УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ

Полезная модель относится к медицинской технике, предназначенной для функциональной диагностики сердечно-сосудистой системы пациентов, в частности для неинвазивной диагностики с помощью радиолокационных средств измерения скорости распространения пульсовой волны.
Скорость пульсовой волны является показателем регидности (жесткости) артерий сердечно-сосудистой системы. При различных кардиологических заболеваниях из-за снижения эластичности (повышения регидности) магистральных сосудов утрачивается одна из важнейших функций сердечно-сосудистой системы, а именно: демпфирование пульсовых колебаний артериального давления крови. Колебания данного вида связаны с циклической (пульсирующей) деятельностью сердца. Регидность магистральных артерий оценивается по скорости распространения пульсовой волны. Чем жестче стенка артерии, тем быстрее по артериальному сосуду будет передаваться пульсация давления, возникающая на стадии систолы левого желудочка сердца. Существует высокая степень корреляции между развитием сердечно-сосудистых заболеваний и жесткостью крупных артерий. Данная связь оценивается по величине скорости распространения пульсовой волны, например, между сонной и бедренной артериями человека.
Известно устройство для измерения распространения пульсовой волны, которое описано в международной заявке WO 2007/023426 (опубликована 01.03.2007). Работа данного устройства основана на использовании доплеровского метода измерения скорости объектов. Устройство содержит два датчика, которые подключены к процессору, осуществляющему обработку полученных от датчиков сигналов и вычисление скорости пульсовой волны.
С помощью каждого датчика производится излучение сигнала на выбранной частоте в диапазоне от 400 МГц до 5 ГГц. Датчики излучают электромагнитные сигналы и принимают сигналы, содержащие информацию о доплеровском изменении частоты сигнала при его отражении от пульсирующих стенок артерий. В процессор передается также информация о временной задержке сигналов первого и второго датчиков. Чувствительные элементы датчиков размещаются непосредственно на кожном покрове пациента либо на одежде, прилегающей к телу пациента. Для измерения скорости пульсовой волны первый датчик устанавливают вблизи плечевой артерии, а второй датчик - вблизи лучевой или локтевой артерии на руке пациента.
При использовании данного средства диагностики сердечно-сосудистой системы не требуется плотный контакт чувствительных элементов датчиков с телом пациента и применение специальных акустических гелей. Однако при реализации доплеровского метода измерений необходимо обеспечить точное позиционирование чувствительных элементов датчиков относительно артериальных сосудов и неподвижность объекта измерений. В этом случае существенно усложняется процесс диагностики и увеличивается время измерений, что исключает возможность применения доплеровского метода измерений для экспресс-диагностики (скрининга) сердечно-сосудистой системы пациента.
Наиболее близкий аналог устройства для измерения скорости пульсовой волны раскрыт в патенте RU 2393759 (опубликован 10.07.2010). Известное устройство содержит два датчика, соединенные между собой кабелем. Чувствительные элементы каждого датчика выполнены в виде копланарной полосковой линии передачи, в которой электромагнитная волна распространяется вдоль щелей, образованных между проводящими поверхностями в одной плоскости. Работа датчиков основана на зависимости распространения СВЧ электромагнитной волны по полосковой линии от внешних условий, в том числе от свойств среды, прилегающей к чувствительным элементам датчика. В процессе работы датчиков силовые линии электромагнитного поля распространяются на некоторое расстояние от металлического проводящего слоя отрезков полосковой линии. Характеристики среды, через которую проходят силовые линии электромагнитного поля, влияют на передаточную функцию полосковой линии и за счет этого происходит изменение амплитуды и фазы передаваемого электромагнитного сигнала. При этом изменение характеристик передаваемого сигнала пропорционально изменению передаточной функции полосковой линии и, следовательно, пропорционально изменению параметров внешней среды.
