автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Оптоэлектронная отрицательная обратная связь в спектрозональных клинико-физиологических фотометрах

РГ6 од

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ! ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИ! УНИВЕРСИТЕТ им. В. И. Ульянова ( Ленина)

На правах руксписи

Аль-Шакакхех Али Хасан

ОШОЗЛЕКТРОННАЯ ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В СПЕКТРОЗОНАЛЬШХ КМНИКО-аЗЕВИОЛОгаЧЕСйИХ ФОТОМЕТРАХ.

Специальность: 05.11.17 - Медэдинеккз приборы и измерительные

системы.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учвяай степени кандидата технических наук.

Санкт-Петербург -

1993 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском, государственно) электротехническом университете имени Е И.Ульянова (Ленина).

ШучныЯ руководитель -

кандидат технических наук доцент Чигирев Е И. Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Исмаилов Ш,й кандидат технических наук Мазурик Б. И. ■ Ведущая организация - научно-исследовательский и конструкторский институт медицинской лабораторной техники. «о

заседании специализированного совета Д 063.36.09 Санкт-Штер-бургского государственного электротехнического университет! им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Штербург, ул. проф. Шпова, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан "°У." (б_ 1993 г.

Защита состоится п2<? " 4О

1993 г. в часов »

Ученый секретарь специализированного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В практике клинических и биологических исследований, проводимых с целью оценки состояния организма, измерения параметрор среды обитания и изучения влияния внешних воздействий на проц..сы жизнедеятельности, фотометрические методы занимают одно из главных мест. Их широкое распространение объясняется больиой информативностью, простотой использования, возможностью проведения неинвазизных исследований, тем, что они позволяют1 создавать как сложные системы для точнейшего анализа различных сред, так и простые, компактные и дешевые приборы, которые измеряет целый ряд важнейших медико-биологических показателей, характеризующих свойства, состав или концентрацию отдельных компонентов биосубстратов и полидисперсных жидкостей.

Традиционное построение фотометрических приборов по однолу-чевой схема, состоящей из излучателя и фотоприемника, неизбежно приводит к большим погрешностям измерения оптических свойств (например, коэффициентов пропускания или рассеяния) исследуемой ткани. Это связано с индивидуальными особенностями кожного покрова (различной пигментацией, толщиной рогового слоя и т.д.), С целью-повышения точности определения медико-биологических показателей используются двухлучевые спектрсзональные фотометры, позволяющие определять оптические свойства биооб'ьектов в нескольких спектральных диапазонах излучения. Е этом случае предпо-логается использование в каждом спектральном диапазоне двух фо-топрие¡.(никое,' соотношение сигналов которых будет отражать оптическое свойство объекта исследования.

Таким образом, процедура обработки сигналов строится на определении соотношения спектральных оптических свойств, которое уже связано с медико-биологическими показателям!. Процесс формирования сигнала, пропорционального этому показателю, можно упростить, используя оптозлектрокный контур отрицательной обратной связи, ■ з который входит один из оптических каналов в каждо... спектральном диапазоне, и соответствуйте структуры электронного тракта устройства.

Цель и задачи работы состоят в разработке и исследовании принципов построения и комплексной метрологической оценке спэкт-розснальных кл;шико-фл?ислогических фотометров с сптоэлектрснным контуром отрицательной обратной связи, сбеспечиваинзк: псвыикние

точности измерения медико-биологических показателей.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходим решать следующие основные задачи:

- проанализировать принципы построения спектрозональных клинике-физиологических фотометрических устройств й "методы оценки ж метрологических характеристик;

- разработать, обобщенную структуру фотометрической системы с оп-тоэлектронным контуром отрицательной обратной связи и широт-но-импульсным преобразованием сигналов;

- разработать структуры двухволновых фотометрических устройств i оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи и широтно-импульсным преобразованием сигнала;

- провести комплексную метрологическую оценку двухлучевых'спектрозональных фотометрических устройств;

- исследовать двухволновые свойства биоткани с помощью двухлуче-вого фотометрического устройства с оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи.

