СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПО МЕТОДУ КОРОТКОВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING ARTERIAL PRESSURE BY KOROTKOV METHOD AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в медицинской практике для неинвазивного измерения систолического и диастолического артериального кровяного давления человека по методу Короткова.
Метод измерения на основе тонов Короткова признан стандартным методом неинвазивного измерения артериального кровяного давления. Метод основан на нагнетании давления воздуха в манжете, надетой вокруг руки человека и сжимающей артерию до тех пор, пока артерия не окажется сдавленной. После этого воздух из манжеты медленно выпускается с помощью клапана и давление в манжете уменьшается со скоростью 2-4 мм рт.ст. в секунду. Когда кровь начинает проходить через частично сдавленную артерию, она вызывает вибрации стенок артерии. Звуки, соответствующие этим вибрациям, принято называть тонами Короткова, которые могут прослушиваться с помощью стетоскопа, накладываемого на артерию ниже манжеты.
Систолическим артериальным давлением принято считать давление воздуха в манжете, соответствующее моменту резкого нарастания интенсивности тонов Короткова, прослушиваемых с помощью стетоскопа. По мере дальнейшего уменьшения давления в манжете восстанавливается беспрепятственный ток крови в артерии, что ведет к резкому снижению интенсивности прослушиваемых тонов Короткова.
Диастолическим артериальным давлением принято считать давление воздуха в манжете, соответствующее резкому снижению интенсивности либо полному исчезновению прослушиваемых тонов Короткова.
Автоматизированный способ измерения артериального давления основан на регистрации тонов Короткова посредством микрофона, накладываемого на артерию ниже манжеты, сдавливающей артерию на руке человека, с одновременной регистрацией давления воздуха в манжете.
Автоматические измерители артериального давления по методу Короткова обычно состоят из пневматической манжеты, автоматического либо ручного устройства нагнетания давления в манжете, устройства измерения давления воздуха в манжете, клапана медленного выпуска воздуха из манжеты, микрофона для регистрации звука тонов Короткова, электронной схемы обработки сигнала микрофона с целью выделения моментов регистрации систолического и диастолического артериального давления и средства индикации значений измеренных систолического и диастолического давления.
Электронная схема обработки сигнала микрофона, регистрирующего звуки тонов Короткова, наиболее часто основана на полосовом фильтре либо наборе полосовых фильтров. Полосы частот пропускания таких фильтров варьируются в зависимости от ожидаемых при измерении артериального давления внешнего шума и фазы активности человека.
Известны способ и устройство (патент US №3930494 от 20.09.1971, опубликован 06.01.1976), использующие один полосовой фильтр с полосой пропускания 50-160 Гц, выходной сигнал которого суммируется с электрическим сигналом измерителя давления в манжете для обеспечения индикации фаз (в особенности IV и V) тонов Короткова на выходном электрическом сигнале датчика давления воздуха в манжете.
Недостатком устройств, использующих один фильтр выделения тонов Короткова, является недостоверное распознавание фаз тонов Короткова, поскольку звук тонов Короткова является многочастотным и интенсивность его частотных составляющих различна в разных фазах и для разных индивидуумов. Следовательно, измерители, основанные на единственном фильтре, не могут обеспечить несмещенную оценку систолического и диастолического артериального давления для различных пациентов. Однако за исключениями, обусловленными рядом заболеваний либо физиологическими особенностями пациента, для каждого человека возможно подобрать пороговые значения интенсивности звука в используемой полосе частот анализа тонов Короткова, обеспечивающие измерение систолического и диастолического артериального давления с приемлемой точностью для конкретного пациента при низком уровне внешних шумов.
Известны способ и устройство (патент US №3814083 от 24.05.1972, опубликован 04.06.1974), использующие полосовой фильтр с полосой пропускания 18-26 Гц, амплитуда выходного сигнала которого сравнивается с амплитудой нефильтрованного сигнала, использующие второй полосовой фильтр с полосой пропускания 40-60 Гц, амплитуда выходного сигнала которого сравнивается с максимальной амплитудой выходного сигнала этого фильтра, измеренной за время спада давления в манжете. Систолическое артериальное давление регистрируется по давлению воздуха в манжете при отношении амплитуды сигнала на выходе первого фильтра равном 0,45 амплитуды нефильтрованного сигнала. Диастолическое артериальное давление регистрируется по давлению воздуха в манжете при отношении амплитуды сигнала на выходе второго фильтра, равном 0,17 максимальной амплитуды этого сигнала.
