УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ АРТЕРИАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ

Полезная модель относится к области медицинской диагностики и может быть использована для оценки состояния крупных кровеносных сосудов, в частности, артерий эластического типа (аорты и ее основных ветвей - подвздошных и сонных артерий).
В основе развития сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с атеросклерозом, лежат изменения, происходящие в артериальном русле. В связи с этим в настоящее время отмечается возрастание интереса к оценке состояния артериальной стенки. Во многом это связано с важностью получения информации о состоянии эндотелия. Накопленные экспериментальные и клинические данные свидетельствуют о возможности использования данных о состоянии эндотелия для целей ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, и в первую очередь стенозирующего атеросклероза. Оценка состояния эндотелия позволяет выявлять лиц на самой ранней доклинической стадии атеросклероза, когда еще отсутствуют структурные нарушения артериальной стенки. Эти клинические данные позволяют рассматривать состояние эндотелиальной функции в качестве «барометра», интегрально оценивающего воздействие факторов риска на состояние артериальной стенки.
Для определения функции эндотелия в настоящее время используются различные методы. Большое внимание привлечено к простым неинвазивным методам, в основе которых заложена регистрация вазомоторного отклика после выполнения окклюзионной пробы. При этом датчики, регистрирующие этот отклик, располагаются на концевой фаланге пальца руки. Результат теста оценивается по динамике амплитуды регистрируемого сигнала, см. например, патенты RU 2309668, RU 2372026, RU 2288634.
Практически одновременно с ростом внимания к оценке состояния эндотелия появилась потребность оценивать ригидность или жесткость артериальной стенки. Этот интерес во многом связан с взаимным влиянием состояния эндотелия и его способности синтезировать оксид азота на ригидность артериальной стенки, но также с возможностью развития дисфункции эндотелия, причиной которой является повышенная жесткость артерии. Для одновременной характеристики этих двух основополагающих свойств артериальной стенки (функции эндотелия и жесткости) в последнее время все чаще используется понятие артериальная функция.
Для оценки состояния ригидности артерий, в последнее время появилось достаточно много неинвазивных методов. «Золотым стандартом» оценки жесткости является метод определения скорости распространения пульсовой волны. Для проведения этой методики требуется два датчика, установленные на различных магистральных артериях, как правило, используются сонные и бедренные артерии. При увеличении жесткости артериальной стенки увеличивается скорость распространения пульсовой волны.
Сейчас наряду с этим классическим методом оценки жесткости, активно внедряются методы, в которых используется один сенсор, который регистрирует пульсовую волну. Наиболее активно применяется метод аппланационной тонометрии лучевой артерии, когда по пульсовой волне давления оценивается ригидность крупных магистральных артерий, в том числе и аорты.
В артериальной системе после сокращения желудочка в систолу пульсовая волна направляется из места возникновения (аорта) в крупные, средние, а затем мелкие сосуды с определенной скоростью. По пути прохождения пульсовая волна встречается с разными препятствиями (например, бифуркации, резистивные сосуды, стенозы), приводящими к появлению отраженных пульсовых волн, направляющихся к аорте. При достаточной эластичности крупных сосудов отраженная волна абсорбируется. Сумма прямой и отраженных пульсовых волн отличается на разных сосудах, в результате систолическое артериальное давление отличается в разных сосудах и не совпадает с измеренным на плече. Давление в плечевой артерии далеко не всегда соответствует давлению в нисходящей аорте. Определенный вклад в повышение артериального давления в плечевой артерии относительно артериального давления в аорте вносит повышение жесткости ее стенки. В отличие от периферического давления уровень центрального артериального давления модулируется эластическими характеристиками крупных артерий, а также структурно-функциональным состоянием артерий среднего калибра и микроциркуляторного русла.
