Вопросы точности измерения кровяного давления осциллометрическим методом

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кишов Р.М.

ВОПРОСЫ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КРОВЯНОГО ДАВЛЕНИЯ ОСЦИЛЛОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

7 апреля 2013 года, являющийся Всемирным Днем Здоровья и днем основания Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), прошел под лозунгом «Контролируйте ваше кровяное давление». Последнее время к этой проблеме привлекается все больше внимания, и это неслучайно: согласно официальным данным ВОЗ сегодня около миллиарда людей страдают от высокого кровяного давления, в то время как еще в 1980 году их насчитывалось всего 600 миллионов, более девяти миллионов человек в год умирает от последствий этого заболевания [1]. Для сравнения: от наркомании ежегодно погибает «всего» 200 тысяч людей и 1,2 миллиона людей становятся жертвами автокатастроф [2].

Очевидно, что, к сожалению, привлекаемое к данной проблеме внимание непропорционально мало. Хроническую гипертонию часто называют «тихим убийцей», так как симптомы болезни не проявляются на ранних стадиях и человек остается без лечения слишком долго. Губительное влияние высокого кровяного давления проявляется, прежде всего, в нарушении кровоснабжения органов мишеней, чаще всего это сердце, почки и мозг.

Лечение артериальной гипертензии заключается в изменении образа жизни, отказа от вредных привычек, приеме специальных препаратов и постоянном слежении за уровнем артериального давления. Таким образом, комплекс мер, принимаемых современным сообществом для борьбы с данным заболеванием, включает в себя решение трех основных задач:

1. пропаганда здорового образа жизни и ранняя диагностика артериальной гипертензии;

2. повышение эффективности медикаментозного и немедикаментозного лечений;

3. совершенствование средств измерения и мониторинга артериального давления.

От эффективности решения этих задач зависит уровень смертоносности «тихого

убийцы».

Необходимо отметить, что совершенствование методик и алгоритмов измерения артериального давления является очень важной и одновременно непростой задачей. Современные приборы, предназначенные для измерения артериального давления, должны обладать точностью, надежностью, компактностью, функциональностью, устойчивостью к негативным внешним воздействиям, артефактам и ни в коем случае не должны дезинформировать человека ложными показаниями. Технологии нашего времени позволяют передавать результаты измерения лечащему врачу в реальном времени, что, безусловно, позволит повысить качество оказываемой медицинской помощи.

Все методы измерения артериального давления принято делить на две категории:

5

инвазивные и неинвазивные [3]. Поскольку инвазивные методики предполагают введение специального катетера в артерию и, соответственно, применяются редко, только при стационарном лечении, то мы в данной статье их рассматривать не будем.

Принцип работы большинства распространенных неинвазивных методик измерения артериального давления основывается на полном или частичном пережатии артерии с помощью манжеты, одетой на руку человека, в которую для этого накачивается воздух. По этой причине эти методы также называют окклюзионными. Уровень артериального давления оценивается во время фаз компрессии и/или декомпрессии посредством анализа характера возникающих при этом осцилляций давления в манжете (см. рис. 1) или выслушиваемых над артерией т.н. тонов Короткова, которые вызываются возникающими при этом в артерии пульсовыми волнами. Соответственно различают две основные методики измерения артериального давления: осциллометрический метод и метод тонов Короткова [3]. При автоматическом измерении в основном применяется осциллометрический метод, ввиду его устойчивости к окружающим шумам, феноменам «бесконечного тона» и «аускультативного провала».

Рис.1 Изменение амплитуды пульсаций артерии при оказании на него внешнего компенсирующего давления [5].

Значения систолического артериального давления обычно фиксируется при резком увеличении амплитуды пульсаций артерии, а диастолического в момент резкого их уменьшения [4] (см. рис. 1.).

Однако данные признаки тяжело однозначно определить на экспериментально полученной осциллограмме, представленной на рис. 2. и на рис. 3, приведенной в [10].

Рис. 2. Экспериментально полученная осциллограмма. Кружками обведены осцилляции давления в манжете. Здесь, - изменение уровня внешнего компенсирующего

6

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

давления; - усиленные пульсации артерии, передающиеся манжете.

Рис. 3. Осциллограмма приведенная в [10]

Действительно, лишь в 25% случаев можно получить осциллограмму с четко выраженными моментами роста и спада амплитуды пульсаций [4], что приводит к существенному затруднению процедуры измерения. Таким образом, точность медицинского тонометра в значительной степени определяется алгоритмом определения систолического и диастолического уровней давления, которыми, на сегодняшний день, главным образом и отличаются друг от друга. В [6] авторы указывают, что применяемые в современных коммерческих тонометрах алгоритмы хоть и могут быть клинически обоснованными, но независимо проверить их не представляется возможным, поскольку компании-производители свои алгоритмы не опубликовывают. Вместо этого приборы, реализующие тот или иной алгоритм, обычно подвергают только клиническим испытаниям. В качестве примера можно привести алгоритмы, применяющиеся в тонометрах японской фирмы Omron - Intellisense [7] и американской фирмы Welch Allyn - SureBP [8].