Каждый датчик содержит последовательно соединенные импульсный генератор, чувствительный элемент, выполненный в виде копланарной полосковой линии передачи сигнала, смеситель сигналов (фазовый детектор), дифференциальный накопитель, инструментальный усилитель и аналоговый сумматор. Выходы импульсного генератора и полосковой линии передачи сигнала каждого датчика параллельно соединены с входами соответствующего смесителя сигналов. Устройство включает также в свой состав аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, модуль передачи сигнала, источник электропитания и блок обработки и визуализации сигнала. С помощью микроконтроллера производится математическая обработка сигналов одного или двух совместно работающих датчиков и сохранение в памяти результирующего сигнала пульсовой волны, который затем передается через модуль передачи сигнала в блок обработки и визуализации сигнала.
При работе данного устройства генерируется маломощный короткоимпульсный сверхширокополосный сигнал с центральной частотой 6,5 ГГц и шириной сигнала 500 МГц (по уровню 10 дБ). Область измерений каждого датчика расположена в зоне концентрации силовых линий электромагнитного сигнала, распространяющегося по полосковой линии. Прикладывая один датчик, например, к руке пациента в области с явно выраженной поверхностной пульсацией лучевой артерии на тыльной стороне запястья, а второй датчик - к области пульсации сонной артерии на шее пациента, можно определить параметры измеряемой среды, в том числе и скорость распространения пульсовой волны. Измерение данных параметров связано с изменением закономерности, описывающей изменение размеров артерии во времени при прохождении пульсовой волны. Однако, несмотря на возможность реализации с помощью устройства экспресс-метода неинвазивной пульсовой диагностики, конструкция устройства не исключает возможности возникновения помех от расположенных поблизости от пациента источников электромагнитного излучения, работающих в импульсном режиме. К таким источникам излучения, в частности, относятся мобильные телефоны. Влияние помех на проводимые измерения в свою очередь обуславливает недостоверность и неточность результатов измерений.
Кроме того, при работе известного устройства не исключено влияние пульсовой волны на опорный сигнал, который поступает в каждом датчике со второго выхода импульсного генератора на второй вход смесителя сигналов. Отсутствует также согласование опорного сигнала с входными характеристиками смесителя сигналов. Такое рассогласование приводит к паразитным переотражениям опорного сигнала. Данное явление влияет на фазу и амплитуду сигнала в опорной линии передачи. Изменения опорного сигнала, который является эталонным сигналом при проведении измерений, в сою очередь существенно влияют на точность и достоверность измерений.
Полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с исключением влияния помех на результаты измерений параметров измеряемой среды и результаты вычисления скорости распространения пульсовой волны. Для этого, в частности, необходимо обеспечить согласование опорного сигнала с входными параметрами смесителя сигналов и исключить влияние внешних факторов, в том числе влияние пульсовой волны, на распространение опорного сигнала в линии передачи от генератора СВЧ колебаний до смесителя сигналов. Решение перечисленных технических задач позволяет проводить измерения скорости пульсовой волны с требуемой точностью и достоверностью результатов измерений.
Достижение указанного выше технического результата обеспечивается за счет использования при проведении измерений скорости распространения пульсовой волны предназначенного для этого устройства, которое включает в свой состав два датчика, аналогово-цифровой преобразователь сигналов и блок сбора, обработки, отображения и передачи данных. Выходы датчиков подключены к входам двухканального аналого-цифрового преобразователя. Выход преобразователя соединен с блоком сбора, обработки, отображения и передачи данных. Каждый датчик содержит генератор СВЧ колебаний, делитель мощности с двумя выходами, чувствительный элемент, включающий в свой состав копланарную полосковую линию передачи рабочего сигнала. Чувствительные элементы датчиков содержат также несимметричные линии передачи опорного сигнала. В состав каждого датчика входит смеситель сигналов с двумя входами и одним выходом и усилитель сигнала. Вход делителя мощности соединяется с выходом генератора СВЧ колебаний. Первый выход делителя мощности соединяется с первым входом смесителя сигналов через копланарную полосковую линию передачи сигнала. Второй выход делителя мощности соединяется со вторым входом смесителя сигналов через несимметричную полосковую линию передачи сигнала. Выход смесителя сигналов подключается к входу усилителя сигналов.
