eng
Выпуск #1/2017
Р.Хизбуллин
Оптический двухканальный пульс-оксиметр на основе лазерных датчиков для решения актуальных задач в медицинской практике
Оптический двухканальный пульс-оксиметр на основе лазерных датчиков для решения актуальных задач в медицинской практике
Просмотры: 4849
Пульс-оксиметрия – метод измерения насыщения крови пациента кислородом, широко используется в разных областях медицины. Однако, проблемы соответствия методов измерения, регистрации и обработки биосигналов требованиям медицинской практики остаются нерешенными.
DOI:10.22184/1993-7296.2017.61.1.144.157
DOI:10.22184/1993-7296.2017.61.1.144.157
Теги: artifact deoxyhemoglobin dual-channel optical pulse oximeter isobestic point laser sensors oxyhemoglobin physiological disturbance ppg- signal ppg-сигнал pulse oximetry pulse wave registration error артефакт дезооксигемоглобин изобестическая точка лазерные датчики оксигемоглобин оптический двухканальный пульс-оксиметр погрешность регистрации пульсовая волна пульс-оксиметрия физиологическая помеха
ВВЕДЕНИЕ.
ПОСТАНОВКА МЕДИЦИНСКИХ ЗАДАЧ
Пульс-оксиметрический метод – диагностический метод измерения насыщения кислородом крови и определения процента содержания в ней кислорода. На сегодняшний день его использование весьма перспективно для медицинской практики и исследований.
Поскольку проблема в лечении и терапии (регистрация функции "воздействие – ответная реакция организма, то есть отклик») приобретает особую важность в медицине, регистрация содержания кислорода в крови пациентов в процессе лечения является одним из важнейших параметров, играющих роль "откликов" на лечебное воздействие [2,3]. Основная проблема при использовании лечебной, физиотерапевтической, диагностической лазерной и другой техники заключается в выделении сигнала фотобиологического воздействия. Задачи реализации функции "воздействие – ответная реакция организма" состоят в создании адекватных поставленным задачам метрологических методик, в разработке и применении соответствующих медико-технических технологий. Задача актуальна при определении адекватных параметров ответных реакций ("откликов") организма на лечебное воздействие, в том числе на электро-свето-лазерное воздействие, и представляет собой одну из частей главной задачи многопараметрической биодозиметрии: 1) выявление функциональной зависимости между совокупностью различных параметров воздействия и соотносимыми параметрами ответной реакции организма; 2) использование этой функциональной зависимости для управления параметрами воздействия.
В этой связи пульс-оксиметрический метод регистрации процентного содержания кислорода в крови на какое-либо лечебное воздействие является для врача важнейшей обратной связью ("откликом" организма) и содержит информацию по дальнейшему воздействию и биодозиметрическому контролю.
Как известно, основное назначение пульс-оксиметра – своевременное обнаружение и предотвращение гипоксии (низкой оксигенации ткани) и гипоксемии (низкой оксигенации крови) пациента. Одним из преимуществ пульс-оксиметра является возможность неинвазивного, непрерывного, безопасного и эффективноо обследования крови пациента. Нормальное содержание кислорода в крови у здорового человека составляет 90–100%. То есть изменение значения параметра даже на 1% отражает изменение общего состояния организма. В связи с этим возникает необходимость повышения точности определения значения данного параметра в клинических условиях. Значение получают расчетным путем, исходя из полученной фотоплетизмограммы (ФПГ) [4, 5].
Современной практикой дозиметрического контроля терапевтических параметров воздействия востребованы [6] новые биоуправляемые методы (в том числе и в электро-свето-лазерной терапии). Проведение электро-свето-лазерных терапевтических процедур всегда тесно связано с количественным понятием воздействия на биологический объект и индивидуальным контролем достаточности воспринятого количества воздействия организмом (закон Арндта-Шульца). Применение пульс-оксиметра в качестве регистратора изменения состояния организма, на которое оказывается терапевтическое воздействие, поможет врачу не только фиксировать качественные изменения в процессе лечения, но и автоматизировать процесс лечения. В данном аспекте ФПГ отражает динамику кровоснабжения в организме. Здесь необходимо отметить, что большинство существующих пульс-оксиметров не всегда в полном объеме могут удовлетворить потребностям врачей из-за неопределенности результатов измерений регистрируемых данных. То есть при лечении и отслеживании динамики характеристик возникшие погрешности нарушают обратную связь с лечебным физиотерапевтическим аппаратом. Отсюда вытекает новая актуальная медицинская задача – в автоматизации процесса лечения, другими словами, есть необходимость создания автоматизированных рабочих мест врача (АРМ врача) при проведении различных лечебных процедур, что очень востребовано на сегодняшний день [7].
К настоящему моменту известны некоторые публикации по применению двухканальной пальцевой пульс-оксиметрии на основе светодиодных датчиков (λ1 ≈ 940 ± 20 нм; λ2 ≈ 640 ± 20 нм. Применение таких датчиков в пульс-оксиметрах неизбежно приводит к "физиологической помехе" при регистрации ФПГ-сигнала за счет разного количества поглощения света основными информативными составляющими кровотока – окси- и дезоксигемоглобином. Следовательно, получить необходимую точность – менее 5%, повторяемость и адекватность ФПГ-сигнала невозможно (а это важные качественные показатели биосигнала). Такие пульс-оксиметры для решения поставленных медицинских задач, например по биодозиметрии, непригодны, поэтому целесообразно использовать третью длину волны (λ = 805 ± 0,75 нм) [1, 8, 9]. Длина волны излучения 804,25–805,75 нм является "изобетической точкой" для окси- и дезоксигемоглобина. То есть спектральные характеристики этих двух веществ на этой длине волны совпадают. Следовательно, можно избежать "физиологической помехи" при получении фотоплетизмограммы, использовать ее для оптимизации терапевтических параметров и для автоматизации процесса лечения с помощью ФПГ-дозиметра. Многочисленные исследования выявили, что в современных пульс-оксиметрах в большинстве случаев причиной активации "тревоги" пульс-оксиметра служит не реальная опасность, а артефакты. Наибольшая склонность к отображению артефактной информации отмечается у простейших моделей пульс-оксиметров, не имеющих специальных систем защиты от помех. Но даже в дорогих пульс-оксиметрах , выпускаемых известными фирмами, реакция на артефакты схожа с реакцией на реальную опасность.
