Разработка гидроманжетного прибора для мониторинга гемодинамических параметров

УДК 681.2.08:57.087

М. С. Геращенко, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко

РАЗРАБОТКА ГИДРОМАНЖЕТНОГО ПРИБОРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ГЕМО ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

M. S. Gerashhenko, S. I. Gerashhenko, S. M. Gerashhenko

HEMODYNAMIC PARAMETERS HYDROCUFF MONITORING

DEVICE DEVELOPMENT

Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования является разработка гидроманжетной технологии формирования осцилляций для мониторинга гемодинамиче-ских параметров у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Целью исследования является разработка устройства, реализующего использование гидроманжетной технологии для определения основных гемодинамических параметров. Материалы и методы. При разработке гидроманжетной технологии получения осцилляций использовались методы схемотехнического проектирования измерительных устройств в среде LabVIEW. Результаты. Произведен анализ основных погрешностей, свойственных осцилляторным методам, основанным на использовании воздушной компенсационной манжеты. Показана перспективность применения гидроманжетной технологии формирования осцилляций для оценки гемодинамических параметров. Выводы. Показана возможность и пути реализации нового класса приборов для решения актуальной задачи оценки гемодинамических параметров.

Abstract. Background. The object of the study is in developing of the hydracuff technology of oscillation formation for hemodynamic parameters monitoring in patients with cardiovascular disease (CVD). The aim of the study is to develop a device that implements the use of hydrocuff technology for determining the main hemodynamic parameters. Materials and methods. The methods of circuit design of measuring devices at LabVIEW have been used. Results. The analysis of the basic errors inherent to oscillatory methods based on the use of air compensation cuffs is evaluated. The prospect of hydrocuff technology of oscillations formation for the assessment of hemodynamic parameters is shown. Conclusions. The possibility and ways of a new class device realization to solve the relavant task of hemodynamic parameters evaluation are shown.

Ключевые слова: тонометры, осцилляторные методы оценки давления, гидроманжетная технология формирования осцилляций.

Key words: blood pressure monitors; pressure evaluation oscillometric methods; the hydrocuff technology of oscillations formation.

Введение

Оценка гемодинамических параметров широко применяется в настоящее время при интенсивной терапии [1]. Однако в основном их получение основано на применении инвазивных методов диагностики. В первую очередь это связано с требованиями по точности представления гемодинамических параметров. В инвазивных методах высокая точность представления

данных обеспечивается за счет применения для оценки ряда параметров прямых методов. Кроме того, при обработке сигналов используются реально снимаемые значения пульсовой волны.

Травматичность инвазивного метода оценки гемодинамических параметров существенно ограничивает его применение и делает практически невозможным использование в бытовых условиях.

В этой связи актуальными являются разработки, позволяющие производить оценку гемодинамических параметров неинвазивными методами. Широкое внедрение методов оценки гемодинамических параметров связано с разработкой недорогих, компактных, простых в обращении комплексов.

Анализ предметной области

Современные компьютерные системы позволяют решать ряд задач, связанных с получением и обработкой сигналов [2], однако, задача получения и преобразование исходных сигналов для оценки гемодинамических параметров при неинвазивных методах остается нерешенной.

Одним из методов получения данных при оценке гемодинамических параметров является объемная компрессионная осциллометрия. Однако применение воздушной манжеты вследствие сжимаемости воздуха существенным образом изменяет форму осциллометрической кривой. Кроме того, значительную неопределенность в нахождении характерных точек вносят шумы, механические колебания, различного рода артефакты.

В данной статье в качестве исходных сигналов предлагается использовать осцилломет-рическую кривую, получаемую на основе гидроманжетной технологии. Данная технология для решения задач оценки гемодинамических параметров ранее не применялась и, как показали предварительные исследования, обладает уникальностью.

Основные преимущества гидроманжетной технологии связаны с существенным увеличением амплитуды и малыми искажениями формы осцилляций. Это создает предпосылки к существенному увеличению точности оценки гемодинамических параметров для неинвази-ных методов их оценки.

Гемодинамические процессы связаны с циркулированием крови в сердечно-сосудистой системе (ССС). В медицинском плане в задачу оценки гемодинамических параметров входит нахождение взаимосвязи между оцениваемыми параметрами гемодинамики и определенными видами патологий, вызванных наличием заболеваний ССС. В целом гемодинамические параметры характеризуют артериальное давление (АД), сердечную деятельность и состояние сосудистой системы.

В настоящее время разработано множество систем, способных прямым или косвенным методом оценивать гемодинамические параметры.