При приближении датчиков к определенным участкам кожного покрова пациента проявляется влияние пульсирующих движений артерий на условия распространения генерируемых СВЧ сигналов. Изменение поперечного сечения артерии воздействует на электромагнитное поле сигнала, формируя отклик сигнала, пропорциональный изменению параметров внешней среды. Данная составляющая сигнала регистрируется, преобразуется в цифровой вид, обрабатывается с использованием программного обеспечения и передается для дальнейшего отображения полученной информации.
Использование в составе датчиков несимметричных полосковых линий передачи, которые подключаются в опорном канале каждого датчика между выходом делителя мощности и вторым входом смесителя сигналов, позволяет исключить влияние внешних помех, включая влияние пульсовой волны, на эталонный опорный сигнал. Вследствие этого в опорном канале обеспечиваются идентичные по отношению к рабочему каналу условия распространения сигнала от генератора СВЧ колебаний до смесителя сигналов. В результате с помощью смесителя сигналов в каждом датчике определяется отклонение сигнала, проходящего в рабочем канале через копланарную полосковую линию передачи, относительно эталонного сигнала в опорном канале. При этом исключается влияние на эталонный опорный сигнал изменений параметров внешней среды. Измеренное отклонение сигнала характеризует изменения параметров внешней среды (тела пациента), связанные с распространением пульсовой волны по телу человека.
Для более точной настройки и согласования рабочего СВЧ сигнала с параметрами линии передачи и параметрами измеряемой среды датчик может включать в свой состав аттенюатор. Вход аттенюатора соединяется с первым выходом делителя мощности. Выход аттенюатора подключается к входу копланарной полосковой линии передачи.
С целью повышения селективности каждый датчик может включать в свой состав фильтр нижних частот и второй усилитель сигнала. В этом случае первый усилитель сигнала выполняется в виде инструментального усилителя, вход которого соединяется с выходом смесителя сигналов через фильтр нижних частот. В качестве второго усилителя используется полностью дифференциальный усилитель, вход которого соединен с выходом инструментального усилителя. Выход полностью дифференциального усилителя в данном варианте выполнения устройства служит выходом датчика.
Для оперативного ввода данных, управления процессом измерений и обработки результатов измерений, а также для отображения полученных данных устройство снабжается персональным компьютером. В этом случае выход блока сбора, обработки, отображения и передачи данных подключается к персональному компьютеру через USB кабель.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения устройства, предназначенного для измерения скорости распространения пульсовой волны. На поясняющих чертежах изображено следующее:
на фиг.1 - структурная схема устройства для измерения скорости пульсовой волны;
на фиг.2 - схема копланарной полосковой линии передачи сигнала, входящей в состав рабочего канала датчика;
на фиг.3 - схема несимметричной полосковой линии передачи сигнала, входящей в состав опорного канала датчика.
Устройство для измерения пульсовой волны, изображенное на фиг.1, содержит два датчика (сфигмодатчика). Первый датчик включает в свой состав генератор СВЧ колебаний 1 (ГК1), кольцевой делитель мощности 2 (ДМ1), к выходам которого подключены рабочий и опорный каналы передачи сигнала. Рабочий канал образован последовательно соединенными аттенюатором 3 (AT1) и копланарной полосковой линией 4 передачи сигнала (КПЛ1). Вход аттенюатора AT1 3 соединен с первым выходом делителя ДМ1 2. Выход аттенюатора AT1 3 подключен к входу линии передачи КПЛ1 4. Опорный канал содержит несимметричную полосковую линию 5 передачи сигнала (НПЛ1). Выходы рабочего и опорного каналов соединены с соответствующими входами смесителя сигналов 6 (СМ1), выход которого подключен к фильтру 7 нижних частот (ФНЧ1). Выход ФНЧ1 7 соединен с двумя последовательно соединенными усилителями сигнала: инструментальным усилителем 8 (ИУ1) и полностью дифференциальным усилителем 9 (ДУ1).