При использовании пульс-оксиметрического метода в медицинской практике не решены также проблемы связанные с низкой перфузией периферических сосудов и некоторые клинические и технические ситуации могут помешать нормальному снятию данных и интерпретации показаний пульс-оксиметра. Все вышесказанные медицинские "пожелания" должны быть реализованы во вновь разрабатываемых пульс-оксиметрах.
ПОСТАНОВКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
Итак, выделим и обобщим ряд медико-практических проблем, которые возникают при использовании пульс-оксиметров, реализующих классические решения:
• некоторые клинические и технические ситуации могут помешать нормальному снятию данных и интерпретации показаний пульс-оксиметра;
• низкая перфузия периферических сосудов;
• восприимчивость к артефактам;
• отсутствие возможности интегрирования пульс-оксиметров в автоматизированные рабочие места врача.
Далее будут проанализированы возможные пути решений поставленных проблем, и в итоге, с учетом всех медицинских требований, будет рассмотрена разработка пульс-оксиметра ПСО-2КЛ (пульс-оксиметра оптического двухканального лазерного). Сравнение основных параметров выпускаемых аппаратов с особенностями разработанного автором пульс-оксиметра приведен в таблице. Анализ ее данных позволяет сделать вывод, что разработанный пульс-оксиметр ПСО-2КЛ не только не уступает, но по некоторым параметрам превосходит стандартные разработки в данной области. Эти достижения получены благодаря внедрению ряда новых технических решений, рассмотренных ниже.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА В ПРИНЦИПЕ РАБОТЫ ПСО-2КЛ
Принцип действия разработанного пульс-оксиметра основан на методе оптической плетизмографии. Метод оптической плетизмографии базируется на том факте, что некоторые свойства биологического объекта связаны с его оптическими характеристиками (коэффициентом поглощения, рассеяния, преломления и пр.), и изменения свойств биологического объекта приводят к изменению его оптических характеристик. В ПСО-2КЛ применяется оптическое излучение диапазона длин волн от 640 до 1100 нм, так называемое "терапевтическое окно" [10]. Это излучение проходит через ткани организма и модулируется изменением оптических характеристик ткани вследствие физиологических процессов в организме. В ПСО-2КЛ регистрируется пульсовое кровенаполнение крупных сосудов. ПСО-2КЛ регистрирует модуляцию интенсивности оптического излучения, вызванную коэффициентом пропускания. Эта модуляция непосредственно связана с пульсовым кровенаполнением, и таким образом, по форме огибающей изменения интенсивности зарегистрированного оптического излучения, прошедшего через ткани биологического организма, можно судить об интенсивности процесса кровообращения.
Метод оптической плетизмографии разделён на две группы в зависимости от условий регистрации плетизмограммы: регистрация сигнала на просвет и обратное рассеяние мутной средой с использованием закона Ламберта. При регистрации сигнала на просвет основной вклад в изменение коэффициента пропускания биологического объекта вносит коэффициент ослабления. При регистрации рассеянного света вклады коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и коэффициента отражения в коэффициент пропускания становятся соизмеримыми. Примеры конструкций пульс-оксиметров с различным типом оптопар (источник света + фотоприемник) представлены на рис.1 и рис.2.
Обе группы пульс-оксиметров обладают как достоинствами, так и недостатками. Одним из важных параметров является величина получаемого сигнала. Так как интенсивность излучения, проходящего через тонкие ткани, оказывается больше, чем интенсивность излучения, рассеянного обратно, и так как излучение, проходящее через ткань, сосредоточено в конкретной области, то вероятность детектирования излучения оказывается выше для датчиков, работающих на пропускание.
Основным недостатком датчиков пропускания является то, что их применение ограничивается периферийной частью тела, например, кончиками пальцев, ног, ушей и носа. Пульс-оксиметры обратного рассеяния могут быть размещены на теле практически на любом месте.
В современных пульс-оксиметрах с источниками возникновения инструментальных погрешностей прибора борются, применяя следующие методы:
• экранирование датчика и кабелей аппарата (для устранения засветки приемника или влияния близко расположенных электромагнитных приборов);
• усреднение индикации параметров;
• повышение чувствительности сенсоров;
• увеличение отношения "сигнал-шум" фотоприемника и т. д.
Однако самым серьезным источником погрешностей является наличие такого артефакта, как движение части тела человека, на которую прикреплен датчик. Движение приводит к венозному примешиванию и к искажению получаемой ФПГ. Для устранения этого артефакта были разработаны несколько методов на основе вводимых признаков:
• наличие пульсации сигналов окружающих тканей и соответственное изменение базовых сигналов;
• отличия формы сигналов артефактов в канале волн от "нормальных" ударов;
• специальное построение калибровочной кривой для двигающегося субъекта в условиях вдыхания различных строго установленных концентраций кислорода.
Однако рассмотрим еще один метод – применение акселерометра. Использование подобных приборов сейчас широко распространено в различных системах. Акселерометр измеряет ускорение движущего объекта. Используя до трех компонент, можно учитывать ускорение по всем трем осям координат.
