МОНОЛИТНЫЙ ТРЁХКАМЕРНЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ СЕНСОР С ВСТРОЕННЫМИ ДРОССЕЛЬНЫМИ КАНАЛАМИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
MONOLITHIC THREE-CHAMBER PNEUMATIC SENSOR WITH INTEGRATED THROTTLE CHANNELS FOR CONTINUOUS NON-INVASIVE MEASUREMENT OF ARTERIAL PRESSURE

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к неинвазивным тонометрам.
Известные методы неинвазивного измерения артериального давления (АД) в основном сводятся к манипуляции давлением в манжете или аппликаторе, сжимающих артерию (вместе с конечностью), и определению систолического и диастолического давлений в артерии по пульсациям давления в манжете (см., например, Non-invasive continuous blood pressure monitoring: a review of current applications. Chung E, Chen G, Alexander B, Cannesson M. / Front Med. 2013 Mar; 7(1):91-101. Epub 2013 Jan 23). Для большинства решений использован метод объемной компенсации, основанный на идее "разгрузки стенок сосудов", т.к. предполагается, что в "разгруженном" состоянии давление внутри сосудов равно давлению вне их. Давление в манжете регулируется таким образом, чтобы поддерживать объем крови постоянным во времени, равным объему, который при калибровке выбран как "разгружающий" сосуды. В других решениях датчик прижимает артерию к лучевой кости настолько, чтобы сжать ее в достаточной степени, сделать контакт с ее стенкой плоским, но не пережать до окклюзии. Затем через стенки сосуда с помощью тензодатчиков бокового давления регистрируются пульсовые изменения АД. Величина давления, необходимая для того, чтобы уплощить стенки артерии, но не закрыть ее, известна как "рабочее усилие прижима" и рассчитывается по достаточно сложному алгоритму, который включает в себя предварительные оценки систолического, диастолического и пульсового давлений.
Описано устройство для непрерывного неинвазивного измерения давления (RU 2140187 С1, Медвэйв, Инк. (US), 27.10.1999). Содержит средство для приложения изменяемого прижимающего давления к чувствительному средству, средство для вычисления кровяного давления на основании воспринятых пульсовых колебаний давления внутри нижерасположенной артерии и средство для нейтрализации сил, создаваемых тканью вблизи нижерасположенной артерии, с одновременным обеспечением соответствия участку тела пациента. Датчик, имеющий чувствительную поверхность для восприятия кровяного давления в нижерасположенной артерии пациента, содержит преобразователь, боковую стенку, гибкую диафрагму и текучую соединительную среду. Боковая стенка расположена на некотором расстоянии от преобразователя и поддерживает его над нижерасположенной артерией. Текучая среда соединяет между собой чувствительную поверхность преобразователя и гибкую диафрагму и передает пульсовые колебания кровяного давления от гибкой диафрагмы к чувствительной поверхности преобразователя.
Недостаток устройства состоит в том, что подстройка изменяемого прижимающего давления к чувствительному средству осуществляется для относительно медленного выравнивания среднего давления в артерии и не отслеживает разгрузку стенок артерии в течение всего цикла, что приведет к искажению передаваемых жидкой средой пульсаций давления.
Известно устройство для непрерывной регистрации среднего артериального давления (RU 2013992 С1, Эман А.А., 15.06.1994), которое состоит из гидравлического фильтра, пневмоэлектронной следящей системы, включающей в себя ушной датчик пульса, закрепленный с помощью пелота или манжеты для окклюзии артерии, соединенных через воздухопровод с управляемыми блоками повышения и понижения давления, последовательно соединенные усилитель, подключенный входом к датчику пульса, электронный фильтр и пороговый блок, а также блоки регистрации и индикации. Недостатком устройства является то, что оно пригодно лишь для регистрации среднего артериального давления и не дает информации ни о динамике артериального давления beat-to-beat, ни даже значений систолического и диастолического давления.
Описано использование жидкостной камеры, площадь которой подбирают из условия надежного перекрытия области залегания артерии и измерения давления пульсовой волны, воспринимаемого в месте выхода артерии близко к поверхности кожного покрова (RU 2281687 С1, Пензенский государственный университет, 20.08.2006). Недостаток состоит в том, что необходима градуировка для каждого пациента, которая должна учитывать внешнее давление прижатия жидкостной камеры к конечности при измерении и использоваться для пересчета амплитуды пульсовых колебаний в значения верхнего и нижнего АД.
Устройство, описанное в заявке WO 2011135446 (А2), CARDIOSTAR, INC; BARON, EHUD, 03.11.2011, содержит аппликатор, прикладываемый к конечности пациента, связанный через рабочую камеру с датчиком давления, АЦП, контроллер с процессором, воздушный насос. Рабочая камера размещается в месте расположения артерии, которая локализуется обычным пальпированием. Роль контроллера заключается в реализации метода квазинепрерывного измерения АД и анализа сигнала, в том числе на основе вейвлетов для отслеживания среднего АД. Метод, по сути, является усложненным осциллометрическим способом измерения систолического, диастолического и среднего артериального давления. Недостатком метода остается невозможность непрерывного измерения истинного значения артериального давления beat-to-beat.