Задача определения систолического и диастолического давлений по осциллограмме настолько сложна и актуальна, что с одной стороны проводятся попытки разработать оптимальный алгоритм при помощи физиологического математического моделирования [6], а с другой стороны использовать для этих целей самообучающиеся нейронные сети [13;14]. В [10] предлагается другой подход, основанный на анализе спектра сигнала; при этом осциллометрический сигнал для упрощения расчетов аппроксимируют с помощью амплитудно-модулированного сигнала.

Другим фактором, на практике существенно ухудшающим точность показаний цифрового тонометра, являются искажения, вносимые в осциллограмму различными кардиоваскулярными заболеваниями и артефактами движения. Так например, в [9] отмечается, что у пациентов с мерцательной аритмией результаты одиночного измерения артериального давления наиболее распространенными автоматическими тонометрами Omron HEM 711 AC и Welch-Allyn 52000 различаются, причем иногда значительно, от результатов получаемых референтным методом; приводится рекомендация при выборе метода лечения пациента пользоваться только проверенными инструментами измерения артериального давления. Что показательно, сами компании-производители не предоставляют информации об уровне защищенности их продукции от такого рода

7

помех. В немногочисленных исследованиях по данной проблеме для уменьшения погрешности, вызываемой интерференцией артефактов и кардиоваскулярных заболеваний с пульсациями артерии, предлагается применять методы нечеткой логики (англ. fuzzy logic) [9].

На сегодняшний день актуальной является также проблема доверия медицинского персонала больниц к показаниям, полученным автоматическими приборами. С одной стороны приборы иногда могут ошибаться, и существенно - достаточно посмотреть условия присвоения высшего класса точности A/A по наиболее строгому и общепризнанному протоколу британской организации BHS [4]. По данному протоколу допускается ошибка, не превышающая 15 мм.рт.ст. в пяти процентах случаев измерения. Вместе с тем, результат измерения артериального давления традиционным методом Короткова также может быть очень неточным по многим причинам, среди которых субъективность процедуры измерения, феномен «бесконечного тона», низкая квалификация медперсонала, слабая координация системы «руки-зрение-слух» и другие. Таким образом, ситуация с доверием к этим показаниям неодназначна.

Одним из способов повышения уровня доверия к показаниям того или иного прибора могло бы быть введение специального коэффициента доверия, отражающего качество полученной прибором при измерении осциллограммы. Коэффициент должен учитывать уровень, количество помех и артефактов, присутствующий в сигнале, а также «выраженность» подъема и спада осциллограммы. При этом внедрение такого коэффициента в практику практически никак бы не повлияло на себестоимость прибора, так как необходимые расчеты осуществляются программно.

Существует еще несколько проблем, на которые сегодня обращается недостаточно внимания. Это, прежде всего, несоблюдение требуемых правил и условий измерения пользователями. Например, для исключения вероятности возникновения гемодинамических нарушений одному и тому же пользователю недопустимо проводить подряд несколько измерений без необходимого перерыва между ними, что иногда игнорируется. Часто не соблюдается правильная поза, правильное положение руки. Все это губительно сказывается на точности измерения.

Современные медицинские тонометры проходят тестирование по протоколам BHS, EHS, AAMI, данные испытания сами по себе являются экспериментальными и они не предусматривают проверку тонометров на устойчивость к помехам [4]. Данные протоколы являются сложными и дорогими. Так, например, для сертификации по протоколу BHS требуется обязательное привлечение медицинских экспертов для гарантий правильного определения артериального давления референтным методом, оговаривает дополнительные группы пациентов, а также испытания в условиях физической нагрузки; предполагает сложный анализ расхождений, оценку совпадений в показаниях двух приборов одной модели, проверку точности блока измерения давления в манжете и устойчивости этой точности при средних сроках эксплуатации и т.д. По этой причине актуальной является задача разработки дополнительных эффективных методик проверки медицинских тонометров, в том числе на предмет их устойчивости к артефактам и аритмии.

Актуальной, но до сих пор нерешенной задачей является повсеместное внедрение

8

Научно-практический журнал «Новые исследования в разработке техники и технологий» № 1/2014

технологии передачи результатов измерений лечащему врачу в реальном времени. За последние десятилетия окружающий нас мир значительно изменился. Эти изменения почувствовал каждый - это, прежде всего, появление сотовой связи, высокоскоростного интернета, появление у населения портативных и весьма функциональных гаджетов. К большому сожалению, эти изменения коснулись главным образом бытовой стороны нашей жизни.

