Устройство для определения артериального давления в плече на каждом сердечном сокращении
APPARATUS FOR DETERMINING ARTERIAL PRESSURE IN THE SHOULDER ON EACH HEART BEAT

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам оценки артериального давления по результатам непрерывного неинвазивного измерения артериального давления на каждом цикле сердечного сокращения и периодической фиксации тонов Короткова в плече. Изобретение может использоваться в медицинских целях для определения параметров артериального давления, особенно при нарушениях сердечного ритма.
Широко известен метод измерения артериального давления (АД) Короткова [1], в настоящее время являющийся официально утвержденным методом неинвазивного измерения АД [2]. Манжету одевают на плечо пациента. Стетоскоп (микрофон) помещают на проекцию плечевой артерии в локтевой ямке. Создают давление в манжете превышающее максимальное АД, пережимая артерию и прекращая кровоток. Давление в манжете уменьшают с постоянной скоростью (2-5 мм рт.ст./с). Когда давление опустится до уровня, равного систолическому артериальному давлению (САД) пациента, в момент превышения появится характерный звуковой сигнал - тон Короткова. Пока давление в манжете находится на уровне между САД и диастолическим артериальным давлением (ДАД), будут слышны тоны Короткова, поскольку АД становится то выше, то ниже давления в манжете в разные моменты сердечного цикла. При приближении давления в манжете к ДАД звук изменяется, становится приглушенным и исчезает окончательно, т.к. манжета не создает никаких ограничений для потока крови.
Однако данный метод позволяет оценить только одно значение САД и ДАД за время измерения, причем получаемые значения относятся к разным сердечным сокращениям. Погрешность метода определяется величиной вариаций САД и ДАД. Это приводит к неоднозначности определения САД при выраженном «аускультативном провале» и не позволяет определить АД у пациентов с сильным нарушением ритма, т.к. АД значительно отличается на каждом сердечном сокращении.
Известен другой метод неинвазивного измерения АД - метод разгруженной артерии, предложенный Пеньязом [3]. Этот принцип основан на непрерывной оценке объема сосудов пальца по фотоплетизмографическому сигналу и следящей электропневматической системе, создающей давление, противодействующее изменению диаметра проходящих под манжетой артериальных сосудов в пальце руки. В этом случае обеспечивается постоянство фотоплетизмографического сигнала на заданном уровне, а давление в манжете повторяет давление крови в артериях пальца. Известны также устройства [3-8], в функции которых входит непрерывное неинвазивное измерение АД в кровеносных сосудах пальцев руки, основанное на методе разгруженной артерии. При работе этих устройств на одну из фаланг пальца руки создается внешнее давление, и одновременно на этом участке тела регистрируется фотоплетизмограмма. Внешнее давление создается пальцевой манжетой, а фотоплетизмограмма регистрируется посредством оптоэлементов, встроенных в корпус манжеты.
Однако измерение АД производится на периферическом участке артерии. Абсолютные значения давления изменяются при удалении места измерения от сердца, следовательно, абсолютные значения давления в пальце отличаются от давления в плече. Как правило, САД повышается, в то время как ДАД понижается, при сохранении относительного изменения давления.
Известен метод аппланационной тонометрии [9]. В данном случае манжета располагается на запястье и содержит расположенный над лучевой артерией датчик тонометра. Датчик прижимает артерию к лучевой кости настолько, чтобы в достаточной степени ее сжать, сделать контакт с ее стенкой плоским (но не пережать до окклюзии). Затем через стенки сосуда с помощью датчиков давления регистрируется пульсовые изменения АД. Величина давления, необходимая для того, чтобы уплощить, но не закрыть артерию, известна как "рабочее усилие прижима" и рассчитывается по достаточно сложному алгоритму, который включает в себя предварительные оценки САД, ДАД и пульсового давлений.
Для измерения АД может использоваться в качестве исходного параметра скорость распространения пульсовой волны, являющейся функцией артериального давления [10]. Данный метод заключается в том, что вычисление АД на каждом сердечном сокращении основано на времени распространения пульсовой волны, которое определяется из ЭКГ и фотоплетизмографического сигнала с части тела пациента.
Необходимо отметить, что преобразование к неинвазивному давлению, измеренному в плече, выполняется на большинстве устройств, хотя методы калибровки отличаются. В приборе фирмы CNSystems [11] производится измерение АД в плече перед измерением непрерывного АД в пальце. Затем вычисляется индивидуальная передаточная функция и применяется к сигналу АД в пальце. Однако измерение АД в плече разделено во времени с измерением АД в пальце и не устраняются недостатки, присущие используемому методу измерения в плече, и, следовательно, приводит к неверному преобразованию сигнала АД у пациентов с сильным нарушением ритма, и выраженной вариацией давления.