Наиболее близким по назначению является пневматический сенсор для непрерывного измерения артериального давления, описанный в патенте RU 2638712 C1, ФГБУН Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НЕЙРОКОМ", 15.12.2017 - прототип. Сенсор содержит аппликатор, рабочую камеру с датчиком давления, подключенным через АЦП к микроконтроллеру, который связан с воздушным насосом и устройством отображения и обработки данных. Рабочая камера выполнена в виде сформированной в теле аппликатора полости, которая связана с датчиком давления и через регулировочный дроссель - с камерой высокого давления, подключенной к воздушному насосу, который содержит компрессор и ресивер. Аппликатор имеет контактную площадку для взаимодействия с контролируемой зоной артерии. В центре контактной площадки образовано отверстие, связанное сквозным каналом с полостью рабочей камеры, открытым на плоскую поверхность контактной площадки с возможностью свободного истечения воздуха в контролируемой зоне артерии, при этом вокруг указанного отверстия расположены входные отверстия сквозных каналов отвода воздуха, выполненные с возможностью поддержания давления в рабочей камере равным давлению на плоской поверхности контактной площадки со стороны кожи и тканей над разгруженной стенкой артерии.
Однако устройство имеет недостаточную информативность, поскольку сенсор имеет одну измерительную площадку, а габариты не дают возможность оценить точность позиционирования аппликатора над артерией.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы расширения функциональных возможностей и усовершенствования конструкции устройства для непрерывного измерения артериального давления
Патентуемый сенсор для непрерывного измерения артериального давления содержит аппликатор с контактной площадкой и пневматической камерой, открытой на плоскую поверхность контактной площадки и выполненной в теле аппликатора, датчик давления, связанный с камерой, подключенный через АЦП к блоку управления и обработки данных с устройством отображения, камеру высокого давления, сообщенную с воздушным насосом.
Отличие состоит в том, что пневматическая камера аппликатора выполнена из трех идентичных рабочих камер, открытых отверстиями на плоскую поверхность контактной площадки и размещенных на ней по прямой линии на равных расстояниях друг от друга.
Каждая рабочая камера соединена посредством трубок с индивидуальным датчиком давления и АЦП, а торцы указанных трубок углублены относительно поверхности контактной площадки аппликатора на величину зазора так, чтобы суммарный объем внутренней полости трубки и указанного зазора не превышал 1,5 куб. мм. Камера высокого давления включает коллектор, связанный дроссельными каналами с каждой из рабочих камер с обеспечением режима постоянного стравливания из них воздуха.
Сенсор может характеризоваться тем, что диаметр d отверстий рабочих камер на плоскую поверхность контактной площадки составляет d=0,7-0,9 мм, а расстояние w между ними w=1,5-2 мм, а также тем, что аппликатор выполнен монолитным из полиметилметакрилата.
Сенсор может характеризоваться и тем, что воздушный насос содержит компрессор и ресивер, выполненные с возможностью поддержания в коллекторе камеры высокого давления заданного давления в интервале до 300 мм рт. ст., а также тем, что дроссельные каналы выполнены с сечением, обеспечивающим изменение давления в полости рабочей камеры от нуля до около 200 мм рт. ст. за единицы миллисекунд.
Технический результат - расширение функциональных возможностей при упрощении конструкции, повышении быстродействия и надежности. Достигается за счет измерения давления одновременно в трех точках, позволяющее позиционировать аппликатор относительно артерии. Упрощение конструкции при повышении надежности достигается за счет выполнения дроссельного канала непосредственно в теле аппликатора. Уменьшение объема рабочей камеры дает возможность повысить быстродействие с сохранением ламинарного потока истекающего воздуха, при этом артерия не пережата и кровоток не перекрыт.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг. 1 представлена блок-схема устройства с конструкцией аппликатора;
на фиг. 2 - вид на аппликатор со стороны контактной поверхности;
на фиг. 3 - вид на единичный канал в продольном сечении, укрупнено;
на фиг. 4 - то же, что на фиг. 3, вид на единичный канал со стороны рабочей поверхности;
на фиг. 5 - экспериментальные кривые давления в трех рабочих камерах при расположении аппликатора над лучевой артерией в позиции, близкой к оптимальной.
Блок-схема устройства и конструкция аппликатора показаны на фиг. 1-4. Устройство содержит аппликатор 10, который представляет собой элемент, приспособленный для установки на конечности 100. Аппликатор 10 имеет корпус 11, в котором образована полость камера 12 высокого давления с коллектором 121. Рабочая поверхность 17, приводимая при регистрации артериального давления в контакт с конечностью 100, содержит не сообщенные друг с другом три рабочие камеры 14, 15, 16. Каждая камера посредством гибких трубок 20, 21, 22 соединена с датчиками 23, 24, 25 давления. Датчики 23-25 подключены к входу АЦП 30, выход которого подсоединен к блоку 50 управления. Информационный выход блока 50 связан с компьютером 60.