ОБОСНОВАНИЕ И СТРУКТУРА РАЗРАБОТАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ДВУХКАНАЛЬНОГО ПУЛЬС-ОКСИМЕТРА
В представленном оптическом двухканальном пульс-оксиметре ПСО-2КЛ (рис.3) реализован ряд новых технических решений. Они позволили существенно снизить влияние артефактов и тем самым достичь устойчивого измерения и снятия полезной информации. Предлагаемый оптический двухканальный пульс-оксиметр с высокой точностью регистрирует состояния кровеносных сосудов кровотока на определенных участках тела, выявляет различные патологии сосудов (что очень важно на ранних стадиях заболевания), обладает высокой достоверностью регистрации данных с возможностью автоматической передачи данных в компьютер АРМ врача.
При выборе источников излучения исходили из следующих предпосылок. Наибольшей популярностью у разработчиков пользуются СИДы (светоизлучающие диоды), в связи с их небольшой стоимостью по сравнению с лазерами. Поэтому их широко применяют в пульс-оксиметрах с низким классом точности для реализации в широких массах. Такие измерительные средства не подходят для точных медицинских исследований и наблюдений состояния пациента в процессе лечения. Основной недостаток СИДов – невозможность реализовать узкий спектральный пучок с минимальным разбросом длин волн от требуемого (5–10 нм). С такой проблемой лучше справляются лазеры. При этом они позволяют получать более мощный поток излучения, что впоследствии дает более сильный сигнал на приемнике излучения. При этом лазер может работать в разных режимах (как в постоянном, так и в импульсном). Благодаря чему можно исключить губительное воздействие лазера на биологическую ткань.
Разработанный ПСО-2КЛ конструктивно представляет собой прибор, в состав которого входят несколько блоков, а также лазерный датчик или датчик пульс-оксиметрический, соединённый с прибором посредством кабеля (рис.4):
• датчик пульс-оксиметрический (ДП);
• блок обработки медицинской информации (БОМИ);
• дисплей (Д);
• источник питания (ИП).
НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, РЕАЛИЗОВАННЫЕ В ПСО-2КЛ
ПСО-2КЛ регистрирует ФПГ с помощью лазерного датчика. Первичным преобразователем физической величины интенсивности оптического излучения в электрический ток является фотодиод, установленный в ДП. В серийно выпускаемых фотоплетизмографах, а также в пульс-оксиметрах в состав датчика не входят схемы усиления сигнала фотодиода, в результате чего на качество регистрируемого сигнала сильно влияет кабель (длина кабеля, количество экранов, тип диэлектрика, определяющий величину трибоэлектрического эффекта), соединяющий датчик с прибором, а также величина импульсного тока для включения светодиода. В созданном ПСО-2КЛ для исключения подобной проблемы усилитель расположен непосредственно в ДП. Такой подход позволяет снизить требования к кабелю, соединяющему ДП, и к прибору непосредственно, а также снизить влияние импульсных токов включения лазерных диодов на сигнал фотоплетизмограммы.
Сигнал с ФПГ, как уже было сказано в постановке медицинской задачи, сильно подвержен влиянию артефактов движения пациентов. Различные производители медицинской техники, в том числе пульс-оксиметров и фотоплетизмографов, применяют разнообразные способы обработки и проверки сигнала ФПГ. Данные способы предназначены для обнаружения артефактов движения пациента по зарегистрированному сигналу. Необходимо отметить, что выявление артефактов представляет большую сложность для разработчиков, поскольку необходимо с достоверной точностью уметь отличать артефакты движений от аритмий. В ПСО-2КЛ в датчике ДП применен акселерометр, позволяющий намного упростить обработку и проверку фотоплетизмограммы и в то же время повысить достоверность сигнала и уверенно отличать артефакт движения от аритмии. Акселерометр датчика ДП регистрирует величину ускорения, которая возникает при движении пациента. Движения пациента могут иметь различные направления, поэтому в ДП применен трехосевой акселерометр.
С помощью лазерных ДП, установленных на необходимом участке тела пациента, регистрируется сигнал фотоплетизмограммы. ДП состоит из двух полупроводниковых лазерных диодов и одного фотодиода, регистрирующего оптическое излучение от тканей пациента, причем фотодиод регистрирует как прошедшее через ткани излучение, так и отраженное и рассеянное излучение в тканях. Сигнал с фотодиода поступает в БОМИ, где фотоплетизмограмма оцифровывается и происходит обработка сигнала. С выхода БОМИ цифровой сигнал поступает в дисплей (Д), где происходит отображение информации в удобном формате для пользователя.
Источник питания (ИП) необходим для питания постоянным током блоков БОМИ и Д. Входным напряжением для ИП является сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
В конструкцию ДП (рис.5) входят два лазерных диода (ЛД), один фотодиод (ФД), усилитель фотосигнала (УФС) на базе прецизионных операционных усилителей, один акселерометр (А).
В состав ДП входят два ЛД и один ФД, образующие две оптические пары. ЛД излучают оптический импульс в определенный момент времени, причем импульсы с каждого ЛД сдвинуты во времени относительно друг друга. Акселерометр (А), входящий в ДП, необходим для обнаружения артефактов движения.
Блок обработки медицинской информации (БОМИ) (рис.6) датчиков пульс-оксиметрических (ДП) состоит из усилителя фотосигнала (УФС), двух источников тока прецизионных (ИТП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), синхронизирующего устройства (СУ), устройство обработки данных (УОД), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), дисплея (Д).