В приборах фирмы Finapres [12] используется глобальная передаточная функция от пальцевого давления к плечевому. В ходе работы прибора выполняется подстройка установки фотоплетизмографического сигнала без повторного измерения в плече - «Physiocalibration». Плечевая манжета позволяет получить только значение САД методом «return to flow». He прерывая измерение в пальце, накачивается плечевая манжета в той же руке до уровня давления, превышающего САД. Пульсации пальцевого давления пропадают. Давление в плечевой манжете уменьшается с контролируемой скоростью до появления пульсаций в пальцевой манжете. Процедуру повторяют. Недостатками является возможность измерения только САД; давление в плече измеряется в другое время, нежели корректируемый сигнал; фиксируются единичные значения давления, что не позволяет определить АД у пациентов с сильным нарушением ритма и выраженной вариацией давления; измерение на одной руке приводит к изменению гемодинамики.
Целью настоящего изобретения является создание устройства, производящего численную оценку в каждом сердечном сокращении АД, сопоставимых с измерением АД методом Короткова в плече.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение функциональности устройства при одновременном повышении точности измерений АД за счет получения возможности измерений АД на каждом цикле сердечного сокращении, что позволит непрерывно отслеживать АД у пациентов, особенно при нарушении ритма.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для определения артериального давления в плече на каждом сердечном сокращении включает блок тонов Короткова, содержащий датчик звуковых колебаний и плечевую манжету, по меньшей мере один блок управления давлением, блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления, блок обработки и управления, устройство отображения информации, при этом блок обработки и управления связан с датчиком звуковых колебаний, выполненным с возможностью регистрации тонов Короткова, с блоком управления давлением, соединенным с плечевой манжетой, с блоком непрерывного неинвазивного измерения артериального давления, с устройством отображения информации, и выполнен с возможностью управления блоком управления давлением и получения и обработки данных от датчика звуковых колебаний и блока непрерывного неинвазивного измерения артериального давления и дальнейшего обеспечения преобразования измеренного непрерывно артериального давления таким образом, чтобы моменты времени пересечения анакрот пульсовых волн с кривой давления в плечевой манжете максимально соответствовали моментам времени возникновения тонов Короткова, и определения значения систолического и диастолического артериального давления на каждом сердечном сокращении.
При этом возможны варианты развития основного технического решения, заключающиеся в том, что:
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления выполнен с возможностью измерения артериального давления методом разгруженной артерии;
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления методом разгруженной артерии содержит фотоплетизмографическую систему, соединенную с блоком обработки и управления и совмещенную с компрессионной пальцевой манжетой, соединенной с блоком управления давлением;
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления выполнен с возможностью измерения артериального давления аппланационным методом;
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления аппланационным методом содержит тензометрический датчик, соединенный с блоком обработки и управления и выполненный с возможностью его расположения над лучевой артерией, и устройство передачи давления на тензометрический датчик, связанное с блоком управления давлением и выполненное с возможностью его расположения на запястье или виске;
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления выполнен с возможностью измерения артериального давления по скорости пульсовой волны;
- блок непрерывного неинвазивного измерения артериального давления по скорости пульсовой волны содержит фотоплетизмографический датчик и датчик ЭКГ, соединенные с блоком обработки и управления и выполненные с возможностью их расположения на части тела пациента, выбранной для проведения измерений артериального давления;
- блок обработки и управления осуществляет преобразование полученного непрерывного артериального давления с помощью линейной функции;
- блок обработки и управления осуществляет преобразование полученного непрерывного артериального давления с помощью нелинейной функции;
- имеется датчик уровня, соединенный с блоком обработки и управления.
Таким образом, за счет совокупности заявляемых существенных признаков удается повысить функциональность устройства при одновременном повышении точности измерений АД благодаря определению АД в плече на каждом сердечном сокращении за счет осуществления преобразования данных, полученных при одновременном съеме с пациента звуковых колебаний (тонов Короткова) при окклюзии плечевой манжетой одной руки пациента, и данных, получаемых при непрерывном неинвазивном измерении артериального давления на другой части тела пациента, создаваемого по алгоритму управления в следящем режиме. В результате АД вычисляется не по границам возникновения или исчезновения тонов Короткова, а непосредственно путем определения в каждом сердечном сокращении величин максимального (систолического) и минимального (диастолического) по полученной в результате преобразования непрерывной кривой давления.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами и нижеследующим описанием.
