Исследование технического уровня и тенденций развития тонометров

УДК 61.616-71 М. С. Геращенко

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ТОНОМЕТРОВ

Аннотация. Приведены результаты исследования технического уровня и современных тенденций развития в области проектирования тонометров осцилляторного типа по трем направлениям: тонометры, компрессионная манжета и пульсовая волна. Поиск проводился по странам, являющимся мировыми лидерами в области науки и создающим широкую номенклатуру медицинской аппаратуры. Патентный поиск проводился методом статистической оценки просмотренных материалов. Качественный анализ исследованных материалов показал, что основными тенденциями развития тонометров осцилляторного типа являются повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Ключевые слова: тонометр, компрессионная манжета, пульсовая волна, артериальная гипертензия, артериальное давление.

Для оценки давления в бытовых условиях наибольшей популярностью пользуются тонометры осцилляторного типа. Их характеризует простота эксплуатации, не требующая специальных навыков. Ими могут пользоваться пациенты, имеющие дефекты зрения, а также лица в старческом возрасте.

Однако заложенные в них алгоритмические методы оценки систолического и диастолического значений давления по значению давления, соответствующему максимальной амплитуде осцилляции, дают существенную погрешность, достигающую 30 % [1]. Следует отметить, что Всемирной организацией здравоохранения в качестве измерительного средства признаются тонометры, основанные на методе Короткова.

В этой связи задачу бытового мониторинга артериального давления (АД) нельзя считать решенной. Существует острая потребность в совершенствовании имеющихся средств измерения АД с целью повышения их точности. Перспективным направлением становится разработка приборов для мониторинга гемодинамических параметров [2, 3], неинвазивных методов измерения параметров пульсовой волны автономными портативными приборами [4, 5], комплексов суточного мониторирования АД [6].

Для оценки перспективности данного направления проведены патентные исследования технического уровня и тенденций развития гидроманжетного тонометра. В результате патентного поиска было отобрано 237 описаний к патентам и заявкам на изобретения и полезные модели, имеющие отношение к данному объекту.

Поиск проводился по странам, в которых исследуемая область наиболее развита, большее количество фирм занимается разработкой и изготовлением медицинской аппаратуры и является мировыми лидерами, применяющими новейшие достижения в области науки и техники и создающими широкую номенклатуру медицинской аппаратуры. Патентный поиск проводился методом статистической оценки просмотренных материалов с дальнейшим проведением качественного анализа.

Систематизация и анализ информационных материалов проводились с учетом влияния отобранных технических решений на комплект характеристик разрабатываемого прибора. Отбирались решения, направленные:

- на повышение точности измерений и диагностирования;

- расширение функциональных возможностей;

- повышение надежности;

- повышение технологичности при изготовлении;

- увеличение ресурса и срока службы;

- миниатюризацию (уменьшение габаритных размеров и массы).

Следует отметить, что информация о технических характеристиках, конструктивно-технологических решениях зарубежных образцов часто бывает недостаточно полной, что затрудняет достоверную оценку достигнутого технического уровня медицинского оборудования.

По результатам поиска за последние 20 лет выявлено свыше 15 зарубежных и отечественных фирм-разработчиков и производителей медицинских приборов.

Систематизация отобранной документации проводилась по тематическому направлению. Исследования охватывают вопросы конструирования и технологии изготовления разрабатываемого прибора.

В процессе исследований выявлено, что ведущими зарубежными фирмами, имеющими разработки в области проектирования и изготовления тонометров, являются: Nihon Seimitsu Sokki Co, Ltd.; Omron, Citizen, A&D (Япония); Beurer, Medisana (Германия); Rossmax (Тайвань); Shanghai Little Doctor Electronic Co, Ltd.; Little Doctor International (S) Pte. Ltd. (Китай); B.WELL (Великобритания); Amrus Enterprises Ltd., Meditech (США); Microlife (Швейцария). В России данным направлением, ориентированным на разработку и серийный выпуск продукции, занимаются фирмы Курское ОАО «Прибор», ЗАО «АДЪЮТОР», ОАО «Вымпел» и др., которые используют в своих разработках цифровые методы обработки сигналов.

В процессе работы были проведены патентные исследования по выявлению уровня техники и тенденций развития исследуемой области в трех направлениях: тонометры, компрессионная манжета и пульсовая волна. В процессе проведения патентного поиска по направлению «тонометры» было отобрано 76 охранных документов, не включая патентов-аналогов.

Анализ состояния разработок в области «тонометры» показал, что общий объем патентно-защищенных разработок в данной области в США (20 патентов) и Японии (16 патентов) превышает объем разработок Китая (12 патентов), Кореи (8 патентов), Европейской патентной организации (ЕПВ) (6 патентов), Всемирной организации интеллектуальной собственности (ВОИС) (6 патентов), России (4 патента), Тайвани (3 патента), Мексики (1 патент) (рис. 1).