Одним из приборов, наиболее близко совпадающих по целям и задачам, поставленным в настоящей статье, является неинвазивный аппаратно-программный КАП ЦГосм-«Глобус» [3, 4].

В основу работы комплекса положен метод объемной компрессионной осциллометрии. Согласно алгоритму обработки сигнала находят точки, соответствующие основным значениям артериального давления [5].

Основной проблемой объемной компрессионной осциллометрии является низкая точность оценки значений давления и плохая воспроизводимость получаемых данных. Эти факторы обусловлены незначительной амплитудой осцилляций (1-2 мм рт.ст. для стандартной компрессионной манжеты), формируемых в воздушной компрессионной манжете. При давлении в манжете 100 мм рт.ст. осцилляции составляют 1-2 %, при 200 мм рт.ст. 0,5-1 %. В этих условиях значительную неопределенность в нахождении характерных точек вносят шумы, механические колебания, различного рода артефакты. В целом погрешность оценки значений давления в характерных точках от указанных факторов может составлять 5-6 %.

Точность определения точек перегиба существенным образом зависит от скорости компрессии. Определенную долю погрешности вносят датчики давления и цифроаналоговые преобразователи. В среднем для датчиков давления, используемых в компенсационной осцилло-метрии, с учетом преобразования погрешность составляет 2-3 %.

Оценивая суммарную погрешность от перечисленных выше факторов можно сказать, что погрешность оценки значений различных типов АД составляет от 10 до 30 %.

Важное значение для показателей кровообращения представляют параметры, характеризующие сердечную деятельность. Отличительная особенность этих параметров с метрологической точки зрения заключается в том, что они являются расчетными. При их оценке учитывается форма, фазовая структура кривой пульсовой волны и ее изменения в динамике. Формирование пульсовой волны происходит в зависимости от временного интервала между прямой и отраженной волной. Прямая волна формируется ударным объемом крови во время систолы и направляется от центра к периферии. В местах разветвлений крупных артерий формируется второй компонент пульсовой волны - отраженная волна. Она распространяется от периферических артерий к сердцу. Воздух является сжимаемой средой. Вследствие этого происходит существенное изменение формы пульсовой волны по сравнению с ее формой в сонной артерии. Этот факт практически исключает возможность использования формы пульсовой волны, формируемой воздушной компрессионной манжетой, при оценке основных показателей сердечной деятельности.

В Национальных рекомендациях по диагностике и лечению артериальной гипертензии (ВНОК, РМОАГ, 2008 г.) и в Национальных рекомендациях по кардиоваскулярной профилактике (ВНОК, 2011 г.) в список представленных гемодинамических параметров вошла скорость распространения пульсовой волны (СПВ, PWV) как интегральный показатель повышения сосудистой жесткости и лодыжечно-плечевой индекс (ЛПИ, ABI) [6].

Для оценки скорости пульсовой волны используется методика, основанная на оценке временного интервала пройденного пульсовой волной на определенном расстоянии [7]. Наряду с оценкой сосудистой жесткости важность точной оценки скорости пульсовой волны заключается в том, что ее значение учитывается при расчете многих основных показателей сердечной деятельности состояния сосудов.

Погрешности оценки значения скорости пульсовой волны существенно зависят от шумов, механических колебаний и различного рода артефактов.

Следует также отметить, что на скорость пульсовой волны влияет механическое изменение площади поперечного сечения артерий. Этот факт требует минимальных значений давления компрессионной манжеты при оценке временного интервала. Максимальная амплитуда осцилляций соответствует среднему значению АД. При этих значениях происходит существенное сужение сечения артерии. При значениях давления, приближенного к значению диа-столического давления, амплитуда осцилляций практически исчезает и соизмерима с амплитудой шумов 0,1-0,2 мм рт.ст.

В качестве недостатка рассмотренного комплекса следует отметить его высокую стоимость и необходимость использования персонального компьютера. Этот факт практически исключает возможность широкого применения комплекса в домашних условиях для индивидуального пользования.

Разработка гидроманжетной технологии формирования осцилляций

В настоящей статье предлагается гидроманжетная технология формирования осцилляций, позволяющая существенно увеличить их амплитуду [8, 9]. На рис. 1 приведен график изменения амплитуды осцилляций при использовании в компрессионной плечевой манжете в качестве рабочего тела жидкости.