В течение 10 секунд выполняется регистрация кривой давления в лучевой артерии верхней конечности с помощью аппланационного тонометра. Данные обрабатываются с помощью программного обеспечения: вычисляется усредненная форма кривой, которая принятым математическим способом трансформируется в центральное давление в аорте. Компьютерная обработка полученных кривых центрального давления позволяет определить параметры центрального давления в аорте: время до первого (Т1) и второго (Т2), см. фиг.10-12, систолических пиков волны. Давление на первом пике/изломе принимается за давление выброса, дальнейший прирост до второго пика означает отраженное давление, их сумма (максимальное давление во время систолы) - систолическое центральное давление в аорте. Показатель прироста давления - индекс аугментации выражается в процентах и определяется как разница давлений между первым, ранним пиком (вызванным сердечной систолой) - раннее систолическое давление, и вторым, поздним (появляющимся в результате отражения первой пульсовой волны) систолическим пиком - позднее систолическое давление, деленная на центральное пульсовое давление. Установлено, что центральное систолическое давление и индекс аугментации отражают степень ремоделирования крупных артерий, т.е. по этим параметрам можно оценить артериальную функцию.
Вариант этого метода реализован устройством, раскрытым в публикации заявки US 2004064055.
Наибольших достижений в продвижении методов аппланационной тонометрии лучевой артерии достигла австралийская компания AtCor Medical, см. публикации US 2007179384, US 2007185400, WO 03/082101, AU 2003215424, WO 2007/053892.
В публикации US 2007185400 раскрыто устройство, позволяющее не только проводить контурный анализ пульсовой волны, но и рассчитывать величину центрального систолического давления. При этом используется передаточная функция, позволяющая по сигналу, зарегистрированному с лучевой артерии, воссоздавать пульсовую волну давления в аорте. Для оценки жесткости используется контурный анализ пульсовой волны с определением соотношения ранней и поздней систолической волны (индекс аугментации). Известное устройство включает средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки и средство для вычисления параметров оценки определения центрального систолического давления и индекса аугментации, т.е. для оценки аретриальной функции.
Однако регистрация пульсовой волны с помощью аппланационного тонометра требует наличия хорошо подготовленного оператора, так как ряд технических моментов при регистрации сигнала (точность расположения датчика над областью проекции лучевой артерии, усилие прижима) могут оказать существенное влияние на результаты теста.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании неинвазивного устройства для оценки артериальной функции, устраняющего недостатки известных устройств.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, состоит в повышении точности и упрощении оценки артериальной функции.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для оценки артериальной функции, содержащем средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки пульсового сигнала и средство для оценки артериальной функции, схема обработки включает последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, фильтр, усилитель, блок выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь, связанный со средством для оценки артериальной функции, представляющим собой программируемый контроллер, снабженный дисплеем для отображения результатов оценки, а средство для регистрации пульсовой волны представляет собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод и фотодетектор, соединенный с преобразователем ток-напряжение, при этом инфракрасный светодиод и фотодетектор установлены в корпусе средства для регистрации пульсовой волны, выполненном с возможностью установки на пальце обследуемого субъекта.
Технический результат усиливается за счет того, что корпус средства для регистрации пульсовой волны выполнен в виде прищепки, устанавливаемой на концевой фаланге пальца обследуемого субъекта с возможностью обеспечения усилия прижима фотодетектора к структурам концевой фаланги пальца более 20 мм.рт.ст. для исключения влияния на результаты оценки венозных пульсовых волн.
Технический результат усиливается за счет того, что фильтр представляет собой полосовой фильтр, выполненный с возможностью выделения высокочастотных составляющих исходного сигнала пульсовой волны, зарегистрированной с концевой фаланги пальца.
Технический результат усиливается за счет того, что в качестве программируемого контроллера используется высокопроизводительный 32-разрядный RISC микроконтроллер на базе ядра Cortex-М3, обеспечивающий реализацию высокоэффективных алгоритмов цифровой обработки входного сигнала при частоте квантования, равной 1 кГц.