Второй датчик содержит аналогичные структурные элементы: генератор СВЧ колебаний 10 (ГК2), кольцевой делитель мощности 11 (ДМ2), аттенюатор 12 (АТ2), копланарную полосковую линию 13 передачи сигнала (КПЛ2), несимметричную полосковую линию 14 передачи сигнала (НПЛ2), смеситель сигналов 15 (СМ2), фильтр 16 нижних частот (ФНЧ2), инструментальный усилитель 17 (ИУ2) и полностью дифференциальный усилитель 18 (ДУ2).
Выходы усилителей ДУ1 9 и ДУ2 18 образуют выходы первого и второго датчиков и соединены с соответствующими входами двухканального аналого-цифрового преобразователя 19 (АЦП). Выход преобразователя АЦП 19 соединен с входом блока 20 сбора, обработки, отображения и передачи данных (БД). К блоку БД 20 через USB кабель подключен персональный компьютер 21 (ПК).
В рассматриваемом примере конструктивного выполнения устройства полосковые линии КПЛ1 4 и НПЛ1 5 объединены на одной печатной плате первого датчика. Аналогичным образом полосковые линии КПЛ2 13 и НПЛ2 14 также объединены на одной печатной плате второго датчика. Печатная плата каждого датчика представляет собой плоскую диэлектрическую подложку 22, на одной поверхности которой нанесен электропроводящий металлизированный заземленный слой 23 и печатная дорожка 24 рабочего канала (см. фиг.2). На противоположной поверхности диэлектрической подложки 22 нанесена печатная дорожка 25 опорного канала (см. фиг.3)..
Измерение скорости распространения по телу пациента пульсовой волны осуществляется с помощью описанного выше устройства следующим образом.
Датчики устройства устанавливаются, например, с помощью манжет (на чертеже не показаны) на теле пациента: первый датчик располагается над проекцией сонной артерии, второй датчик - над проекцией бедренной артерии. В процессе проведения неинвазивной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы пациента производится одновременная регистрация двух сфигмограмм (кривых пульса сонной и бедренной артерий) в выбранных точках и определяется временная задержка между моментами появления пульсаций сосудистого русла сонной и бедренной артерий.
При включении устройства с помощью генераторов ГК1 1 и ГК2 10 создаются гармонические СВЧ колебания. В качестве рабочих сигналов используются узкополосные СВЧ сигналы. Рабочие сигналы передаются на входы делителей ДМ1 2 и ДМ2 11, которые делят входные сигналы на равные по мощности выходные сигналы. С первого плеча (выхода) делителей ДМ1 2 и ДМ2 11 сигналы поступают в соответствующие рабочие каналы датчиков, которые содержат последовательно включенные аттенюаторы AT1 3 и АТ2 12 и полосковые линии КПЛ1 4 и КПЛ2 13. Амплитуда рабочих сигналов предварительно регулируется без искажения формы сигналов с помощью аттенюаторов AT1 3 и АТ2 12. Со второго плеча (выхода) делителей ДМ1 2 и ДМ2 11 сигналы поступают в соответствующие опорные каналы датчиков, которые содержат полосковые линии НПЛ1 5 и НПЛ2 14.
Применение копланарных полосковых линий (КПЛ1 4 и КПЛ2 13) в качестве чувствительных элементов датчиков обусловлено тем, что при распространении СВЧ сигнала по копланарной полосковой линии передачи большая часть силовых линий электрического поля концентрируется в диэлектрической подложке 22 между печатной дорожкой 24 и электропроводящим заземленным слоем 23 (см. фиг.2). Меньшая часть силовых линий электрического поля концентрируется в окружающем воздушном пространстве над слоем 23 и печатной дорожкой 24 с противоположной стороны по отношению к диэлектрической подложке 22.