Методы исследований базировались на использованш аналитической геометрии с элементами проективных преобразований, математического аппарата теорий вероятностей'и случайных процес-cos, математического анализа, . теорий измерений, метрологий i ■ принципов теорий синтеза биотехнических систем.. Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложена обобщенная структура фотометрической системы с оп-тоэлектренкым контуром отрицательной обратной связи, позволявши разрабатывать различные спектрозональные устройства, в том чисд с широтно-импульсным преобразованием;

- разработана концепция применения оптоэлектронногс контура отрицательной обратной связи для дзухлучевых двухволновых фотометрических устройств;

- развит аналитический метод исследований метрологических харак теристик для случая двухлучевых двухволновых фотометров позволяющий анализировать погрешности определения фстометричес ких параметров;

- проведена комплексная оценка .метрологических характеристи днухлучезьх дзухзолнезых фотометрических устройств с помощь аналитического метода с элементами проективных преобразований.

Практическая ценность работы зак-тоте^тся в следуетем:

- з -

- предложена обобщенная структура фотометрической системы с оп-тйалекгронным контуром отрицательной обратной связи, позволяющая разрабатывать различные варианты устройств, в том числе с широт-но-импульсным преобразованием сигналов;

- предложен ряд схемных рёвений и расчетов двухволновых фотометрических устройств с оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи и"различным время- шпуль сным преобразованием;

- получены выражения для оценки относительной погрешности измерения в. двухволновых фотометрах;

- разработанное устройетво'двухволнового фотометра с оптоэлектроннш контуром отрицательной обратной связи использовалось для исследования"оптических свойств кожного покрова.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на симпозиуме "Импедансометрия, фо-трплетизмография и вариационная пульсография" (Челябинск, 1992г. )*, 9- научно-технической конференции "Фотометрия и- ее метрологическое обеспечение" (Шсква, 1592г.) .и на'З ежегодных научно-технических конференциях' профессорско-преподавательского .состава СПбГЭТУ им. В. И. Ульянова (Ленина; (Санкт-Петербург).

Публикации по теме диссертации опубликовано 2 печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит иэ введения, 4 глаз, вызодсе, заключения, списка литературы, включающего 49 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 100 страницах нашинописногс текста. Работа содержит 49 рисунков и 1 таблицу.

• СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЕ •

Во введении определяется рель фотометрических исследований в биологии ¡1 медицине, сбосноЕана актуальность теш диссертации, изложена структура работы и сформулированы -цель.и.задачи исследования. ;'•'."

5 первой главе приводится краткий обзор физических аспектов взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона (1нм~1мм) с объекте« исследований Силлогической природы. Дается характеристика фстсметрированик, как информационно-измерительного процесса, выделяются присущие этому процессу особенности. Рассматриваются способы построения фотометров, в том числе опэктрезональных.- Высокая информативность процесса взаимадейс-

твия излучения оптического диапазона с объектом исследования определяет большое разнообразие получаемых с поыогцью фотометро] медико-биологических показателей. ■ Их примерами могут служш степень оксигенации крови, содержание биологически активных компонентов, уровень кровенаполнения и его пульсовые колебания, тонус сосудовскорость распространения пульсовой волны и т.п. Так, для определения степени насыщения гемоглобина крови кислородом неинвезивным способом используются двухзолновые.фотометры. Приводится сравнительный анализ характеристик некоторых пульсовых оксимэтров и дается обоснование явлений, лежащих в 'основе этого, метода оксиметрии. Б работе рассмотрено применение опто-элэктроннго контура отрицательной обратной связи (ОКООС) в двух-лучевых фотометрах. ОКООС является одним из способов повышенш точности определения фотометрических параметров. Применение ОКООС позволяет существенно упростить структуру фотометра.. пр; его хороших метрологических показателях,-

Приведены примеры применения ОКООС в фотометрических система:^

Важной задачей при разработке фотометров является Оценка и: метрологических характеристик.

В работе рассматриваются основные методы анализа метрологических характеристик фотометров, в том числе аналитический мета; с элемента;.« проектиеного преобразования.' Этот метод разработа! на кафедре БНЗиОС под руководством проф. • Попечителева Е. П.