Сущность полезной модели и возможность достижения технического результата будет более понятна из последующего описания устройства со ссылками на сопровождающие чертежи, где
на фиг.1 приведена схема расположения устройства для оценки артериальной функции на фаланге указательного пальца руки,
на фиг.2 - схема кровоснабжения кисти руки,
на фиг.3 - схема расположения средства для регистрации пульсовой волны (оптического датчика) на концевой фаланге пальца руки,
на фиг.4 приведена схема формирования сигнала оптическим датчиком,
на фиг.5 приведен вид сигнала, зарегистрированного с концевой фаланги пальца,
на фиг.6 - исходная пульсовая волна объема и сигнал после обработки,
на фиг.7 приведены спектры Фурье исходного и обработанного сигналов,
на фиг.8 - блок-схема устройства для оценки артериальной функции,
на фиг.9 изображен общий вид устройства для оценки артериальной функции,
на фиг.10-12 приведены примеры представления результатов оценки артериальной функции на дисплее.
В основе предложенного устройства лежит специализированный фотоплетизмограф, располагающийся на концевой фаланге пальца руки. На фиг.1 представлена схема расположения средства для регистрации пульсовой волны (фотоплетизмографа) на концевой фаланге указательного пальца руки. Средство для регистрации пульсовой волны представляют собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод 1 с длиной волны излучения 940 нм и фотодетектор 2. Фотодетектор 2 связан со схемой обработки, которая включает последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 3, фильтр 4, усилитель 5, блок выборки и хранения 6 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7. АЦП 7 связан со средством для оценки артериальной функции, которое по заложенной программе рассчитывает центральное систолическое давление и индекс аугментации. Средство для оценки артериальной функции представляет собой программируемый контроллер 8, связанный с дисплеем 9. Дисплей служит для отображения результатов оценки. Инфракрасный светодиод 1 и фотодетектор 2 установлены в корпусе 10 средства для регистрации пульсовой волны, выполненном с возможностью крепления на концевой фаланге пальца обследуемого субъекта.
Корпус 10 средства для регистрации пульсовой волны выполнен в виде прищепки 11, устанавливаемой на концевой фаланге пальца с возможностью обеспечения усилия прижима фотодетектора 2 к структурам концевой фаланги пальца более 20 мм.рт.ст. Экспериментально установлено, что такое усилие прижима позволит исключить влияние на результаты оценки венозных пульсовых волн.
Пульсовая волна состоит из двух составляющих: ранней и поздней систолических волн. Ранняя систолическая волна определяется непосредственно механической систолой левого желудочка сердца и связана с поступлением артериальной крови в область расположения оптического сенсора. Время появления и амплитуда поздней систолической волны определяется вязко-эластичными свойствами аорты (фиг.6.).
Для проведения контурного анализа пульсовой волны используется цифровой полосовой фильтр от 2 до 15 Гц, позволяющий выделить из исходного сигнала, регистрируемого с концевой фаланги пальца, промоделированного дыхательными актами, его высокочастотные составляющие. На фиг.7 представлены Фурье спектры исходного и обработанного сигнала. Такой подход при проведении контурного анализа позволяет проводить оценку состояния артерий эластического типа (аорта и ее основные ветви - подвздошные и сонные артерии).
При сборе информации, и ее последующем преобразовании необходимо зафиксировать значение аналогового сигнала в некоторый момент времени. Некоторые типы аналогово-цифровых преобразователей, например, последовательного приближения, могут давать совершенно непредсказуемые ошибки, если их входной сигнал не зафиксирован во время преобразования. При смене входного кода цифро-аналоговых преобразователей из-за неодновременности установления разрядов наблюдаются выбросы выходного напряжения. Блок выборки и хранения 6 на интервале времени выборки повторяет на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении режима на хранение сохраняет последнее значение выходного напряжения до поступления сигнала выборки. В качестве блока выборки и хранения 6 может быть использована интегральная микросхема серии LF398.
