УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО РУСЛА

Область техники
Настоящая полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для функциональной диагностики состояния сердечнососудистой системы человека с использованием принципов фотоплетизмографии (ФПГ). Полезная модель наряду с оценкой состояния крупных артерий эластического типа, с использованием контурного анализа единичной пульсовой волны, позволяет осуществлять частотный анализ последовательности пульсовых волн для изучения состояния сосудов микроциркуляции. Данный подход важен не только для целей ранней диагностики таких широко распространенных заболеваний, какими являются гипертоническая болезнь и сердечная недостаточность, но и для оценки эффективности проводимой терапии.
Уровень техники
В последние десятилетия сердечно-сосудистые заболевания удерживают лидирующие позиции среди причин смертности в России и мире. Только в 2007 году в Российской Федерации от сердечно-сосудистых заболеваний погибли около 2 млн. человек. Течение кардиоваскулярных болезней значительно осложняется присоединением сахарного диабета II типа, заболеваемость которым принимает масштабы эпидемии. В этой связи основные приоритеты медицины - выявить болезнь на ранней стадии, применить профилактику, провести лечение и не допустить критического состояния пациента. Для этого необходима информация не только о крупных артериях, но важна картина микроциркуляции, которая позволяет судить о начале и развитии заболевания на ранних стадиях.
В последние годы возрос интерес к ФПГ как доступному и надежному методу диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Принципиальным отличием ФПГ является использование оптических сенсоров для регистрации изменений объема крови в микрососудах тканей.
Для регистрации ФПГ сигнала используется ИК-светодиоды в диапазоне 780-940 нм.
ФПГ сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги пальца кисти, обладает достаточной первичной информацией для проведения анализа состояния вязко-эластических свойств артериальной стенки.
Этому посвящен патент на полезную модель РФ 118534 U1, где раскрыто устройство для оценки артериальной функции, включающее средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки и средство для оценки артериальной функции, представляющее собой контроллер, связанный с дисплеем для отображения результатов оценки, средство для регистрации пульсовой волны представляет собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод и фотодетектор, светодиод и фотодетектор установлены в корпусе, выполненном в форме прищепки с возможностью крепления на концевой фаланге пальца обследуемого. Устройство позволяет провести контурный анализ пульсовой волны, определить вязко-эластичные свойства аорты и артерий. Однако оценить состояние микроциркуляторного русла с его помощью не представляется возможным.
В клинической практике широко используется прибор Pulse Trace для регистрации пульсовой волны компании Micromedical Device (Великобритания). Для регистрации пульсовой волны он использует оптический сенсор, работающий в ближнем ИК диапазоне 940 нм. Для оцифровки сигнала используется 12-ти разрядный АЦП. Скорость вывода 100 выборок в секунду. Протокол регистрации предусматривает 10 секундная запись «сырого» сигнала, после чего проводится процедура усреднения формы пульсовых волн для получения «репрезентативной» пульсовой волны с целью последующего контурного анализа. Программное обеспечение прибора осуществляет анализ формы пульсовой волны для определения двух показателей: индекса жесткости и индекса отражения. Индекс жесткости (SI) - показатель, коррелирующий со скоростью распространения пульсовой волны. SI рассчитывается как отношение роста испытуемого ко времени распространения пульсовой волны от нижней части тела до пальца руки. Индекс отражения (RI) - показатель, оценивающий состояние сосудистого тонуса. Индекс отражения рассчитывается как % отношения амплитуды диастолического пика (Y) к амплитуде систолического пика (X) пульса. При этом для определения временной задержки между этими пиками используется первая производная исходного сигнала.
Установлено, что использование первой производной для нахождения максимума диастолического пика надежно работает только с пульсовыми волнами, где диастолический пик хорошо выражен и на исходном ФПГ сигнале. При этом для нахождения точек, соответствующих максимальным значениям пиков, используются моменты перехода через ноль. Неоднозначное определение момента диастолического пика на кривых со сглаженными пиками приводит к серьезным ошибкам жесткости. В ряде таких случаев устройство выдает сообщение о невозможности определения из-за выраженной жесткости артерий.
Оценка второй производной для целей анализа ФПГ сигнала предложена японским исследователем K. Takazawa. На кривой второй производной ФПГ определялись пять реперных точек (а, b, с, d, е), который использовались для оценки характеристик жесткости артериальной стенки. Данный подход к оценке ФПГ сигнала используется в устройстве Meridian Digital Arterial Pulse-wave Analyzer (Южная Корея).
