УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING HUMAN ARTERIAL PRESSURE VALUE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области медицины, а более конкретно - к тонометрии. Настоящее изобретение позволяет не только измерять величину артериального давления человека, но и отслеживать и регистрировать резкие скачки и отклонения величины артериального давления с мгновенным оповещением об этом человека.
Уровень техники
У некоторых людей складывается ошибочное мнение, что измерение величины такого жизненно важного показателя, как артериальное давление, несколько раз в день через определенные интервалы времени (например, раз в полчаса, раз в час и т.д) является достаточной процедурой для полного контроля за величиной собственного артериального давления.
Однако также крайне важной процедурой является проведение постоянной регистрации величина артериального давления, причем не только в условиях специализированных учреждений (например, в поликлинике или больнице), но и в любых других условиях, например при нахождении дома, на работе, на прогулке или в поездке и т.д. Это обуславливается тем фактом, что сильные изменения величины артериального давления (причем как повышение, так и понижение) в течение короткого интервала времени могут оставаться незамеченными для человека и, как следствие, представлять для него определенную опасность и приводить к серьезным осложнениям, например к нарушениям мозгового кровообращения.
В настоящее время для проведения измерений величины артериального давления вне медицинских учреждений наиболее часто используются устройства со специальной манжетой, расположенной на руке человека (см., например, страницу из Википедии "Кровяное давление" - http://ru.wikipedia.org/wiki/Кровяное_давление). Указанные устройства проводят измерения через заданные отрезки времени - примерно через 15-30 минут. Однако их использование с целью регистрации краткосрочных скачков артериального давления невозможно. Это объясняется как заданным интервалом между измерениями, так и длительностью проведения самого измерения (примерно от 30 до 90 секунд). При этом для определения давления используется алгоритм определения величины среднего давления. Максимальная амплитуда осцилляций возникает в момент, когда давление в манжете равно среднему давлению. Величины систолического и диастолического давления являются производными от среднего артериального давления. При этом сама процедура измерения давления, а именно пережатие плечевой артерии до величин, превышающих величину систолического давления, оказывает влияние на точность последующих измерений. Для исключения указанного влияния в указанных устройствах интервал между измерениями не должен быть короче 5 минут.
Кроме того, указанные устройства со специальной манжетой предназначены для использования в статичном положении и не пригодны для постоянного ношения на теле человека.
Из уровня техники известно устройство для проведения измерений артериального давления человека, использующее датчик давления, расположенный на запястье человека (см. заявку США на изобретение №2003/0216653 А1, дата публикации - 20.11.2003 г.). Однако указанное устройство ввиду своих размеров и веса не является мобильным и предназначено к использованию, как правило, только в специальных медицинских учреждениях (например, в реанимациях).
Из уровня техники также известно устройство для проведения измерений артериального давления человека, которое также рекомендовано для использования в медицинских учреждениях, однако является менее габаритным, нежели упомянутое выше устройство (см. патент США на изобретение №8597195 В2, дата публикации - 03.12.2013 г.). Помимо датчика давления указанное устройство включает в себя шаговые микродвигатели и дополнительные устройства для фиксирования руки, что значительно утяжеляет конструкцию и вызывает серьезные неудобства.
Кроме того, из уровня техники известно устройство для проведения измерений артериального давления человека, которое по задумке авторов должно было решить проблему невозможности постоянного использования подобных устройств в повседневной жизни за счет размещения устройства на теле и/или одежде человека и выполнения устройства из нескольких относительно малогабаритных (по сравнению с предшествующими устройствами) и соединенных между собой модулей (см. патент США на изобретение №8574161 В2, дата публикации - 05.11.2013 г.). Тем не менее, подобная конструкция не может обеспечить требуемую степень удобства эксплуатации и мобильности устройства, поскольку задействует и тем самым стесняет в движении сразу несколько различных участков тела человека (грудная клетка, запястье, локтевая область), содержит соединительные провода, подверженные перекручиванию и затрудняющие жизнедеятельность человека, а также содержит весьма габаритную и массивную монтажную плату. Кроме того, вышеуказанные факторы (в частности, проведение измерений и расположение датчиков не в одной конкретной области тела человека и не в одном модуле) оказывают негативное влияние на надежность и эффективность выполняемых измерений за счет повышенной вероятности возникновения погрешностей измерения.