Суть аналитического метода исследования многолучевых фотометрических систем заключается в введении ортоганального пространства К" , размерность М, которого определена количеством используемых в фотомэтре каналов излучения. Для каждого измерен® в пространстве Н" , можно определить точку Не К" , координаты'кс торой задается значениями электрических сигналов и определяю: некоторый фотометрический параметр. Т=г/Ч(2,) 1*г(^г)/г/г(11) г/^Д« Далее определяется траектория перемещения или область флуктуации этой точки, изменением сигналов фстопрпемниксв во времени; определяется з сигнальном пространстве размерность'геометрического' места точек пересечения, характеризующих значение выходного параметра и определяется зависимость между зоной флуктуации точки и предела1.;:! изменения фотометрического параметра. Этот метод анализа особенно удобен для преобразований, з ко-

торых измеряется не более трет первичных сигналов, так как з этом случае сигнальное пространство наглядно представляется графически.

Вторая глава посвящена разработке и анализу структур двухлучевых двухволновых фотометров с оптоэлектронным контуром отрицательной обратной связи и широтно-импульсным преобразованием. Разработаны ноЕые структуры двухволновых фотометров, в которых осуществляется широтно-импульсное преобразование з контуре обработки электрического сигнала. Этот принцип функционального преобразования положен в осноЕу фотометрических устройств с ОКООС.

Спектрозональные двухлучевые фотометрические устройства с ОКООС и ииротно-импульсным преобразованием можно объединить обобщенной структурой, которая приведена на рис. 1. 5 нее входят: блок излучателей Ей, объект исследования ОИ, блок фотометрических преобразователей БГП, контур отрицательной обратной сеязи ?.00С, устройство управления УУ, широтно-импульеный преобразователь ШШТ и выходное устройство,

В этой структуре предусматривается-. сьязь между БФП через КООС с БИ. Эта связь образует.спгозлзктронный контур отрицательной обратной связи и обеспечивает линейность передаточное характеристики тракта измерения. Свянь между УУ и ШИП позволяет реализовать необходимую функциональную зависимость между медико-биологическим показателем и двухвелновыми свойствам! объекта исследования. Связь между НИ-Ш и БИ позволяет обеспечить различную работу блока излучателей, это может быть работа в режиме постоянного излучения, импульсного излучения с фиксированным по длительности потоком или с изменением мощности излучения в зависимости от заданного условия.' ■ Выходное устройство, подключенное к ШИП, необходимо для преобразования длительности импульса широтно - модулированного сигнала в цифровой код с его последующей индикацией, вводом в ЭЕМ, или преобразования в другую форму.

Обобщенная структура фотометрической системы с ОКООС и ши-ротно-импульсным преобразованием позволяет предложить новый класс спектрозональных приборов, в тем числе, для клиника-физиологических 'исследований.

На рис. 2 представлена структура двухлученсго двухаолнозогс фотометра с ОКООС, и развертывающим-широтно-импульсным, преобразованием. Составляющие обобщенной структуры'■дртометричэской систе-

шш

7|

15'//

"TL

ц'Ш ЫГ>фп

уу

1 НУ

рис. 1.

ГТ'/i

ДУ

К л

1

'/м

Vn

ФП1

1I'

—т-

комК

--яг

У1Г/

ФП2

i '//ИТ

_г

ПИ

рис. 2.

мы (см. рис. 1) объединяют следующие блоки: ЕИ и БФП объединяют соответственно два излучателя И1, 1-12 и дна фотс-приеыника ФШ., ФП2; КООС включает источник опорного напряжения ИОН, дифференциальный усилитель ДУ и ключ Кл; Ш содержат устройство выборки и хранения УЕХ, интегратор ИНТ и триггер Тр; УУ представлена генератором тактовых импульсов.

Такое устройство работает а двух тактах, которые определяются сигналами генератора тактовых импульсов . В первом такте излучатель Ш формирует поток энергии с длиной еолны А< . После взаимодействия потока излучения с объектом исследования СИ, он поступает на первый и второй фотодрпеыникл, причем 1ГЕ расположен на большем расстоянии от излучателей, чем ФП1.' Сигнал с ФП1- Ш(А0 поступает на еход ДУ, а на его другой вход поступает опорное напряжение Uo от ИОЕ Таким образом формируется ОКООС, в который входят ФШ, ДУ, И1, И2 и участок среды между излучателями и ФШ. Благодаря действию ОКООС и при большом коэффициенте усиления ДУ можно считать, что Ut(JU)a Uo* . Сигнал со второго фотоприемника Uj(A<) , который содержит информацию об оптических свойствах СИ, поступает на вход устройства выборки к хранения УВХ, где запоминается. Ва. этом закончен первый такт.