Известен способ оценки состояния сосудистого русла (патент РФ 2508900, публ. 27.05.2019), который заключается в проведении контурного анализа пульсовой волны, зарегистрированной методом ФПГ, и оценивает структурные изменения стенки крупных сосудов на основании параметра индекса жесткости, параллельно проводят компьютерную капилляроскопию околоногтевого ложа и кожи дорсальной поверхности пальца для определения структурных изменений микрососудов на уровне капилляров, в ходе которой на основании параметра ремоделирования капилляров судят об отсутствии структурных изменений микрососудов или о наличии структурных изменений микрососудов. Затем выполняют ФПГ с окклюзионной пробой для оценки функциональных изменений крупных сосудов на основании параметров сдвига фаз и индекса окклюзии. Способ осуществляется с помощью сложной аппаратуры, по сути используется два устройства - устройство для реализации фотоплетизмографии и устройство компьютерной капилляроскопии.
Однако до сих пор нет технических средств, которые позволяют одновременно с использованием одного устройства оценить состояние как крупных, так и мелких сосудов.
Таким образом, существует потребность в разработке устройства для комплексной оценки состояния артериального русла, позволяющего одновременно просто, быстро и достоверно оценивать, как состояние крупных артерий, так и состояние сосудов микроциркуляции.
Сущность полезной модели
Задача полезной модели сводится к разработке устройства для оценки комплексного состояния артериального русла человека, основанного на регистрации ФПГ сигнала, применимого при обследовании широких слоев населения.
Технический результат заключается в обеспечении достоверности, простоты, надежности и снижения времени на обследование при комплексной оценке состояния сосудистого русла для ранней диагностики широко распространенных заболеваний - артериальной гипертензии и диабета, в патогенезе которых поражение артериального русла имеет главенствующее значение.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для комплексной оценки состояния артериального русла включает корпус, выполненный с возможностью размещения в нем концевой фаланги пальца руки, и размещенные в корпусе: два источника света красного и инфракрасного диапазонов, установленные с возможностью облучения фаланги пальца и соединенные с источником тока, управляемым микропроцессором для поочередного подключения, кремниевый фотоприемник, установленный с возможностью приема отраженного или проведшего сквозь ткани фаланги пальца света, и подключенный ко входу микропроцессора через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, усилитель напряжения, фильтр нижних частот, схему выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь, силиконовый нагревательный элемент с датчиком температуры, связанным с микропроцессором, при этом силиконовый нагревательный элемент связан с источником напряжения, управляемым микропроцессором, и расположен в месте контакта участка кожи концевой фаланги пальца с источниками света и фотоприемником, пневматическая камера с датчиком давления, подключенным к микропроцессору, через клапан подключенная к микрокомпрессору, управляемому микропроцессором, микропроцессор, выходами-выходами связанный с устройством памяти, выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами и входами - с барометром и датчиком силы прижима.
Микропроцессор выполнен с возможностью управления работой устройства и поддержания параметров его работы - температуры, давления и силы прижима, вычисления четвертой производной ФПГ сигнала, проведения контурного анализа ФПГ сигнала, выявления прямой и отраженной волн, определения жесткости артерий для оценки состояния крупных артерий, проведения вейвлет-преобразования с использованием базисного вейвлета Морле и получением вейвлет-спектра для выделения пиков мощности ФПГ сигнала в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции и сравнения их с калибровочным спектром здорового человека, хранящимся в устройстве памяти (20), для оценки состояния микроциркуляторного русла.
Силиконовый нагревательный элемент имеет толщину 1 мм.
Корпус выполнен в виде жесткой конструкции, при этом источники света и фотоприемник могут быть установлены либо с одной стороны полости для размещения концевой фаланги пальца и регистрировать отраженный сигнал с поверхности участка кожи, либо располагаться с обеих сторон полости для размещения концевой фаланги пальца и регистрировать сигнал, прошедший через все ткани концевой фаланги пальца.