Известны способ и устройство (патент US №4026277 от 07.04.1975, опубликован 31.05.1977), использующие полосовой фильтр с полосой пропускания 5-30 Гц для выделения пульсовой волны, использующие второй полосовой фильтр с полосой пропускания 40-200 Гц для выделения тонов Короткова.
Недостатком известных способов и устройств, использующих набор полосовых фильтров и обеспечивающих распознавание фаз тонов Короткова, является низкая устойчивость к внешним звукам, содержащим в своем спектре компоненты, соответствующие тонам Короткова, что затрудняет их применение в зашумленной обстановке и при регистрации артериального давления в различных фазах активности человека.
Для повышения устойчивости метода измерения к внешним шумам используют стробирование звуков тонов Короткова. Стробирование запрещает принимать решение о наличии тонов Короткова в регистрируемом сигнале вне временного окна, определяемого моментом прохождения пульсовой волны под сжимающей артерию манжетой.
Известны устройство и способ (патент US №5322069 от 12.11.1991, опубликован 21.06.1994), а также устройство для измерения артериального давления (патент SU №1674799 от 03.05.1989, опубликован 07.06.1991), использующие R зубец одновременно регистрируемой электрокардиограммы для стробирования звука тонов Короткова.
Недостатком известных способов и устройств, осуществляющих стробирование звуков, является применение дополнительных каналов регистрации сердечного сокращения, при этом тоны Короткова оказываются задержанными на время распространения пульсовой волны до места регистрации микрофоном сигналов тонов Короткова. Неопределенность ожидаемого момента времени возникновения тонов Короткова, зависящая от индивидуального физиологического строения человека и точного места расположения микрофона на сдавливаемой артерии, затрудняет проверку достоверности тонов Короткова, что может приводить к погрешности измерения систолического и диастолического артериального давления.
Наиболее близким к настоящему изобретению является устройство и способ его работы (патент US №4026277 от 12.04.1974, опубликован 31.05.1977), использующее полосовой фильтр с полосой пропускания 5-30 Гц для выделения пульсовой волны, использующее второй полосовой фильтр с полосой пропускания 40-200 Гц для выделения тонов Короткова. Для повышения достоверности определения систолического и диастолического артериального давления в устройстве также предлагается использовать набор таймеров, которые задают допустимые временные интервалы, во время которых обнаруженные тоны Короткова признаются достоверными.
Однако проведенные авторами исследования показали, что первый фильтр названного устройства не обеспечивает достоверного определения момента возникновения пульсовой волны, что ранее также отмечалось в (патент US №3814083). На выходе данного фильтра присутствует наложение пульсовой волны и звука, наиболее характерного для первой фазы тонов Короткова. Более того, наличие такого наложения звуков вызывает смещение момента достижения выходным сигналом фильтра порогового значения, используемого в указанном устройстве в качестве опорного для определения временного окна, внутри которого превышающий пороговое значение сигнал на выходе второго, третьего либо четвертого дополнительных фильтров считается достоверным тоном Короткова. Физиологические различия индивидуумов обуславливают различие отношения амплитуд пульсового сигнала и звука первого тона Короткова, что вызывает различия в определяемых названным устройством положений временных окон анализа наличия достоверных тонов Короткова. Последнее ведет к зависимости измеренных значений артериального давления от физиологического строения конкретного человека.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих расширение области применимости метода тонов Короткова измерения артериального давления при наличии внешних шумов и физической активности индивидуума и повышение достоверности и устойчивости к внешним шумам способа измерения систолического и диастолического давления при использовании сигнала микрофона, накладываемого на артерию ниже сдавливающей артерию манжеты.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения артериального давления по методу тонов Короткова, заключающемся в регистрации сигнала микрофона, одновременно проходящего через два полосовых фильтра с фиксированными полосами пропускания, сравнении полученных амплитуд выходных сигналов и определении по их соотношению систолического и диастолического артериального давления, используют первый фильтр выделения пульсовой волны, полосу пропускания которого устанавливают 3-6 Гц, используют второй фильтр выделения преобладающих спектральных составляющих тонов Короткова, полосу пропускания которого устанавливают 40-120 Гц, а достоверность определения наличия тонов Короткова при измерении систолического и диастолического давлений обеспечивают анализом момента их возникновения относительно момента максимума скорости нарастания давления в пульсовой волне, регистрируемой на выходе первого фильтра.
