SE419678B - Sett och anordning for metning av stromningsrorelser i ett fluidum - Google Patents

Description

7811283-5 störningssignaler av hög amplitud i det studerade frekvens- bandet. Dessa störningar, vilka kan härledas till tempera- turberoende effekter i laserkaviteten, försvårar kontinuer- lig mätning av blodets genomströmningshastighet.

För att eliminera denna olägenhet har man föreslagit använ- dandet av en temperaturstabiliserad mod-låst laser. Denna typ av laser har provats med viss framgång, men laserns begränsade uteffekt (0,1 mW) har allvarligt begränsat metodens användbar- het i fråga om känslighet och upplösning. Införandet av en hög- effektlaser av etalontyp har också övervägts men förkastats på grund av denna lasertyps stora dimensioner och höga kost- nad. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett förbättrat sätt och en motsvarande förbättrad anordning av det inledningsvis angivna slaget, som ger en väsentlig reduce- ring av problemet med störningar från modinterferens och även från bredbandigt brus, så att en kontinuerlig mätning med använ- dande av en bíllig multi-mod laser som ljuskälla kan genomföras.

Enligt uppfinningen uppnås detta, genom att ljus reflekterat av partiklar i fluidet och av eventuella närbelägna väsentligen stationära.strukturer uppsamlas från två åtminstone delvis åt- skilda men varandra närbelägna delar av det belysta avsnittet av fluidet och tíllföres två skilda fotodetektorer, så att de båda fotodetektorerna mottager ljus reflekterat åtminstone till en del från olika partiklar. Ur utgångssignalen från varje foto- detektor härledes en signal representerande svävningskomponenterna med skilda frekvenser och de båda från var sin fotodetektors utgångssignal så härledda signalerna subtraheras från varandra, varjämte den ur dennasignalsubtraktionresulterande signalen utnyttjas som ett mätt på strömningsrörelser i fluidet.

Vid en fördelaktig utföringsform av uppfinningen underkastas ut- gångssignalen från varje fotodetektor en högpassfiltrering och normeras därefter genom dividering med fotodetektorns totala ut- 7811288-5 gângssignal, varjämte den ur signalsubtraktionen resulteran- de signalen bandpassfiltreras och kvadreras. Den bandpass- filtrerade och kvadrerade signalen kan därefter subtraheras med en signal avpassad att motsvara signalvärdet vid frånvaro av strömningsrörelse i fluidet och därefter underkastas en tidsmedelvärdesbildning.

Genom att man vid uppfinningen använder två fotodetektorer, som båda tillföres ljus reflekterat från det belysta avsnittet av fluidet och eventuella närbelägna väsentligen stationära strukturer och utgångssignalerna från dessa båda fotodetektorer subtraheras, erhåller man i den från signalsubtraktionen re- sulterande skillnadssignalen en effektiv undertryckning av störningar förorsakade av modinterferens i lasern liksom av bredbandigt brus. Även andra störningar undertryckes såsom exempelvis 50 Hz variationer i omgivningsbelysningen och även i viss mån störningar förorsakade av rörelseartefakter vid transkutan mätning av blodgenomströmningen i de ytliga blod- kärlen.

Man skulle kunna tro, att subtraktionen mellan utgångssignalerna från de båda fotodetektorerna även skulle ge upphov till en undertryckning av de önskade signalkomponenterna, dvs. svävnings- komponenterna mellan frekvensskiftat ljus reflekterat från de rörliga partiklarna och icke frekvensskiftat ljus. Detta blir emellertid ej fallet, eftersom man enligt uppfinningen tillför de båda fotodetektorerna reflekterat ljus, som åtminstone till en del härrör från olika partiklar i fluidet. Det kan nämligen visas, att rörelserna hos olika partiklar i fluidet utgör av varandra statistiskt oberoende uttryck för samma stokastiska förlopp, varför det slumpartade sätt på vilket de rörliga par- tiklarna rör sig genom det belysta avsnittet av fluidet ger upphov till slumpartat fluktuerande fasförskjutningar i de båda fotodetektorernas utgángssignaler. Subtraktionen av dessa båda signaler medför följaktligen en sammanlagring av svävningssignal- komponenterna, varigenom en förstärkning av den önskade signalen erhålles. Uppfinningen medför därigenom en väsentlig förbättring 7811238-s av signal-brus-förhållandet förutom att störningar från mod- interferens i lasern undertryckes till en försumbar nivå.