Площадь поверхности пневматической камеры соответствует размерам поверхностей источников света и фотоприемника, а толщина ее составляет 8 мм.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность полезной модели далее подробно иллюстрируется с использованием фигур чертежей, на которых:
Фиг. 1 представляет электрическую схему устройства,
Фиг. 2 показывает вариант выполнения корпуса устройства,
Фиг. 3 иллюстрирует контурный анализ ФПГ с использованием четвертой производной для нахождения прямой и отраженной волн, а также временного интервала между их максимумами,
Фиг. 4 показывает спектр исходного ФПГ сигнала (верхняя часть) и спектр четвертой производной (нижняя часть),
Фиг. 5 - иллюстрирует контурный анализ ФПГ, исходная кривая - обозначена пунктиром, четвертая производная - непрерывной линией,
Фиг. 6 показывает зарегистрированный в течение 500 секунд ФПГ сигнал и его первую производную, получаемую непрерывно,
Фиг. 7 - показывает базисный вейвлет Морле,
Фиг. 8 показывает спектр первой производной сигнала, зарегистрированного с концевой фаланги указательного пальца правой руки здорового испытуемого.
Фиг. 9 - амплитудно-частотный спектр калибровочного сигнала, состоящего из набора следующих частот - 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц.
Фиг. 10 - схематическое представление нормальной гемодинамики в микроциркуляторном русле
Фиг. 11 - амплитудно-частотный спектр физиологической ситуации, при увеличении прекапиллярного давления.
Фиг. 12 - схематическое представление циркуляции в микроциркуляторном русле при увеличении давления,
на Фиг. 13 показан экран монитора с наглядными результатами оценки микроциркуляторного русла, которые удобны для использования при диагностике.
На фигурах чертежей приняты следующие обозначения:
1 - источник света инфракрасного диапазона (инфракрасный светодиод)
2 - источник света красного диапазона (красный светодиод)
3 - фотоприемник (фотодиод)
4 - силиконовый нагревательный элемент
5 - пневматическая камера
6 - преобразователь ток - напряжение
7 - усилитель напряжения
8 - фильтр нижних частот
9 - схема выборки и хранения
10 - аналого-цифровой преобразователь
11 - микропроцессор
12 - управляемый источник тока
13 - датчик температуры
14 - датчик силы прижима
15 - компрессор
16 - клапан
17 - датчик давления
18 - управляемый источник напряжения
19 - барометр
20 - память большой емкости для накопления данных перед обработкой
21 - проводной интерфейс для связи с внешними устройствами (USB)
22 - беспроводной интерфейс для связи с внешними устройствами (Bluetooth).
Осуществление полезной модели
Устройство конструктивно представляет собой корпус (Фиг. 2), выполненный с возможностью размещения в нем концевой фаланги пальца руки. Корпус выполнен в виде жесткой конструкции и включает оптический сенсорный блок, содержащий источники света 1,2 и кремниевый фотоприемник 3). Оптический сенсорный блок выполнен таким образом, что он позволяет регистрировать ФПГ сигнал либо в режиме прохождения света через концевую фалангу, либо в режиме отражения света от поверхности кожи концевой фаланги. Это достигается сменой взаимного расположения источников света и фотоприемником.
На корпусе размещены все элементы, входящие в состав устройства. Источники света 1,2 представляют собой источники красного и инфракрасного диапазонов - светодиоды - красный 660 нм, инфракрасный 880 нм, оба источника установлены с возможностью облучения фаланги пальца и соединены с источником тока 12, управляемым микропроцессором 11 для поочередного их подключения. Управляемый источник тока 12 задает необходимые величины тока для питания светодиодов.
Кремниевый фотоприемник 3 установлен с возможностью приема света и подключен ко входу микропроцессора 11 через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 6, усилитель напряжения 7, фильтр нижних частот 8, схему выборки и хранения 9 и аналого-цифровой преобразователь 10.
Силиконовый нагревательный элемент 4 служит для поддержания постоянной температуры кожи фаланги пальца и снабжен датчиком температуры 13, связанным с микропроцессором 11. Сам силиконовый нагревательный элемент 4 связан с источником напряжения 18, управляемым микропроцессором 11, и расположен в месте контакта участка кожи концевой фаланги пальца с источниками света 1,2 и фотоприемником 3.. Силиконовый нагревательный элемент 4 состоит из изолированной кремнийорганическими соединениями нагревающейся высокорезистивной проволоки. Преимуществом данного нагревателя является большая степень гибкости и толщина, не превышающая 1 мм. Для поддержания заданной температуры, равной 34-35С° используется информация с датчика температуры 13, который передает показания на микропроцессор 11, управляющий источником напряжения 18 для поддержания температуры постоянной. Нагревательный элемент 4 располагается непосредственно в месте контакта участка кожи концевой фаланги пальца с оптическим сенсорным блоком.
