К вопросу о реализации неинвазивных методов измерения параметров пульсовой волны автономными портативными приборами

МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

УДК 681.5.08

М. А. Писарев, Б. В. Чувыкин, С. И. Геращенко, М. С. Геращенко, Н. А. Волкова

К ВОПРОСУ О РЕАЛИЗАЦИИ НЕИИВАЗИВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ АВТОНОМНЫМИ ПОРТАТИВНЫМИ ПРИБОРАМИ

M. A. Pisarev, B. V. Chuvykin, S. I. Gerashchenko, M. S. Gerashchenko, N. A. Volkova

ON QUESTION ABOUT NON-INVASIVE METHODS IMPLEMENTATION FORMEASURING THE PULSE WAVE PARAMETERS WITH STAND-ALONE PORTABLE DEVICE

Аннотация. Актуальность и цели. Рассмотрены вопросы снижения случаев смертности в результате заболеваний сердечно-сосудистой системы. Показано, что вероятность смертельного исхода существенно зависит от задержки оказания медицинской помощи. Сформулирована задача о необходимости разработки портативных приборов индивидуального пользования, которые позволяют своевременно выявлять критическое состояния у лиц, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Материалы и методы. Рассмотрены различные физические методы измерения, использующиеся в портативных приборах, предназначенных для измерения состояния сердечно-сосудистой системы. Показано, что наиболее перспективным является метод физического измерения давления как наиболее универсальный метод решения задачи мониторинга состояния сердечнососудистой системы. Рассмотрены дополнительные условия, необходимые для реализации данного класса приборов, предназначенных для удобного домашнего использования. Рассмотрены близкие аналоги приборов. Результаты. Поставлена задача и сформулированы требования к разрабатываемому прибору: к конструкции первичного преобразователя; к измерительной части прибора; к индикаторной части прибора; к дополнительным функциям; к источникам питания; к стандартам исполнения. Предложены структурное и алгоритмическое решение и этапы разработки автономного портативного прибора для определения параметров пульсовой волны и алгоритмов определения критических состояний вне стационарных условий. Выводы. Сделан вывод о возможности реализации таких приборов и пути их использования. Описаны этапы разработки прибора, которые включают разработку имитационной модели на физическом уровне, на уровне электрических сигналов и на логическом уровне. Показано содержание каждого этапа. Сделан вывод о возможности и путях реализации нового класса приборов для решения актуальной задачи своевременного выявления критического состояния лиц, страдающих сердечнососудистыми заболеваниями.

Abstract. Background. The problems ofreductionof deathsdue todiseasesof the cardiovascular system reviewed. Shownthat the probability ofdeathdepends essentially on thedelayof care. Formulated problem of individual portable devices necessity. This device allowscritical conditiontimely identification of patients suffering from cardiovascular disease. Materials and methods. Considered the differentphysical methodsof measurementused inportable devicesfor measuring thestate of the CVS. Shown that the universal solution of the monitoring the state of the CVD problem is the pressure physical measurement. Considered Additional terms used for the implementation of this class of devices designed for easy use at home. Considered close analogs devices. Results. Propose task and the requirements to the developed device: primary converter design; device measurement; device display functions; additional functions; sources of energy; standards of performance. Propose structural and algorithmic solution and development stages of the autonomous portable device for determining the pulse wave parameters and algorithms for determining critical states is stationary conditions. Conclusions. Concluded feasibility of such devices and ways to use them. Propose stages of device development, which include: the development of a simulation model on the physical level, at the level of electrical signals and logical level. Shows the contents of each stage. Conclude possibility and ways of implementing a new class of devices for solving critical state timely identification problems for the persons suffering from cardiovascular diseases.

Ключевые слова: артериальное давление, сердечный выброс, пульсовая волна, осциллометрический метод, гидроманжета.

Key words: blood pressure, cardiac output, pulse wave, oscillometric method, liquid cuff.

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире: ни по какой другой причине ежегодно не умирает столько людей, сколько от ССЗ.

По оценкам, в 2012 г. от ССЗ умерло 17,5 млн человек, что составило 31 % всех случаев смерти в мире. Из этого числа 7,4 млн человек умерли от ишемической болезни сердца и 6,7 млн человек в результате инсульта [1]. Снижение случаев смертности в результате заболеваний сердечно-сосудистой системы (ССС) является на сегодня актуальной задачей здравоохранения. Инфаркт, инсульт, слепота, почечная недостаточность - все эти осложнения ССЗ -результат неправильного лечения или его отсутствия. Важно спрогнозировать и своевременно выявить критические состояния у лиц, страдающих ССЗ.

