Прибор для исследования артериального кровообращения

УДК 62.791.2
Прибор для исследования артериального кровообращения
окклюзионно-осциллометрическим методом
Быков А.А., студент
Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
кафедра «Медико-технические информационные технологии»
Научный руководитель: Парашин В.Б., д. т. н.
Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
pvi@bmstu.ru
Введение
Мониторинг артериального давления (АД) является одним из основных методов
оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека. Мониторинг производится как
для профилактических обследований и выявления ранних симптомов заболеваний
сердечно-сосудистой системы, так и в критических ситуациях (в палатах реанимации, во
время операций и интенсивной терапии).
Еще одним методом оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека и
периферической системы кровообращения в частности является оценка механических
характеристик кровеносных сосудов. Эластичность (податливость) артериальной стенки
является важнейшей механической характеристикой кровеносного сосуда, определяющей
основные гемодинамические показатели периферического кровообращения. Податливость
артериальных сосудов изменяется с возрастом, а также вследствие сердечно-сосудистых
заболеваний.
Использование неинвазивных методик измерения эластических характеристик
плечевой артерии расширяет возможности существующих приборов для измерения АД,
позволяет проводить комплексную оценку артериального кровообращения для ранней
диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.
Кривая объемной податливости
Податливость обычно представляют в виде кривой объемной податливости (КОП)
артерии в интегральном или дифференциальном виде. В интегральном виде она
изображается в координатах трансмуральное давление – объем. В дифференциальном
виде по оси ординат будет откладываться производная объема по давлению.
http://sntbul.bmstu.ru/doc/607856.html
Часто
объемную
податливость
в
дифференциальном
виде
называют
коэффициентом податливости артерий и обозначают буквой «С». Коэффициент объемной
податливости прямо пропорционален приросту объёма артерии dV, и обратно
пропорционален приросту трансмурального давления dPt на данном участке артерии.
Коэффициентом пропорциональности служит начальный объем артерии. Коэффициент
объемной податливости вычисляется по формуле (1):
где Vo - начальный объём артерии,
‫ܥ‬ൌ
ଵ
௏௢
‫כ‬
ௗ௏
ௗ௉௧
,
(1)
V - объём артерии,
Pt - трансмуральное давление.
Трансмуральное давление Pt определяется по формуле (2):
где Pb – давление крови в артерии,
ܲ௧ ൌ ܲ௕ െ ܲ௖ ,
(2)
Pc – внешнее давление (давление в манжете, если податливость определяют
окклюзионно-осциллометрическим методом).
Для оценки податливости артерий необходимо определить зависимость объёма
артерии от давления, или зависимость упругой деформации артерии от трансмурального
давления. Учитывая пульсирующий характер изменения артериального давления и
объёма, коэффициент податливости артерии оценивается по их максимальным значениям.
КОП, а также зависимость коэффициента податливости артерии от давления
приведены на рис. 1.
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038
Рис. 1. а) кривая объемной податливости артерии; б) зависимость коэффициента
податливости артерии от давления
Количественная
оценка
влияния
на
артериальные
сосуды
различных
фармакологических средств, внешних раздражителей и тестов, а также суждения о
физиологической норме и многочисленных патологических изменениях состояния
сосудов при заболеваниях сердечно-сосудистой системы возможны только при знании
реальной зависимости V = f(Pt), найденной для функционирующего артериального сосуда
живого организма in vivo.[1]
http://sntbul.bmstu.ru/doc/607856.html
Метод получения КОП
Для получения КОП используется сигнал пульсовых осцилляций давления в
манжете (сигнал осциллограммы) при измерении АД окклюзионно-осциллометрическим
методом на этапе декомпрессии.
Рис. 2. Сигнал с датчика давления (информативная часть сигнала)
Механизм формирования сигнала осциллограммы можно представить в виде
взаимодействия трех функций: функции пульсации давления крови в артерии,
податливости артерии и функции изменения внешнего давления (функция декомпрессии).
Если известна функция изменения внешнего давления, то путем её вычитания из сигнала,
получаемого с датчика давления (Рис. 2), можно получить сигнал, представленный на
рисунке 3а. В данном сигнале содержится ряд информативных признаков, по которым
можно построить КОП артерии. При максимальном упрощении КОП проходит
посередине размаха амплитуды каждого кардиоцикла. Её построение ведется по точкам,
проходящим через инцизуры каждого кардиоцикла (Рис. 3б) при форме сигнала
пульсового давления, представленной на рисунке 4.[2]
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038
Рис. 3. Построение КОП: а) упрощенный вариант, б) построение по точкам
В результате можно получить КОП в интегральном виде (Рис. 4).