Также из уровня техники известно устройство для проведения измерений артериального давления человека (см. заявку США на изобретение №2005/0228297 А1, дата публикации - 13.10.2005 г.). Указанное устройство, в целом, пригодно для постоянного размещения на теле и/или одежде человека с целью непрерывных регистрации и измерения величины артериального давления. Тем не менее, конструкция указанного устройства все равно не может обеспечить необходимую степень удобства эксплуатации и мобильности устройства, поскольку задействует помимо запястья человека также и указательный палец руки человека, что приводит к серьезному ограничению жизнедеятельности практически любого человека независимого от его возраста и сферы деятельности. Кроме того, проведение измерений в различных областях тела человека и расположение датчиков вне единого модуля оказывают негативное влияние на надежность и эффективность выполняемых измерений за счет повышенной вероятности возникновения погрешностей измерения. Так, на скорость распространения пульсовой волны, которая определяется указанным устройством, большое влияние оказывает тонус гладких мышц, расположенных в стенке артерий.
Наконец, из уровня техники известна персональная мониторинговая система, выбранная в качестве ближайшего аналога настоящему изобретению, которая выполнена наподобие наручных часов, и содержит контроллер и дисплей и осуществляет непрерывный мониторинг и измерение целого ряда жизненно важных показателей человека, в том числе артериального давления с использованием датчика давления и оптического датчика (см. заявку США на изобретение №2014/0143064 А1, дата публикации - 22.05.2014 г.). Однако система по ближайшему аналогу не может в полной мере обеспечить надежность и эффективность выполняемых измерений в связи с невозможностью выбора точного места проекции лучевой артерии на кожу человека и фиксации на этом месте системы, что приводит к возникновению погрешностей измерения (для точного измерения необходимо, чтобы лучевая артерия в момент измерения лежала на лучевой кости). Кроме того, система по ближайшему аналогу требует доработки в части более точной передачи пульсаций с лучевой артерии в датчик давления и в части обеспечения более лучшего усилия прижима к коже человека, что также необходимо для повышения эффективности измерений.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании такого устройства и способа измерения артериального давления человека, в которых существовала бы возможность регистрации отклонений величины артериального давления и индикации этого человеку, после чего выполнялось бы точное измерение артериального давления.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности измерения величины артериального давления человека за счет расширения функциональных возможностей устройств для измерения величины артериального давления человека с одновременным повышением их степени мобильности, надежности и удобства в эксплуатации.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложено устройство измерения величины артериального давления человека, включающее блок измерения величины артериального давления, содержащий датчик давления, блок регистрации отклонений величины артериального давления, снабженный оптическим датчиком, контроллер и дисплей, при этом блок измерения величины артериального давления и блок регистрации отклонений величины артериального давления объединены в запястной измерительной капсуле, причем оно содержит эластичную мембрану, а запястная измерительная капсула соединена с эластичной мембраной, при этом запястная измерительная капсула или контроллер содержит малогабаритную воздушную или гидравлическую помпу.
Запястная измерительная капсула может быть выполнена в виде диска, соединенного с патрубком с одного конца патрубка.
Запястная измерительная капсула может быть соединена с эластичной мембраной посредством уплотнительного кольца.
Малогабаритная воздушная или гидравлическая помпа может быть соединена с патрубком с другого конца патрубка.
Блок регистрации отклонений величины артериального давления может содержать световой и/или звуковой индикатор.
