RU2049988C1

RU2049988C1 - Oximeter

Info

Publication number: RU2049988C1
Authority: RU
Inventors: Н.П. Коротков; С.Н. Перов; В.А. Симанов
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Инвекон"
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1995-12-10

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: oximeter comprises a module for registering radiation dispersed in blood, an optical connector with radiators, photodetector and preamplifier. The end of a fiberoptic bundle facing the tray is gathered from monofibers so that its longitudinal axis of symmetry lies in a common plane with the tray axis and makes an angle of 30-50 deg with its perpendicular to the tray axis lying in the same plane. d/D ≪ 1 where d bundle diameter; D tray diameter. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к приборам для определения степени насыщения крови кислородом (StO₂).The invention relates to medical equipment, namely to devices for determining the degree of saturation of blood with oxygen (StO ₂ ).

Известны устройства для измерения StO₂ оксигемометры, основанные на регистрации излучения двух спектральных диапазонов длин волн по обе стороны от изобестической длины волны 0,8 мкм, рассеянного в крови, в которых в качестве источников излучения использованы полупроводниковые инжекционные лазеры, расположенные на одной прямой по обе стороны цилиндрической кюветы, в качестве которой может служить светопрозрачный участок магистрали аппарата искусственного кровообращения (АИК) [1] Лазеры излучают навстречу друг другу. Фотодетектор расположен под углом 90±0,2^о по отношению к оси световых пучков и связан с блоком коммутации, выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока регистрации и отображения.Known devices for measuring StO ₂ oximeter, based on the registration of radiation of two spectral ranges of wavelengths on both sides of the isobestic wavelength of 0.8 microns scattered in the blood, in which semiconductor injection lasers are used as radiation sources, located on one straight line on both side of a cylindrical cuvette, which can be a translucent section of the main line of the heart-lung machine (AIK) [1] Lasers radiate towards each other. The photodetector is located at an angle ^of 90 ± 0,2 with respect to the axis of the light beams and is connected to the switching unit, whose output is, in turn, connected to the input register and the display unit.

Устройство обладает недостатками, затрудняющими, а порой и исключающими их применение в хирургической практике. В частности, недостатком является удаление фотодетектора и связанного с ним предусилителя от модуля регистрации, поскольку возможно возникновение мощной электромагнитной помехи, например, как в случае использования дефибриллятора, которая может привести к выходу из строя АЦП или микросхемы, на которой выполнен предусилитель. Наряду с этим, наличие электрической связи модуля регистрации с оптическим модулем, располагаемым непосредственно на магистралях АИК, не может полностью исключить вероятность электрического пробоя на элементы аппарата, непосредственно контактирующие с пациентом. The device has disadvantages that complicate, and sometimes exclude their use in surgical practice. In particular, the disadvantage is the removal of the photodetector and the preamplifier associated with it from the registration module, since powerful electromagnetic interference can occur, for example, as in the case of a defibrillator, which can lead to failure of the ADC or microcircuit on which the preamplifier is mounted. Along with this, the presence of electrical connection between the registration module and the optical module located directly on the AIC highways cannot completely exclude the possibility of electrical breakdown on the elements of the device that are in direct contact with the patient.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, предназначенное для контроля StO₂ внутри кровеносных сосудов [2] Устройство состоит из катетера, с включенным в него оптоволоконным жгутом, один из концов которого снабжен оптическим узлом ввода излучения. Ответная часть узла содержит два излучателя-светодиода с длинами волн λ₁= 0,67 мкм и λ₂ 0,93 мкм соответственно и фотодетектор. Фотодетектор связан с предусилителем, расположенным в едином блоке с оптическим узлом ввода, который, в свою очередь, соединен с блоком регистрации. Устройство не может быть применено для измерения бесконтактным способом в системе АИК, поскольку в этом случае погрешность измерений выходит за допустимые рамки.The closest technical solution to the proposed one is a device designed to control StO ₂ inside blood vessels [2]. The device consists of a catheter with an optical fiber bundle included in it, one of the ends of which is equipped with an optical radiation input unit. The counterpart of the assembly contains two emitter-LEDs with wavelengths λ ₁ = 0.67 μm and λ ₂ 0.93 μm, respectively, and a photo detector. The photodetector is connected to a preamplifier located in a single unit with an optical input unit, which, in turn, is connected to the registration unit. The device cannot be used for measuring in a non-contact way in the AIK system, since in this case the measurement error is beyond the permissible limits.