Во втором ' такте излучатель И2 создает поток энергии с длиной еолны А= и в ОКООС уже входит ¡'12. Благодаря действию ОКООС и при большом коэффициенте усиления ДУ, можно считать, что U<(JU) =¿ Uo , где ЬЬСЫ - сигнал ФП1. Сигнал с ФП2 - üa(As) поступает на интегратор с постоянной времени интегрирования Т и на его выходе становился линейно-изменяющимся

Uи ít)« JM^LL , где t - текущеэ время интегрирования.

Un(t) поступает на вход компаратора, который сравнивает его с -сигналом УЕХ- LW . Одновременна с началам интегрирования триггер' Тр переводится в одно из устойчивых состояний. Компаратором фиксируется момент времени ti , при котором IJ» (Ы- 1Ьь* . в этот

момент Тр возвращается в исходное состояние. Тогда 5(Ш 5aa<)pU0 l' " S(U.) SaUa) íUa) где 5,(М , 5jU.4 , ь,(м), SíCJIj)" чувствительности соответственно

ФШ и ФП2 к излучению с Д< и JU , o(i<) и - коэффициенты, учитывающие ослабление лучистого потока с и А* при прохождении участка ОИ между ФШ и ФП2.

Из последнего выражения следует, что характеризует двух волновое оптическое свойство объекта исследования. Масштаб представления сигнала на еьксдэ устройства зависит от выбора Т. Особенностью такого устройства является то, что шротно-им-пульсное преобразование производится в контуре, включающем оптический канал.

Е зависимости от взаимного расположения излучателей и фото-приемнкков и включения в ОЕООС ФШ или ФГШ изменяются соотносе-нкя между выходным сигналом слектрозональнрго двухлучевого фотометрического устройства и оптическими свойства!,га объекта исследования в каждом спектральном диапазоне. Если, 1>П1 и ' ФШ (см. рис. 2) разместить -между й! и И2, то выходной сигнал I* будет прямо пропорционален произведений р(«Аг) р(Л<)

5/Ш 5г(М)

При включении в 0К00С фотоприе- зшка ФП2, подключении ФШ к измерительному каналу и сохранении расположения И1 и И2 относительно фотоприемников (см. рис. 2) получим на выходе сигнал ит в!Ш .

Все обозначения в последних выражениях соответствуют использованным в выражении для I ( .

Эти варианты фотометрических устройств могут использоваться для определения медико-биологических показателей, связанных соответствующими зависимостями с двухволновыми оптическими свойствами исследуемого биообъекта.

Использование обобщенной структуры фотометрической системы позволяет реализовать группу двухвалковых фотометров с 0К00С и широтной модуляцией сигнала по принципу двойного интегрирования. В этой группе фотометрических устройств характерно включение в ШИП С см. рис.-1) контура двойного интегрирования. 'Остальные составляющие обобщенной структуры сохраняются. Процесс двойного интегрирования возможен при использовании в качестве опорных сигналов интегратора как электрического сигнала УУ, так и сигнала одного из фотоприемников ЕФП, при этом второй фотоприемник включен в ОКООС.

При расположении излучателей и фотоприемников так, как показано на рис.2, выходной сигнал фотометрического устройства с

двойным интегрированием будет:

_ 5.(Лг) 5а(ДО Цо< ,

* = 5, Ш Зг(Дг! Ног

где и01 и и« - опорные сигналы в контуре двойного интегрирования в первом и втором спектральных диапазонах; остальные обозначения соответствуют приведенным в выражении для .

При изменении расположения излучателей относительно фстспри-емников, сигнал на выходе устройствя будет:

к =т Б.(Да) 5г(Д.) 11о< .

5" 5( («Л») 5г(Лг) Цог 5>Ш5>(^«)

Последние выражения показывают, что ииротио-мсдулированный сигнал будет прямо пропорционален двойному отношению оптических свойств исследуемого объекта или обратно пропорционален произведению этих оптических свойств в каждом спектральном диапазоне. При зтом ОКООС используется для стабилизации лучистого потока, ■ падающего 'На' фотоприемник ОКООС.

Бее достоинства, присущие' устройствам с широтно-импульсным преобразованием сигнала на основе двойного интегрирования, реализуются :: в рассмотренной группе фотометрических приборов.