Ehuru uppfinningen utvecklats och i det följande kommer att beskrivas i anslutning till ett förfarande och en anordning för bestämning av blodgenomströmningen i de yttre blodkärlen i en vävnad, kan den även tillämpas i andra samband för fast- ställning eller mätning av strömningsrörelser i ett fluidum, som innehåller ljusreflekterande partiklar.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka fig. 1 visar ett block- schema av en känd anordning för mätning av genomblödningen av en biologisk vävnad, fig. 2 visar en registrering av blod- flödet i fingerblomman upptagen med hjälp av anordningen en- ligt fig. l, figurerna 3 och N visar ett blockschema av anord- ningen enligt föreliggande uppfinning, fig. 5 visar en regi- strering motsvarande den enligt fig. 2 men upptagen med anord- ningen enligt figurerna 3 och U, fig. 6 visar ljusledarnas arrangemang, fig. 7 visar schematiskt mätsondens applicering på hudytan sett i genomskärning och i avsevärt förstorad skala, fig. 8 visar ett detaljerat kopplingsschema svarande mot block- schemat enligt fig. 3 och fig. 9 visar ett detaljerat kopp- lingsschema svarande mot det i fig. U visade blockschemat.

I fig. l visas ett blockschema för en känd anordning för mät- ning av blodet i kapillärskiktet av en biologisk vävnad t.ex. fingerblomman. Monokromatiskt ljus från en laser l leds via en ljusledare 2 mot hudytan 3. Reflekterat ljus dels från om- givande vävnad och dels från blodkropparna går via en ljusledare 4 till en fotodetektor 5. Reflekterat ljus från de i rörelse varande blodkropparna erfar en frekvensskiftníng och på ytan av fotodetektorn blandas således frekvensskiftat reflekterat ljus och icke frekvensgskiftat sådant. Utsignalen från fotodetektorn innehåller ett stort antal Dopplerfrekvenser, huvudsakligen i frekvensområdet 0-20 kHz. Den i frekvenshänseende bredbandiga utsignalen från fotodetektorn högpassfiltreras i ett högpass- '7811288-5 filter 6, förstärks i en förstärkare 7 och normeras i en di- viderare 8. Normeringen tillgår så att utsignalen från förstär- karen 7 divideras med utsignalen från fotodetektorn 5, varige- nom utsignalen från divideraren 8 är (inom vissa gränser) obe- roende av variationer i ljusstyrkan. Den normerade signalen signalbehandlas på i och för sig känt sätt och efter ytterli- gare bandpassfiltrering och medelvärdesbildníng erhålles en pr@112ss-5 6 , signal vars utseende framgår ur fig. 2. Vid pilen "stas-släppt" frisläpps trycket i en runt överarmen lagd blodtrycksmanschett coh vid pilen "stas“ pumpas blodtrycksmanschetten upp till ca. 200 mm Hg. Som framgår ur figuren är Dopplersignalen behäftad med kraftiga störningsspikar vilkas amplituder flerfaldigt överskrider amplituderna av nyttosignalen. De i fig. 2 visade höga taggiga störningarna kan härledas till temperaturberoende effekter i laserkaviteten och omöjliggör kontinuerlig mätning av blodflödet under perioder med störningar. Sådana perioder med störningar är för närvarande ca 50 % av den totala mätti-- den. Metodens kliniska användbarhet är således helt beroende 7 av om dessa störningar är möjliga att reducera till acceptabel nivå.

