Усовершенствование макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей

 

План проведения экспериментов по тестированию биологических тканей заключался в следующем. Для проведения экспериментов выбирались студенты и преподаватели университета в количестве более 30 человек. Для каждого испытуемого регистрировались фотоплетизмограммы с трех различных оптоэлектронных датчиков, что потребовало доработки входной части установки и изготовления специальных переходников, через которые подключались датчики.

Использовались следующие виды разработанных планарных датчиков, имеющие различную конструкцию и элементы оптопар: первый датчик был построен с использованием двух ИК-светодиодов АЛ107Б и фотодиода ФДК-155 (рисунок 1), второй – с использованием ИК светодиода типа BIR-BM1331 и фотодиода типа ФД -263 (рисунок 2). Третий датчик – трансмиссионный, совместимый со стандартом Nellcor (рисунок 3).

А б

 

Рисунок 1 - Внешний вид датчика с фотодиодом и двумя ИК светодиодами- а, конструкция датчика – б, где 1 – корпус датчика; 2 – фотодиод; 3 – светодиод; 4 – подложка для крепления светодиода и фотодиода; 5 – провод питания датчика

 

 

 

Рисунок 2 - Внешний вид планарного оптоэлектронного датчика с ИК оптопарой

 

 

 

Рисунок 3 - Внешний вид трансмиссионного оптоэлектронного датчика с ИК оптопарой

 

 

Для каждого датчика эксперименты проводились при трех токах источников излучения в диапазоне 1…10 мА, что обеспечивалось системой регулировки тока источника питания. Изменение тока в источниках излучения позволило проводить эксперименты при различной плотности энергии излучения светодиода. Контроль излучения осуществлялся по сигналу на выходе первого каскада фотоусилителя при нажатии кнопки на шкале тока излучателя (см. рисунок 4). При увеличении тока излучателя практически пропорционально возрастал сигнал на выходе первого каскада фотоусилителя, что подтверждало корректность работы датчика.

Регистрация фотоплетизмограмм осуществлялась при различных коэффициентах усиления каскадов фотоусилителя и различных токах через излучатель (рисунок 4). Для масштабирования сигналов использовался переключатель чувствительности сигнала (5, 10 и 15 мВ/дел.). Время регистрации сигнала для каждого опыта составляло около 60 с, что обеспечивало в дальнейшем корректность статистической обработки кривых.

 

 

Рисунок 4 - Окно настроек, формируемое программой установки

 

Крепление датчиков на фаланге пальца испытуемого осуществлялось с помощью ленты велькро, что обеспечивало практически постоянный прижим датчика к биоткани [1]. До проведения опытов испытуемый находился в лаборатории не менее 30 минут для обеспечения стабилизации температуры поверхности биоткани. Рука пациента располагалась на поверхности стола в спокойном состоянии. Поскольку в разработанной электрической схеме установки использован импульсный режим работы источника излучения частотой 10 кГц, изоляция (экранирование) датчика от внешних источников света не проводилась.

После регистрации файлов пульсовых кривых проводилась их обработка с помощью разработанной программы (см. раздел 1.3.1), которая позволяла оценивать уровень артефактов [2, 3] в записанной реализации пульсовых кривых по количеству исключенных из нее фотоплетизмограмм, искаженных артефактами (см. таблицу 1 и рисунки 5 - 8). Это позволит в дальнейшем правильно выбрать конструкцию и режимы работы оптоэлектронных датчиков, в меньшей степени зависящие от различных артефактов [4], а также оценить возможности разработанной программы по устранению артефактов.

В имени файла, приведенном в первой графе таблицы, указаны режимы работы установки при регистрации фотоплетизмограмм:

X-YY-kZZ-faze-KK-ФНЧ-MMmv,
где:

X – код испытуемого,

YY – величина, характеризующая ток излучателя (см.рисунок 4),

ZZ – значение коэффициента усиления по шкале Оконечный усилитель (рисунок 4).

KK – значение фазы тактового сигнала,

ФНЧ – наличие фильтра низких частот (значение частоты 12,5 Гц),

MM – значение коэффициента масштабирования сигнала (5, 10 и 15 мВ/дел. Запись 5mv-10mv означает, что при регистрации сигнала использовались оба коэффициента масштабирования сигнала).

Проведенные эксперименты по тестированию биотканей с использованием ряда разработанных оптоэлектронных датчиков, исследование которых проводилось в различных режимах, показали, что для совершенствования методики тестирования и расширения диапазона тестируемых сигналов целесообразно применять тестирующее устройство в виде генератора сигналов специальной формы. Генератор сигналов используется для отладки и испытания автоматизированного фотоплетизмографа. Разработанная структурная схема генератора приведена на рисунке 9.

 

 

Таблица 1 – Результаты обработки фотоплетизмограмм

Процент годных

Трансмиссионный датчик (работающий на просвет ткани

96,89

79,43

99,31

99,31

92,43

73,38

Планарный датчик (работающий на обратное рассеяние)

75,92

5,85

39,43

4,41

37,31

16,80

51,24

24,86

77,10

Отброшено

Длина сигнала

Годных отсчетов

Допуск по

X

T

Оценочное X

Прореж. по

X

T

Имя файла

Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-15-k20,2-faze-106,8-ФНЧ-5mv

Q-15-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-15-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-15-k50-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-20-106,8-ФНЧ-5mv

Q-20-k30,6-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-k50-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-25-k30,6-faze-106,8-ФНЧ-10mv

 

 

 

Рисунок 5 – Фотоплетизмограмма (файл Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 6 – Фотоплетизмограмма (файл Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 7 – Фотоплетизмограмма (файл Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 8 – Фотоплетизмограмма (файл Q-40-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

В основе построения генератора лежит синтез аналогового сигнала по его образу, записанному в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) прибора.

 

Рисунок 9 - Структурная схема генератора

 

Основным управляющим устройством генератора является микроконтроллер. Он принимает от компьютера команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Устройство управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду тестирующего сигнала.

Генератор через интерфейс подключен к компьютеру. В компьютере формируются необходимые испытательные сигналы. Далее оцифрованная форма сигнала загружается в ОЗУ. По команде происходит инкрементная выборка адреса ОЗУ. Данные с ОЗУ поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). С ЦАП через фильтр нижних частот (ФНЧ) аналоговый сигнал поступает на формирователь сигнала. В формирователе обеспечивается регулировка усиления, смещение сигнала по постоянному напряжению, а также согласование с оптодиодом. Оптическая развязка позволяет непосредственно подключить генератор к автоматизированному фотоплетизмографу. Роль внешней синхронизации генератора выполняют модулирующие импульсы, подаваемые на источник излучения.

С помощью данного генератора можно создавать эталоны образцовых пульсовых кривых, широкий спектр эталонов артефактов различной природы, эталоны, имитирующие заболевания сердечно-сосудистой системы [5 - 7].