Следующая группа фотометрических устройств, которая реализована на базе обобщенной структуры, основана на широтно-импульсной модуляции длительности импульса в тракте управления работой излучателей по контуру связи ШИП-ЕИ (см. рис. 1}. Такое управление ограничивает длительность работы излучателей в зависимости от оптических свойств биоткани, а ОКООС используется для стабилизации мощности излучения. Длительность импульса, поступающего на излучатели, как и в выражениях для 14 -45 , будет прямо или обратно пропорциональна отношению или произведению оптических свойстз исследуемой ткани в каждом спектральном диапазоне'.

Особенностью обобщенной структуры и объединяемых ею вариантов двухлучевых двухволновых фотометров с ОКООС и широтно-импульсным преобразованием является то, что известные принципы построения приборов с широтно-импульсной модуляцией только электрического1 сигнала перенесены в информационный контур оптического и электрического трактов. Такой вариант фотометров позволяет реализовать - аналого-цифровое преобразование оптического свойства исследуемого вещества в цифровой эквивалент более простыми аппаратурными способами.

Третья глава посвящена метрологическому анализу двухлучевых спектрсзональных фотометров аналитическим методом с элементами проективных преобразовании.

Гак гак в двухволновых фотометрах, рассмотренных во второй главе, используются двухлучевые оптико-электрические измерительные преобразователи, и в этих фотометрах применяется ширстно-импульсное преобразование, то целесообразно ввести два сигнальных пространства R'-Ai и RU», где третья координата является временной з каждом сигнальном пространстве (с и. рис. 3).

Каждой точке U* в новом сигнальном пространстве ft'ii в момент tm соответствует пара сигналов i ihltn) ; Lh(tM) >. А в пространстве R\As каждой точке М* в момент timi соответствует пара сигналов -С u»(t»m) ; UsiUm) >. Проекциями точек и* и М* • на плоскостях R'A< и R®Заявляются точки М и М< соответственно, а перемещение точек И* и М* в пространствах RUi и R'Aj приводит к перемещению точек М и Mi в пространствах и R'Ai.

Проекциями точек.id* и lil на другие координатные плоскости являются М'.и М", Mi и и" соответственно. Траекториями перемещения точек М* и М* в пространствах R^Ji и R'JU являются пряше ■ cjm и cj'mi. Им соответствуют прямые и cj-w .в пространствах R'^i и а так'ао- пряше , с^г , Ц на других коор-

динатных плоскостях.

Рассмотренные проективные преобразования дозволяют наглядно представить и вычислить ошибку определения двудаолновых коэффициентов.' Б результате погрешности измерен^, • еигнаш Uin(JM и. Ujm (\А0 примут значения L)im(JU) l & Lli (Д<) я lijM(<A\)t illi(^i) , где A-liiQi) и i Ua (JIi) - абсолютные погрешности измерения сигналов первого и второго фотоприемников соответственно.

Этб приводит к образованию зоны Q, в которой может перемещаться начало второй координатной системы, ?огда

< + cTUaUi)

где ¿Гт - относительная погрешность измерения -фотометрического Параметра Т , <5"Ut(vAi), frikiД.) , ¿"^(Лг) и <$11г(Лг) - относительные погрешности измерения сигналов фотоприемников в первом и во втором спектральных диапазонах соответственно.

Это выражение справедливо для случая, когда начало второй косрдинатной системы переместится из точки М в точку А

риц; 3.

(см. рис. 3).

3 двухволновых фотометрах, в которых применяется ОКООС, погрешность формирования выходного сигнала фотоприемника, охваченного ОКООС, приводит к его изменениям в диапазоне Uo ± a üo где Uo - опорное напряжение , л lio - абсолютная погрешность установки опорного напряжения.

Как и ранее, рассмотрим вариант перемещения начала второй координатной системы из точки M в точку А (см.рис.3), тогда относительная погрешность определения Toc будет:

i + tfuj Ш

где ¿"Toe - относительная погрешность измерения параметра 2т0с в фотометрах с ОКООС, á^tioj и ¿"Uoa - относительные погрешности остановки опорного напряжения.