Fig. 3 visar en anordning enligt föreliggande uppfinning där ljus från en 5mV He-Ne-laser (Spectral Physics modell 120) via en ljusledare 2 av plast riktas mot hudytan 3. Reflekte- rat frekvensbreddat ljus detekteras medelst två fotodetektorer resp. 5” via ljusledare 4 resp. 4' riktade mot det belysta området. Fotodetektorerna är av typen UDT-450. Utsignalen från vardera detektorn 5 resp. 5' behandlas i varsin kanal I resp. II på samma sätt som utsignalen från fotodetektorn 5 l_i anordningen enligt fig. l. Den mot fluidets hastigehet re- laterade signalen vid utgången från vardera divideraren 8 resp. 8' tillföres en differentialförstärkare 10. Eftersom de i vardera kanalen ingående och till mod-interferens i _ laserstrålen hänförliga störsignalerna ligger i fas med varand- fra kommer dessa störningar att undertryckas i differentialför- - stärkaren 10. Signaler som är hänförliga till blodkropparnas rörelser, dvs. till blodflödet, kommer att förstärkas i diffe- rentialförstärkaren 10 eftersom dessa signaler ligger ur fas . med varandra. Utsignalen från differentialförstärkaren 10 . signalbearbetas i de i fig. 4 visade signalkretsarna och man* erhåller en registrering av det slag som visas i fig. 5 vil-- ken skall jämföras med den enligt fig. 2, vilken erhölls med ett enkelkanalutförande av en känd apparat. En jämförelse mel- lan de båda registreringarna visar att dels har störningarna .reducerats och dels har bakgrundsnivân sänkts. Utförda experi- “7a112aa-5 ment visar att bakgrundsnivån sänkts 4 gånger. Det visar sig även att inverkan av andra intensitetsvariationer och av bred- bandigt plasmabrus i lasern undertrycks med anordningen enligt fig. 3. Även en viss reduktion av rörelseartefakter är möjlig \ att uppnå. Till skillnad från utförandet enligt fig. 1 redu- ceras även inverkan av utifrån kommande optiska störsignaler (50 Hz-variationer i omgivningsbelysningen). Pig. 6 visar hur ljusledarna kan vara anordnade i ändytan av den sond som appli- ceras mot hudytan 2. Den centrala ljusledaren 2 riktar ljus från lasern l mot hudytan. Två ljusledare går till fotodetek- torn 5 i kanal I medan de övriga tvâ ljusledarna går till fotodetektorn 5' i kanal II. Givetvis kan andra konfigurationer än den i fig. 6 visade utnyttjas. Fig. 7 visar i förstoring och i genomskärning sonden och hudens övre skikt epidermis och korium. Röda blodkroppar med en medelstorlek av ca 7 p.m går från underliggande blodkärl upp genom hudkapillärer vilka belyses via ljusledaren 2. Pâ ett djup av ca l mm har strål- ningsintensiteten sjunkit till 30 % av den ursprungliga. Det av ljusledarna 4 resp. 4' uppfångade reflekterade ljuset ema- nerar inte från två identiska blodkroppar (reflektionskällor).

Rörelsetillstånden för blodkropparna (reflektionskällorna) under mätsonden antages emellertid vara likartade varför sig- nalerna i vardera kanalen I resp. II båda kan anses spegla blodflödet i den undersökta kapillärbädden.

Utsignalen från differentialförstärkaren 10 bandpassfiltreras i ett bandpassfilter ll (4-7 kHz) visat i fig. 4. Signalen förstärkas i.en förstärkare l2 och kvadreras i en multipli- plikator 13. Från den kvadrerade signalen subtraheras en sig- nal som svarar mot kvadraten av medelvärdet av bruskomponenter- na i detektorerna och den övriga elektroniken. I en medelvärdes- bildare 14 bildas medelvärdet av utsignalen från multiplika- torn 13 och i en dividerare 15 drages roten ur utsignalen från medelvärdesbildaren 14. I en sista medelvärdesbildare 16 bil- das slutligen medelvärdet av utsignalen från divideraren 15.