ВЫВОДЫ
Анализ современных методов графической регистрации контроля состояния организма человека показал, что для решения ряда медицинских задач наиболее приемлемым является использование связи терапевтических параметров с фотоплетизмограммой и дальнейшая оценка состояния пациента по проценту содержания кислорода в крови и пульса. Метод фотоплетизмографии является базовым инструментом пульс-оксиметрии и дал основу для её развития. Пульс-оксиметрия является неинвазивным, простым в использовании, легко доступным, и достаточно точным методом измерения, предоставляющим информацию о насыщении кислородом крови, частоте сердечных сокращений и пульсе.
Несмотря на затруднения, были найдены пути решения поставленных медицинских проблем, в том числе основанные на выделении сигнала фотобиологического воздействия для дальнейшего принятия решения по физиотерапевтическому биодозиметрическому контролю (в том числе и для создания АРМ врача). На основе анализа различных конструкций пульс-оксиметров была выбрана оптимальная для решения поставленных задач структура пульс-оксиметра, и был выбран поверхностный датчик регистрации сигнала, работающий в обратно рассеянном свете, использующий три длины волны лазерного излучения (рабочие длины волн: λ = 640 нм, λ = 940 нм; опорная длина волны λ = 805 нм).
При создании пульс-оксиметраПСО-2КЛ были учтены актуальные проблемы, существующие в медицинской практике, которые рассмотрены в данной статье.
Примененная адекватная поставленным задачам метрологическая методика позволила создать оптический пульс-оксиметр, по характеристикам не только не уступающим существующим современным пульс-оксиметрам, но по ряду параметров даже превосходящим их.
Разработанный автором аппарат ПСО-2КЛ имеет улучшенные характеристики от других производимых пульс-оксиметров и отличается следующими техническими решениями: в датчике пульс-оксиметрическом (ДП), в качестве источника излучения применен лазерный диод. Применение лазерного диода в датчике позволило точно регистрировать пульсовое кровенаполнение локального участка кровеносного сосуда. Применённые новые технические решения, реализованные в ПСО-2КЛ, позволили избавиться от артефактов движения как от основной помехи при регистрации сигнала благодаря использованию в датчике трехосевого акселерометра. Снижен уровень засветки фотодиода ДП собственным излучением.
В ПСО-2КЛ для регистрирования сигналов от кровеносных периферических сосудов с низкой перфузией предусмотрена обработка кривой плетизмограммы с помощью контурного анализа с целью вычисления информативных диагностических показателей: индекс жёсткости, индекс отражения, индекс аугментации, индекс возраста сосудов, вычисленные из формы сигнала, а также частота пульса.
Разработанный оптический пульс-оксиметр ПСО-2КЛ возможно внедрить в систему автоматизированного рабочего места врача посредством передачи данных к основному компьютеру с целью осуществления биодозиметрического контроля совместно работающими лечебными или физиотерапевтическими аппаратами.
Автор выражает благодарность за помощь в методике проведения испытаний оптического двухканального пульс-оксиметра ПСО-2КЛ техническому директору ООО "Яровит-Ярь" А. П. Кузьмичу и д. т.н. профессору А. И. Ларюшину.
ЛИТЕРАТУРА
1. John G. Webster. Design of pulse oximetry. – CRC Press, 2002.
2. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А., Мишанин Е. А. Температурный отклик электро-лазерного воздействия на организм. – Фотоника, 2009, № 6, с.28–30.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A., Mishanin E. A. Temperaturnyj otklik jelektro-lazernogo vozdejstvija na organizm. – Fotonika, 2009, № 6, p.28–30.
3. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А., Кузьмич А. П. Измерение температурной реакции органов человека на электро-лазерное воздействие. – Мир измерений, 2010, № 3, с. 21–25.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A., Kuz’mich A. P. Izmerenie temperaturnoj reakcii organov cheloveka na jelektro-lazernoe vozdejstvie. – Mir izmerenij, 2010, № 3, p. 21–25.
4. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Мишанин Е. А., Кузьмич А. П., Новиков В. А., Хизбуллин Р. Н. Применение двухканального лазерного фотоплетизмографа в урологии. – Мир измерений, 2010, № 9, с.28–33.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Mishanin E. A., Kuz’mich A.P., Novikov V. A., Hizbullin R. N. rimenenie dvuhkanal’nogo lazernogo fotopletizmografa v urologii. – Mir izmerenij, 2010, № 9, p.28–33.
5. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А. Двухканальный лазерный фотоплетизмограф. – Мир измерений, 2010, № 7, с.22–28.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A. Dvuhkanal’nyj lazernyj fotopletizmograf. – Mir izmerenij, 2010, № 7, p.22–28.
6. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н. Биоуправляемая термодозиметрия электросветолазерных процедур. – Фотоника, 2010, № 5, с.28–31.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N. Bioupravljaemaja termodozimetrija jelektrosvetolazernyh procedur. – Fotonika, 2010, № 5, p.28–31.
7. Хизбуллин Р. Н., Ларюшин А. И. Автоматизированный медицинский аппаратный комплекс для предсменного осмотра персонала энергетических предприятий. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2014, № № 1–2, с.125–133.
Hizbullin R. N., Larjushin A. I. Avtomatizirovannyj medicinskij apparatnyj kompleks dlja predsmennogo osmotra personala jenergeticheskih predprijatij. – Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki, 2014, № № 1–2, p125–133.
8. Иржак Л. И. Гемоглобины и их свойства. – М.: Медицина, 1975.
Irzhak L. I. Gemoglobiny i ih svojstva. – M.: Medicina, 1975.
9. Крепс Е. Оксигемометрия. – М.: Медицина,1978.
Kreps E. Oksigemometrija. – M.: Medicina,1978.