На Фиг. 1 представлена иллюстрация преобразования непрерывно измеренного артериального давления.
На Фиг. 2 представлена блок-схема устройства по пунктам 2 и 3 формулы.
На Фиг. 3 представлена блок-схема устройства по пунктам 4 и 5 формулы.
На Фиг. 4 представлена блок-схема устройства по пунктам 6 и 7 формулы.
На Фиг. 5-7 представлен пример применения устройства.
На Фиг. 8-10 представлен другой пример применения устройства.
Способ определения АД в плече на каждом сердечном сокращении (Фиг. 1) заключается в том, что осуществляют периодическую окклюзию плеча пациента плечевой манжетой, регистрацию давления в плечевой манжете и регистрацию тонов Короткова с помощью датчика звуковых колебаний. Одновременно с этим производят непрерывное неинвазивное измерение АД на другой части тела пациента.
Затем, используя полученные данные, с помощью блока обработки и управления преобразовывают измеренное непрерывно в другой части тела АД таким образом, чтобы моменты времени пересечения анакрот (подъемов начальной части пульсовой волны) пульсовых волн 1 с кривой 2 давления в плечевой манжете максимально соответствовали моментам времени возникновения тонов 3 Короткова (Фиг. 1). Указанное преобразование осуществляют путем сдвига и масштабирования по амплитуде исходных пульсовых волн 1 до получения преобразованных пульсовых волн 4, анакроты которых пересекают кривой 2 давления в моменты времени, которые максимально соответствуют моментам времени возникновения тонов 3 Короткова.
По полученным в результате преобразования значениям АД, измеренного непрерывно, также с помощью блока обработки и управления определяют значения САД и ДАД в каждом сердечном сокращении.
и1,
и2
иn
p1
p2
pk
p1
p2
pm
п
п
п
На Фиг. 1 обозначены: T T…T - моменты возникновения измеренных ДЗК 6 тонов 3 Короткова; T, T…T - расчетные моменты времени пересечения анакрот исходных пульсовых волн 1 с кривой 2 давления; T, T…T - расчетные моменты времени пересечения анакрот преобразованных пульсовых волн 4 с кривой 2 давления.
Для реализации указанного способа определения АД в плече на каждом сердечном применено устройство (Фиг. 2-4), включающее блок 5 тонов Короткова (БТК), содержащий датчик 6 звуковых колебаний (ДЗК) и плечевую манжету 7 (ПлМ), по меньшей мере один блок 8 управления давлением (БУД), блок 9 непрерывного неинвазивного измерения артериального давления (БННИАД), блок 10 обработки и управления (БОиУ), датчик 11 уровня (ДУ), устройство 12 отображения информации (УОИ).
При этом ДЗК 6 представляет собой микрофон и выполнен с возможностью регистрации тонов Короткова, соединен с БОиУ 10 и может быть совмещен с ПлМ 7.
БУД 8 соединен с БОиУ 10 и представляет собой, например, пневматическое устройство для накачивания воздухом компрессионных манжет. Причем если манжет несколько, то такой для каждой манжеты такой блок может быть отдельным или общим. В качестве БУД 8 также может быть использовано устройство для создания механического давления на часть тела пациента.
ПлМ 7 может быть выполнена компрессионной или иметь механический механизм сдавливания плеча пациента, она соединена с БУД 8 и выполнена с возможностью размещения на плече пациента.
БННИАД 9 соединен с БОИУ 10 и может быть выполнен с возможностью измерения АД методом разгруженной артерии (Фиг. 2) или аппланационным методом (Фиг. 3) или по скорости распространения пульсовой волны (Фиг. 4).
На Фиг. 2 представлен пример БННИАД 9, реализующего метод разгруженной артерии, который содержит фотоплетизмографическую систему 13 (ФПС), соединенную с БОиУ 10 и совмещенную с компрессионной пальцевой манжетой 14 (КПМ), соединенной с БУД 8. Принцип реализации этого метода общеизвестен [3].
В случае если БННИАД 9 реализует аппланационный метод (Фиг. 3), он содержит тензометрический датчик 15 со сферической поверхностью (ТД), соединенный с БОиУ 10 и выполненный с возможностью его расположения над лучевой артерией, и устройство 16 передачи давления (УПД) на ТД 15 (в данном случае используется механическое давление), связанное с БУД 8 и выполненное с возможностью его расположения на запястье или виске. Принцип реализации этого метода общеизвестен [9].