Оптический датчик может содержать оптопару, включающую по меньшей мере один светодиод или лазерный диод с линзой, фотоприемник с линзой, апертуру и экран.
Устройство измерения величины артериального давления человека может быть связано с мобильным устройством, выполненным в виде мобильного телефона, смартфона, планшетного компьютера, ноутбука или стационарного компьютера.
Также для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ измерения величины артериального давления человека посредством вышеуказанного устройства измерения величины артериального давления человека, заключающийся в непрерывной регистрации отклонений величины артериального давления от исходной величины, индикации о превышении допустимого отклонения и одновременном измерении точной величины артериального давления.
Согласно способу в качестве отклонений величины артериального давления могут регистрировать повышение и понижение величины давления от исходной величины.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - внешний вид устройства в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 2 - схематичное расположение частей устройства в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 3 - схема расположения измерительной капсулы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 - схематичное изображение измерительной капсулы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 5 - схематичное изображение измерительной капсулы с установленным оптическим датчиком;
Фиг. 6 - объемное изображение измерительной капсулы;
Фиг. 7 - схема определения систолического и среднего давления.
Осуществление изобретения
Устройство измерения величины артериального давления человека выполнено наподобие наручных часов (см. Фигуру 1) и состоит из блока 1 регистрации отклонений величины артериального давления и блока 2 измерения величины артериального давления, оба из которых расположены на запястье человека, крепятся к нему посредством браслета или ремня 4 и объединены в измерительную капсулу 6 с остовом 6′ капсулы. Измерительная капсула 6 может выполняться из материала с умеренной пластичностью.
Блок 1 регистрации отклонений величины артериального давления снабжен оптическим датчиком. Блок 2 измерения величины артериального давления содержит датчик давления. Датчиком давления может являться цифровой датчик давления с разрешением 16 разрядов и интерфейсом SPI. При этом датчик давления используется только для определения величины давления в измерительной капсуле 6, а оптический датчик регистрирует пульсовую волну с поверхности кожи в области проекции лучевой артерии 10 (см. Фигуру 2). Устройство измерения величины артериального давления человека содержит контроллер 5 (см. Фигуру 2) и дисплей 3 (см. Фигуру 1). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения дисплей 3 может являться дисплеем по технологии OLED разрешением 92×128 пикселей.
Задача датчика давления заключается в отслеживании величины давления в измерительной капсуле 6. При этом оптический датчик регистрирует пульсовые волны объема. Собранные пульсовые волны анализируются по величине амплитуды и форме сигнала. На Фигуре 7 схематически представлено взаимодействие датчика давления и оптического датчика. Оптический датчик фиксирует появление первой пульсовой волны - точка Т1, датчик давления фиксирует величину давления в измерительной капсуле 6, и эта величина соответствует величине систолического давления. Далее давление в капсуле продолжает снижаться, и в точке Т2, которая определяется по форме пульсовой волны (исчезает сглаженный участок волны), определяется величина среднего давления.
На Фигуре 7 позицией 20 обозначено давление в измерительной капсуле, позицией 21 - систолическое давление, позицией 22 - среднее давление, позицией 23 - давление в артерии, позицией 24 - сглаженная часть волны, позицией 25 - ФПГ пульсовые волны.
Устройство измерения величины артериального давления человека также содержит эластичную мембрану 7, а измерительная капсула 6 соединена с эластичной мембраной 7 посредством уплотнительного кольца 8 (см. Фигуры 2-4).
На Фигуре 2 также проиллюстрированы основные элементы руки человека, задействованные и/или находящиеся в непосредственной близости при функционировании заявляемого устройства: кожа 9, лучевая артерия 10 и лучевая кость 11.
На Фигуре 3 проиллюстрировано расположение и фиксация измерительной капсулы 6 над местом проекции лучевой артерии 10.
Измерительная капсула 6 выполнена в виде диска, соединена с патрубком 12 с одного конца патрубка (см. Фигуру 4).