10. http://intermed.ua. Пульс-оксиметрия: физические принципы и применение в медицине. Специальный практикум, каф. медицинской физики. – М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2008 (дата обращения 19.01.2017).
http://intermed.ua. Pul’s-oksimetrija: fizicheskie principy i primenenie v medicine. Special’nyj praktikum, kaf. medicinskoj fiziki. – M: MGU im. M. V. Lomonosova, 2008 (data obrashhenija 19.01.2017).
ПОСТАНОВКА МЕДИЦИНСКИХ ЗАДАЧ
Пульс-оксиметрический метод – диагностический метод измерения насыщения кислородом крови и определения процента содержания в ней кислорода. На сегодняшний день его использование весьма перспективно для медицинской практики и исследований.
Поскольку проблема в лечении и терапии (регистрация функции "воздействие – ответная реакция организма, то есть отклик») приобретает особую важность в медицине, регистрация содержания кислорода в крови пациентов в процессе лечения является одним из важнейших параметров, играющих роль "откликов" на лечебное воздействие [2,3]. Основная проблема при использовании лечебной, физиотерапевтической, диагностической лазерной и другой техники заключается в выделении сигнала фотобиологического воздействия. Задачи реализации функции "воздействие – ответная реакция организма" состоят в создании адекватных поставленным задачам метрологических методик, в разработке и применении соответствующих медико-технических технологий. Задача актуальна при определении адекватных параметров ответных реакций ("откликов") организма на лечебное воздействие, в том числе на электро-свето-лазерное воздействие, и представляет собой одну из частей главной задачи многопараметрической биодозиметрии: 1) выявление функциональной зависимости между совокупностью различных параметров воздействия и соотносимыми параметрами ответной реакции организма; 2) использование этой функциональной зависимости для управления параметрами воздействия.
В этой связи пульс-оксиметрический метод регистрации процентного содержания кислорода в крови на какое-либо лечебное воздействие является для врача важнейшей обратной связью ("откликом" организма) и содержит информацию по дальнейшему воздействию и биодозиметрическому контролю.
Как известно, основное назначение пульс-оксиметра – своевременное обнаружение и предотвращение гипоксии (низкой оксигенации ткани) и гипоксемии (низкой оксигенации крови) пациента. Одним из преимуществ пульс-оксиметра является возможность неинвазивного, непрерывного, безопасного и эффективноо обследования крови пациента. Нормальное содержание кислорода в крови у здорового человека составляет 90–100%. То есть изменение значения параметра даже на 1% отражает изменение общего состояния организма. В связи с этим возникает необходимость повышения точности определения значения данного параметра в клинических условиях. Значение получают расчетным путем, исходя из полученной фотоплетизмограммы (ФПГ) [4, 5].
Современной практикой дозиметрического контроля терапевтических параметров воздействия востребованы [6] новые биоуправляемые методы (в том числе и в электро-свето-лазерной терапии). Проведение электро-свето-лазерных терапевтических процедур всегда тесно связано с количественным понятием воздействия на биологический объект и индивидуальным контролем достаточности воспринятого количества воздействия организмом (закон Арндта-Шульца). Применение пульс-оксиметра в качестве регистратора изменения состояния организма, на которое оказывается терапевтическое воздействие, поможет врачу не только фиксировать качественные изменения в процессе лечения, но и автоматизировать процесс лечения. В данном аспекте ФПГ отражает динамику кровоснабжения в организме. Здесь необходимо отметить, что большинство существующих пульс-оксиметров не всегда в полном объеме могут удовлетворить потребностям врачей из-за неопределенности результатов измерений регистрируемых данных. То есть при лечении и отслеживании динамики характеристик возникшие погрешности нарушают обратную связь с лечебным физиотерапевтическим аппаратом. Отсюда вытекает новая актуальная медицинская задача – в автоматизации процесса лечения, другими словами, есть необходимость создания автоматизированных рабочих мест врача (АРМ врача) при проведении различных лечебных процедур, что очень востребовано на сегодняшний день [7].
К настоящему моменту известны некоторые публикации по применению двухканальной пальцевой пульс-оксиметрии на основе светодиодных датчиков (λ1 ≈ 940 ± 20 нм; λ2 ≈ 640 ± 20 нм. Применение таких датчиков в пульс-оксиметрах неизбежно приводит к "физиологической помехе" при регистрации ФПГ-сигнала за счет разного количества поглощения света основными информативными составляющими кровотока – окси- и дезоксигемоглобином. Следовательно, получить необходимую точность – менее 5%, повторяемость и адекватность ФПГ-сигнала невозможно (а это важные качественные показатели биосигнала). Такие пульс-оксиметры для решения поставленных медицинских задач, например по биодозиметрии, непригодны, поэтому целесообразно использовать третью длину волны (λ = 805 ± 0,75 нм) [1, 8, 9]. Длина волны излучения 804,25–805,75 нм является "изобетической точкой" для окси- и дезоксигемоглобина. То есть спектральные характеристики этих двух веществ на этой длине волны совпадают. Следовательно, можно избежать "физиологической помехи" при получении фотоплетизмограммы, использовать ее для оптимизации терапевтических параметров и для автоматизации процесса лечения с помощью ФПГ-дозиметра. Многочисленные исследования выявили, что в современных пульс-оксиметрах в большинстве случаев причиной активации "тревоги" пульс-оксиметра служит не реальная опасность, а артефакты. Наибольшая склонность к отображению артефактной информации отмечается у простейших моделей пульс-оксиметров, не имеющих специальных систем защиты от помех. Но даже в дорогих пульс-оксиметрах , выпускаемых известными фирмами, реакция на артефакты схожа с реакцией на реальную опасность.