Недостатком данного устройства является неудовлетворительные весогабаритные характеристики, что требует дополнительной фиксации модуля на стойках АИК. В противном случае возможен разрыв соединений магистрали под весом устройства. Кроме того, фотодетектор вместе с предусилителем также отнесены на некоторое расстояние от модуля регистрации, что снижает помехоустойчивость устройства. The disadvantage of this device is the unsatisfactory weight and size characteristics, which requires additional fixation of the module on the AIC racks. Otherwise, the line connections may break under the weight of the device. In addition, the photodetector together with the preamplifier are also placed at a certain distance from the registration module, which reduces the noise immunity of the device.

Цель изобретения малый вес, повышение помехоустойчивости и надежности. The purpose of the invention is low weight, improving noise immunity and reliability.

На фиг. 1 приведена общая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вариант фиксации оптоволоконного жгута на кювете; на фиг. 3 калибровочная зависимость StO₂ f(P).In FIG. 1 shows a General diagram of the proposed device; in FIG. 2 option of fixing a fiber optic bundle on a cuvette; in FIG. 3 calibration dependence of StO ₂ f (P).

Оксигемометр содержит размещенные в едином корпусе два излучателя 1 с длинами волн, лежащими по обе стороны от изобестической длины волны, оптоволоконный жгут 2, цилиндрическую кювету 3, фотодетектор 4, предусилитель 5 и генератор 6, связанные с блоком 7 коммутации, который, в свою очередь, соединен с системой 8 регистрации. Излучатель 1 расположен в одной части оптического разъема, в непосредственной близости друг от друга, там же находится и фотодетектор 4. В ответной части этого разъема содержится разветвляющийся на три отдельных ветви конец оптоволоконного жгута 2 таким образом, что две ветви расположены напротив излучателей 1, а одна напротив фотодетектора 4. Второй конец оптоволоконного жгута, объединенный в общий пучок, закреплен в держателе, располагаемом непосредственно на цилиндрической кювете 3, в качестве которой может служить эластичная светопрозрачная трубка АИК. Объединенный конец жгута 2 расположен по отношению к кювете 3 таким образом, что его продольная ось симметрии лежит в одной плоскости с осью кюветы 3, причем эта ось составляет с перпендикуляром к оси кюветы угол не менее 30-50^о. Фотодетектор 4 связан с предусилителем 5, выход которого соединен с входом блока 7 коммутации, с другим его входом соединен генератор 6, формирующий импульсы питания для излучателей 1.The oximeter contains two emitters 1 with wavelengths lying on either side of the isobestic wavelength, a fiber optic bundle 2, a cylindrical cell 3, a photodetector 4, a preamplifier 5 and a generator 6 connected to the switching unit 7, which, in turn, connected to registration system 8. The emitter 1 is located in one part of the optical connector, in close proximity to each other, and there is also a photo detector 4. The counterpart of this connector contains the end of the fiber optic bundle 2 branching into three separate branches so that the two branches are opposite the emitters 1, and one opposite the photodetector 4. The second end of the optical fiber bundle, combined into a common bundle, is fixed in a holder located directly on the cylindrical cell 3, which can serve as an elastic light transmission chimney tube AIK. Joint end bead 2 is located relative to cell 3 in such a way that its longitudinal symmetry axis lies in one plane with the axis of the cuvette 3, wherein the axis is perpendicular to the cell axis angle of at least ^about 30-50. A photodetector 4 is connected to a preamplifier 5, the output of which is connected to the input of the switching unit 7, a generator 6 is connected to its other input, which generates power pulses for the emitters 1.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Излучение от поочередно включаемых с помощью генератора 6 светодиодов 1 вводится в волокно и освещает кровь, находящуюся в цилиндрической кювете 3. Единый конец оптоволоконного жгута 2 фиксируется на кювете, в качестве которой может служить эластичная магистраль АИК, с помощью миниатюрного держателя, позволяющего его размещение на эластичной магистрали без размонтирования последней. Держатель представляет собой цилиндр с выфрезерованной цилиндрической поверхностью таким образом, что обеспечивается охват магистрали АИК на угол примерно 200^о (фиг. 2). Подобная конструкция позволяет, слегка сплющив пальцами эластичную трубку АИК, ввести ее через выфрезерованную щель в держатель, где после отпускания она восстанавливает свою форму и плотно охватывается держателем, тем самым обеспечивается его надежное