ПРИБОР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕМОДИНАМИКИ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно касается приборов для динамического неинвазивного измерения степени кровенаполнения (гемодинамики) органов человека и может быть использована для длительного мониторинга состояния кровеносной системы человека в амбулаторных условиях с выдачей предупредительных сигналов о пограничных опасных состояниях (тромбозах и т.п.).
Известно, что импеданс живых тканей зависит от степени их кровенаполнения [1].
Известны приборы для неинвазивного измерения импеданса живых тканей биологического объекта способом электромагнитно-резонансной импедансометрии, который осуществляется путем воздействия биологического объекта на один из элементов колебательного контура, содержащего катушку индуктивности, конденсатор и определения резонансного сопротивления и резонансной емкости этого контура без воздействия и при воздействии биологического объекта и определения отношений параметров контура (патент RU 2182814 С2, А61В 5/053 «Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления», от 27.05.2002).
При исследовании формируют и подают на колебательный контур напряжение последовательного ряда частот, производя сканирование в диапазоне частот с некоторым шагом. Далее определяют амплитудно-частотную характеристику колебательного контура с воздействующим биологическим объектом и определяют параметры этого контура. Сравнивают полученные параметры с параметрами колебательного контура без биологического объекта и вычисляют импеданс биологического объекта. Воздействие осуществляют путем внесения биологического объекта во внутреннее или внешнее электромагнитное поле катушки индуктивности колебательного контура.
Устройство для осуществления способа содержит генератор тестовых сигналов переменной частоты, датчик, в состав которого входит катушка индуктивности и конденсатор, образующие колебательный контур, и регистратор. В качестве генератора тестовых сигналов переменной частоты и регистратора используют компьютер с дополнительным устройством формирования и обработки сигналов. Устройство снабжено устройством формирования и обработки сигналов, содержащим интерфейс, цифроаналоговый преобразователь, генератор, управляемый напряжением, синхронизатор, частотомер, аналого-цифровой преобразователь и коммутатор каналов.
Данное решение имеет следующие недостатки:
1) низкая скорость измерений, ограниченная большим числом частот, необходимых для измерения частотной характеристики контура и быстродействием компьютера;
2) недостаточная точность проведения измерения, обусловленная воздействием возможных помех (электромагнитных полей от соседних приборов, радиостанций и т.п.), которые могут существенно исказить результаты измерений;
3) кроме того, в настоящее время имеется необходимость проводить электромагнитно-резонансную импедансометрию отдельных органов и частей биологических объектов с учетом процесса кровенаполнения и активности сердечной деятельности.
Прибор для электромагнитно-резонансной импедансометрии, заявленный в патенте RU 2295912, А61В 5/053 «Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления», от 10.07.2006), отличается от предыдущего тем, что оценку параметров колебательного контура осуществляют не путем сканирования частот, а путем измерения частоты возникающих свободных колебаний и скорости их затухания при ударном возбуждении контура, а параметры колебательного контура измеряют синхронно с измерением электрокардиосигнала, дискретно, в течение каждого из N-измерений времени кардиоцикла. Это позволяет производить электромагнитно-резонансную импедансометрию отдельных органов и частей биологических объектов с большей скоростью, а также с учетом процессов кровенаполнения и активности сердечной деятельности.
Данное решение имеет следующие недостатки:
1) наличие электродов для снятия электрокардиосигнала, т.е. необходимость электрического контакта с телом пациента;
2) обязательное наличие компьютера для управления прибором и вычисления результатов;
3) измерение импеданса происходит для одной определенной глубины проникновения поля в тело человека, что не позволяет измерять импеданс органов, расположенных на разной глубине;
4) необходимость двухфазного проведения измерений, что значительно замедляет процесс измерений.
Наиболее близок к заявляемой полезной модели прибор, описанный в статье «Бесконтактное определение степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах в локальных областях», опубликованной в журнале «Медицинская техника» №1, 1986 г.[2].