Контроллер 8 является программируемым контроллером. Он реализует программу, позволяющую по пульсовой волне с периферических сосудов фаланги пальца руки определить центральное систолическое давление и рассчитать индекс аугментации. Схема обработки, контроллер 8 и дисплей 9 расположены в едином корпусе 11, к которому с помощью кабеля подключается корпус 10 средства для регистрации пульсовой волны. Питание элементов устройства может быть автономным от батареи или аккумулятора, встроенных в корпус, либо сетевым, в этом случае используется адаптер (не показано). На корпусе 11 устройства размещена пусковая кнопка для включения прибора в работу.
Устройство используется следующим образом.
Корпус 10 средства для регистрации пульсовой волны, заранее подключенный к корпусу 11 с помощью электрического кабеля, устанавливается на концевую фалангу пальца с преимущественным кровоснабжением посредством лучевой артерии, например, на фалангу указательного пальца. Установлено, что преимущественное кровоснабжение посредством лучевой артерии имеют большой, указательный и средний палец руки (фиг.2.). Это важно отметить, так как проводилось сравнительное исследование временных и амплитудных характеристик пульсовых волн, зарегистрированных с области проекции лучевой артерии и с концевой фаланги указательного пальца. Корпус 10 в виде прищепки обеспечивает необходимое усилие прижима светодиода и фотодиода к тканям пальца.
Далее кнопкой на верхней панели корпуса 11 устройство включается в работу, при этом инфракрасный светодиод 1 облучает ткани концевой фаланги пальца, фотодетектор 2 осуществляет регистрацию светового сигнала, проходящего через ткани пальца, фиг.3. Регистрируемый оптический сигнал состоит из постоянной составляющей (DC), величина которой определяется пигментами кожи, костью, венозной и непульсирующей артериальной кровью. Переменная составляющая (АС) или непосредственно пульсовая волна модулируется деятельностью сердца.
Далее сигнал с фотоприемника 2 поступает на преобразователь ток-напряжение 3, фильтруется в фильтре 4, усиливается усилителем 5, обрабатывается в блоке выборки и хранения 6, преобразуется в цифровую форму и поступает на контроллер 8.
Схема формирования составляющих оптического сигнала представлена на фиг.4. При этом оптическая плотность имеет максимальное значение во время систолы.
На фиг.5 представлен исходный фотоплетизмографический (ФПГ) сигнал, который регистрируется устройством для оценки артериальной функции. Схематически представлены 12 пульсовых волн, которые отражают механическую систолу левого желудочка сердца. На фиг.5 также можно видеть изменение амплитуд пульсовых волны, которое определяется дыхательными актами. Пульсовая волна объема состоит из двух составляющих: ранней и поздней систолических волн. Ранняя систолическая волна определяется непосредственно механической систолой левого желудочка сердца и связана с поступлением артериальной крови в область расположения оптического сенсора. Время появления и амплитуда поздней систолической волна определяется вязко-эластичными свойствами аорты (фиг.6.).
Для проведения контурного анализа пульсовой волны используется цифровой полосовой фильтр от 2 до 15 Гц, позволяющий выделить из исходного сигнала его высокочастотные составляющие.
Полученные результаты обрабатываются в контроллере 8: с помощью программы по полученному через АЦП 7 сигналу, несущему информацию о пульсовой волне в лучевой артерии, вычисляется форма кривой центрального систолического давления и по соотношению ранней и поздней систолической волн - индекс аугментации, выраженный в процентах к центральному давлению. Результаты отображаются на дисплее, см. фиг.10-12, где представлены различные типы кривых центрального систолического давления и расчетные индексы аугментации.
Устройство имеет следующие преимущества:
1. обеспечивает высокую точность и достоверность оценки артериальной функции,
2. может быть использовано для оценки состояния аорты и ее основных ветвей - подвздошных и сонных артерий,
3. может быть использовано для целей ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, и в первую очередь стенозирующего атеросклероза,
4. имеет простую конструкцию, является удобным в использовании, не требует присутствия медицинского персонала, возможно использование в домашних условиях,
5. экономично, применимо в промышленности, поскольку для построения устройства используются промышленно выпускаемые блоки.