S., Silbetrust C.N. Fibre optic spectrofotometer for in vivo oximetry. Nature, 1964, 204, 4954, 138-142.

49. Sarin S., Shields D.A., Scurr J.H. Photoplethysmography: a valuable nonivasive tool in the assessment of venous dysfunction? USA J-Vasc-Surg, 1992 Aug: 16(2): 154-62.

50. Struckmann J. Venous investigations: the current position. Denmark, Angiology, 1994 Jun, 45(6 Pt 2) : 505-11.

51. Triedman J.K., Saul J.P. Comparision of intraarterial with continuous nonivasive blood pressure measurement in postoperative pediatric patients. USA, J-Clin-Monit, 1994 Jan, 10(1) -p. 11-20.

52. Visram A.R., Jones R.D., Irwin M.G., Bacon-Shoe J. Use of two oximeters to investigate a method of movement artefact rejection using photoplethysmographic signals England, Br-J-Anaesth, 1994 Apr, 72(4): 388-92.