При использовании пульс-оксиметрического метода в медицинской практике не решены также проблемы связанные с низкой перфузией периферических сосудов и некоторые клинические и технические ситуации могут помешать нормальному снятию данных и интерпретации показаний пульс-оксиметра. Все вышесказанные медицинские "пожелания" должны быть реализованы во вновь разрабатываемых пульс-оксиметрах.
ПОСТАНОВКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
Итак, выделим и обобщим ряд медико-практических проблем, которые возникают при использовании пульс-оксиметров, реализующих классические решения:
• некоторые клинические и технические ситуации могут помешать нормальному снятию данных и интерпретации показаний пульс-оксиметра;
• низкая перфузия периферических сосудов;
• восприимчивость к артефактам;
• отсутствие возможности интегрирования пульс-оксиметров в автоматизированные рабочие места врача.
Далее будут проанализированы возможные пути решений поставленных проблем, и в итоге, с учетом всех медицинских требований, будет рассмотрена разработка пульс-оксиметра ПСО-2КЛ (пульс-оксиметра оптического двухканального лазерного). Сравнение основных параметров выпускаемых аппаратов с особенностями разработанного автором пульс-оксиметра приведен в таблице. Анализ ее данных позволяет сделать вывод, что разработанный пульс-оксиметр ПСО-2КЛ не только не уступает, но по некоторым параметрам превосходит стандартные разработки в данной области. Эти достижения получены благодаря внедрению ряда новых технических решений, рассмотренных ниже.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА В ПРИНЦИПЕ РАБОТЫ ПСО-2КЛ
Принцип действия разработанного пульс-оксиметра основан на методе оптической плетизмографии. Метод оптической плетизмографии базируется на том факте, что некоторые свойства биологического объекта связаны с его оптическими характеристиками (коэффициентом поглощения, рассеяния, преломления и пр.), и изменения свойств биологического объекта приводят к изменению его оптических характеристик. В ПСО-2КЛ применяется оптическое излучение диапазона длин волн от 640 до 1100 нм, так называемое "терапевтическое окно" [10]. Это излучение проходит через ткани организма и модулируется изменением оптических характеристик ткани вследствие физиологических процессов в организме. В ПСО-2КЛ регистрируется пульсовое кровенаполнение крупных сосудов. ПСО-2КЛ регистрирует модуляцию интенсивности оптического излучения, вызванную коэффициентом пропускания. Эта модуляция непосредственно связана с пульсовым кровенаполнением, и таким образом, по форме огибающей изменения интенсивности зарегистрированного оптического излучения, прошедшего через ткани биологического организма, можно судить об интенсивности процесса кровообращения.
Метод оптической плетизмографии разделён на две группы в зависимости от условий регистрации плетизмограммы: регистрация сигнала на просвет и обратное рассеяние мутной средой с использованием закона Ламберта. При регистрации сигнала на просвет основной вклад в изменение коэффициента пропускания биологического объекта вносит коэффициент ослабления. При регистрации рассеянного света вклады коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния и коэффициента отражения в коэффициент пропускания становятся соизмеримыми. Примеры конструкций пульс-оксиметров с различным типом оптопар (источник света + фотоприемник) представлены на рис.1 и рис.2.
Обе группы пульс-оксиметров обладают как достоинствами, так и недостатками. Одним из важных параметров является величина получаемого сигнала. Так как интенсивность излучения, проходящего через тонкие ткани, оказывается больше, чем интенсивность излучения, рассеянного обратно, и так как излучение, проходящее через ткань, сосредоточено в конкретной области, то вероятность детектирования излучения оказывается выше для датчиков, работающих на пропускание.
Основным недостатком датчиков пропускания является то, что их применение ограничивается периферийной частью тела, например, кончиками пальцев, ног, ушей и носа. Пульс-оксиметры обратного рассеяния могут быть размещены на теле практически на любом месте.
В современных пульс-оксиметрах с источниками возникновения инструментальных погрешностей прибора борются, применяя следующие методы:
• экранирование датчика и кабелей аппарата (для устранения засветки приемника или влияния близко расположенных электромагнитных приборов);
• усреднение индикации параметров;
• повышение чувствительности сенсоров;
• увеличение отношения "сигнал-шум" фотоприемника и т. д.
Однако самым серьезным источником погрешностей является наличие такого артефакта, как движение части тела человека, на которую прикреплен датчик. Движение приводит к венозному примешиванию и к искажению получаемой ФПГ. Для устранения этого артефакта были разработаны несколько методов на основе вводимых признаков:
• наличие пульсации сигналов окружающих тканей и соответственное изменение базовых сигналов;
• отличия формы сигналов артефактов в канале волн от "нормальных" ударов;
• специальное построение калибровочной кривой для двигающегося субъекта в условиях вдыхания различных строго установленных концентраций кислорода.
Однако рассмотрим еще один метод – применение акселерометра. Использование подобных приборов сейчас широко распространено в различных системах. Акселерометр измеряет ускорение движущего объекта. Используя до трех компонент, можно учитывать ускорение по всем трем осям координат.
ОБОСНОВАНИЕ И СТРУКТУРА РАЗРАБОТАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ДВУХКАНАЛЬНОГО ПУЛЬС-ОКСИМЕТРА
В представленном оптическом двухканальном пульс-оксиметре ПСО-2КЛ (рис.3) реализован ряд новых технических решений. Они позволили существенно снизить влияние артефактов и тем самым достичь устойчивого измерения и снятия полезной информации. Предлагаемый оптический двухканальный пульс-оксиметр с высокой точностью регистрирует состояния кровеносных сосудов кровотока на определенных участках тела, выявляет различные патологии сосудов (что очень важно на ранних стадиях заболевания), обладает высокой достоверностью регистрации данных с возможностью автоматической передачи данных в компьютер АРМ врача.