Известно, что сдавливание артерии внешней пневматической манжетой препятствует прохождению крови. По мере постепенного снижения внешнего давления кровоток частично восстанавливается, вызывая появление тонов Короткова, обусловленных движением стенок артерии. По мере дальнейшего снижения давления в манжете кровоток восстанавливается и интенсивность тонов Короткова существенно уменьшается вплоть до полного исчезновения у большинства индивидуумов. Давление в манжете в момент резкого нарастания интенсивности тонов Короткова считают систолическим артериальным давлением, давление в манжете при резком снижении интенсивности и приглушении звука тонов считают диастолическим артериальным давлением.
Известно, что соотношение спектральных составляющих тонов Короткова изменяется по мере уменьшения давления в сдавливающей манжете в разных фазах тонов Короткова. Это требует оптимизации полосы пропускания фильтров сигнала микрофона для наилучшего выделения тонов Короткова. Оптимизация особенно актуальна во время измерения систолического и диастолического артериального давления в присутствии внешних шумов.
Известно, что тоны Короткова возникают в момент прохождения пульсовой волной частично сдавленной артерии. Это позволяет считать достоверными тонам Короткова лишь звуки, возникающие в момент прохождения пульсовой волной сдавливаемого места артерии. Все звуки, регистрируемые в иные моменты, не являются тонами Короткова. Учет этого обстоятельства существенно повышает устойчивость заявляемых способа и устройства к внешним шумам и помехам, обусловленным физической активностью индивидуума.
Известно, что в сигнале микрофона, наложенного на артерию ниже сдавливающей манжеты, присутствуют низкочастотные составляющие, не воспринимаемые ухом человека и обусловленные пульсовой волной в артерии, частично либо полностью пропускаемой сдавливаемой артерией при давлении в манжете ниже систолического артериального давления. Микрофон регистрирует низкочастотный электрический сигнал, пропорциональный производной пульсовой волны, и сигнал тонов Короткова.
Известно, что в I фазе тонов Короткова, определяющей систолическое артериальное давление, звук возникает позже момента максимума скорости нарастания давления в пульсовой волне, поскольку начало кровотока возникает при наибольшем давлении крови в сдавливаемой артерии в конце пульсовой волны. В IV фазе тонов Короткова, определяющей диастолическое артериальное давление, звук возникает ранее момента максимума скорости нарастания давления в пульсовой волне, поскольку начало кровотока возникает при давлении крови, незначительно превышающем минимальное давление в сдавливаемой артерии в начале пульсовой волны. Поскольку пульсовая волна и звук тонов Короткова регистрируется единым микрофоном, то исключается зависимость разности времен возникновения пульсовой волны и тонов Короткова от физиологического строения индивидуума. Последнее существенно сокращает допустимый интервал появления тонов Короткова при анализе достоверности тонов Короткова относительного периода сердечного сокращения, что значительно повышает устойчивость метода к внешним шумам.
Повышение достоверности определения тонов Короткова к внешним шумам и физиологической активности обеспечивается при превышении порогового значения амплитуды выходного сигнала второго фильтра после локального максимума выходного сигнала первого фильтра. В остальное время тоны Короткова возникать не могут, и выходной сигнал второго фильтра не анализируется, что исключает ложное определение I фазы тонов Короткова, приводящее к ошибочным показаниям систолического давления.
Повышение достоверности определения тонов Короткова к внешним шумам и физиологической активности при определении диастолического артериального давления обеспечивается при превышении порогового значения амплитуды выходного сигнала второго фильтра до локального максимума выходного сигнала первого фильтра. В остальное время тоны Короткова возникать не могут, и выходной сигнал первого фильтра не анализируется, что исключает ложное определение IV фазы тонов Короткова, приводящее к ошибочным показаниям систолического давления.