В случае если БННИАД 9 реализует метод определения АД по скорости распространения пульсовой волны (Фиг. 4), он содержит фотоплетизмографический датчик 17 (ФПД) и датчик 18 ЭКГ (ДЭКГ), соединенные с БОиУ 10 и выполненные с возможностью их расположения на части тела пациента, выбранной для проведения измерений АД. Принцип реализации этого метода общеизвестен [10].
ДУ 11 соединен с БОиУ 10 и выполнен с возможностью определения положения части тела пациента относительно его сердца. Его наличие не является обязательным, но желательно для более точных измерений.
УОИ 12 соединено с БОиУ 10 и представляет собой дисплей для визуализации результатов определения АД.
БОиУ 10 представляет собой программируемый контроллер и может быть реализован на базе персонального компьютера. При этом БОиУ 10 выполнен с возможностью управления БУД 8 и с возможностью получения и обработки данных от ДЗК 6 и БННИАД 9, а также с возможностью обеспечения преобразования измеренного непрерывно АД.
При обработке данных в БОиУ 10 из регистрируемого ДЗК 6 звукового сигнала выделяют характерные тоны, соответствующие сердечным сокращениям (тоны 3 Короткова). Для каждого тона 3 определяют время его возникновения и амплитуду, причем тоны 3 Короткова возникают в момент, когда давление в плечевой артерии при его росте сравнивается с давлением в ПлМ 7. Преобразование осуществляют таким образом, чтобы моменты времени пересечения анакрот пульсовых волн 1 с кривой 2 давления в ПлМ 7 максимально соответствовали моментам времени возникновения тонов 3 Короткова (Фиг. 1). Указанное преобразование осуществляется путем сдвига и масштабирования по амплитуде исходных пульсовых волн 1 до получения преобразованных пульсовых волн 4, анакроты которых пересекают кривой 2 давления в моменты времени, которые максимально соответствуют моментам времени возникновения тонов 3 Короткова.
п
п
п
p1
p2
pm
и1
и2
иn
Преобразование пульсовых волн 1 осуществляют таким образом, чтобы расчетные моменты времени (T, T…T) пересечения анакрот преобразованных пульсовых волн 4 с кривой 2 давления максимально совпадали с моментами возникновения (T, T…T) измеренных ДЗК 6 тонов 3 Короткова.
Преобразование полученного непрерывного АД может выполняться в БОиУ 10 с помощью линейной функции:
пл
ни
p
P(t)=P(t)*k+Δ,
пл
ни
р
где Р(t) - давление в плече, P(t) - давление, непрерывно измеренное на другой части тела, k - коэффициент усиления, Δ - величина сдвига.
Преобразование полученного непрерывного АД может выполняться в БОиУ 10 также с помощью нелинейной функции, например [13]:
где i - мнимая единица.
0
Это преобразование эквивалентно усилению (k), применению фильтра высоких частот второго порядка с усилением (с частотой среза f) и фильтра низких частот второго порядки с резонансной частотой  и коэффициентом демпфирования D<1.
иi
р1
п
Преобразование в БОиУ 10 выполняется таким образом, чтобы целевая функция приложенная к полученным моментам времени F(T, T) достигала оптимума при наилучшем совпадение параметров измеренных и расчетных тонов 3 Короткова, а полученное в этом случае непрерывное давление будет соответствовать АД в плече.
По полученным в результате преобразования значениям АД, измеренного непрерывно, также с помощью БОиУ 10 определяют значения САД и ДАД в каждом сердечном сокращении. В результате АД вычисляется не по границам возникновения или исчезновения тонов Короткова, а непосредственно путем определения в каждом сердечном сокращении величин максимального (систолического) и минимального (диастолического) по полученной в результате преобразования непрерывной кривой давления.
Заявляемое устройство применяют следующим образом.
Располагают на плече одной руки пациента ПлМ 7 и помещают ДЗК 6 на проекцию плечевой артерии в локтевой ямке.
Если в качестве метода непрерывного измерения АД выбран метод разгруженной артерии (Фиг. 2), то на пальце другой части тела пациента (второй руки) размещают ФПС 13 и КПМ 14. Внешнее давление производят в соответствии с сигналом фотоплетизмограммы, используемым в цепи обратной связи ФПС 13 с БОиУ 10, таким образом, чтобы кровенаполнение сосудов пальца соответствовало максимальному уровню. Выполнение этого условия, в соответствии с принципом Пеньяза, обеспечивает равенство внешнего давления и измеряемого параметра АД, и позволяет непрерывно измерять АД в пальцевых сосудах.