Люди, страдающие ССЗ или подвергающиеся высокому риску таких заболеваний, нуждаются в раннем выявлении и постоянном контроле состояния их ССС. Согласно европейским Рекомендациям по диагностике и лечению артериальной гипертензии отмечено усиление роли мониторинга ССС в домашних условиях [2], что ставит задачу разработки класса приборов, отличающихся прогностической значимостью, в то же время лишенных недостатков инвазив-ных методов измерения и доступных для массового использования. В первую очередь важен класс приборов, который позволяет своевременно выявить критические состояния у лиц, страдающих ССЗ. Отметим, что одним из признаков критического состояния ССС является снижение объема сердечного выброса (СВ). Особенность критического состояния у лиц, страдающих ССЗ, является то, что вероятность смертельного исхода существенно зависит от задержки оказания медицинской помощи. Поэтому своевременное выявление критического состояния позволяет существенно снизить вероятность смертельного исхода [3].

В основу мониторинга состояния ССС положено физическое измерение скорости кровотока, электрической активности мышц сердца и ССС в целом, пульсовой волны, объема СВ. Для измерения данных параметров существуют различные физические методы измерения:

1. Эффект Допплера. Используется для измерения скорости кровотока [4].

2. Измерение градиента температур. Используется для измерения скорости тепловой волны в кровотоке [5].

3. Измерение давления. Используют для измерения различных физиологических параметров человека (артериального давления, давления спинномозговой жидкости, внутриглазного давления, объема кровотока, жесткости сосудов, вязкости крови и т.д.) [6, 7].

4. Измерение интенсивности светового потока из-за рассеивания или отражении инфракрасного света. Используется для измерения динамики кровотока [8].

5. Измерение электрических потенциалов ткани. Используется для измерения электрической активности мышц сердца и ССС в целом [9].

6. Измерение концентрации газа С02 [10]. Используется для определения объема СВ, основанного на функциональной зависимости концентрации С02 от объема СВ.

Из перечисленных методов физических измерений для мониторинга состояния ССС наиболее перспективным с точки зрения практической реализации является метод измерения давления как наиболее универсальный.

Измерение давления используется в неинвазивном варианте для реализации так называемого осциллометрического метода измерения пульсовой волны с помощью пневматического датчика давления, подключенного к окклюзионной манжете, которая накладывается на конечность пациента [7].

В качестве аналога рассмотрим осциллометрический тонометр, использующий воздушную манжету для динамического измерения АД и определения формы пульсовой волны. За счет измерения АД в нескольких точках возможен расчет скорости пульсовой волны [10]. Среди недостатков можно отметить относительно низкую устойчивость к движениям руки и месту постановки манжеты.

Осциллометрические тонометры, как правило, используют воздушные манжеты, которые вследствие сжатия воздуха дают существенную погрешность измерения давления [11].

Эта погрешность не позволяет выделить информативные признаки из сигнала, связанного с пульсовой волной и, как следствие, дает существенную погрешность определения критического состояния ССС по критерию снижения объема СВ. Таким образом, для осуществления эффективного мониторинга необходимо разработать класс приборов, отличающихся повышенной достоверностью в определении критического состояния ССС.

Для решения этой задачи необходимо выбрать совокупность известных методов измерения, которая позволит решить задачу повышения достоверности определения критического состояния ССС.

Дополнительным условием является возможность реализации выбранных методов в рамках портативного прибора, удобного для домашнего использования и одновременно отвечающего критериям стоимости, надежности, эргономичности. Для решения поставленной задачи проведем анализ известных приборов на рынке портативной медтехники.

По перечисленным выше требованиям разработки близкими аналогами являются следующие приборы:

1. Тонометр. Прибор измерения АД. Измерение происходит на предплечье (реже запястье). Тонометр не является точным измерительным прибором ввиду погрешностей при измерении осциллометрическим методом и низкой устойчивости к движениям руки пациента. Однако тонометры зарекомендовали себя как средства диагностики дома ввиду простоты использования, понятности результатов и ценовой доступности [7].

2. Микрофотоплетизмограф - чаще всего пальцевый прибор измерения гемодинамических показателей. Большие погрешности при измерении возникают ввиду физиологических отличий конечностей пациентов, а также косвенности метода измерения (результат основан на зависимости между искомой пульсовой волной и плотностью кровотока) [8]. Прибор пользуется меньшей популярностью, чем тонометр, ввиду большей стоимости и низкой точности измерения.

3. Браслет здоровья. Прибор, разработанный для регистрации формы пульсовой волны в лучевой артерии при помощи осциллометрического метода. В приборе вместо окклюзион-ной манжеты часто используется система считывания импульсов с цилиндрическим плунжером для уплощения лучевой артерии [12]. Данные приборы мало распространены ввиду большой стоимости и низкой точности результатов. Однако они обладают такими качествами, как высокое удобство применения и возможность мониторинга состояния пациента.