Utsignalen från medelvärdesbildaren 18 utgör den önskade till fluidets hastighet eller flöde relaterade signalen, vilket så- ledes är den i fig. 5 registrerade signalen. 7811288-5 Fig. 8 visar det detaljerade kopplingsschemat för anordningen visad i blockschemat i fig, 3. Anordningen är realiserad me- delst IC-kretsar. Medelst de i vardera kanalen ingående poten- tiometrarna med motståndsvärdet, 2 kfil inställes off-set-spän- ningarna till förstärkarna 8 resp. 81 Medelst potentiometern med motståndsvärdet 5 k.fLinställes differentialförstärkaren 10 så, att utsignalen V0 (t) - V0 (t) blir minimal när ström- II I figur 8 och 9 betyder den ningshastigheten för mediet är 0. vid ett motstånd förekommande beteckningen 9 k 45 (eller mot- svarande) att resistensvärdet är 9,451 sått betyder beteckningen 4V7 (eller motsvarande) vid en Zener- diod att Zenerspänningen är 4,7V.

Fig. 9 visar ett detaljerat kopplingsschema för blockschemat enligt fig. 4. Kretsen är uppbyggd av IC-komponenter förkopp- lækamed motstånd och kondensatorer ws värden framgår av fig. 9.

De två första förstärkarna i signalvägen i fig. 9 bildar ett bandpassfilter svarande mot bandpassfiltret ll som genomsläpper ett frekvansband på 4-7 kHz. I den därefter följande förstärka- ren l2 trimmas off-set spänningen till Q med hjälp av potentio- metern med motståndsvärdet 2 Mil. Utsignalen från förstärkaren kvadreras i multiplikatorn 13 vid vars utgång man således er- håller en signal svarande mot differensspänningen i kvadrat mi- nus brusspänningen i kvadrat. Denna signal medelvärdesbildas i kretsen 14 och i divideraren 15 drages roten ur medelvärdes- signalen. Slutligen bildas i kretsen 16 medelvärdet av denna signal. Detta medelvärde svarar således mot den från störning- ar befriade önskade signalen vars registrering visas i fig. 5.

Med hjälp av en potentiometer med motståndsvärdet l Mfl in- lagd mellan utsignalen från divideraren 15 och ingången till -medelvärdesbildaren 16 kan tidskonstanten för medelvärdesbil- daren regleras mellan ca 0 och 30 sekunder varigenom flödes- pulsationer kan registreras (om tidskonstanten är liten) resp. elimineras ur registreringen (om tidskonstanten göres stor).

Den ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen kan på många olika sätt modifieras inom ramen för uppfinningens grund- tanke. A

Claims (10)

7811288-5 P a t e n t k r a v

1. Sätt att fastställa strömningsrörelser i ett fluidum innehållande ljusreflekterande partiklar, i synnerhet för be- stämning av blodgenomströmninzen i de vttre blodkärlen i en vävnad. vid vilket fluidet belyses med monokromatiskt ljus och från partiklarna i fluidet reflekterat ljus analvseras med av- seende på ljusets frekvens avvikande frekvens härrörande från sig i rörel- se befinnande partiklar och förekomsten av sådana komponenter utnyttjas som ett mått pà fluidets strömninzsrörelse. k ä n n e - t e c k n a t a v att ljus reflekterat av partiklar i fluidet och av eventuella närbelägna väsentligen stationära strukturer uppsamlas från tvâ åtminstone delvis åtskilda men varandra när- belägna delar av det belysta avsnittet av fluidet och tillföres tvâ skilda fotodetektorer, så att de båda fotodetektorerna mot- tager ljus reflekterat åtminstone till en del från olika partik- lar, att ur varje fotodetektors utgângssignal härledes en signal 'representerande svävningskomponenterna mellan av fotodetektorn mottagna ljuskomponenter med skilda frekvenser, att de båda från var sin fotodetektors utgånzssignal så härledda signalerna sub- traheras från varandra, och att den ur denna signalsubtraktion resulterande signalen utnyttjas som ett mått på strömningsrörel~ ser i fluidet. 7

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att varje fotodetektors utzånzssignal högpassfiltreras och därefter normeras genom dividering med fotodetektorns totala utgångssignal.