Поскольку диэлектрическая проницаемость тела человека значительно больше диэлектрической проницаемости воздуха, то при приближении чувствительного элемента датчика (КПЛ1 4 или КПЛ2 13) со стороны электропроводящего заземленного слоя 23 печатной платы к кожному покрову пациента изменяются условия распространения СВЧ сигнала в копланарной полосковой линии передачи сигнала. При расположении чувствительного элемента датчика над кровеносным сосудом пульсации давления крови приводят к изменению параметров СВЧ сигнала в копланарной полосковой линии за счет пульсационного движения кожного покрова пациента. Такого рода пульсации вызывают снижение амплитуды сигнала и фазовую задержку сигнала.
Выделение полезного сигнала, непосредственно связанного с изменениями амплитуды и фазы передаваемого сигнала при распространении пульсовой волны по телу пациента, производится посредством сравнения сигнала, передаваемого через рабочий канал, с эталонным сигналом, который передается через опорный канал. Для этого со второго плеча делителей ДМ1 2 и ДМ2 11 равные по мощности сигналы передаются в опорные каналы датчиков, содержащие полосковые линии НПЛ1 5 и НПЛ2 14.
В несимметричных полосковых линиях передачи сигнала большая часть электромагнитного сигнала распространяется в диэлектрической подложке 22 между печатной дорожкой 25 опорного канала и электропроводящим заземленным слоем 23 (см. фиг.3). При расположении на печатной плате печатной дорожки 25 опорного сигнала с противоположной стороны диэлектрической подложки 22 по отношению к печатной дорожке 24 рабочего канала и электропроводящему заземленному слою 23, которые образуют копланарную полосковую линию передачи сигнала, обеспечивается наиболее полное снижение влияния пульсовой волны на эталонный опорный сигнал.
Кроме того, при передаче опорных сигналов через несимметричные полосковые линии передачи обеспечивается требуемое согласование электромагнитных сигналов с входами гетеродинов смесителей сигналов СМ1 6 и СМ2 15. Такое согласование необходимо для исключения возникновения паразитных переотражений сигналов, влияющих на фазу и амплитуду передаваемых электромагнитных сигналов.
Вследствие снижения влияния внешних факторов на распространение электромагнитных сигналов в опорных каналах датчиков и согласования передаваемых сигналов с входными характеристиками смесителей сигналов обеспечиваются идентичные условия распространения СВЧ сигналов в рабочих и опорных каналах датчиков на участках от генераторов ГК1 1 и ГК2 10 до смесителей СМ1 6 и СМ2 15. Данные условия необходимы для достоверного и точного выделения сигнала, характеризующего изменение параметров исследуемого объекта, в частности сигнала, отражающего пульсирующее движение кровеносных сосудов пациента.
СВЧ сигналы из рабочего и опорного каналов каждого датчика поступают на входы соответствующих смесителей СМ1 6 и СМ2 15. В смесителях сигналов производится перемножение рабочего и опорного сигналов. На выходе из смесителей образуется результирующий СВЧ сигнал с составляющей, которая зависит от амплитуды сравниваемых сигналов и разности фаз между сигналами. Выделение квазипостоянных составляющих сигналов, изменяющихся во времени пропорционально наполняемости соответствующего кровеносного сосуда, осуществляется с помощью фильтров ФНЧ1 7 и ФНЧ2 16. Выделенные сигналы затем усиливаются с помощью инструментальных усилителей ИУ1 8 и ИУ2 17. Оконечное усиление сигналов производится в полностью дифференциальных усилителях ДУ1 9 и ДУ2 18. На выходе из полностью дифференциальных усилителей формируются дифференциальные выходные сигналы датчиков.