Прибор, названный авторами «Вихретоковый реограф», измеряет отклонения частоты резонансного контура, работающего на несущей частоте 30 МГц, возникающие синхронно с прохождением потока крови по исследуемому органу человека. Изменение частоты оценивается методом сравнения частоты рабочего генератора с частотой градуировочного генератора. Выделенная разность частот используется для подстройки частоты градуировочного генератора с целью устранения дрейфа схемы, а также для преобразования в выходной аналоговый сигнал для регистрации на самописце. Полученная реограмма позволяет врачу анализировать гемодинамику исследуемого органа.
Достоинства прибора заключаются в том, что:
- измерение импеданса производится только с помощью катушки индуктивности, без дополнительных электродов;
- прибор может измерять имеет импеданс живых тканей на разных глубинах за счет выбора одной из трех измерительных катушек индуктивности, имеющих разный диаметр;
- для проведения измерений нет необходимости в фазе калибровки;
- вся процедура измерения импеданса ведется прибором постоянно, в автономном режиме.
Недостатками прибора являются:
1) значительная масса конструкции индуктивного датчика (катушки датчика выполнены проводом на объемном сердечнике из диэлектрика), что приводит к необходимости крепления датчика к телу эластичными ремнями;
2) результирующий сигнал подается только на регистратор в виде самописца, что не позволяет сохранять данные измерений на компьютере для последующей обработки;
3) прибор имеет массу 6 кг и габариты 300×250×400 мм, что не позволяет использовать его для длительного мониторинга пациента в амбулаторных условиях (при креплении прибора непосредственно на теле пациента).
Задачей создания полезной модели является расширение возможностей применения прибора для измерения гемодинамики с целью осуществления длительного мониторинга и последующего анализа на компьютере врача состояния кровотока и своевременного предупреждения об опасности для здоровья, а также улучшение эргономических показателей прибора для длительного ношения на теле человека.
Поставленная задача достигается тем, что прибор для мониторинга гемодинамики органов или участков тела человека на разных глубинах в локальных областях, включающий вихретоковый преобразователь, выполненный в виде катушки индуктивности, рабочий генератор, градуировочный генератор, преобразователь выходного сигнала рабочего генератора в сигнал прямоугольной формы, преобразователь выходного сигнала градуировочного генератора в сигнал прямоугольной формы, устройство вычитания частот, интегратор, управляемый элемент градуировочного генератора, согласно заявляемому техническому решению, прибор дополнительно содержит, частотомер, цифровой фильтр, блок управления, широтно-импульсный модулятор, энергонезависимую память для хранения данных мониторинга, переключатель глубины измерений, анализатор для обнаружения опасных для здоровья состояний, индикатор опасных состояний, блок интерфейса для связи с компьютером, причем вихретоковый преобразователь выполнен в виде одной катушки индуктивности, изготовленной на гибкой печатной плате.
Частотомер, цифровой фильтр, блок управления, широтно-импульсный модулятор и анализатор для обнаружения опасных для здоровья состояний могут быть выполнены в виде одной интегральной микросхемы (например, микроконтроллера).
Сущность полезной модели поясняется функциональной схемой прибора, приведенной на фиг.1.
Прибор содержит: вихретоковый преобразователь 1, рабочий генератор 2, преобразователь выходного сигнала рабочего генератора в сигнал прямоугольной формы 3, градуировочный генератор 4, преобразователь выходного сигнала градуировочного генератора в сигнал прямоугольной формы 5, устройство вычитания частот 6, интегратор 7, управляемый элемент 8, частотомер 9, цифровой фильтр 10, блок управления 11, широтно-импульсный модулятор 12, энергонезависимая память 13, переключатель глубины измерений 14, анализатор опасных состояний 15, индикатор опасных состояний 16, блок интерфейса 17.
Катушка индуктивности вихретокового преобразователя 1 выполнена на гибкой многослойной печатной плате из полиамида, с гибким защитным покрытием, наружным диаметром не более 50 мм, и крепится на теле человека любым способом (на клейкую основу, обертыванием эластичным бинтом и т.п.).