Измерительная капсула 6 или контроллер 5 содержит малогабаритную помпу (на чертежах не показана), соединенную с патрубком 12 с другого конца патрубка 12. Малогабаритная помпа (или микропомпа) задает необходимое давление от 0 до 300 мм рт.ст. Малогабаритная помпа устанавливается в браслете или ремне 4 заявляемого устройства. Малогабаритная помпа может содержать пьезоэлектрический насос с давлением напора по крайней мере 0,33 бар. В заявляемом устройстве могут применяться любые известные виды малогабаритных помп, в том числе воздушная или гидравлическая (жидкостная).
Блок 1 регистрации отклонений величины артериального давления содержит световой и/или звуковой индикатор.
2
Оптический датчик содержит оптопару, включающую по меньшей мере один светодиод 13 или лазерный диод с линзой 14, фотоприемник 15 с линзой 14′, апертуру 16 и экран 17 (см. Фигуру 5). Также на фигуре 5 позицией 18 обозначен свет от источника, а позицией 19 - рассеянный свет. Светодиод 13 или лазерный диод работает в ближней инфракрасной области спектра (800-900 нм). Оптимальная длина волны излучения 810 нм соответствует изобестической точке поглощения гемоглобина (данный выбор обусловлен тем, что на амплитуду пульсовой волны может оказывать влияние насыщение гемоглобина кислородом). При данной длине волны коэффициенты молярной экстинкции окси-(HbO) и дезоксигемоглобина (Hb) равны (насыщенная кислородом форма гемоглобина называется оксигемоглобином; отдавший тканям кислород называется дезоксигемоглобином, и это соотношение форм гемоглобина у человека может изменяться). В определенной точке спектра 810 нм коэффициенты молярной экстинции (поглощения) у этих двух форм одинаковы. Данный выбор длины волны позволяет исключить влияние состояния насыщения гемоглобина на амплитудные характеристики регистрируемой пульсовой волны.
На Фигуре 5 представлена конструкция оптического датчика, состоящего из одного светодиода 13 (излучателя) и фотоприемника 15. На светодиоде 13 установлена линза 14, формирующая пятно света поверхности кожи заданных размеров. Фотоприемник 15 окружен экраном 17 с апертурой 16, что позволяет уменьшить паразитную засветку и регистрировать только рассеянный назад свет от области интереса (места проекции лучевой артерии 10). Однако для упрощения процедуры установки измерительной капсулы 6 на область проекции лучевой артерии 10 может быть использована матрица фотоприемников и светодиодов (излучателей). С помощью процедуры мультиплексирования поочередно проводится опрос оптопар и выбирается та, с которой регистрируется максимальный сигнал. Данный подход существенно упрощает процедуру "прицеливания" измерительной капсулы 6 над заданной поверхностью. Датчик давления, регистрирующий величину давления в измерительной капсуле 6, может быть установлен непосредственно в измерительной капсуле или быть вынесен в отсек блока контроллера 5.
Заявляемое устройство может быть снабжено акселерометром с интерфейсом SPI, который используется для регистрации состояния покоя, при котором результаты измерений могут быть признаны достоверными. Также заявляемое устройство может быть снабжено аккумулятором, который может являться литий-полимерным емкостью 140÷180 мА или 480 мА с непрерывной работой по крайней мере 24 часа. Кроме того, заявляемое устройство может быть снабжено электрокардиографом.
Использование сигнала для определения давления с помощью оптического датчика, по сравнению с использованием сигнала, получаемого от датчика давления, имеет существенные преимущества. Так, при измерении давления с помощью датчика давления (без применения оптического датчика) определяется только величина среднего артериального давления, которая соответствует максимальной амплитуде сигнала. При этом значения систолического и диастолического давления являются расчетными величинами. Различные производители автоматических тонометров используют свои алгоритмы определения давления. Так, например, систолическое давление может быть определено по амплитуде осцилляций, равной 0,8 от максимальной амплитуды на восходящем плече, зарегистрированных осцилляций. При этом диастолическое давление может быть определено, например, по амплитуде осцилляций, равной 0,5 от максимума на нисходящем плече. Эталоном измерения артериального давления до настоящего времени являлось регистрация тонов Короткова (аускультационный метод).