В такую консервативную часть нашей жизни, как здоровье и забота над нею, особенно в нашей стране, эти инновации проникают с трудом. Между тем, их повсеместное внедрение могло бы спасти множество жизней, повысить качество медицинских услуг и одновременно существенно разгрузить современные поликлиники. Внедрение последних достижений электронной промышленности в медицину уже принесло многочисленные плоды, но многие эксперты предвидят еще больше изменений. Так, например, известный американский ученый кардиолог Eric J. Topol предрекает, что в ближайшем будущем смартфоны и планшетные компьютеры, используемые вместе с соответствующими гаджетами, обеспечат реальную демократизацию в оказании медицинских услуг, с одной стороны, обеспечивая возможность мониторинга за витальными показателями человека, а с другой, предоставляя пользователю доступ к облачным сервисам и беспроводному интернету [11].

В данном контексте становится очевидным, что наибольшие изменения испытают на себе системы измерения и мониторинга артериального давления (СМАД) а также Холтер-мониторинга, поскольку сердечнососудистые заболевания всегда требуют наблюдения за состоянием организма и оперативности принятия решения. Тем более самоконтроль артериального давления (СКАД) сегодня все шире внедряется во врачебную практику. Главными причинами тому кроме широчайшего распространения сердечнососудистых заболеваний является так называемый «эффект белого халата», заключающийся в стойком повышении артериального давления у пациента в присутствии медицинского персонала. Врачебная практика подтвердила высокую прогностическую и диагностическую ценность СКАД при лечении больных АД.

Таким образом, несмотря на значительный прогресс в этой области за последнее время, еще очень многое предстоит сделать. Задача снижения смертности очень актуальна в нашей стране. Совершенствование методов и алгоритмов измерения и мониторинга артериального давления способно внести свой вклад в решение этой задачи.

Литература:

1. Всемирный день здоровья: Сократите риск инфаркта и инсульта — следите за своим кровяным давлением [Электронный ресурс] // Центр СМИ ВОЗ -03.04.2013г. -URL http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2013/world_health_day_20130403/ru/ index.html

2. Баршев, В. Беда километрами / В. Баршев // Российская газета. Федеральный выпуск №5475 (99), 12.05.2011 г.

3. Акинин, В.В. Исследование и разработка способов измерения и мониторинга артериального давления: дис. ... канд. тех. наук. Пензенский Государственный

9

университет, Пенза, 2006г.

4. Современные неинвазивные методы измерения артериального давления для диагностики артериальной гипертонии и оценки эффективности антигипертензивной терапии / А.Н. Рогоза [и др.]. - М. : Медика, 2007.

5. Савицкий, Н.Н. Биофизические основы кровообращения и клинические методы изучения гемодинамики. - М: Медицина, 1974. -311с.

6. Charles F Babbs. Oscillometric measurement of systolic and diastolic blood pressures validated in a physiologic mathematical model. - [Электронный ресурс] // BioMedical Engineering OnLine, 2012г, стр.21 -URL http://www.biomedical-engineering-online.com/ content/11/1/56.

7. Akpolat T. Validation of the Omron M3 Intellisense (HEM-7051-E) upper arm blood pressure monitor, for self-measurement, according to the European Society of Hypertension International Protocol revision 2010 in a stage 3-5 chronic kidney disease population. / Akpolat T, Erdem E, Aydogdu T // Kidney Blood Press Res. 2012; 35(2):82-8. - 2011 Sep 10.

8. Alpert BS. Clinical evaluation of the Welch Allyn SureBP algorithm for automated blood pressure measurement. / Alpert BS. // Blood Pressure Monitoring. 2007 Aug; 12(4):215-

8.

9. Lamb TS. Comparison of two oscillometric blood pressure monitors in subjects with atrial fibrillation [Электронный ресурс] / Lamb TS [и др.] // US National Library of Medicine National Institutes of Health. - URL http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20144271. -01.02.2010.

10. Kurt Barbe. Oscillometric Blood Pressure Measurements: a signal analysis / Kurt Barbe, Wendy Van Moer, Lieve Lauwers // Journal of Physics: Conference Series 238(2010) 012052 doi:10.1088/1742-6596/238/1/012052.

11. Chin Teng Lin. Reduction of interference in oscillometric arterial blood pressure measurement using fuzzy logic. / Chin-Teng Lin [и др.] // IEEE Transactions on Biomedical Engineering Department of Electrical and Control Engineering, Volume: 50, Issue: 4, 2003. -с.432-441.

12. Eric Topol M.D. The Creative Destruction of Medicine: How the Digital Revolution Will Create Better Health Care. Basic Books. 02.12.2011 г.

13. Forouzanfar, M. Oscillometric blood pressure estimation using principal component analysis and neural networks / Forouzanfar, M [и др.] // Science and Technology for Humanity (TIC-STH), 2009 IEEE Toronto International Conference, 26-27 Sept. 2009, стр. 981-986.

14. Colak, S. Blood pressure estimation using neural networks. / S. Colak, C. Isik // Computational Intelligence for Measurement Systems and Applications, 2004, CIMSA, стр. 21-25.

10