Современный вариант сенсора гемоглобина

Когда на рынке появились лазерные светодиоды, излучающие свет нужных длин волн, оказалось возможным существенно упростить конструкцию и улучшить технические характеристики сенсора гемоглобина. Новая принципиальная оптическая схема показана на рис. 19.10.

Рис. 19.10. Принципиальная оптическая схема сенсора гемоглобина

Здесь используются лазерные диоды 1 и 1а, один из которых излучает свет с требуемой длиной волны , а второй – свет с длиной волны . Электронная схема управления излучением лазерных диодов 2 включает их поочередно. С помощью оптического концентратора и смесителя 3 свет от обоих лазерных диодов направляется через оптический соединитель Х1.1 в гибкий волоконно-оптический кабель 4. Этот кабель электрически и оптически соединяет основной корпус прибора с легкой выносной оптоэлектронной головкой. Внутри этой головки свет по оптическому волокну подается к центру 5 выхода головки, который приводится в оптический контакт с исследуемым участком тела 6. Из волокна остросфокусированный пучок света ("световой зонд") входит сквозь кожу в живую ткань. Часть прошедшего сквозь ткань и обратно рассеянного света выходит наружу. Оптический узел 7 выделяет из этого света нужную составляющую. По оптическому волокну 8 выделенная составляющая направляется на фотоприемник. В те интервалы времени, когда излучает лазерный диод 1, фотоприемник формирует электрический сигнал, пропорциональный спектральной интенсивности , а когда излучает лазерный диод 1а, то формируется сигнал, пропорциональный спектральной интенсивности І_O.

При применении лазерных диодов удается ввести в оптическое волокно почти весь излучаемый ими световой поток, при использовании обычных светодиодов – до 30% светового потока. Ранее же, при использовании миниатюрной лампы-вспышки, удавалось ввести лишь 5-10% излучаемого светового потока. Это существенно улучшило использование оптических сигналов и позволило существенно сэкономить энергию питающих аккумуляторных батарей.

Конструкция выносной оптоэлектронной головки показана на рис. 19.11.

Рис. 19.11. Конструкция выносной оптоэлектронной головки сенсора гемоглобина: 1 – корпус головки; 2 – насадка-диафрагма; 3 – оптическое волокно; 4 – фиксатор облучателя; 5 – конусообразный оптический фокон; 6 – фотоприемник; 7 – предварительный усилитель фототока; 8 – фиксатор соединительного кабеля; 9 – кабель

Головка приводится в оптический контакт с исследуемым участком тела со стороны насадки 2, которая одновременно является и диафрагмой для ограничения не используемой части обратно рассеянного телом света. Конусообразный оптический фокон 5 является внутри полым, имеет форму воронки. Внутри его полости расположен фиксатор облучателя 4, позволяющий точно центрировать выход оптического волокна. Оптическое волокно 3 входит в эту полость сквозь небольшое отверстие в стенке фокона. Собираемый фоконом 5 обратно рассеянный свет поступает на фотоприемник 6. Получаемый электрический сигнал, пропорциональный интенсивности собранного света, усиливается в миниатюрном предварительном усилителе сигналов 7, тоже размещенном внутри головки.

Фиксатор 8 механически крепит соединительный кабель и препятствует проникновению внутрь головки постороннего света. Геометрия торца насадки-дифрагмы 2, которая приводится в оптический контакт с телом, показана на рис. 19.11 справа. Прозрачный круг 10 в центре – это торец входного оптического волокна 3, имеющий диаметр 1 мм. Через него зондирующий пучок света вводится в ткань. Прозрачное кольцо 11, концентрическое с кругом 10, – это торец конусообразного оптического фокона, через который отбирается для измерения только та часть обратно рассеянного телом света, которая выходит на заданном расстоянии от точки входа светового зонда. Условия внутреннего отражения в фоконе таковы, что к фотоприемнику 6 доходят только составляющие обратно рассеянного света, выходящие перпендикулярно к поверхности тела 10-20 .

Таким образом, конструкция выносной оптоэлектронной головки обеспечивает выполнение всех сформулированных в п. 19.2.4 требований технологии измерений в обратно рассеянном свете. Применение описанного фокона, размещение в головке также фотоприемника и предварительного усилителя фототока на порядок повысило эффективность использования светового сигнала. По соединительному кабелю передается теперь значительно усиленный электрический сигнал с низким выходным омическим сопротивлением, что резко уменьшает влияние шумов. Благодаря узкополосности излучения лазерных диодов стали не нужны сложные и дорогие интерференционные светофильтры. Используется только один фотоприемник и тракт усиления. Для питания источников света не требуется высокое напряжение, что повышает электробезопасность прибора.

Общий вид современного варианта сенсора гемоглобина показан на рис. 19.12.

Рис. 19.12. Общий вид портативного сенсора гемоглобина: 1 – корпус сенсора; 2 – выносная оптоэлектронная головка; 3 – соединительный кабель

Размеры основного блока сенсора – 145x52x40 мм, масса – 0,3 кг. Масса выносной оптоэлектронной головки – до 40 г. Длина соединительного кабеля 0,5 м или 1 м. При измерениях торец головки приводится в оптический контакт с исследуемым участком тела. Головка не должна оказывать никакого существенного давления на тело, чтобы не менять его кровенаполнение. После нажатия кнопки "Пуск" встроенный микроконтроллер организует весь процесс измерения: включение источников света, модуляцию их светового потока, прием и усиление сигналов, поступающих от головки, их демодуляцию, разделение, измерение спектральных интенсивностей, расчет концентрации гемоглобина. Имеется функция автоматического регулирования интенсивности зондирующего пучка света (порядка 0,1 мВт) в зависимости от оптических свойств кожи. Результаты измерения выводятся на жидкокристаллический дисплей, запоминаются в долговременной памяти, откуда могут быть переданы во внешний компьютер. Энергоёмкости встроенного аккумулятора хватает на проведение до 20 тыс. измерений.