Предложенные выражения для относительных погрешностей определения Т . относятся к наиболее типичному случаю, ¡когда используются идентичные фотоприемники, у которых выходной сигнал при воздействии внешних факторов (например,- изменении чувствитель- • ности при изменении спектрального состава излучении, температуры и других) изменяется однонаправленно. Для наихудшие случаев, когда начало второй координатной системы переместится из точки M в точку К или точку L (см. рис. 3), относительная(Погрешность измерения параметра t соответственно определяется;как

с-с- ¿"Lio. * ¿"ÜOZ » ¿"Цг(Аг) - <?ЦаЩ

о т = —--- ■ 1 — ;>

■ < - ¿"UÍ(JU)

(У<Г_ <Гиог ч- <У UaCJta^ + frlhCJU) - ¿ÍUgi . i - «5*Ua С Лг)

'Из приведенных, соотношений для относительных погрешностей определения двухволнового фотометрического ¡параметра следует, что одинаковым изменениям St в сторону увеличения и уменьшения, соответствуют различные допустимые изменения: сигналов фотоприемников в каждом спектральном диапазоне.

Анализ влияния случайных флуктуаций сигналов фотоприемников двухволновых- фотометров показывает ,5 что выражения абсолютной погрешности измерения фотометрических "параметров бТ ' во втором спектральном диапазоне будут : '

Т < V- '¿ГЦ« Uiï- tO + «?'lii(_(Ut)ji" '

лТн- -T(f - cTUj С>Аг>-1 ( 4 Vc5"U» i^a))

где 4 Ть - абсолютная погреагассть- измерения параметра Т пр:-: отклонении сигналов е положительную часть зоны флуктуации; аТн - абсолютная погрешность измерения параметр?, г пси отклонении сигналов в отрицательную часть зоны; t ё? - д ШС-АгУ-Шм

- д U* (Лг)- (Jim - параметр, характеризующий отношение параметр/флуктуация,§/= б7/<*.г и £« = б;/<<.2 - приведенные значения диссперсий сигналов, в? и <а\ - днссперсии сигналов и<(Лг) и и?(Лг), ¿-1 - параметр, характеризующий вероятность попадания сигналов внутрь зоны возможных изменений положений точки м (на-рис.3 эта зона имеет форму эллипса).

Из полученных выражений следует, что дТЬ^ лТй , хотя флук-. туации сигналов фотоприемников подчиняются нормальному закону распределения.

Одной из существенных составляющих общей погрешности измерения двухволновых оптических свойств является внешняя засветка, обусловленная попаданием на фотоприемники лучистых потоков, не формируемых излучателями оптико-электрического преобразователя. Погрешность измерения параметра X с учетом влияния внешней засветки в каждом спектральном диапазоне определяется положительным приращением сигналов фотоприемников, поэтому точка М на рис. 3 будет смениться в сторону точки А. С учетом влияния ОКООС можно для относительной погрешности <S4t за счет внесшей эасзеткч '-•»писать следующее .выражение:

<5Чч - + S1Ы« * & Ü* ( + 'S Vh U

где £11сг - относительная погрешность установки опорного сигнала ОКООС; ¿"Uilw , <5" Ua in - относительные погрешности сигналов соответствующих фотоприемников за счет внешней засЕетки.

Существенно уменьшить влияние внешней засветки можно путем компенсации соответствующих составляющих сигналов фотоприемников. Осуществить такую компенсацию можно путем введения третьего фстоприемника, который должен формировать сигнал, соответствующий внешне^' потоку излучения. Фотоприемникк попарно подключены •л двум вычитающим устройствам, которые формируют сигналы, свободна? от влияния внешней гаснет:-::;.

" 14"

Если используется импульсный режим работы, устройства, то третий фотоприемник может быть условным. Функцию третьего фотоприемника будут выполнять два основных. ,В промежутках между рабочими циклами сигналы основных фстоприемникав запоминаются и затем вычитаются в течение рабочего цикла.

В четвертой главе приведено описание лабораторного макета двухволнового фотометрического устройства с ОКООС и изложены результаты экспериментальных исследований по определению двухвол-новых оптических свойств кожного покрова человека.

Лабораторный макет имеет структуру, аналогичную, приведенной на рис.2, с тем отличием, что излучатели расположены с двух ото-, рон по отношению к фотоприемникам.