Рис. 1. Распределение охранных документов по ведущим странам

Одним из наиболее распространенных методов систематизации сведений об изобретениях, широко используемых в настоящее время для определения изобретательской

активности, является метод распределения изобретений по годам приоритета или выдачи охранных документов.

Распределение количества заявок на изобретения по годам и рост количества заявок представлен на рис. 2.

СТ1<ТУСЛСГ»СГУеТ^СП СГ1СГ»СТ^0000000СЭ С>01—1г-Нт—1г—1т—1т—I«—I

с71сгкст%слсг»а^сг1сг1с74а^0000000сэсэ00000сэс>0

I—I ч—I I—I г—I 1—I т—I 4—1 т—I >—I 1—1 од ом г»д ГЧ Г"М ГМ Г-М ГМ Г"Ч ГМ ("N1 Гч| ГМ ГЧ1 ГМ Г*>|

Рис. 2. Динамика патентования и рост суммарного количества заявок

Анализ динамики патентования изобретений показал, что с 1990 по 2007 г. количество заявок на изобретения устанавливается на уровне 1-4 заявки. С 2008 г. количество заявок растет и достигает максимального значения в 2010 г. С 2012 г. по настоящее время наблюдается рост количества заявок.

Национальные патенты распределились по странам следующим образом: Япония - 16, Китай - 9, Россия - 4, Тайвань - 3, Корея - 6, ЕПВ - 1. Таким образом, лидером среди ведущих мировых стран по количеству национальных охранных документов является Япония. Распределение охранных документов по странам представлено на рис. 3.

Рис. 3. Распределение национальных охранных документов по странам

Соотношение национальных патентов и охранных документов, полученных на территории других стран, представлено на рис. 4.

Рис. 4. Соотношение национальных патентов и патентов, полученных в других странах

Кривая динамики патентования позволяет сделать вывод о том, что интерес разработчиков к данной теме в ближайшие годы не угаснет, и работы по исследуемой теме будут продолжены как в России, так и за рубежом (рис. 5).

'd-irjtDÏ-^OOO^OT-Hojm^-mtDr^OOCTfO-^HfvIro^rLOkD

c*ic*ic*ic*ic*iOïoaaaoooaaoooooooo

Рис. 5. Динамика патентования изобретений

Национальные патенты распределились по странам следующим образом: Россия - 21, США - 8, Япония - 10, Китай - 3, Тайвань - 3, Европа - 3, ВОИС - 4, Корея - 2, Новая Зеландия - 1. Лидерами среди ведущих мировых стран по количеству национальных охранных документов являются Россия, Япония и США (рис. 6).

Рис. 6. Ведущие мировые страны по количеству национальных охранных документов

Анализ фирм-патентообладателей показал, что ярко выраженного лидера нет. Японская фирма CHUGOKU ELECTRIC POWER на свои изобретения получила четыре охранных документа. Другая фирма, из Америки - COSENSE INC - имеет в своем активе три изобретения, одно из которых запатентовано с использованием Договора о патентной кооперации. Немецкая фирма ENDRESS & HAUSER GMBH & CO KG имеет два изобретения по исследуемой тематике, на которые она получила девять охранных документов. Японская фирма RICOH ELEMEX CORP имеет в своем активе три изобретения.

Следует также отметить еще три фирмы: немецкие - ENDRESS HAUSER GMBH CO (9 охранных документов), CONTI TEMIC MICROELECTRONIC (6 охранных документов) и Японскую SEIKO EPSON CORP (8 охранных документов). Каждая из этих фирм, имея по одному изобретению, занимается активным патентованием их в зарубежных странах, что свидетельствует о высокой коммерческой значимости этих разработок.

Среди российских фирм можно выделить Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева - семь охранных документов, Курский государственный технический университет - три охранных документа, Пензенский государственный технический университет - один охранный документ.

Для определения тенденций развития были проанализированы описания изобретений, найденных в процессе поиска. Были установлены задачи изобретений и технический результат, отображающие технико-экономические показатели, улучшение которых может быть важным для развития конкретного объекта техники. Чтобы оценить, какая из тенденций развития наиболее значима для конкретного объекта техники, определяются коэффициенты весомости.

При определении коэффициентов весомости выявленных тенденций развития исходят из предположения, что чем чаще изобретатели обращаются к совершенствованию какого-либо функционального элемента или к достижению конкретного технического результата (например, улучшение метрологических параметров или улучшение эксплуатационных свойств), тем более этот функциональный элемент или достигнутый технический результат в целом влияет на потребительские свойства продукции.