4. Холтер. Прибор ведущий непрерывную регистрацию электрокардиограммы. Во время длительного исследования пациент ведет свой обычный образ жизни, отмечая в специальном дневнике время и обстоятельства возникновения неприятных симптомов со стороны сердца, прием лекарств и смену видов физической активности, в то время как прибор ведет мониторинг сигналов работы ССС пациента.

Недостатки монитора связаны с неудобствами. Холтер является электронным аппаратом, который нельзя заливать водой. Монитор имеет определенные размеры и вес, к нему подключены провода, у пациента на тело наклеены электроды - это может мешать сну и активным движениям.

Для решения поставленной задачи необходимо сделать прибор, по уровню сложности, точности и цены не уступающий современным тонометрам, позволяющий вести постоянный точный мониторинг работы ССС аналогично ЭКГ и не уступающий в удобстве Браслету здоровья. Прибор должен позволять заранее определить наступление критических состояний у больных ССЗ.

Как было сказано ранее, основное назначение приборов данного класса - это их использование для людей, нуждаются в раннем выявлении и постоянном контроле состояния их ССС. Из анализа результатов следует, что разрабатываемый прибор должен обладать разнообразными функциональными возможностями, связанными с измерением артериального давления, формы пульсовой волны, скорости кровотока, частоты пульса и возможностью на алгоритмическом уровне реализовать контроль состояния ССС и критических предынфарктных состояний.

Предлагаемый прибор (рис. 1) должен быть основан на реализации осциллометрическо-го метода измерения АД и удовлетворять следующим требованиям:

1. Измерительная часть прибора должна располагаться на запястье пациента, на стороне прохождения артерий (1) и обеспечивать необходимый физический контакт с поверхностью тела человека для обеспечения максимальной точности и стабильности измерения пульсовой волны. Она состоит из двух измерительных камер (2) заполненных жидкостью [13-15], со встроенными датчиками давления (3), которые обеспечивают передачу давления крови в артерии к измерительной части датчика давления. Конструкция камер имеет внешний корпус (4) для обеспечения жесткости.

2. Измерительная часть прибора состоит из аналого-цифрового преобразователя (5) и микропроцессора (6), реализующего алгоритмы: цифровой фильтрации; масштабирования (для получения абсолютных значений давления); выявления информативных признаков (максимальное и минимальное артериальное давление, скорость кровотока); вычисления объема СВ и алгоритм принятия решения о критическом состоянии ССС.

3. Информация о критическом состоянии ССС должна выдаваться в виде звукового (7) и светового сигнала, отражаться на цифровом дисплее (8).

4. Дополнительными функциями являются передача сигнала вызова врача, указание местоположения по приборам ОР8/ГЛОНАСС (9), а также беспроводной интерфейс обмена данными с ПК (10).

5. Аккумуляторные батареи (11) должны иметь возможность обеспечивать работу в течении необходимого времени в автономном режиме и иметь возможность внешней подзарядки.

6. Исполнение прибора должно удовлетворять стандартам, распространяющимся на медицинские приборы индивидуального использования ГОСТ Р 50444-92, ГОСТ 28703-90.

Рис. 1. Модель объекта и средства измерения

Для разработки прибора на первом этапе проектирования необходимо иметь имитационную модель на физическом уровне описания пульсовой волны и на физическом уровне конструкции чувствительного элемента датчика давления, а также иметь имитационную модель измерительного канала и цифровых алгоритмов обработки сигнала и принятия решений. Наиболее удобным для решения поставленной задачи является использование популярных программных средств Matlab, Matlab-Simulink, Labview.

На физическом уровне моделируются физические характеристики артерии, в которой учтена плотность, вязкость и скорость движения крови по артерии; диаметр, упругость оболочки артерий и ткани.

На уровне электрических сигналов моделируется преобразование давления в электрический сигнал первичным преобразователем датчика давления и весь тракт измерительного канала до цифрового выхода.

На логическом уровне моделируются алгоритмы цифровой обработки сигналов и принятия решения.

На втором этапе проектирования должны быть проведены экспериментальные исследования макета прибора на пациентах с целью набора статистических данных и получения необходимых физических констант и статистических показателей, необходимых для реализации осциллометрического метода измерения АД и обеспечения достоверности определения критических состояний ССС пациента.

На третьем этапе решаются задачи оптимизации алгоритма цифровой обработки сигналов и принятия решений.

На заключительном этапе необходимо решить технические вопросы, связанные с практической реализацией прибора, отвечающего всем потребительским качествам, перечисленным выше.