Если в качестве метода непрерывного измерения АД выбран аппланационный метод (Фиг. 3), то на запястье другой руки над лучевой артерией или на виске располагают ТД 15. На ТД 15 при помощи механического привода через УПД 16 оказывают внешнее давление такой величины, чтобы наблюдались максимальные пульсации давления. Максимальные пульсации возникают, когда среднее давление внутри сосуда равно давлению снаружи. Основываясь на третьем законе Ньютона, давление внутри прямо пропорционально силе, которая вызывает уплощение сферической поверхности и косвенно пропорциональна площади контакта, что позволяют измерять АД на основе сигнала с ТД 15.
Если в качестве метода непрерывного измерения давления выбран метод измерения давления по скорости распространения пульсовой волны (Фиг. 4), то на палец помещается ФПД 17 и одновременно регистрируется ЭКГ с ДЭКГ 18. Вычисление АД на каждом сердечном сокращении основано на времени распространения пульсовой волны, которое определяется из ЭКГ и фотоплетизмографического сигнала с пальца.
Одновременно с непрерывным измерением давления периодически выполняют подъем давления в ПлМ 7 выше уровня САД и управляемый линейный спуск давления. С помощью БОиУ 10 фиксируют звуковой сигнал от ДЗК 6, расположенного дистальнее места окклюзии.
Далее выполняют обработку и преобразование полученных данных, определяя таким образом АД в плече на каждом сердечном сокращении.
Пример 1.
На Фиг. 5 представлена запись пациента с высокой вариабельностью давления. Оба измерения классическим методом Короткова совпали с моментами низкого САД, что позволило сделать ложный вывод о том, что среднее значение САД соответствует норме (126,5 мм рт.ст.). По непрерывным данным значение САД менялось в диапазоне от 124,5 до 152.5 со средним значением 135.1 мм рт.ст., что является повышенным давлением. На Фиг. 6 представлено увеличенное первое измерение с Фиг. 5, а на Фиг. 7 представлено увеличенное второе измерение с Фиг. 5. Данные измерений сведены в Таблицу 1.
Пример 2.
На Фиг. 8 представлена запись пациента с желудочковой экстрасистолией. Наблюдаются неравномерные тоны Короткова, что затрудняет определение давления классическим методом. Значение САД менялось в диапазоне от 110,2 до 179 со средним значением 145.2 мм рт.ст., значение ДАД изменялось в диапазоне от 41.9 до 117.7 мм рт.ст. со средним значением 84.4 мм рт.ст. На Фиг. 9 представлено увеличенное первое измерение с Фиг. 8, а на Фиг. 10 представлено увеличенное второе измерение с Фиг. 8. Данные измерений сведены в Таблицу 2.
Список использованных источников:
1. Короткое Н.С. К вопросу о методах исследования кровяного давления // Известия Императорской Военно-медицинской академии. - 1905. - Т. 11. - С. 365-367.
2. Williams В. et. al. 2018 ESC/ESH Guidelines for the management of arterial hypertension // European Heart Journal. - 2018. - V. 39. - P. 3021-3104.
3.  J. Patentova Listina, CISLO 133 205. - 1969
4. Penaz. Automatic noninvasive blood pressure monitor. US 4869261. Приор. 27.03.1987. Опубл. 26.09.1989.
5. Inflatable finger cuff. US 4726382 и EP 0260807 заявка EP 19870307192 от 14.09.1987, опубл. 23.03.1988.
6. Inflatable finger cuff for use in non-invasive monitoring of instantaneous blood pressure. Europ. pat. application №0537383; Application number: 91202676.2; Date of filing: 15.10.91; Applicant: Nederlandse organisatie TNO. 21.04.93 Bulletin 93/16.
7. Inflatable finger cuff. US 4726382. Приор. 23.02.1988.
8. Dual-finger vital signs monitor. US 5152296. Опубл. 6.10.1992.
9. Tensys Medical, Inc. Method and apparatus for non-invasively measuring hemodynamic parameters using parametrics // Patent # 9,814,398 - 2013.
10. Gesche H, Grosskurth D, Kuchler G, Patzak A. Continuous blood pressure measurement by using the pulse transit time: comparison to a cuffbased method. Eur J Appl Physiol 2012; 112:309-315.
11. CNSystems https://www.cnsystems.com/products/cnap-monitor-500.
12. Finapres http://www.finapres.com/.
13. Gizdulich P., Prentza A, Wesseling K.H. Models of brachial to finger pulse wave distortion and pressure decrement. Cardiovascular research - 1997 - V. 33 - p.p. 698-705.