При выборе источников излучения исходили из следующих предпосылок. Наибольшей популярностью у разработчиков пользуются СИДы (светоизлучающие диоды), в связи с их небольшой стоимостью по сравнению с лазерами. Поэтому их широко применяют в пульс-оксиметрах с низким классом точности для реализации в широких массах. Такие измерительные средства не подходят для точных медицинских исследований и наблюдений состояния пациента в процессе лечения. Основной недостаток СИДов – невозможность реализовать узкий спектральный пучок с минимальным разбросом длин волн от требуемого (5–10 нм). С такой проблемой лучше справляются лазеры. При этом они позволяют получать более мощный поток излучения, что впоследствии дает более сильный сигнал на приемнике излучения. При этом лазер может работать в разных режимах (как в постоянном, так и в импульсном). Благодаря чему можно исключить губительное воздействие лазера на биологическую ткань.
Разработанный ПСО-2КЛ конструктивно представляет собой прибор, в состав которого входят несколько блоков, а также лазерный датчик или датчик пульс-оксиметрический, соединённый с прибором посредством кабеля (рис.4):
• датчик пульс-оксиметрический (ДП);
• блок обработки медицинской информации (БОМИ);
• дисплей (Д);
• источник питания (ИП).
НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, РЕАЛИЗОВАННЫЕ В ПСО-2КЛ
ПСО-2КЛ регистрирует ФПГ с помощью лазерного датчика. Первичным преобразователем физической величины интенсивности оптического излучения в электрический ток является фотодиод, установленный в ДП. В серийно выпускаемых фотоплетизмографах, а также в пульс-оксиметрах в состав датчика не входят схемы усиления сигнала фотодиода, в результате чего на качество регистрируемого сигнала сильно влияет кабель (длина кабеля, количество экранов, тип диэлектрика, определяющий величину трибоэлектрического эффекта), соединяющий датчик с прибором, а также величина импульсного тока для включения светодиода. В созданном ПСО-2КЛ для исключения подобной проблемы усилитель расположен непосредственно в ДП. Такой подход позволяет снизить требования к кабелю, соединяющему ДП, и к прибору непосредственно, а также снизить влияние импульсных токов включения лазерных диодов на сигнал фотоплетизмограммы.
Сигнал с ФПГ, как уже было сказано в постановке медицинской задачи, сильно подвержен влиянию артефактов движения пациентов. Различные производители медицинской техники, в том числе пульс-оксиметров и фотоплетизмографов, применяют разнообразные способы обработки и проверки сигнала ФПГ. Данные способы предназначены для обнаружения артефактов движения пациента по зарегистрированному сигналу. Необходимо отметить, что выявление артефактов представляет большую сложность для разработчиков, поскольку необходимо с достоверной точностью уметь отличать артефакты движений от аритмий. В ПСО-2КЛ в датчике ДП применен акселерометр, позволяющий намного упростить обработку и проверку фотоплетизмограммы и в то же время повысить достоверность сигнала и уверенно отличать артефакт движения от аритмии. Акселерометр датчика ДП регистрирует величину ускорения, которая возникает при движении пациента. Движения пациента могут иметь различные направления, поэтому в ДП применен трехосевой акселерометр.
С помощью лазерных ДП, установленных на необходимом участке тела пациента, регистрируется сигнал фотоплетизмограммы. ДП состоит из двух полупроводниковых лазерных диодов и одного фотодиода, регистрирующего оптическое излучение от тканей пациента, причем фотодиод регистрирует как прошедшее через ткани излучение, так и отраженное и рассеянное излучение в тканях. Сигнал с фотодиода поступает в БОМИ, где фотоплетизмограмма оцифровывается и происходит обработка сигнала. С выхода БОМИ цифровой сигнал поступает в дисплей (Д), где происходит отображение информации в удобном формате для пользователя.
Источник питания (ИП) необходим для питания постоянным током блоков БОМИ и Д. Входным напряжением для ИП является сеть переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
В конструкцию ДП (рис.5) входят два лазерных диода (ЛД), один фотодиод (ФД), усилитель фотосигнала (УФС) на базе прецизионных операционных усилителей, один акселерометр (А).
В состав ДП входят два ЛД и один ФД, образующие две оптические пары. ЛД излучают оптический импульс в определенный момент времени, причем импульсы с каждого ЛД сдвинуты во времени относительно друг друга. Акселерометр (А), входящий в ДП, необходим для обнаружения артефактов движения.
Блок обработки медицинской информации (БОМИ) (рис.6) датчиков пульс-оксиметрических (ДП) состоит из усилителя фотосигнала (УФС), двух источников тока прецизионных (ИТП), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), синхронизирующего устройства (СУ), устройство обработки данных (УОД), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), дисплея (Д).
ВЫВОДЫ
Анализ современных методов графической регистрации контроля состояния организма человека показал, что для решения ряда медицинских задач наиболее приемлемым является использование связи терапевтических параметров с фотоплетизмограммой и дальнейшая оценка состояния пациента по проценту содержания кислорода в крови и пульса. Метод фотоплетизмографии является базовым инструментом пульс-оксиметрии и дал основу для её развития. Пульс-оксиметрия является неинвазивным, простым в использовании, легко доступным, и достаточно точным методом измерения, предоставляющим информацию о насыщении кислородом крови, частоте сердечных сокращений и пульсе.