Рис. 4. КОП в интегральном виде
Особенности управления давлением в приборе
Как уже упоминалось ранее, если известна функция изменения внешнего давления,
то путем её вычитания из сигнала, получаемого с датчика давления, можно получить
сигнал, по которому строится КОП. Это является начальным этапом алгоритма обработки
данных для нахождения КОП. Следовательно, результаты применения алгоритмов зависят
от качества вычитания кривой изменения внешнего давления из сигнала.
В большинстве приборов для измерения АД, в которых измерение производится на
основе осциллограммы, декомпрессия воздуха производится через дроссель, а кривая
декомпрессии имеет нелинейный вид, на некотором участке форма кривой близка к
экспоненциальной (см. рис. 2). Для вычитания кривой декомпрессии из сигнала
производят ряд операций. Первая из которых – логарифмирование. Эта операция
требуется для последующей аппроксимации участка сигнала линейной функцией. После
http://sntbul.bmstu.ru/doc/607856.html
аппроксимации сигнала линейной функцией очевидны недопустимо большие искажения
(погрешности) на некоторых участках сигнала (Рис. 5).
Рис. 5. Прологарифмированный сигнал и построение линейной аппроксимирующей
функции (пунктиром)
После получения линейной функции, ее вычитают из прологарифмированного
сигнала для получения исходной кривой, по которой строится КОП. Сигнал после
вычитания линейной функции с последующим возведением в степень полностью
соответствует
заданной
функции
только
на
участке
отрицательных
величин
трансмурального давления (Рис. 6). [2] Очевидно, что построение КОП на всей области
трансмурального давления по данной функции невозможно.
Рис. 6. Результирующая разность
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038
В данной статье описано решение проблемы получения КОП путем задания
функции декомпрессии пневмосистемы таким образом, чтобы обеспечить регистрацию
осцилляций на разных уровнях давления (от 2 до 3 осцилляции на каждом уровне). Для
этого используется ступенчатая функция стравливания, с шириной ступеньки 3 секунды.
Высота фронта при этом должна быть сколько угодно малой, однако она ограничивается
снизу тем, что при низкой скорости увеличивается время пережатия участка конечности, в
том числе сосудов, происходит перераспределение кровотока, что сказывается на
регистрируемом сигнале. С другой стороны, при слишком высокой скорости сигнал не
будет содержать необходимых информативных признаков и в ряде случаев обработка
сигнала будет невозможна.[3] Исходя из этого высота фронта выбрана 5 мм рт.ст.
Рис. 7. Сигнал с датчика давления (функция декомпрессии ступенчатая)
Реализация в приборе
Прибор условно состоит из пневмоблока, который включает в себя манжету,
систему трубок, клапан и компрессор, и электрического блока, состоящего из
преобразователя давления в электрический сигнал (датчика давления), усилителя сигнала,
микроконтроллера, USB порта передачи данных на компьютер.
Основной отличительной особенностью управления давлением в данном приборе
от
управления
давлением
в
других
приборах
для
измерения
давления
осциллометрическим методом является ступенчатость функции стравливания. То есть
клапан декомпрессии после подачи сигнала открытия работает до тех пор, пока давление
не уменьшится на 5 мм рт. ст. Затем клапан закрывается. Далее, по истечении времени Δt,
подается сигнал открытия клапана. Следует так же отметить, что после каждого закрытия
http://sntbul.bmstu.ru/doc/607856.html
клапана необходимо проверять уровень давления. Если давление достигло значения Pmin,
подается сигнал открытия клапана до полного стравливания остаточного давления.
Однако пневмоблок обладает своей передаточной функцией отличной от единицы,
поэтому в приборе используется принцип обратной связи при управлении клапаном и
компрессором. Т.е. для регуляции открытия и закрытия клапана используется сигнал с
датчика давления. Это позволяет повысить точность формирования «ступеньки» и
обеспечивает ее однообразие на всем этапе декомпрессии.
Рис. 8. Блок-схема алгоритма работы прибора
Особенностью
прибора
для
исследования
артериального
кровообращения
окклюзионно-осциллометрическим методом является измененный алгоритм работы.
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038
Вследствие этого упрощается алгоритм обработки данных для получения КОП.
Уменьшается количество факторов, влияющих на точность и достоверность результатов.
Список литературы
1. Рашевский Н. Некоторые медицинские аспекты математической биологии. –
М.:
Медицина, 1966. – 242 с.
2. Парашин В. Б.,
Симоненко М.Н.
Метод
восстановления
непрерывного
сигнала
давления в плечевой артерии при окллюзионно-осциллометрическом измерении
артериального давления // Биомедицинская радиоэлектроника. Биомедицинские
технологии и радиоэлектроника, 2012, №10, С.30-36.
3. Парашин В. Б., Симоненко М.Н. Технико-метрологические аспекты измерения
артериального давления осциллометрическим методом. - Медицинская техника, 2010,
№1, С.22-27.
http://sntbul.bmstu.ru/doc/607856.html