В отличие от прототипа (патента US4026277), использующего для выделения пульсовой волны полосовой фильтр с полосой пропускания 5-30 Гц, и использующего второй полосовой фильтр с полосой пропускания 40-200 Гц для выделения тонов Короткова, применение в настоящем решении заявленных полос пропускания фильтров повышает устойчивость способа к внешним шумам за счет уменьшенной полосы частот пропускания, выделяющих полезные сигналы фильтров. Помимо этого, применение первого фильтра с предлагаемой полосой пропускания устраняет наложение звука I фазы тонов Короткова на пульсовой сигнал, что существенно повышает точность определения положения максимума скорости нарастания пульсовой волны. Поскольку взаимное расположение по времени максимума скорости нарастания пульсовой волны и тона Короткова служит критерием достоверности обнаруженного тона, то выбор полосы пропускания первого фильтра существенно влияет на качество указанного критерия. Выбранная ширина полосы пропускания первого фильтра значительно упрощает логику алгоритма анализа достоверности тонов Короткова в регистрируемом сигнале микрофона за счет отказа от используемых в известном, наиболее близком к предлагаемому, решении таймеров. Выбор полосы пропускания второго фильтра, отличающийся от прототипа, обусловлен выбором группы пациентов более широкого возрастного интервала.
Пример технической реализации заявленного изобретения иллюстрируется следующими чертежами.
На фигуре 1 приведена схема устройства измерения артериального давления по методу Короткова, где 1 - микрофон, 2 - датчик давления, 3 - ключ запуска, 4 - программируемое вычислительное устройство, 5 - устройство индикации и/или передачи данных.
На фигуре 2 приведена блок-схема работы устройства измерения артериального давления по методу Короткова, где 1 - микрофон, 2 - датчик давления, 6 - первый фильтр пульсовой волны, 7 второй фильтр тонов Короткова, 8 - блок определения максимальных значений выходных сигналов фильтров, 9 - блок выбора пороговых значений сравнения выходных сигналов фильтров, 10 - блок сравнения выходных значений выходных сигналов фильтров с пороговыми значениями, 11 - блок сравнения момента превышения порогового значения выходного сигнала второго фильтра с моментом достижения локального максимума первого фильтра, 12 - блок определения систолического артериального давления, 13 - блок определения диастолического артериального давления, 5 - блок вывода значений систолического артериального и диастолического артериального давлений.
Устройство измерения артериального давления содержит микрофон 1, накладываемый на артерию ниже сдавливающей артерию манжеты, измеритель давления в манжете 2, ключ запуска начала измерения давления 3, программируемое вычислительное устройство 4.
Устройство для измерения артериального давления, реализующее заявленный способ, работает следующим образом. Низкочастотный электрический сигнал на выходе наложенного микрофона 1 пропорционален производной пульсовой волны. Пульсовая волна выделяется первым фильтром 6 с полосой пропускания 3-6 Гц. Тоны Короткова выделяются вторым фильтром 7 с полосой пропускания 40-120 Гц. Тоны Короткова обнаруживают по превышению порогового значения сигналом на выходе второго фильтра 7 и обнаруживаются блоком сравнения 10, причем пороговые значения определяются блоком нахождения максимума 8 и блоком выбора пороговых значений 9. Достоверность тонов Короткова анализируют по превышению выходным сигналом первого фильтра 6 положительного порогового значения в момент обнаружения тонов Короткова на выходе блока сравнения 10 и момента достижения локального максимума выходным сигналом первого фильтра 6.
Предложенный способ измерения артериального давления по методу Короткова реализуют с помощью устройства, выполненного, например, в виде программируемого вычислительного устройства 4, приведенного на фигуре 1 и обеспечивающего выполнение алгоритма согласно блок-схеме, приведенной на фигуре 2. Выход микрофона 1 подключен к первому аналоговому входу программируемого вычислительного устройства 4, выход датчика давления в манжете 2 подключен ко второму входу программируемого вычислительного устройства 4. Указанный второй вход программируемого устройства может являться цифровым, дискретным частотным либо аналоговым, в соответствии с выходным сигналом датчика давления. Ключ 3 запуска алгоритма подключен к дискретному входу программируемого вычислительного устройства 4. К цифровому выходу программируемого вычислительного устройства 4 подключено устройство индикации значений систолического и диастолического давления или передачи данных 5. Программируемое вычислительное устройство должно обеспечивать темп аналого-цифрового преобразования сигнала микрофона не менее 500 отсчетов в секунду с разрядностью преобразования не менее 10 двоичных разрядов и темп преобразования (либо ввода) сигнала датчика давления не менее 10 отсчетов в секунду с точностью не менее 8 двоичных разрядов. Объем памяти данных вычислительного устройства должен обеспечивать хранение последовательности входных отсчетов длительностью не менее 60 секунд. Быстродействие арифметического устройства должно быть не менее 300 тыс. умножений и 1 млн сложений в секунду. В настоящее время указанным объемом памяти данных и быстродействием обладает значительное количество выпускаемых 8-разрядных и практически все 16-разрядные микроконтроллеры и сигнальные процессоры.
