Олександр Бойко, Євгеній Бойко, к.т.н. Євгеній Сніжко, к.т.н. Сарана Володимир Миколайович
Дніпровський Національний Університет ім. О. Гончара
Прилад для безперервного моніторингу на основі методу двох
променевої фотоплетизмограмми
Фотоплетизмографія — динамічний
метод вимірювання, котрий може відповісти на питання, у скільки разів може
змінитись той чи інший параметр перефірійного кровообігу, засновуючись на
абстрактному нульовому рівні для одної чи іншої людини. У класичному розумінні,
цю методику ще розуміють, як метод реєстрації зміни об’єму крові, що наповнює
ділянки тіла.
Прилад для реєстрації
фотоплетизмограмми називається фотоплетизмографом. Принцип роботи прилада
базується на просвічуванні інфрачервоним випромінюванням досліджувальної
ділянки тіла, котрий після розсіювання, або відображення, потрапляє на
фотоприймач. Як фотофільтер виступають досліджувальні ділянки тіла, і в момент
систолічного вибросу, зміни що відбуваються у цей час, поступають на
фотоприймач. Оскільки для реалізації методу фотоплетизмографії використовуються
фотоелементи, як випромінювачі так і приймачі, то вона надає такі переваги як:
велика чутливість, лінійність вимірювання датчиком, портативність та швидкість
запису, відсутність шуму, пов’язаних з інерційним перетворювачем, можливість
зняття сигналу на будь якій ділянці тканин. Крім того, фото сенсор не створює здавлювання
судин та не порушує кровообіг людини.
Метод двох променевої
фотоплетизмограмми це модифікований метод фотоплетизмограмми. Метод двох
променевої фотоплетизмограмми використовується у методі пульсової оксіметриї,
для визначення рівня кисню у крові людини.
Як і раніше у ролі фотофильтру виступає досліжувальна ділянка тіла, але
для того щоб отримати артеріальну складову абсорбації світла для визначення
оксигенації артеріальної крові, під час пульсової хвилі. Використовують довжину
хвилі обох випромінювачів у діапазоні 650 — 1100 нм. При тому один із випромінювачів
повинен бути 660 нм, у червоній області, а другий 950 нм, у інфрачервоній
області. Таку різницю спектральних характеристик необхідно робити для отримання
найбільшої чутливості визначення рівня сатурації кисню. Усе це пояснюється тим
що, світло від випромінювача у червоному діапазоні, поглинається гемоглобіном,
приблизно у 10 разів більше ніж оксигемоглобіном, у той час коли світло від
випромінювача у інфрачервоному діапазоні, краще поглинається оксигемоглобіном
ніж гемоглобіном.
Для підвищення точності
визначення сатурації методом пульсової оксиметрії, використовують нормування сигналів
поглинання світла, для чого обчислюється постійна складова у момент діастоли та
знаходиться відношення амплітуди пульсуючої складової до постійної.
Анорм = Азмін.скл.
/ Апост.скл.
Де Азмін.скл –
пульсуюча складова, а Апост.скл.- постійна складова.
Ця процедура повинна
виконуватись для кожної з довжини хвиль випромінювання. Нормована величина
поглинання не залежить від інтенсивності випромінювання світло діодів, а
визначається лише оптичними властивостями живої тканини. Для отримання
числового значення сатурації, обчислюють відношення обох нормованих величин.
R = (Азмін.скл. / Апост.скл)черв./( Азмін.скл. / Апост.скл)інф.
Де (Азмін.скл. / Апост.скл)черв.
– Анорм. Для червоного діапазону випромінювання, а
.( Азмін.скл.
/ Апост.скл)інф.
– для інфрачервоного діапазону випромінювання.
Величина R емпірично
пов’язана із значенням сатурації каліброваної залежності, отриманої у
результаті градуювання приладу. Відношення R змінюється від 0.4 для 100%
сатурації до 3.4 для 0% сатурації. Відношення, що дорівнює 1, відповідає
сатурації 85%.
Оскільки метод одно
променевої та двох променевої фотоплетизмографії були засновані дуже давно, але
за відсутності сучасних технологій, не було можливим здійснювати безперервний
моніторинг у звичайних побутових днях, не долучаючись до великих за своєю
конструкцією приладів. Саме тому було розроблено мобільний пристрій, який
знаходиться на зап’ястку людини.
Прилад побудован на базі
сучасних мікросхем, MAX30100 — MAX30102 від компанії MAXIM Integrated. (Рисунок
датчика).
Рисунок1. MAX30102 – сенсор пульсоксиметру.
Сама мікросхема містить
повноцінний пульсоксиметр, який виступає як перефірія, та спілкується з
мікроконтролерами за допомогою I2C інтерфейсу. У мікросхемі також реалізована
фільтрація від зовнішнього світла, тим самим надає можливість отримати сигнал
без зайвих похибок. Датчик MAX30100-30102 відносяться до типу відображуючих
сенсорів. Це зображено на рисунку нижче.
Рисунок 2. Тип сенсора MAX30100-30102.
У якості обчислювальної
машини прилад використовує мікроконтроллер від компанії STMicroelectronics,
STM32F051, де реалізовано спілкування сенсору з контролером та фільтрація
сигналу по постійній складовій для видалення лінії дрейфу на
фотоплетизмограммі. Для обчислення рівня сатурації та частоти серцевого
скорочення, спеціально написаний додаток на ОС Андроід.
Рисунок 3. Одна з активностей додатку на ОС Android.
Також цей додаток надає можливість
з отриманої фотоплетизмограмми визначати об’єм крові, у артеріальному
кровообігу. За допомогою цього додатку, у майбутньому, також буде можлива
функція, автоматизованого визначення хвиль другого та третього порядку на
фотоплетизмограммі. Де хвилі другого порядку допоможуть досліджувати довжину
дихальних циклів людини, а хвилі третього порядку дадуть змогу слідкувати за
ритмічною активність центра, що контролює стан судин. Але у загальному погляді
на ступінь вираження хвиль другого і третього порядку, залежить від емоційного
стану людини. В нормально емоційному стані людини, ці хвилі майже не виражені,
але при підвищеній емоційній активності, вони мають більш виражений вигляд та
зустрічаються значно частіше. Градуювання, та калібрування виконувалась за
допомогою сертифікованого приладу – пульсоксиметру.
Підводячи підсумки, з
великою впевненістю можна сказати, що отримана система зможе надати можливість
не тільки робити постійний моніторинг базових параметрів таких як частота серцевих
скорочень та рівень кисню у крові людини, алей й доповідати нам о поточному
емоційному стані, та тим самим змушуючи нас слідкувати як за фізичним так і
психологічним здоров’ям, адже це найцінніше що ми маємо у нашому житті.
Література
1.
Мошкевич
В.С. Фотоплетизмография (Аппаратура и методы исследования) : «МЕДИЦИНА» - Москва -1970
2.
Л.И.Калакутский,
Э.С.Манелис Аппаратура
и методы клинического мониторинга : Учебное пособие . - Самара: Самар. гос.
аэрокосм. ун-т., 1999. - 161 с.
3.
DataSheet MAX30102 - https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX30102.pdf
4.
Datasheet STM32F051 - http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/55/53/3e/86/29/61/41/d9/DM00039193.pdf/files/DM00039193.pdf/jcr:content/translations/en.DM00039193.pdf