Создание и регулирование высокого давления в полости коллектора 121 обеспечивается воздушным насосом, для чего полость коллектора 121 соединена пневмомагистралью 40 с датчиком 41 давления и воздушным насосом, образованным ресивером 42 и подключенным к нему компрессором 43. Воздушный насос служит для поддержания в коллекторе 121 заданного высокого давления в интервале до 300 мм рт. ст..
Для повышения информативности и решения задачи позиционирования сенсора требуется контролировать давление на нескольких, оптимально трех, площадках, расположенных по прямой линии с промежутками w=1,5-2 мм. На фиг. 2 позициями 20, 21, 22 показано размещение рабочих камер 14, 15, 16 со стороны рабочей поверхности 17. Удобно и технологично формировать рабочие камеры путем выполнения зазора 222 между торцами гибких трубок 20, 21, 22 и рабочей поверхностью 17.
На фиг. 3, 4 укрупненно показана конструкция единичного канала, в частности камеры 14. В корпусе 11 выполнено отверстие с диаметром, совпадающим с внешним диаметром гибкой трубки 22, куда заведена указанная трубка с зазором 222 между ее концом (торцом). Коллектор 121 камеры 12 высокого давления соединен с зазором 222 рабочей камеры 14 посредством дроссельных каналов 226. Такие каналы 226 имеются также в каждой камере 15, 16. Их назначение - обеспечить пневматическую связь между коллектором 121 через зазор 222 в канал 221 трубки 22, в том случае, когда рабочая поверхность находится в пневматическом контакте с поверхностью 100. Направление дросселирования показано пунктиром и стрелками 224-225. Дроссельные каналы 226 выполнены с сечением, обеспечивающим изменение давления в полости рабочей камеры от нуля до около 200 мм рт. ст. за единицы миллисекунд.
Уменьшение габаритов каждой камеры решается изменением конструкции дросселя и вынесением датчика давления за корпус 11. Датчик давления соединяется гибкой ПВХ-трубкой с рабочей камерой 14(15, 16), в суммарный объем которой входит и внутренний объем полости 221 трубки 22. Это требует минимизировать как длину, так и внутренний диаметр трубки. Компоновка платы с датчиками давления вплотную к сенсору сокращает длину трубок до 20 мм. Внутренний диаметр трубки порядка 0,3 мм при наружном диаметре 0,8 мм. Объем полости 221 трубки 22 при этих размерах не превышает 1,5 мм3.
Дроссельные каналы 226 для дозированной утечки воздуха из коллектора 121 камеры высокого давления в рабочие камеры 14(15, 16) могут быть выполнены, например, посредством зазорообразующих закладных элементов, при этом объем указанных рабочих камер практически равен лишь объему внутренней полости трубки.
Принцип работы устройства основан на поддержании давления воздуха в рабочих камерах 14, 15, 16, равным давлениям на соответствующие площадки (позиции 20, 21, 22 на фиг. 2) аппликатора 10 со стороны артерии и слоев кожи (поверхность 100), что аналогично «клапанам», сбрасывающим избыточное давление в рабочих камерах 14, 15, 16.
Более подробно принцип поясняется на примере функционирования одной из камер (см. фиг. 3). Благодаря постоянному притоку воздуха в камеру 14 через дроссельный канал 226, давление в камере 14 будет расти до открытия «клапана», уровень срабатывания которого задается текущим значением давления на поверхность аппликатора в проекции рабочей камеры со стороны артерии. Отличие от обычного предохранительного клапана заключается в том, что сбрасывание избыточного количества поступающего воздуха идет непрерывно и изменение давления на поверхность 17 аппликатора вызывает соответствующее изменение давления в рабочей камере 14 без нарушения стабильного режима истечения воздуха. Направление дросселирования показано пунктиром и стрелкой 224, а направление истечения воздуха из рабочей камеры - стрелками 225.
Устройство работает следующим образом.
При измерении аппликатор 10 прикладывают на поверхность 100 запястья в проекции лучевой артерии так, чтобы все три рабочие камеры 14, 15, 16, конструктивно выполненные на одной прямой, были расположены в линию перпендикулярно артерии. Наблюдая на мониторе компьютера 60 за пульсациями давления в рабочих камерах 14, 15, 16, позиционируют аппликатор 10 в тангенциальном относительно артерии направлении по симметрии пульсаций в боковых рабочих камерах 14 и 16, и в радиальном направлении - по максимуму амплитуды давления в центральной рабочей камере 15. Примерный вид пульсаций давления правильно позиционированного аппликатора показан на рис. 5, где кривая 1 - давление в центральной рабочей камере 15, кривые 2 и 3 - давление в боковых рабочих камерах 14 и 16, соответственно.
Полученный в результате измерений сигнал давления в рабочей камере 15 в реальном времени повторяет изменение давления крови в артерии. При этом артерия не пережата и кровоток не перекрыт, что позволяет проводить длительное непрерывное неинвазивное измерение артериального давления.