ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
PNEUMATIC SENSOR 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 C1, 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.
Наиболее близким к патентуемому является устройство, описанное в заявке WO 2011135446 (А2) - APPARATUS AND METHOD FOR CONTINUOUS OSCILLOMETRIC BLOOD PRESSURE MEASUREMENT, CARDIOSTAR, INC; BARON, EHUD, 03.11.2011 - прототип. Оно 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.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы непрерывного неинвазивного измерения давления крови без сжимающей (оклюзивной) манжеты.
Патентуемый сенсор непрерывного измерения артериального давления содержит аппликатор, рабочую камеру с воздушным насосом, подключенным к микроконтроллеру, датчик давления, подключенный через АЦП к микроконтроллеру, связанному с устройством отображения и обработки данных.
Отличие состоит в следующем.
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. Аппликатор имеет контактную площадку для взаимодействия с контролируемой зоной артерии, в центре площадки образовано отверстие, связанное сквозным каналом с полостью рабочей камеры, открытым на плоскую поверхность контактной площадки, с возможностью свободного истечения воздуха. 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. Сенсор может характеризоваться тем, что отверстие, связанное сквозным каналом с полостью рабочей камеры, имеет диаметр от 0,4 до 0,6 мм, а входные отверстия сквозных каналов отвода воздуха имеют диаметр от 0,4 до 0,6 мм и расположены по окружности с радиусом от 1 до 2 мм.
Сенсор может характеризоваться тем, что объем полости рабочей камеры составляет несколько единиц кубических мм, преимущественно 5-10.
Сенсор может характеризоваться и тем, что объем полости рабочей камеры составляет несколько единиц кубических мм, при этом воздушный насос содержит компрессор и ресивер, выполненные с возможностью изменения давления в полости рабочей камеры от нуля до около 200 мм рт.ст. за единицы миллисекунд.
Технический результат - повышение достоверности за счет формирования давления воздуха в рабочей камере равным давлению крови в артерии, передающемуся со стороны кожи и тканей над разгруженной стенкой артерии на плоскую поверхность аппликатора.
Существо изобретения поясняется на чертежах:
фиг. 1 - блок-схема устройства;
фиг. 2 - вид на контактную поверхность (укрупнено);
фиг. 3 - к пояснению принципа действия;
фиг. 4 - экспериментальная зависимость выходного сигнала от времени.
Сенсор для непрерывного измерения артериального давления (фиг. 1) содержит аппликатор 1, в корпусе 10 которого выполнена рабочая камера 11, полость 12 которой сообщена с датчиком 20 давления. Датчик 20 давления может иметь встроенный усилитель сигнала и не имеет особенностей выполнения по сравнению с выпускаемым промышленностью, например, марки 24PC15SMT фирмы Honeywell.
Блок 30 управления и коммуникации содержит микроконтроллер 32 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 321, вход которого подключен к выходу датчика 20. Вход-выход блока 30 подключен к компьютеру 33. Компьютер 33 осуществляет функции коммуникации с устройством отображения и обработки данных.
Подача воздуха в рабочую камеру 11 аппликатора 1 осуществляется от воздушного насоса, выполненного в виде компрессора 40, подключенного к ресиверу 42 и связанного посредством воздушной трубки 43 с камерой 44 высокого давления, образованной в корпусе 10 аппликатора. Камера 44 связана с рабочей камерой 11 через регулировочный дроссель 45, который в простейшем случае представляет собой игольчатый вентиль.
На корпусе 10 аппликатора 1 выполнена плоская контактная площадка 13 для взаимодействия с зоной контроля - артерией А. В центре площадки 13 образовано отверстие 14, связанное сквозным каналом 15 с полостью 12 рабочей камеры 11. Отверстие 14 открыто на плоскую контактную площадку 13 с возможностью свободного истечения воздуха из камеры 11.
1
ST
1
ST
Вокруг указанного отверстия 14 на поверхности площадки 13 в теле корпуса 10 расположены входные отверстия 16 сквозных каналов 161 отвода воздуха, предназначенные для отвода воздуха и поддержания давления P в полости 12 рабочей камере 11, равным давлению P на плоской поверхности со стороны кожи S и тканей Т над разгруженной стенкой артерии А, т.е. P=P. Проходное сечение дросселя 45 много меньше площади сечения отверстия 14 и отверстий 16 сквозных каналов 161 отвода воздуха. Предпочтительно, чтобы объем полости 12 рабочей камеры 11 составлял единицы кубических мм, что позволяет за единицы миллисекунд заполнить ее с повышением давления от нуля до ~200 мм рт.ст.