Таким образом, показана возможность и пути реализации нового класса приборов для решения актуальной задачи своевременного выявления критического состояния у лиц, страдающих сердечнососудистыми заболеваниями, что, как было сказано выше, является необходимым условием снижения вероятности смертельного исхода.

Список литературы

1. URL: http://apps.who.int/gho/data/node.main.PROJNUMWORLD7lang = en

2. URL: http://www.scardio.ru/content/Guidelines/ESChypertension2013.pdf

3. Кисляк, О. А. Ведение больных после инфаркта миокарда / О. А. Кисляк, Ф. М. Хаути-ева // Лечебное дело. - 2010. - № 1. - URL: http://cyberleninka.ru/article/n/vedenie-bolnyh-posle-infarkta-miokarda

4. Мухаметзянова, Н. А. Возможности допплерографии в диагностике ранних нарушений диастолической функции миокарда / Н. А. Мухаметзянова, М. Р. Валеева // Вестник современной клинической медицины. - 2015. - № 6. - С. 70-75.

5. Транспульмональная термодилюция и волюметрический мониторинг в отделении анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии : метод. рекомендации / М. Ю. Киров,

B. В. Кузьков, Е. В. Суборов, А. И. Ленькин, Э. В. Недашковский. - Архангельск, 2009. -

C. 1-2.

6. Возмущение потока при инвазивном измерении давления крови / Л. А. Булавин, Г. В. Кнышов, Ю. Ф. Забашта, Б. В. Бацак, С. В. Северилов // Российский журнал биомеханики. - 2013. - Т. 17, № 3 (61). - С. 29-36.

7. Грачев, С. С. Возможность неинвазивного мониторинга показателей центральной гемодинамики в отделении интенсивной терапии и реанимации / С. С. Грачев, С. В. Евтушенко // Медицинский журнал. - 2013. - № 3.- С. 76-79.

8. Тылюдина, Е. В. Фотоплетизмография и анализ пульсовых кривых / Е. В. Тылюдина, С. И. Юран, Н. Або Исса // Инновационному развитию АПК и аграрному образованию -научное обеспечение : сб. тр. конф. / Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. - Вып. 3. - Ижевск, 2012. - С. 336-342.

9. К вопросу ЭКГ-диагностики инфаркта миокарда правого желудочка / В. Н. Ослопов, О. В. Богоявленская, Ю. В. Ослопова, М. А. Макаров, Р. Т. Хабибуллина, М. Г. Трегубова // Популярная механика. - 2010. - № 44. - С. 13-15.

10. Перфилова, А. В. Потребление кислорода в легких и в большом круге кровообращения -разные методы оценки одной величины или разные величины? / А. В. Перфилова,

Т. А. Громова, К. М. Лебединский, А. М. Зайчик // Анестезиология и реаниматология. -2014. - № 1. - С. 43-47.

11. Рогоза, А. Н. К вопросу о точности измерения АД автоматическими приборами / А. Н. Рогоза // Функциональная диагностика. - 2003. - № 1. - С. 2-10.

12. Bonato, P. Wearable sensors and systems / P. Bonato // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. - 2010. - Т. 29, № 3. - С. 25-36.

13. Геращенко, М. С. Гидроманжетный тонометр / М. С. Геращенко // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2011. - Т. 2. - С. 308-309.

14. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. - Изд. 6-е доп. и пе-рераб. - М. : Наука, 1987. - 846 с.

15. Патент № 104437 Российская Федерация. Тонометр Геращенко / Геращенко М. С. -опубл. 20.05.2011.

Писарев Максим Аркадьевич

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: Pisarevmx@gmail.ru

Чувыкин Борис Викторович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-вычислительных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: chuvykin_bv@mail.ru

Геращенко Сергей Иванович

доктор технических наук,

заведующий кафедрой медицинской кибернетики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: mpo@list.ru

Геращенко Михаил Сергеевич

доктор технических наук, профессор, кафедра медицинской кибернетики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: mpo@list.ru

Волкова Наталья Александровна

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: witchys@inbox.ru

Pisarev Maksim Arkad'evich

postgraduate student Penza State University

Chuvykin Boris Viktorovich

doctor oftechnical sciences, professor, sub-department of information computer systems, Penza State University

Gerashchenko Sergey Ivanovich

doctor of technical sciences,

head of sub-department of medical cybernetics,

Penza State University

Gerashchenko Mikhail Sergeevich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of medical cybernetics, Penza State University

Volkova Natal'ya Aleksandrovna

postgraduate student, Penza State University

УДК 681.5.08 Писарев, М. А.

К вопросу о реализации неинвазивных методов измерения параметров пульсовой волны автономными портативными приборами / М. А. Писарев, Б. В. Чувыкин, С. И. Геращенко, М. С. Геращенко, Н. А. Волкова // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 1 (15). -С. 89-94.