Пневматическая камера 5 служит для регулирования прижима источников света 1,2 и фотоприемника 3 к телу и снабжена датчиком давления 17, который измеряет давление внутри камеры и подключен к микропроцессору 11. Через клапан 16 камера 5 подключена к микрокомпрессору 15, управляемому микропроцессором 11. Микрокомпрессор 15 служит для накачивания камеры 5 и поддержания в ней давления в зависимости от показаний датчика давления 17 и датчика силы прижима 14. Датчик силы прижима 14 служит для оценки усилия прижима участка кожи концевой фаланги пальца к поверхности оптического сенсорного. В качестве такого датчика используется, например, датчик FlexiForce Sensor компании Tekscan USA, либо подобный, который меняет свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенной к нему силы. Толщина датчика составляет 200 мкм, что позволяет расположить его рядом с оптическим сенсорным блоком. Пневматическая камера выполнена из тонкого полиуретана 5. Площадь поверхности камеры соответствует размеру поверхности оптического сенсора, контактирующего с участком кожи. Максимальная толщина пневмокамеры - 7-8 мм, что позволяет перекрыть диапазон возможных размеров пальцев испытуемых.
Микропроцессор 11 служит для управления работой устройства и обработки, полученной от фотоприемника 3 информации. Входами-выходами он связан с устройством памяти 20, выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами 21, 22, входами - с барометром 19 и датчиком силы прижима 14. Один из интерфейсов 21,22 служит для подключения монитора (не входит в состав устройства).
Барометр 19 используется для компенсации изменений внешнего давления.
Микропроцессор 11 запрограммирован для управления работой устройства и поддержания параметров его работы, для вычисления четвертой производной ФПГ сигнала, проведения контурного анализа ФПГ сигнала, выявления прямой и отраженной волн, определения жесткости артерий (для оценки состояния крупных артерий), проведения вейвлет-преобразования с использованием базисного вейвлета Морле и получением спектра четвертой производной с выделением пиков мощности ФПГ сигнала в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции и сравнения их с калибровочным спектром здорового человека, хранящимся в устройстве памяти 20, для вынесения достоверной оценки о состоянии микроциркуляторного русла.
Создаваемый фотодиодом 3 ток преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток - напряжение 6. После чего происходит усиление сигнала с помощью усилителя напряжения 7. Фильтр нижних частот 8 определяет необходимую для анализа сигнала полосу частот от 0 до 30 Гц. Схема выборки и хранения 9 подготавливает аналоговый сигнал для преобразования в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя 10. Обработка сигналов осуществляется в микропроцессоре 11.
Перед началом измерений испытуемый размещает палец в корпусе устройства, прикладывая начальное усилие к поверхности датчика силы прижима 14. После этого открывается клапан 16 и компрессор 15 подкачивает камеру до заданного давления и соответственно, усилия прижима.
Необходимо отметить, что предложенная комплексная оценка состояния сосудистого русла проводится с учетом современных теоретических воззрений и практических исследований механизмов кровотока.
Так в ходе проведенных исследований авторами неожиданно было установлено, что для точного нахождения прямой и отраженной волн особенно подходит четвертая производная регистрируемого ФПГ сигнала, при использовании фильтрации по методу Савицкого-Голея (см., например, А.В. Никонов и др. Фильтрация методом Савицкого-Голея спектральных характеристик чувствительности матричных фотоприемных устройств. Успехи прикладной физики, 2016, том 4, №2, стр. 198-203) и с окном, равным 64 мс, а также частоте оцифровки сигнала 1000 Гц. Данный прием позволяет надежно определять временные интервалы между прямой и отраженной волнами, а также их амплитуды на всех пульсовых волнах. Физический смысл данного приема состоит в подавлении основной гармоники и увеличении энергии высокочастотных составляющих ФПГ сигнала.
Авторы также установили, что для определения индексов жесткости и отражения необходимо определять вклад отраженной волны в период систолы. Для этого проводится оценка временного интервала между прямой и отраженной волнами. Соответственно, для определения индекса отражения рассчитывается амплитудное отношение.
Авторы установили и подтвердили на практике, что точность оценки кровотока повышается при стабилизации температуры лоцируемого участка.