Отверстия 14 и 16 имеют диаметр d от 0,4 до 0,6 мм (фиг. 2). Отверстия 16 размещены относительно отверстия 14 по окружности 162 с радиусом R от 1 до 2 мм.
Принцип измерения давления в разгруженной артерии поясняется на фиг. 3 и основан на положении, что давление крови в артерии А передается без искажений на плоскую площадку 13 аппликатора в проекции центральной части артерии А. Это справедливо при условии, что кожа S и подкожные ткани Т (без шрамов и прочих неоднородностей) имеют плоскую форму под аппликатором, размер которого в несколько раз больше диаметра артерии. При нулевой кривизне слоев S, T исключается изменение нормальной компоненты давления от стенки артерии А до поверхности аппликатора (поз. 13). Возможна погрешность, вызванная жесткостью стенки артерии (эксперимент с моделью артерии в виде тонкостенной резиновой трубочки дает погрешность в пределах 5-10 мм рт.ст.). Однако такая погрешность относится ко всем способам измерения АД с приложением внешнего давления.
Задача сводится к измерению давления на поверхности аппликатора в малой области размером меньше диаметра артерии и усложняется тем, что давление непостоянно и пульсирует с частотой порядка 1 Гц. Для решения этой задачи предложен метод формирования давления в камере, основанный на принципе свободного истечения воздуха из одного объема в другой и в атмосферу. Скорость истечения зависит только от разности давлений (при прочих равных условиях) и весьма велика (порядка 150 метров в секунду при истечении из сосуда с избыточным давлением 100 мм рт.ст. в атмосферу). Для ограничения расхода воздуха применяется дроссель 45, эффективное сечение которого подобрано таким образом, чтобы воздух из отверстия 14 проходил между кожей S и плоской контактной площадкой 13 аппликатора к отверстиям 16 в режиме ламинарного течения. Оценка сечения дросселя 45 дает величину порядка 40 на 40 микрон. При столь небольшом расходе воздуха и малом объеме рабочей камеры (единицы куб мм) течение воздуха из камеры 44 высокого давления в полость 12 рабочей камеры 11 и далее через отверстие 14 и щель между кожей и аппликатором к отверстиям 16 в атмосферу можно считать квазистационарным относительно темпа пульсаций артериального давления. Давление в рабочей камере не поднимается выше давления на плоскую поверхность аппликатора из-за стравливания воздуха через отводящие отверстия и не падает ниже из-за быстрого притока воздуха через дроссель. Таким образом, давление в рабочей камере автоматически регулируется прижатием кожи к поверхности аппликатора.
Устройство работает следующим образом. Микроконтроллер 32 блока 30 обеспечивает подготовку к работе: включение компрессора 40 и установление давления (здесь и далее относительно атмосферного) в ресивере 42 до заданного значения (220-240 мм рт.ст.). Далее до окончания процесса измерений микроконтроллер 32 поддерживает заданное давление в ресивере 42, включая и выключая компрессор 40.
i
Затем, в процессе измерения, микроконтроллер 32 начинает передавать на рабочую станцию (компьютер 33, ноутбук, смартфон) показания датчика 20 давления, отображая в виде графика. При свободном отверстии 14 давление P в рабочей камере 11 равно нулю. Оператор может проверить исправность системы, перекрывая отверстие 14 и наблюдая на мониторе компьютера 33 скачки давления в рабочей камере. Определив положение лучевой артерии на запястье пациента (например, пальпацией), оператор прикладывает аппликатор 10 на кожу пациента таким образом, чтобы центральное отверстие 14 находилось точно над артерией. Наблюдая на мониторе за пульсациями давления, оператор подбирает силу прижима, при которой размах пульсаций максимален, что соответствует состоянию разгруженной, но не перекрытой артерии. При таком положении аппликатора давление в артерии соответствует данным на мониторе, отображаемым с частотой выборки до 500 раз в секунду.
На фиг. 4 представлен фрагмент измерений АД на здоровом пациенте. По горизонтали - шкала времени в секундах, по вертикали - отсчеты истинного значения АД beat-to-beat в мм рт.ст., измеренного датчиком 20 давления с частотой 500 отсчетов в секунду. Видно, что кроме традиционного значения АД 120/80, регистрируется поведение давления в динамике, что может быть использовано для получения дополнительной информации о состоянии сердечно-сосудистой и других систем организма.