Коэффициенты весомости определяют по формуле:

т} =-

I V

где - количество охранных документов, относящихся к данной тенденции развития; - общее количество охранных документов, относящихся к объекту. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчета коэффициентов весомости

Выявление тенденции развития Коэффициенты весомости

1. Повышение надежности 0,04

2. Повышение точности 0,89

3. Повышение чувствительности 0,05

4. Постоянный контроль 0,07

5. Повышение стабильности 0,02

6. Низкое потребление электроэнергии 0,02

7. Улучшение метрологических характеристик 0,009

8. Снижение стоимости 0,02

9. Повышение скорости распространения пульсовой волны 0,06

10. Повышение помехозащищенности 0,03

11. Расширение функциональных возможностей 0,13

12. Повышение работоспособности 0,009

13. Удобство использования 0,09

14. Расширение области применения 0,03

15. Увеличение срока службы 0,02

Основной тенденцией развития по трем исследуемым направлениям (тонометры, пульсовая волна, компрессионная манжета) является повышение точности измерения. В этом направлении лидерами по количеству охранных документов являются Япония, США, Россия и Германия. Другой тенденцией развития является расширение функциональных возможностей, и здесь доминирующими являются фирмы США, России и Тайвани.

Заслуживает внимания подход к решению задачи повышения точности тонометров осцилляторного типа, основанный на предложенном в патенте РФ («Гидроманжетный тонометр», патент на полезную модель № 104437) методе прямой оценки нижней и верхней границы давления. Его отличительная особенность заключается в использовании в качестве рабочего тела манжеты жидкости, применения двухкамерной манжеты и дифференциальной схемы включения датчиков давления камер.

В результате этого представляется возможным в осцилляторном методе фиксировать момент начала и окончания формирования пульсовой волны, что соответствует принципу определения моментов начала и окончания формирования тонов Короткова. Таким образом, предлагаемое решение создает предпосылки для реализации простого в обращении тонометра, обладающего повышенной точностью за счет прямого метода оценки значений давления.

Выбор в качестве рабочего тела несжимаемой среды - жидкости - повышает чувствительность оценки осцилляций, что существенно увеличивает их амплитуду. Дифференциальная схема включения датчиков давления камер манжеты позволяет компенсировать шумы, возникающие в процессе измерения от работы сердца, легких, движения суставов, внешних акустических шумов и воздействующих шумов и выделять разностный сигнал измерения давления в камерах манжеты при движении пульсовой волны по вене. Вторая камера компрессионной манжеты позволяет применять дифференциальную схему включения при оценке фиксации момента начала и окончания осцилляций. Высокая чувствительность оценки осцилляций создает предпосылки для качественной оценки восприятия формы пульсовой волны. А наличие двух камер, расположенных на расстоянии друг от друга, позволяет оценить параметры распространения пульсовой волны в динамике. Это создает условия для расширения функций тонометра, связанных с оценкой гемодинамических параметров без усложнения его конструкции.

Реальность повышения точности гидроманжетного тонометра обусловлена физическими свойствами жидкости, позволяющими более качественно передавать колебания давления в манжете на датчик. При этом существенно увеличивается чувствительность оценки осцилляций и качество представления формы пульсовой волны. Важно отметить, что гидроманжетный принцип оценки осцилляций предлагается впервые в мире.

Проведенный патентный поиск по странам, являющимся мировыми лидерами в области разработки и производства медицинской аппаратуры, показал, что основными тенденциями развития тонометров осцилляторного типа является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Один из вариантов реализации этих тенденций - применение гидроманжетной технологии формирования ос-цилляций. Предлагаемое решение создает предпосылки для реализации простого в обращении тонометра, обладающего повышенной точностью.

Библиографический список

1. Геращенко, С. М. Оценка погрешности гидроманжетного тонометра / С. М. Геращенко, М. С. Геращенко, С. И. Геращенко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. -№ 4. - С. 95-100.

2. Геращенко, С. М. Разработка гидроманжетного прибора для мониторинга гемодинамических параметров / С. М. Геращенко, М. С. Геращенко, С. И. Геращенко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4. - С. 101-107.

3. Геращенко, М. С. Использование гидроманжетного тонометра для оценки гемодинамических параметров с повышенной точностью / М. С. Геращенко, Н. А. Волкова, С. М. Геращенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2016. - № 3 (39). -С. 114-123.

4. К вопросу о реализации неинвазивных методов измерения параметров пульсовой волны автономными портативными приборами / М. А. Писарев, Б. В. Чувыкин, С. И. Геращенко, М. С. Геращенко, Н. А. Волкова // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. -№ 1 (15). - С. 89-94.

5. Gerashchenko, M. S. Application of the hydrocuff technology for blood pressure evaluation / M. S. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko, S. I. Gerashchenko, N. N. Yankina / / International Journal of Applied Engineering Research. - 2016. - Vol. 4. - Iss. 11. - P. 2271-2274.

6. Данилина, О. С. Комплекс суточного мониторинга гемодинамических показателей сердечно-сосудистой системы человека / О. С. Данилина, А. А. Мнацаканян, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко // Вестник Пензенского государственного университета. — 2015. — № 3 (11). — С. 114-117.

Геращенко Михаил Сергеевич

аспирант,

Пензенский государственный университет E-mail: geras.mkii@yandex.ru

УДК 61.616-71 Геращенко, М. С.

Исследование технического уровня и тенденций развития тонометров / М. С. Геращенко // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. - № 2 (17). - С. 78-84.