закрепление на магистрали. В цилиндрической поверхности держателя предусмотрено отверстие и крепление для ввода и фиксации в нем единого конца оптоволоконного жгута 2, причем угол между продольной осью симметрии этого конца и перпендикуляром к оси кюветы должен составлять 30-50^о. Выбор этого угла обусловлен необходимостью исключения попадания излучения, отраженного от стенок магистрали, в принимающие волокна жгута, поскольку отраженное излучение дает постоянный аддитивный вклад в регистрируемые сигналы, который не удается исключить в результате последующей обработки, что приводит к существенной погрешности измерений. По оценкам геометрической оптики и учета приемной апертуры моноволокон, указанный угол не должен быть менее 19^о, однако непосредственные измерения на реальных полимерных трубках привели к увеличению данного угла до 30^о, что связано с невозможностью учета в оценках мутности стенок трубок и соответственно обусловленного этим неучета рассеяния на них. Вместе с тем необходимо учитывать, что увеличение этого угла вплоть до 90^о приводит к снижению регистрируемых сигналов, что также ухудшает точность измерений. Таким образом, сделав угол между осью оптоволоконного жгута 2 и перпендикуляром к оси цилиндрической кюветы 3 не менее 30, но не более 50^о обеспечивается прием излучения, рассеянного только кровью, и позволяет реализовать погрешность измерений, не превышающую ±2% в диапазоне насыщения крови кислородом от 40 до 100% Также на погрешность измерений влияет соотношение диаметров оптоволоконного жгута и цилиндрической кюветы: диаметр оптоволоконного жгута должен быть много меньше диаметра кюветы (d/D<<1). В противном случае начинает давать вклад цилиндричность кюветы, что влечет увеличение погрешности измерений свыше ±2% В принципе возможно использование оптоволоконного жгута любого диаметра, но этот диаметр будет определять и минимальный диаметр кюветы.The radiation from the LEDs 1, alternately switched on by means of a generator 6, is introduced into the fiber and illuminates the blood located in the cylindrical cuvette 3. The single end of the fiber optic bundle 2 is fixed on the cuvette, which can be an elastic AIC line, using a miniature holder that allows it to be placed on elastic trunk without unmounting the latter. The holder is a cylinder with a milled cylindrical surface in such a way that provides coverage of the AIC line at an angle of about 200 ^about (Fig. 2). This design allows you to slightly flatten the elastic AIK tube with your fingers and insert it through the milled slot into the holder, where after releasing it restores its shape and is tightly covered by the holder, thereby ensuring its reliable fastening on the trunk. In the cylindrical surface of the holder and provided with an opening for mounting the input and fixing therein the end of a single fiber tow 2, wherein the angle between the longitudinal axis of symmetry of the end and perpendicular to the axis of the cuvette should be ^about 30-50. The choice of this angle is due to the need to exclude the ingress of radiation reflected from the walls of the line into the receiving fibers of the bundle, since the reflected radiation makes a constant additive contribution to the recorded signals, which cannot be excluded as a result of subsequent processing, which leads to a significant measurement error. According to estimates of geometric optics and taking into account the receiving aperture of monofilaments, this angle should not be less than 19 ^° , however, direct measurements on real polymer tubes increased this angle to 30 ^° , which is due to the impossibility of taking into account the turbidity of the walls of the tubes and, accordingly, neglect scattering on them. However, it must be borne in mind that an increase in this angle up to 90 ^° leads to a decrease in the recorded signals, which also degrades the accuracy of the measurements. Thus, by making the angle between the axis of the fiber tow 2 and perpendicular to the cylindrical axis of the cuvette 3 is not less than 30 but not more than ⁵⁰ ° is provided receiving the radiation scattered by the blood only, and allows to realize measurement error not exceeding ± 2% in the range of blood oxygen saturation from 40 to 100% The ratio of the diameters of the fiber optic bundle and the cylindrical cell is also affected by the measurement error: the diameter of the fiber optic bundle must be much smaller than the diameter of the cell (d / D << 1). Otherwise, the cylindricity of the cell begins to contribute, which leads to an increase in the measurement error of more than ± 2%. In principle, it is possible to use a fiber optic bundle of any diameter, but this diameter will also determine the minimum diameter of the cell.