Авторы обнаружили, что постоянный и плотный прижим излучателей и фотоприемника повышает точность и воспроизводимость результатов измерений и следовательно результатов оценки кровотока.
Учитывая микроструктуру сосудов кожи и длину волн красного и инфракрасного светодиодов, которые позволяют проникать в ткани на большую глубину (более 20 мм), следует, что в зондируемый объем попадают терминальные артериолы и метартериолы, капилляры, безмышечные посткапиллярные и собирательные венулы из обоих венозных сплетений, а также артериоло-венулярные анастомозы. Из всех микрососудов данной области гладкомышечный компонент, с преимущественно гуморальным механизмом регуляции тонуса, имеют артериолы/метартериолы, а также артериоло-венулярные анастомозы, где доминирует нейрогенный механизм регуляции тонуса.
Кровоток в системе микроциркуляции подвержен колебаниям, которые отражают текущее функциональное состояние систем его регуляции. Разнонаправленные влияния со стороны сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной и других систем на состояние периферического кровотока отражаются в ритмической структуре колебаний кровотока.
Среди звеньев регуляции выделяют «пассивные» и «активные» механизмы, которые в полосе частот от 0,01 до 2 Гц формируют пять неперекрывающихся частотных диапазонов: 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц - диапазон нейрогенной (симпатической адренергической) активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной (гладкомышечной) активности; 0,21-0,6 Гц -диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма. Регистрируемая форма ФПГ является результатом комбинации этих процессов, обусловленных одновременным функционированием «активных» и «пассивных» механизмов.
К «пассивным» механизмам относят внешние факторы, находящиеся вне микроциркуляции, - пульсовая волна со стороны артерий (кардиальный ритм на «входе» в микроциркуляцию) и присасывающее действие «дыхательного насоса» со стороны вен (респираторный ритм на «выходе» из микроциркуляции). «Пассивные» механизмы создают продольные колебания кровотока, выражающиеся в периодическом изменении объема крови в микрососудистом ложе. «Активные» факторы воздействуют непосредственно на микрососуды путем периодического изменения сопротивления сосудов потоку крови посредством вазомоций. Данные факторы модулируют поток крови со стороны сосудистой стенки, создавая поперечные колебания, и реализуются через ее мышечную составляющую, являясь, таким образом, тонус-формирующими механизмами на уровне резистивного звена сосудистого русла. Вазомоций осуществляются не только за счет синхронизированных спонтанных осцилляций миогенных элементов сосудов, которые обладают собственной пейсмейкерной активностью, но и за счет их модуляции как со стороны симпатической нервной регуляции, так и эндотелий-зависимых механизмов.
В результате чередования сокращения и расслабления гладкомышечного аппарата сосудистой стенки происходит модулирование периодически изменяющегося объема крови, что, в конечном итоге, и формирует оптимальные микрогемодинамические параметры для эффективного транскапиллярного обмена. Увеличение амплитуды «активных» звеньев частотного спектра свидетельствует об усилении модуляции кровотока со стороны данных механизмов регуляции и расценивается как снижение тонуса. В норме, вклад каждого звена в суммарную спектральную мощность ФПГ сигнала приблизительно можно оценить следующим образом: эндотелиальный компонент ≈10%; нейрогенный ≈20%; миогенный ≈20%; респираторный ≈20%; кардиальный ≈30%. Необходимо отметить, что эти соотношения соблюдаются при температуре окружающей среды 22-24С° и соответственно, «нормальной» температуры на поверхности кожи, колеблющейся в диапазоне 28-35С°. Это связано с тем, что кожа активно участвует в процессах терморегуляции организма.
Анализ амплитудно-частотного спектра ФПГ сигнала с использованием математического аппарата вейвлет-преобразования позволяет оценивать изолированно вклад каждого звена микроциркуляции, принимающего участие в модуляции микрокровотока.
Для оценки состояния сосудов важно иметь представление о состоянии тонуса гладкомышечного слоя артериальной стенки, который определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериовенозный анастомозы имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста, комплексной оценки состояния артериального русла, при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.
На результаты теста оценки артериального русла оказывает значительное влияние функция эндотелия. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.
Состояние тонуса артериальной стенки также периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.
Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.
Согласно современным взглядам на формирование артериальной гипертензии, период увеличения жесткости артериальной стенки предшествует моменту развития периода стойкого повышения артериального давления. У больных диабетом поражение микрососудистого русла почек, сетчатки глаза, нижних конечностей являются основными осложнениями этого заболевания.