Выходные сигналы датчиков направляются в двухканальный аналогово-цифровой преобразователь АЦП 19. С выхода преобразователя информация в цифровом виде передается в блок БД 20, с помощью которого производится сбор, математическая обработка, отображение и передача обработанных данных о скорости распространения пульсовой волны. Для дальнейшей обработки и визуализации полученной информации используется персональный компьютер ПК 21, подключенный к блоку БД 20. Сигнал, поступающий одновременно с двух датчиков в ПК 21, анализируется с помощью специального программного обеспечения, и на основании полученных данных осуществляется расчет скорости распространения пульсовой волны и других параметров, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы пациента.
Одновременно регистрируются две кривые пульса (сфигмограммы) для сонной и бедренной артерий и определяется временная задержка между моментами появления пульсаций на исследуемых участках артериальных сосудов. Расчет скорости пульсовой волны производится путем деления расстояния между точками, в которых регистрируется пульсовая волна, на величину временной задержки появления пульсаций в артериях. Расчет проводится в течение периода времени, который соответствует одному циклу сердцебиения. За счет применения несимметричных полосковых линий передачи сигналов в составе опорных каналов датчиков обеспечивается измерение скорости распространения пульсовой волны с высокой точностью и достоверностью результатов измерений.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной предпочтительной форме выполнения устройства для измерения скорости пульсовой волны, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации полезной модели. В частности, возможны варианты реализации полезной модели без использования аттенюаторов в составе рабочих каналов датчиков. В зависимости от решаемых задач и предъявляемых требований устройство может применяться без полностью дифференциальных усилителей и фильтров нижних частот. Функции персонального компьютера может выполнять процессор, входящий в состав блока, сбора, обработки и отображения и передачи данных. Копланарная полосковая линия передачи сигнала и несимметричная полосковая линия передачи каждого датчика могут быть выполнены в виде отдельных, конструктивно не связанных между собой элементов, например в виде отдельных печатных плат
Устройство для измерения пульсовой волны может применяться в виде отдельного мобильного средства функциональной диагностики сердечно-сосудистой системы пациентов либо в составе многофункционального диагностического комплекса.
Перечень цифровых и сокращенных буквенных обозначений элементов устройства для измерения скорости пульсовой волны, изображенных на фиг.1, 2 и 3 чертежей:
1 - генератор СВЧ колебаний первого датчика (ГК1);
2 - делитель мощности первого датчика (ДМ1);
3 - аттенюатор рабочего канала первого датчика (AT1);
4 - копланарная полосковая линия передачи сигнала первого датчика (КПЛ1);
5 - несимметричная полосковая линия передачи сигнала первого датчика (НПЛ1);
6 - смеситель сигналов первого датчика (СМ1);
7 - фильтр нижних частот первого датчика (ФНЧ1);
8 - инструментальный усилитель сигнала первого датчика (ИУ1);
9 - полностью дифференциальный усилитель первого датчика (ДУ1);
10 - генератор СВЧ колебаний второго датчика (ГК2);
11 - делитель мощности второго датчика (ДМ2);
12 - аттенюатор рабочего канала второго датчика (АТ2);
13 - копланарная полосковая линия передачи сигнала второго датчика (КПЛ2);
14 - несимметричная полосковая линия передачи сигнала второго датчика (НПЛ2);
15 - смеситель сигналов второго датчика (СМ2);
16 - фильтр нижних частот второго датчика (ФНЧ2);
17 - инструментальный усилитель сигнала второго датчика (ИУ2);
18 - полностью дифференциальный усилитель второго датчика (ДУ2);
19 - аналого-цифрового преобразователя 19 (АЦП);
20 - блок сбора, обработки, отображения и передачи данных (БД);
21 - персональный компьютер (ПК);
22 - диэлектрическая подложка печатной платы;
23 - электропроводящий заземленный слой печатной платы;
24 - печатная дорожка рабочего канала датчика;
25 - печатная дорожка опорного канала датчика.