Необходимо подчеркнуть чрезвычайную важность точного определения величины среднего давления по максимальной амплитуде осцилляций. Максимальная амплитуда осцилляций возникает в момент, когда давление в манжете равно среднему давлению. Регистрация сигнала оптическим датчиком позволяет определять величину систолического и среднего давления. При этом диастолическое давление однозначно определяется расчетным путем исходя из того, что величина среднего давления равна сумме диастолического давления плюс одной трети пульсового давления (пульсовое давление равно разнице между величинами систолического и диастолического давления). Однозначно определить величину систолического давления можно только при использовании оптического датчика. Величины среднего давления определяются как с помощью датчика давления, так и оптическим датчиком.
Невозможность прямого определения величины систолического давления с помощью датчика давления определяется тем, что пульсовые волны давления, приходящие с проксимальной стороны от расположения капсулы, регистрируются даже при давлении выше систолического (супрасистолические волны). Тогда как появление пульсовой волны объема, зарегистрированной оптическим датчиком, однозначно свидетельствует о величине систолического давления.
При непрерывной регистрации в измерительной капсуле 6 создается давление в районе диастолического, после чего происходит непрерывный анализ формы пульсовой волны и анализируется тренд (повышение, снижение артериального давления). При превышении заданного порога (повышение или понижение давления на 20 мм рт.ст.) подается звуковой сигнал и происходит полное измерение давления. Полное измерение давления означает процесс регистрации и величины систолического, и среднего давления. В режиме постоянного мониторирования происходит непрерывный анализ формы пульсовой волны при давлении в измерительной капсуле 6 ниже величины диастолического давления (на Фиг. 7 крайние справа пульсовые волны). При этом давлении в измерительной капсуле 6 у человека не происходит пережатие артерии.
Устройство измерения величины артериального давления человека связано с мобильным устройством (на чертежах не показано), выполненным в виде мобильного телефона, смартфона, планшетного компьютера, ноутбука или стационарного компьютера. При этом оба блока 1, 2 имеют возможность передачи сигнала на мобильное устройство.
Способ измерения величины артериального давления человека осуществляют следующим образом.
1. Устройство устанавливается на область запястья.
2. Запускается регистрация пульсовых волн объема оптическим датчиком, при этом регистрируется давление в измерительной капсуле.
3. Определяется систолическое и среднее давление.
4. Рассчитывается диастолическое давление.
5. Переход к режиму мониторирования. При этом предполагается непрерывная регистрация и регистрация через заданный интервал времени (10 минут).
6. При непрерывной регистрации в капсуле создается давление в районе диастолического, после чего происходит непрерывный анализ формы пульсовой волны и анализируется тренд (повышение, снижение артериального давления). При превышении заданного порога (повышение или понижение давления на 20 мм рт.ст.) подается звуковой сигнал и происходит полное измерение давления.
7. Все данные с устройства передаются на мобильное устройство и на нем сохраняются.
8. Мобильное устройство передает накопленные данные в "облако" (облачное хранилище данных), доступ к которому могут иметь родственники и врач.
Заявляемый способ подразумевает также возможность выполнения неоднократной калибровки устройства. Для этого проводится полный цикл осциллометрического измерения артериального давления, результаты которого передаются в контроллер. Затем заявляемое устройство проводит цикл измерения времени распространения пульсовой волны, соотнося полученный результат во внутренней индексной таблице с результатами измерения артериального давления. После этого происходит синхронизация настроек по диапазонам критических параметров. Данные настройки могут быть установлены или изменены пользователем.