Устройство осуществляет способ комплексной оценки артериального русла, основанный на регистрации ФПГ сигнала с концевой фаланги пальца руки с использованием двух источников света 1,2 и кремниевого фотоприемника 3, источники работают в красном (650-700 нм) и инфракрасном диапазоне (780-950 нм). В представленном устройстве используются источники на 660 нм и 880 нм соответственно. Использование таких длин волн источников позволяет зарегистрировать ФПГ с глубоко расположенных сосудов, а также оценить насыщение гемоглобина крови кислородом.
В ходе оценки состояния сосудистого русла проводят регистрацию сигнала с помощью оптического сенсорного блока. Время регистрации определяют низкочастотным диапазоном колебаний кровотока в микрососудах кожи, равным 0,01 Гц, или периодом равным 100 секундам. Установлено, что для оптимального проведения вейвлет анализа необходимо 5 циклов с этим периодом, т.е. 500 сек, фиг. 7.
Состояние артерий эластического типа оценивают с использованием контурного анализа, позволяющего выделить составляющие пульсовой волны -прямую и отраженные волны, Фиг. 3. Полученные результаты обрабатывают микропроцессором 11.
Для проведения контурного анализа пульсовой волны с целью выявления прямой и отраженных волн рассчитывают 4-ую производную исходного ФПГ сигнала. С этой целью проводят процедуру фильтрования Савицкого-Голея с окном равным 64 мс. Проведение контурного анализа ФПГ с использованием 4-ой производной, Фиг. 5, позволяет надежно определять прямую и отраженную волны и на основании их амплитуд и временного интервала между ними проводить оценку жесткости артериальной стенки. По полученным данным жесткости судят о состоянии крупных артерий.
Для проведения комплексного непрерывного вейвлет-преобразования используют базисный вейвлет Морле, Фиг. 7.
Проводят комплексное непрерывное вейвлет-преобразование регистрируемого ФПГ сигнала с использованием базисного вейвлета Морле и получением спектра первой производной. В вейвлет-спектре определяют расположение пиков мощности преобразованного ФПГ сигнала, по расположению пиков в частотных диапазонах, соответствующих определенному механизму регуляции, оценивают состояние сосудов микроциркуляции.
Для калибровки устройства по разделению частот на их составляющие, с помощью генератора частот был создан искусственный сигнал, представляющий собой комбинацию частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. После чего он подавался на вход усилителя напряжения (7). На Фиг. 9 представлена полученная амплитудно-частотная характеристика калибровочного сигнала.
Для проведения частотного анализа проводится регистрация ФПГ сигнала длительностью 500 сек.
Установлено, что в полосе частот 0,01-2 Гц имеется несколько неперекрывающихся частотных диапазонов, характеризующих состояние кровотока в микроциркуляторном русле (Stefanovska A. et al, Wavelet analysis of oscillations in peripheral blood circulation measured by Doppler technique. IEEE Trans Biomed Eng 1999,46(10):1230-9). Для оценки микроциркуляторного русла используют следующие частотные диапазоны, учитывающие влияние механизмов регуляции, диапазон 0,01-0,017 Гц - диапазон эндотелиальной активности; 0,023-0,046 Гц нейрогенной или симпатической адренергической активности; 0,06-0,15 Гц - диапазон миогенной или гладкомышечной активности; 0,21-0,6 Гц - диапазон респираторного ритма; 0,7-1,6 Гц - диапазон кардиального ритма
Тонус гладкомышечного слоя артериальной стенки определяется влиянием симпатической нервной системы. Артерии, артериолы и артериовенозный анастомозы, имеющие мышечный слой в строении стенки, в отличие от капилляров, имеют двойную иннервацию: симпатическими норадренергическими вазоконстрикторными нервами и симпатическими вазодилататорными нервами. Сложная иннервация сосудов микроциркуляции объясняется также участием кровотока кожи в терморегуляции организма. Данный факт указывает на важность проведения теста комплексной оценки состояния артериального русла при температуре помещения 21-23С°, при которой нейрогенное влияние на результаты теста минимально.