В качестве источников излучения использовались светодиоды АЛЗО7 и АЖ24А с максимумом мощности излучения соответственно н& длине волны 665нм и 860нм, а в качестве фотоприемников использовались фотодиоды ФД256 и АОД ША с областью спектральной чувствительности от 0,4 до 1,1 мкм. Каждый Ьветодиод с соответствующим, фотодиодом размещены таким образом, что расстояние между ними могло изменяться с помощью микрометрического винта от 4 ДО 16 мм. Такая конструкция обеспечивала возможность'определения зависимости оптического свойства изучаемого /^объекта от,., расстояния между фотоприемниками.

исследовались не менее 3 раз обратное светорассеяние и пропускание тканей указательного'пальца и мизинца правой руки человека. У 7 исследуемых результаты показали, что во всех / случаях зависимости логарифм^ отношения сигналов' фотоприемников ох расстояния между ниш (в указанных диапазонах) носит линейный характер. Показатель,ослабления, учитывающей поглошаюцук и рассеивающие свойства среды, изменяется от 0,11 до,0,1б'1/мм от человека к человеку и в-зависимости от исслэдуемого пальца. . Наилучший расстоянием.с точки зрения-регистрации пульссных колебании является 5-7 мм, а включение ОКООС улучшает регистрацию. амплитуды пульсовых колебаний не менее чем в 1,4 раза.

Эти результаты получены путем сопоставления записей на.'чер-нилопишущем самописце (типа Н 338) пульсовых колебаний при установке фотометрического преобразователя • непосредственно на поверхность кожного покрова и с прокладками из. поглощающей пленки различной толщины. Эти прокладки имитировали различное ослабле-

ние лучистого -потока в верхних слоях кожи, не содержащих кровеносных сосудов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

'Основные научные и практические результаты работы состоят в

следующем:

1. На основании проведенного анализа принципов построения спектрсзональных фотометрических устройств для клинико-физиологи-■ ческих исследований, и методов оценки их метрологических характеристик показана, недостаточность разработок структур приборов, в частности, отсутствуют разработки двухлучевых двухволновых фотометрических устройств с широгно-импульсным преобразованием сигнала, и их комплексная метрологическая оценка.

¿. Предложена обощенная структура фотометрической системы с оп-тоэлектронным контуром отрицательной обратной связи, на основе которой разработаны различные варианты устройств, в том числе с широтно-импульсным преобразованием.

3. Разработана концепция применения ОКООС для двухлучевых двухволновых фотометрических устройств.

4. Развит аналитический метод исследования метрологических характеристик для случая двухлучевых двухволновых фотометрических устройств, позволяющий анализировать погрешности определения фотометрических параметров.

5. Для двухволновых фотометров получены выражения, связывающие относительную погрешность изменения сигналов фотоприемников с относительной погрешностью измерения двухаолнового оптического свойства, а так же аналогичные 'уравнения, учитывающие случайные флуктуации сигналов.

5. Проанализировано влияние внешней засветки на точность определения двухволновых оптических свойств и рассмотрен метод компенсации ее влияния.

7. На основании экспериментальных исследований двухволновых оптических свойств кожного покрова с помощью лабораторного макета спектрозонального фотометра с ОКООС в проходящем и рассеянном лучистых потоках- при изменении расстояния между фотоприемника»,и .от 4 до 15 мм'показано, что найлучжим расстоянием с точки зрения регистрации пульсовых колебаний -с указанными

элементами преобразователя является 5-7 мм, а включение ОКООС улучшает регистрацию амплитуды пульсовых колебаний т менее чем в 1,4 раза.'

Публикации по теме диссертации:

1. Аль-Шакакхех А. X ,. Чигирев В. И. Двухлучевые измерительные преобразователи для фотоплетизмографии // Тез. доклад. Симпозиум "Импедансометрия, фотоплетиамографий и.вариационная пудьсография", 25-29 -мая 1992 г.' - Челябинск, 1992 - с.2-3.

2. Аль-Шакакхех А. X., Чигире в Е. И. Повышение точности двузсволна-вых фотометров для исследований биообъектов // Тез.доклад.

9 научно-техническая, конференция "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение"', 24-26 нояб. 1992 - М., .1992 г. т с. 38.

Подп. к печ.213.09.63. M - 15577. формат 60 х 84 1/16 Офсетная печать. Печ-л. 1,0; уч. тйэд.,л. 1,0 Тираж 100 экз. Зак. N-202. Бесплатно. '

йтапринт СП6ГЭТУ 197376, Санкт-Петербург, ул. псрф. Попова, д. 5.