Фотоплетизмографія

Метод фотоплетізмографії заснований на реєстрації оптичної щільності досліджуваної тканини (органа). Плетизмографія дозволяє відстежувати важливі гемодинамічні показники організму (частоту серцевих скорочень, об'ємну швидкість кровотоку, ударний викид та ін...) не порушуючи його цілісності, а в разі фотоплетізмографії, - навіть без необхідності організації безпосереднього контакту з тілом пацієнта.

Фотоплетизмограф – це прилад, який визначає зміну розміру органів людини за допомогою фоточутливих елементів, він також може використовуватися для вимірювання пульсу. У цьому випадку реєструється зміна інтенсивності світла від штучного джерела через проходження пульсової хвилі. Як правило, для реєстрації використовуються остання фаланга пальця, мочка вуха, зап'ястя або скроня голови. Дуже часто принцип фотоплетізмографії застосовується в різних спортивних аксесуарах.[7]

Для реєстрації фотоплетизмограми потрібні джерело світла і фотоприймач. Джерелом зазвичай служить світлодіод, а приймачем - фототранзистор або фотодіод. Світло, що випромінюється джерелом, поглинається тілом людини. У першому наближенні можна сказати, що ступінь поглинання залежить від кількості крові в тій точці тіла, де знаходиться датчик. При зміні кількості крові, змінюється поглинання світла і сигнал на виході фотоприймача. По відношенню один до одного джерело і приймач можуть розташовуватися двома способами. Ці способи називаються «на віддзеркалення» і «на просвіт». У разі «на віддзеркалення» приймач і джерело розташовуються в одній площині. Світло від джерела потрапляє на шкіру, частково поглинається і, відбиваючись, потрапляє на приймач. Чутливий елемент складається з друкованої плати, з напаяними на неї фототранзистором і світлодіодом. Дріт йде до вимірювальної коробочки. [7]

У варіанті «на просвіт» джерело і приймач розташовуються по різні сторони від частини тіла. Вони знаходяться в різних половинках пульсометричної кліпси. Випромінене світло проходить палець наскрізь і потрапляє в фотоприймач, ця кліпса призначена для вимірювання пульсу з мочки вуха. [7]

Сигнал з фотоприймача надходить на схему посилення і фільтрації. Резистори задають струм світлодіода і робочу точку фототранзистора відповідно. Розділовий конденсатор забирає постійну складову, яка виникає через освітленість приміщення, де відбувається вимірювання. Підтягуючий резистор зрушує напругу в позитивну область (так як підсилювач однополярний). Напруга зсуву подається також в зворотньому зв'язку підсилювача, щоб уникнути насичення. Після посилення сигнал надходить на ще один розділовий каскад, щоб остаточно забрати напругу зсуву. Потім відбувається оцифровка даних за допомогою аналогово цифрового перетворювача. [7]

Датчиком реєстрації зміни кровотоку в судинах є спеціальна прищепка, яка містить інфрачервоний випромінювач - світлодіод і приймач - фотодіод. Між випромінювачем і приймачем розташовується палець пацієнта.[8]

Фотодsод підключений безпосередньо до входу диференціального підсилювача з високоомним входом, що забезпечує надійне подавлення синфазної перешкоди, створеною промисловою електромережею. [8]

Всі каскади підсилювача сигналу фотодіода побудовані на операційних підсилювачах з високим вхідним опором і низьким значенням дрейфу нуля, наприклад - TL064. Схемотехніка каскадів підсилювача не відрізняється від класичних, побудованих за допомогою диференціальних, інвертуючих і неінвертуючий ступенів. [8]

Даний прилад оснащений автоматичним регулюванням посилення і зсуву нуля, так як рівень сигналу залежить від індивідуальних особливостей пацієнта. Корекція автоматичного регулювання посилення і рівень сигналу здійснюється програмно і дозволяє адаптувати рівень вимірюваного сигналу під динамічний діапазон вхідних напруг. Адаптація має на увазі використання не менше 70% шкали. [8]

Макет пристрою має два типи підсилювачів: низькочастотний і високочастотний (40 кГц), що дозволяє провести порівняння якості підсиленого сигналу методом прямого посилення (без використання модулюючого коливання) і за допомогою амплітудної модуляції (модулятор - система судин і капілярів із змінним кровонаповненням). Після порівняльного аналізу двох видів підсилювачів встановлено, що при дотриманні загальних радіотехнічних правил монтажу електронних компонентів (з'єднання аналогової і цифрової «землі» в одній точці, використання фільтрів в ланцюгах живлення підсилюючих приладів) різниці в якості підсиленого сигналу немає. [8]

Пристрій базується на 8-ми розрядному мікроконтролері з RISC архітектурою ATMega16. Вибір мікроконтролера обумовлений широкою функціональністю і прийнятною вартістю. [8]

Візуалізація графіка пульсової хвилі, варіабельності і всіх вимірюваних і обчислюваних параметрів проводиться за допомогою графічного рідкокристалічного індикатора WG12864. [8]

Пристрій оснащений слотом для SD-карти пам'яті, що дозволяє зберігати дані на електронному носії для подальшого проведення контурного аналізу пульсової хвилі вже на персональному комп'ютері.[8]

Програмні можливості приладу

Програма мікроконтролера розроблена в середовищі AVR Studio на мові С++ і складається з наступних модулів:

- Роботи з аналогово цифровим перетворювачем, що дозволяє міняти частоту дискретизації і керувати швидкістю розгортки на графічному рідкокристалічному індикаторі;

- Роботи з інтерфейсом SPI, який служить для обміну даними між пристроєм і стандартною картою пам'яті;

- Роботи з вбудованим універсальним асинхронним приймально-передавачем, який забезпечує безпосередній зв'язок з комп`ютером через перетворювач інтерфейсів USB-UART;

- Простий цифровий фільтр, який реалізує алгоритм змінного середнього по трьох точках: який згладжує випадкові імпульсні перешкоди і істотно (позитивно) впливає на якість знаходження максимумів і точок перегину пульсової хвилі;

- Обчислення амплітудних і тимчасових інтервалів.

- Роботи з рідкокристалічним індикатором, що забезпечує виведення графічної (графік функції і гістограму) і символьної інформації (знакогенератор для функцій друку рядка), налагоджені бібліотеки для роботи з рідкокристалічним індикатором фірми «WINSTAR»;