Несмотря на затруднения, были найдены пути решения поставленных медицинских проблем, в том числе основанные на выделении сигнала фотобиологического воздействия для дальнейшего принятия решения по физиотерапевтическому биодозиметрическому контролю (в том числе и для создания АРМ врача). На основе анализа различных конструкций пульс-оксиметров была выбрана оптимальная для решения поставленных задач структура пульс-оксиметра, и был выбран поверхностный датчик регистрации сигнала, работающий в обратно рассеянном свете, использующий три длины волны лазерного излучения (рабочие длины волн: λ = 640 нм, λ = 940 нм; опорная длина волны λ = 805 нм).
При создании пульс-оксиметраПСО-2КЛ были учтены актуальные проблемы, существующие в медицинской практике, которые рассмотрены в данной статье.
Примененная адекватная поставленным задачам метрологическая методика позволила создать оптический пульс-оксиметр, по характеристикам не только не уступающим существующим современным пульс-оксиметрам, но по ряду параметров даже превосходящим их.
Разработанный автором аппарат ПСО-2КЛ имеет улучшенные характеристики от других производимых пульс-оксиметров и отличается следующими техническими решениями: в датчике пульс-оксиметрическом (ДП), в качестве источника излучения применен лазерный диод. Применение лазерного диода в датчике позволило точно регистрировать пульсовое кровенаполнение локального участка кровеносного сосуда. Применённые новые технические решения, реализованные в ПСО-2КЛ, позволили избавиться от артефактов движения как от основной помехи при регистрации сигнала благодаря использованию в датчике трехосевого акселерометра. Снижен уровень засветки фотодиода ДП собственным излучением.
В ПСО-2КЛ для регистрирования сигналов от кровеносных периферических сосудов с низкой перфузией предусмотрена обработка кривой плетизмограммы с помощью контурного анализа с целью вычисления информативных диагностических показателей: индекс жёсткости, индекс отражения, индекс аугментации, индекс возраста сосудов, вычисленные из формы сигнала, а также частота пульса.
Разработанный оптический пульс-оксиметр ПСО-2КЛ возможно внедрить в систему автоматизированного рабочего места врача посредством передачи данных к основному компьютеру с целью осуществления биодозиметрического контроля совместно работающими лечебными или физиотерапевтическими аппаратами.
Автор выражает благодарность за помощь в методике проведения испытаний оптического двухканального пульс-оксиметра ПСО-2КЛ техническому директору ООО "Яровит-Ярь" А. П. Кузьмичу и д. т.н. профессору А. И. Ларюшину.
ЛИТЕРАТУРА
1. John G. Webster. Design of pulse oximetry. – CRC Press, 2002.
2. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А., Мишанин Е. А. Температурный отклик электро-лазерного воздействия на организм. – Фотоника, 2009, № 6, с.28–30.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A., Mishanin E. A. Temperaturnyj otklik jelektro-lazernogo vozdejstvija na organizm. – Fotonika, 2009, № 6, p.28–30.
3. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А., Кузьмич А. П. Измерение температурной реакции органов человека на электро-лазерное воздействие. – Мир измерений, 2010, № 3, с. 21–25.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A., Kuz’mich A. P. Izmerenie temperaturnoj reakcii organov cheloveka na jelektro-lazernoe vozdejstvie. – Mir izmerenij, 2010, № 3, p. 21–25.
4. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Мишанин Е. А., Кузьмич А. П., Новиков В. А., Хизбуллин Р. Н. Применение двухканального лазерного фотоплетизмографа в урологии. – Мир измерений, 2010, № 9, с.28–33.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Mishanin E. A., Kuz’mich A.P., Novikov V. A., Hizbullin R. N. rimenenie dvuhkanal’nogo lazernogo fotopletizmografa v urologii. – Mir izmerenij, 2010, № 9, p.28–33.
5. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н., Новиков В. А. Двухканальный лазерный фотоплетизмограф. – Мир измерений, 2010, № 7, с.22–28.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N., Novikov V. A. Dvuhkanal’nyj lazernyj fotopletizmograf. – Mir izmerenij, 2010, № 7, p.22–28.
6. Ларюшин А. И., Галкин М. А., Хизбуллин Р. Н. Биоуправляемая термодозиметрия электросветолазерных процедур. – Фотоника, 2010, № 5, с.28–31.
Larjushin A. I., Galkin M. A., Hizbullin R. N. Bioupravljaemaja termodozimetrija jelektrosvetolazernyh procedur. – Fotonika, 2010, № 5, p.28–31.
7. Хизбуллин Р. Н., Ларюшин А. И. Автоматизированный медицинский аппаратный комплекс для предсменного осмотра персонала энергетических предприятий. – Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2014, № № 1–2, с.125–133.
Hizbullin R. N., Larjushin A. I. Avtomatizirovannyj medicinskij apparatnyj kompleks dlja predsmennogo osmotra personala jenergeticheskih predprijatij. – Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki, 2014, № № 1–2, p125–133.
8. Иржак Л. И. Гемоглобины и их свойства. – М.: Медицина, 1975.
Irzhak L. I. Gemoglobiny i ih svojstva. – M.: Medicina, 1975.
9. Крепс Е. Оксигемометрия. – М.: Медицина,1978.
Kreps E. Oksigemometrija. – M.: Medicina,1978.
10. http://intermed.ua. Пульс-оксиметрия: физические принципы и применение в медицине. Специальный практикум, каф. медицинской физики. – М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2008 (дата обращения 19.01.2017).
http://intermed.ua. Pul’s-oksimetrija: fizicheskie principy i primenenie v medicine. Special’nyj praktikum, kaf. medicinskoj fiziki. – M: MGU im. M. V. Lomonosova, 2008 (data obrashhenija 19.01.2017).
Отзывы читателей