Функция эндотелия оказывает мощное влияние на результаты теста оценки артериального русла. Эндотелиальные клетки продуцируют оксид азота, который влияет на тонус гладкомышечного слоя артериального русла и принимает участие в регуляции артериального давления. Эксперименты с веществами, которые блокируют синтез оксида азота, продемонстрировали сужение просвета артерий с одновременным повышением величин артериального давления. Также имеются убедительные данные о том, что продукты перекисного окисления, находящиеся в кровотоке, взаимодействуя с оксидом азота разрушают его и это приводит к опосредованному нарушению функции эндотелия.
Состояние тонуса артериальной стенки периодически меняется при вазомоций, связанной с волнами Майера, которые участвуют в регуляции артериального давления. При прохождении волн Майера артериальное давление кратковременно изменяется на 10-20 мм.рт.ст. Периодичность их возникновения колеблется от 10 до 20 секунд и оказывает мощное влияние на состояние артериальной стенки.
Дыхание также оказывает свое влияние на тонус сосудов микроциркуляции. Это влияние связано с повышением внутригрудного давления во время вдоха, что приводит к снижению систолического выброса и соответственно артериального давления. Даже небольшого изменения артериального давления в пределах 3-5 мм.рт.ст. достаточно для изменения тонуса артериальной стенки.
Пример 1. Для проверки алгоритма работы устройства по разделению частот на составляющие с помощью генератора частот был создан искусственный сигнал, состоящий из комбинации частот 0,05 Гц, 0,1 Гц, 0,15 Гц и 0,2 Гц. После чего он был подан на вход устройство. Результаты анализа представлены на Фиг. 9.
Пример 2. На Фиг. 8 представлен сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги указательного пальца правой руки здорового испытуемого. Максимум мощности спектра приходится на область частотного диапазона, определяемую респираторной активностью с пиковой частотой равной 0,38 Гц. Пик с частотой 0,055 Гц соответствует колебаниям кровотока пептидэргического генеза. Высокоамплитудные осцилляции в частотном диапазоне 0,047-0,069 Гц, сосуществуют с ритмами эндотелиального диапазона 0,01-0,02 Гц, что мы наблюдаем на этом графике амплитудно-частотного спектра. Максимум амплитуды частоты эндотелиального ритма приходится на 0,017 Гц. При такой комбинации частот, отмечается снижение осцилляций симпатического генеза частотой 0,02-0,046 Гц. Присутствие на данном спектре полосы частот с максимумом 0,091 Гц соответствует собственно миогенной активности.
С позиций физиологической значимости известно, что вазомоций служат фактором снижения сопротивления микрососудов, в том числе прекапилляров. Они способствуют улучшению транспорта кислорода в ткани, который может происходить и на прекапиллярном уровне.
Подобный амплитудно-частотный спектр соответствует следующей физиологической ситуации, когда происходит снижение давления в капиллярном русле, увеличивается диаметр артериол, снижается прекапиллярное сопротивление, но наряду с этим происходит сужение вен, увеличивается посткапиллярное сопротивление, а также снижается поток через артериоло-венулярный анастомоз.
Описанная ситуация в микроциркуляторном русле схематически представлена на рисунке 10.
Пример 3. На Фиг. 11 приведен амплитудно-частотный спектр, на котором присутствует один максимум с частотой 0,36 Гц, который соответствует респираторной активности. Этот спектр зарегистрирован у молодого пациента в начальной стадии гипертонической болезни. Наличие практически одного пика в респираторном диапазоне, простирающимся от 0,2 до 0,4 Гц, свидетельствует о преимуществе осцилляций кровотока, которые распространяются со стороны оттока крови и регистрируются в венулах. Увеличенная амплитуда осцилляций в этом диапазоне свидетельствует об увеличение капиллярного давления, сужении просвета артериол, что сопровождается ростом прекапиллярного сопротивления (Фиг. 12). При этом наряду с увеличением диаметра вен, происходит увеличение кровотока через артериоло-венулярный анастомоз.
На Фиг. 13 показан экран монитора, который в процессе использования устройства подключен к микропроцессору 11 через один из интерфейсов 21,22, с результатами оценки микроциркуляторного русла в более наглядной и удобной для работы диагноста форме.
Представленное устройство имеет следующие преимущества:
- является малогабаритным, удобным в использовании;
- используется для оценки состояния крупных сосудов и микроциркуляторного русла;
- за короткое время осуществляет процесс оценки состояния артериального русла, являясь простым, доступным, и мало затратным;
- применимо при обследовании широких слоев населения.