3. Sätt enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att den ur signalsubtraktionen resulterande signalen band- passfiltreras och kvadreras.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att den bandpassfiltrerade och kvadrerade signalen subtraheras med en sig- nal avpassad att motsvara signalvärdet vid frånvaro av strömnings- rörelser och därefter underkastas en tidsmedelvärdesbildning.

5. Anordning för fastställande av strömningsrörelser i ett fluidum innehållande ljusreflekterande partiklar, i synnerhet för besLämning av blodgenomströmningun i de ytliga blodkärlen i en 7811288-5 vävnad, medelst sättet enligt krav l, innefattande en monokro- fmatisk ljuskälla (l), organ (2) för belysning av fluidet med ljus från ljuskällan samt organ för uppsamling av ljus reflekte- rat från de ljusreflekterande partiklarna och analysering av 'sdetta ljus med avseende på dess innehåll av komponenter med från _ljuskällans frekvens avvikande frekvenser, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda organ för uppsamling och analysering av reflekterat ljus innefattar två fotodetektorer (5, 5'), organ (U, H') anordnade att från två, åtminstone delvis åtskilda men varandra närbelägna delar av det belysta avsnittet av fluidet separat uppsamla ljus reflekterat av partiklar i fluidet och eventuella närbelägna stationära strukturer och att överföra dessa båda ljussignaler åtskilda till var sin av fotodetektorerna, en signalbearbetande krets (6-8; 6'-8') för vardera fotodetektorn (S, 5') ansluten till fotodetektorns elektriska signalutgâng och utformad att ur fotodetektorns utgångssignal härleda en signal innehållande de svävningssignalkomponenter som härrör från interferens mellan fotodetektorn ti_llförda ljuskomponenter med skilda frekvenser, och en dfifiërensbildande krets (10), vilken är tillförd nämnda härledda signaler från de båda signalbearbe- tande kretsarna.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k nia d a v att den signalbearbetande kretsen för varje fotodetektor innehål- ler ett högpassfilter (6; 6')- I

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att den signalbearbetande kretsen vidare innefattar en signal- dividerande krets (8; 8') för dividering av'den högpassfiltrerade signalen med fotodetektorns (5, 5') totala utgångssignal.

8. Anordning enligt något av kraven 5-7, k ä n n e - t e c k n a d a v en ytterligare signalbearbetande krets an- sluten till den differensbildande kretsens (10) utgång och inne- fattande ett bandpassfilter (ll).

9. Anordning enligt något av kraven 5-8, k ä n n e - t e c k n a d a v att nämnda organ för belysning av fluidet innefattar en första fiberoptisk ljusledare (2), vars ena ände är optiskt kopplad till ljuskällan (1) och vars andra ände är För- 7811288-5 ligt anordnad till att kunna riktas mot ett önskat avsnitt av fluidet för belysning av detta, och att nämnda organ för uppsam- ling av reflekterat ljus innefattar minst tvâ ytterligare fiber- optiska ljusledare (U, H'), vilka har sina ena ändar optiskt kopp- lade till var sin av fotodetektorerna (5, 5') och sina andra ändar rörligt anordnade tillsammans med den första ljusledarens (2) andra ände med sina ljusmottagande ändytor belägna vid sidan av och väsentligen i samma plan som den första ljusledarens ljus- utsändande ändyta.

10. l0. Anordning enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett flertal av nämnda ytterligare ljusledare (H, H') anordnade med sina ljusmottagande ändytor i en cirkel om- kring den första ljusledarens (2) ljusutsändande ändyta, varvid hälften av dessa ytterligare ljusledare är gemensamt optiskt kopp- lade till den ena fotodetektorn och de övriga är gemensamt optiskt kopplade till den andra fotodetektorn.