Устройство работает следующим образом.
Перед запуском программы выполнения алгоритма измерения артериального давления в манжету нагнетают воздух. При этом значение давления в манжете перед началом измерения должно превышать подлежащую измерению величину систолического артериального давления на величину не менее 20-40 мм рт.ст. По окончании нагнетания с помощью клапана обеспечивают стравливание давления воздуха в манжете со скоростью 2-4 мм рт.ст в секунду. Ключом 3 либо соответствующим сигналом запускают программу алгоритма измерения артериального давления. Выходной электрический сигнал микрофона 1 преобразуют в цифровую форму с темпом не менее 500 отсчетов в секунду и одновременно подвергают цифровой фильтрации двумя фильтрами 6 и 7. Полоса пропускания фильтра 6 пульсовой волны составляет 3-6 Гц, полоса пропускания фильтра 7 тонов Короткова - 40-120 Гц. Первый фильтр 6 должен обеспечивать подавление сигналов с частотой выше 6 Гц, второй фильтр 7 должен обеспечивать резкий срез полосы пропускания ниже 40 Гц, пологий спад на высокой частоте, при этом частота 120 Гц высокочастотного среза не является критичной. Фильтры предпочтительно реализуют с конечной импульсной характеристикой, обеспечивающей одинаковое время задержки для сигналов различных частот. Время задержки первого фильтра 6 и второго фильтра 7 предпочтительно делают одинаковым, в противном случае при дальнейшей проверке достоверности тонов Короткова учитывают различие времен задержки фильтров соответствующим смещением последовательностей выходных отсчетов фильтров. Выходной сигнал аналогового датчика давления воздуха в манжете 2 преобразуют в цифровую форму либо считывают с цифрового датчика давления с темпом не менее 10 отсчетов в секунду. Предпочтительно, но не обязательно, оцифрованный сигнал датчика давления в блоках 12 и 13 подвергают цифровой низкочастотной фильтрации фильтром с частотой среза не более 3 Гц и задержкой на величину задержки фильтров сигнала микрофона. Указанная фильтрация применяется для устранения систематической ошибки измерения артериального давления, обусловленной пульсацией давления в манжете в момент прохождения пульсовой волны и различием времен регистрации тонов Короткова и давления в манжете в результате постоянного спада давления при измерении. Сигналы на выходе первого фильтра 6 и второго фильтра 7 анализируют. Наличие тонов Короткова обнаруживают модулями сравнения 10 по одновременному превышению соответствующих положительных пороговых значений выходными сигналами фильтров 6 и 7. Пороги сравнения выбираются адаптивно модулями 8 и 9 исходя из максимальных значений сигналов, зарегистрированных на выходах фильтров 6 и 7. При определении систолического давления достоверным считают обнаруженные тоны Короткова, следующие после локального максимума выходного сигнала первого фильтра 6. При определении диастолического давления достоверным считают обнаруженные тоны Короткова, предшествующие локальному максимуму выходного сигнала первого фильтра 6, а определение достоверности осуществляется блоком 11.
Максимальное значение давления в манжете регистрируется блоком 12 при измерении систолического давления в моменты обнаружения достоверных тонов Короткова и считается систолическим артериальным давлением.
Минимальное значение давления в манжете регистрируется блоком 13 при измерении диастолического давления в моменты обнаружения достоверных тонов Короткова и считается диастолическим артериальным давлением.
Значения систолического и диастолического артериального давления отображают на устройстве индикации 5 или передают с помощью устройства передачи данных для дальнейшего использования.
Следует отметить, что способ и устройство для его реализации в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают измерения систолического и диастолического артериального давления, хорошо совпадающие с данными, полученными обученным медицинским персоналом при измерения давления по методу Короткова. Важно, что метод измерения давления по Короткову является общепризнанным и величины измеряемого давления находятся в хорошем соответствии с величинами, получаемыми при инвазивном способе непосредственного измерения артериального давления с помощью катетера, помещаемого в артерию.
Приведенный пример устройства измерения артериального давления по методу Короткова в соответствии с заявляемым в настоящем изобретении способом не является единственно возможным. Могут существовать иные реализации устройства, обеспечивающие осуществление заявляемого способа. Подразумевается, что изобретение ограничивается лишь нижеприведенными пунктами формулы изобретения.