Далее это излучение принимается фотодетектором 4. Фототок с фотодетектора 4 усиливается предусилителем 5 и поступает на вход блока 7 коммутации, с которым также связан генератор 6. Здесь происходит выделение импульсов фототока, соответствующих излучению каждого из источников 1, после чего выделенные и усиленные импульсы фототока поступают на вход блока 8 регистрации, где осуществляется их анализ и обработка. Further, this radiation is received by the photodetector 4. The photocurrent from the photodetector 4 is amplified by the preamplifier 5 and fed to the input of the switching unit 7, to which the generator 6 is also connected. Here, the photocurrent pulses corresponding to the radiation of each of the sources 1 are extracted, after which the extracted and amplified photocurrent pulses arrive to the input of the registration unit 8, where they are analyzed and processed.

Определение StO₂ основано на нахождении отношения Р величин фототоков, соответствующих интенсивностям рассеянного в крови излучения с λ₂ 0,96 мкм и λ₁0,65 мкм соответственно (Р I_ик/I_к). Значение StO₂ вычисляется как функция этого параметра: StO₂ f(P) (фиг. 3).The determination of StO _{2 is} based on finding the ratio P of the photocurrent values corresponding to the intensities of the radiation scattered in the blood with λ ₂ 0.96 μm and λ ₁ 0.65 μm, respectively (P I _ik / I _k ). The value of StO _{2 is} calculated as a function of this parameter: StO ₂ f (P) (Fig. 3).

В качестве источников излучения I использованы светодиоды с длинами волн λ₁ 0,65 мкм и λ₂ 0,96 мкм соответственно, включающиеся попеременно с частотой f 0,5 кГц и длительностью 0,25 мкс. Оптоволоконный жгут 2 представляет собой нерегулярный пучок моноволокон с диаметром 50 мкм каждое. На одном конце жгут разделен на три ветви, содержащие равное количество волокон, диаметр каждой такой ветви равен 1 мм. Такой диаметр ветви позволяет избежать специальных устройств ввода излучения без существенных потерь мощности излучения. С другой стороны, светочувствительная площадка фотодетектора 4 сравнима по величине с сечением одинарной ветви, поэтому и в этом случае потери излучения ничтожны. На другом конце все моноволокна собраны в единый жгут, в котором моноволокна перемешаны случайным образом. Диаметр этого конца равен 1,8 мм. В качестве фотодетектора использован кремниевый фотодиод. Система регистрации разработана на базе процессора.As radiation sources I, we used LEDs with wavelengths of λ ₁ 0.65 μm and λ ₂ 0.96 μm, respectively, which are switched alternately with a frequency f of 0.5 kHz and a duration of 0.25 μs. Fiber optic bundle 2 is an irregular bundle of monofilaments with a diameter of 50 μm each. At one end, the bundle is divided into three branches containing an equal number of fibers, the diameter of each such branch is 1 mm. This diameter of the branch avoids special radiation input devices without significant loss of radiation power. On the other hand, the photosensitive area of photodetector 4 is comparable in magnitude to the cross section of a single branch, therefore, in this case, radiation losses are negligible. At the other end, all monofilaments are assembled into a single bundle in which the monofilaments are randomly mixed. The diameter of this end is 1.8 mm. A silicon photo diode was used as a photodetector. The registration system is developed on the basis of the processor.

