Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Wieloczujnkowy system do badania sygnałufotopletyzmograficznegomgr inż. DARIUSZ PROKOPPolitechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki PrzemysłowejMetody optyczne są obecnie często wykorzystywane w bezinwazyjnychbadaniach wielu wielkości fizjologicznych organizmówżywych. Oddziaływanie promieniowaniem optycznymna warstwę tkanek i zastosowanie odpowiedniego czujnikaoptoelektronicznego, pozwala na m.in. na zmierzenie krzywejfotopletyzmograficznej (PPG), której główną składową jest falatętna [1,2]. Na powstanie sygnału PPG mają wpływ zarównozjawiska optyczne, polegające na selektywnej absorpcji i rozpraszaniuoddziałującego promieniowania, jak i zjawiska mechanicznezwiązane z ruchami i odkształceniami ścian naczyńtętniczych. Kształt krzywej PPG w dużym stopniu zależy odstopnia ukrwienia badanego obszaru. Krzywa zbliżona doprzebiegu piłokształtnego, z wyraźnym wcięciem dykrotycznym(rys. 1), świadczy o dobrym obwodowym przepływie krwi.W badaniu parametrów przebiegu PPG znacząca rola przypadakondycjonowaniu sygnału elektrycznego, uzyskiwanegoz fotodetektora czujnika optoelektronicznego, umieszczanegobezpośrednio na badanym obiekcie. Obok częstości tętna, istotnymiwłaściwościami z punktu widzenia przydatności diagnostycznejsą: miarowość, wzajemny stosunek amplitudi czasów ich wystąpienia oraz fluktuacje amplitudy. Zróżnicowanieprzyczyn zmian tych właściwości jest możliwe na podstawieprzebiegu EKG [2,3,7,13,22], ale do oceny ich efektuhemodynamicznego [4,7,10] bardzo przydatne jest monitorowaniefali tętna obwodowego. Wykrywalność pulsacji tętniczychjest podstawowym warunkiem realizowalnościnieinwazyjnego optoelektronicznego monitorowania utlenowaniakrwi tętniczej metodą pulse oximetry [3,16,18]. Taki sposóbpomiaru sprawia, że powszechnie znajduje on wielezastosowań diagnostycznych we współczesnej medycynie,a oznaczana saturacja tlenowa jest jednym z istotnych parametrówdla życia organizmów. Do głównych obszarów zastosowańnależą między innymi [18]: monitorowanie pacjentóww sytuacjach nagłych (wypadki) i na oddziałach intensywnejopieki medycznej [22], monitorowanie stanu noworodków w inkubatorach,badania zaburzeń snu i oddechu [14], diagnozowanieżywotności miazgi zęba [17], aplikacje telemedycznezdalnej kontroli stanu pacjenta [15,16,24], monitorowaniestanu pacjenta podczas badania MRI wykorzystując łączaświatłowodowe [23] oraz we wszystkich sytuacjach, w którychistnieje zagrożenie niedotlenieniem.W przeciwieństwie do przebiegu fali tętna, która jest naturalnącechą obiektu, sygnał PPG zostaje wymuszony przezprocedury pomiarowe i elektroniczne (rys. 1). Dla częstościtętna w zakresie 20...240/min, czas trwania pojedynczej pulsacjiosiąga odpowiednio wartości t p = (3,00 - 0,25) s. Kształtprzebiegu fali tętna oraz czas trwania jego poszczególnychfaz ulega zmianie. W przypadku regularnych uderzeń serca,fazie skurczu odpowiada składowa t s = 1/3t p , a fazie rozkurczuskładowa t d = 2/3t p . Do nieinwazyjnej detekcji sygnałuPPG konieczne jest zastosowanie czujnika optoelektronicznego,za pomocą którego realizuje się odbiciowy lub prześwietleniowywariant interakcji promieniowania optycznegoz tkankami. W wariancie transmisyjnym, obiektem może byćcienka optycznie warstwa tkanek położonych na obwodzieciała, w wariancie odbiciowym można badać grubsze warstwypołożone bardziej centralnie.a)b)Rys. 1. Parametry pojedynczego cyklu fali tętna (a), przykładowyprzebieg PPG zarejestrowany za pomocą transmisyjnego czujnikanapalmowego (b) [3]Fig. 1. Parameters of a pulse waveform (a), example of a PPG signalacquired from a transmission finger sensor (b) [3]Sygnał PPG zawiera składową zmienną związaną z pulsującąkrwią tętniczą oraz składową stałą związaną z krwiążylną i pozostałymi tkankami [4-6]. Wzajemne relacje międzytymi składowymi zależą od miejsca umieszczenia czujnika naciele osoby badanej oraz od parametrów dynamicznychukładu krążenia. Kształt fali tętna oraz czasy trwania charakterystycznychodcinków ulegają zmianie pod wpływem wieluczynników fizycznych i cech osobniczych (temperatura, poziomhormonów, wysiłek, wiek, wydolność krążeniowo-naczyniowaukładu krwionośnego człowieka) [1,20,22,25].98 ELEKTRONIKA 5/2009