Измерение степени кровенаполнения определенного органа или участка тела человека и мониторинг его гемодинамики происходит следующим образом: вихретоковый преобразователь закрепляется над исследуемым органом, и включается мониторинг на определенное время (например, на сутки - Холтер-мониторинг).
Изменение кровотока воздействует на вихретоковый преобразователь 1, изменяя частоту рабочего генератора 2. Градуировочный генератор 4 настроен на частоту, отстоящую от частоты рабочего генератора на заданное значение разностной частоты. Выходной сигнал рабочего генераторов 2 преобразуется в сигнал прямоугольной формы преобразователем 3, выходной сигнал градуировочного генератора 4 преобразуется в сигнал прямоугольной формы преобразователем 5. Далее в устройстве вычитания частот 6 производится вычитание частоты градуировочного генератора 4 из частоты рабочего генератора 2. Полученный разностный частотный сигнал преобразуется в цифровой вид частотомером 9 и фильтруется цифровым фильтром 10 для устранения сетевых наводок и других помех.
Отфильтрованный сигнал является результатом измерений и записывается в энергонезависимую память 13 для сохранения данных длительного мониторинга и последующей передачи на компьютер врача через блок интерфейса 17.
Кроме того, результат преобразуется в аналоговый вид широтно-импульсным модулятором 12 и подается на интегратор 7 с постоянной времени не менее 30 с. С интегратора 7 сигнал подается на управляемый элемент 8 градуировочного генератора 4, изменяя его частоту. Таким образом, производится подстройка частоты градуировочного генератора 4 для стабилизации значения разностной частоты, изменяющегося из-за дрейфа параметров схемы от температуры, напряжения питания и т.п.
Также полученный результат подается на анализатор опасных состояний 15, который по специальному алгоритму определяет возникновение опасных состояний кровотока в органе человека (например, возникновение тромбов) и предупреждает о них пациента с помощью индикатора опасных состояний 16.
Изменение глубины проникновения поля в тело человека осуществляется путем изменения мощности магнитного поля, возбуждаемого в вихретоковом преобразователе 1 рабочим генератором 2. Мощность, в свою очередь, изменяется за счет изменения напряжения питания рабочего генератора 2 при воздействии переключателя глубины измерений 13 на блок управления 11.
Частотомер 9, цифровой фильтр 10, широтно-импульсный модулятор 12 и анализатор опасных состояний 15 работают под управлением блока управления 11.
Частотомер 9, цифровой фильтр 10, широтно-импульсный модулятор 12, анализатор опасных состояний 15 и блок управления 11 могут представлять собой функциональные узлы одной интегральной микросхемы, что значительно уменьшает габариты и вес прибора и позволяет выполнить его в виде портативного переносного блока (закрепляемого, например, на поясе) для длительного ношения.
Выполнение катушки индуктивности вихретокового преобразователя 1 в виде легкой и тонкой гибкой платы небольшого диаметра позволяет закреплять ее на любом необходимом участке тела человека и увеличивает достоверность измерений для исследований участков тела сложной (не плоской) формы.
Положительный эффект в предлагаемой полезной модели основан на комбинации схемотехнических и конструктивных решений, направленных на увеличение функциональности и интеграции схемы, уменьшение количества катушек датчика и оптимизацию конструктивного исполнения катушки датчика вихретокового преобразователя, что позволяет производить мониторинг гемодинамики участков тела человека на разных глубинах при длительном ношении прибора пациентом, а также своевременно предупреждать человека об опасных состояниях его кровеносной системы.
В предлагаемой полезной модели достигается дополнительный положительный эффект, состоящий в том, что при использовании предложенного датчика с гибкой катушкой возможен мониторинг гемодинамики участков тела человека разных объемных форм (например, конечностей).
Источники информации
1. Д.С.Рябоконь. Импедансометрия живых тканей биологического объекта. // Техника Радиосвязи. - 1995. - №2 - С.176-182.
2. Зиновьева Л.А., Авдеева Д.К., Зиновьев А.И. Бесконтактное определение степени кровенаполнения органов или участков тела человека на разных глубинах в локальных областях. // Медицинская техника. - 1986. -№1.-С.15-18.