Использование данной конструкции держателя оптоволоконного жгута на кювете позволяет использовать один оптоволоконный жгут, в случае перехода к измерениям на кюветах другого диаметра смене подлежит только держатель. Using this design of the holder of the fiber optic bundle on the cuvette allows the use of one fiber optic bundle, in the case of transition to measurements on cuvettes of a different diameter, only the holder is subject to change.

Данное устройство позволяет проводить измерения на кюветах всех используемых в клинической практике диаметров, начиная с 6 мм. Это ограничение связано с тем, что благодаря нерегулярности оптоволоконного жгута условия измерения приближаются к условиям задачи о рассеянии падающей плоской волны на полубесконечный слой случайных рассеивателей. В связи с этим необходимо соблюсти условие: диаметр оптоволоконного жгута должен быть много меньше диаметра кюветы (d/D<<1). This device allows measurements on cuvettes of all diameters used in clinical practice, starting from 6 mm. This limitation is due to the fact that due to the irregularity of the optical fiber bundle, the measurement conditions approach the conditions of the problem of scattering an incident plane wave by a semi-infinite layer of random scatterers. In this regard, it is necessary to observe the condition: the diameter of the fiber optic bundle should be much smaller than the diameter of the cell (d / D << 1).

Claims

ОКСИГЕМОМЕТР, содержащий светодиодные излучатели, соединенные с генератором и оптически связанные через оптоволоконный жгут, включающий три пучка моноволокон, два из которых осветительные, третий принимающий, и исследуемую среду с фотодетектором, соединенным через предусилитель с блоком коммутации, который соединен с блоком регистрации, отличающийся тем, что в него введена цилиндрическая кювета для размещения исследуемой среды, выполненная из упругого светопрозрачного материала, и держатель, закрепленный на кювете, при этом моноволокна на торце оптоволоконного жгута, обращенного к кювете, распределены равномерно по сечению торца, а оптоволоконный жгут зафиксирован в держателе так, что его продольная ось симметрии лежит в одной плоскости с осью кюветы и составляет с перпендикуляром к оси кюветы, лежащим в той же плоскости, угол 30 50^oС, при этом отношение диаметров оптоволоконного жгута d и кюветы D удовлетворяет соотношению d/D << 1.OXYGEMOMETER containing LED emitters connected to the generator and optically coupled through an optical fiber bundle, including three bundles of monofilaments, two of which are illuminating, the third receiving one, and the test medium with a photodetector connected through a preamplifier to a switching unit, which is connected to the recording unit, characterized in that a cylindrical cuvette is introduced into it to accommodate the test medium, made of elastic translucent material, and a holder mounted on the cuvette, while on the end of the fiber-optic bundle facing the cuvette, they are evenly distributed over the end section, and the fiber-optic bundle is fixed in the holder so that its longitudinal axis of symmetry lies in the same plane with the axis of the cuvette and is perpendicular to the axis of the cuvette lying in the same plane an angle of 30 to 50 ^o C, while the ratio of the diameters of the fiber optic bundle d and the cell D satisfies the ratio d / D << 1.