По оси Y (10 мВ / 1 мм рт.ст.) представлены оцифрованные значения давления при декомпрессии. Из графика видно, что амплитуда осцилляций, получаемых на основе гидроманжетной технологии, достигает 17 мм рт.ст. Такая амплитуда практически снимает проблему влияния шумов и позволяет производить измерения при значениях давления, близких к диа-столическому. То есть устраняет влияние изменения сечения артерии при оценке скорости пульсовой волны.

Следующее преимущество гидроманжетной технологии связано с совпадением формы и фазовой структуры осцилляций с фазовой структурой давления в сонной артерии. Это позволяет получать качественные показатели сердечной деятельности на основе оценки дифференциальных и интегральных характеристик пульсовой волны [10].

14IE16_15?122\ j К. выбору диреитоси» |

Рис. 1. График изменения амплитуды осцилляций при использовании в компрессионной плечевой манжете в качестве рабочего тела жидкости

Немаловажное преимущество гидроманжетной технологии связано с повышением точности оценки значений АД. При наличии двух манжет гидроманжетная технологи позволяет определять значения систолического и диастолического давлений по моментам, соответствующим появлению и исчезновению пульсаций в нижней манжете. На рис. 2 представлены осциллограммы осцилляций. Появление пульсаций в нижней манжете наступило при давлении в верхней манжете, равном 160 мм рт.ст. Это значение соответствует систолическому давлению. Аналогично определяется диастолическое давление. Данная технология при использовании тарированных прецизионных датчиков давления, 16-разрядных аналого-цифровых преобразователей и скорости декомпрессии 0,2-0,3 мм рт.ст. позволяет получать погрешность оценки давления не хуже 1 мм рт. ст.

Iti 11«

iMVi * j j i f ! ! t f I

«1ÍI «X0 «r» MOOO WMO «500 W7» 70000 5«» KflOO 707» 71000 71Д0 7!500 71750 7»

IM

Рис. 2. Осциллограммы осцилляций в компрессионных жидкостных манжетах

Несомненным преимуществом гидроманжетной технологии является возможность реализации методики адаптивной компрессии и декомпрессии.

Анализ графика формы осцилляций показывает, что изменения значения давления в промежутке между интервалами сердечных сокращений прямыми методами осуществить невозможно. В этой связи возникают погрешности, значения которых могут изменяться в пределах от нуля до значения падения давления в промежутке между интервалами сердечных сокращений. Например, при частоте 60 ударов в минуту и скорости декомпрессии 3 мм рт.ст./с, погрешность может достигать 3 мм рт.ст.

С целью повешения точности определения верхней и нижней границ значений артериального давления в соответствии с предлагаемой методикой вводится адаптивный алгоритм декомпрессии. Его суть заключается в уменьшении скорости декомпрессии на порядок вблизи характерных точек.

Реализация методики адаптивной декомпрессии поясняется временной диаграммой, представленной на рис. 3.

Ртах

Рс

Рис. 3. Временная диаграмма методики адаптивной декомпрессии

Метод осуществляется следующим образом. После нагнетания в манжете давления, превышающего уровень систолического давления, начинается процесс декомпрессии с обычной скоростью (например, 3 мм рт.ст./с). В момент появления пульсаций, значение которых превышает ипор, производится автоматическая подкачка давления на 3-4 мм рт.ст. Затем начинается режим медленной декомпрессии со скоростью 0,1-0,3 мм рт.ст./с. Процесс медленной декомпрессии продолжается до момента появления значения сигнала, не превышающего пороговое значение (А).

Далее начинается декомпрессия с обычной скоростью либо ускоренной и продолжается до исчезновения осцилляций, лежащих ниже порогового значения. Как только пульсации превышают ипор, снова происходит подкачка давления в манжете и снижение скорости декомпрессии. Процесс медленной декомпрессии продолжается до того момента, когда значение пульсаций будут ниже ипор(Р2). Затем происходит быстрое снижение давления.

Заключение

С целью повышения точности оценки гемодинамических параметров предложена гидроманжетная технология формирования осцилляций. Ее преимущество, по сравнению с воздушной компенсационной манжетой, заключается в существенном повышении амплитуды ос-цилляций и меньшими искажениями амплитудно-фазовых характеристик пульсовой волны.

Предложен адаптивный алгоритм декомпрессии, который можно применить при использовании гидроманжетной технологии формирования пульсовой волны и обработки сигналов.

Список литературы

1. Системная гемодинамика. - URL: http:///Medical/Physiology/358.html

2. Инновационные технологии в проектировании медицинских диагностических комплексов / Н. Л. Прохоров, А. Я. Олейников, Г. Г. Знайко, В. Е. Красовский, И. Д. Сту-лин, А. А. Швеин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. - 2008. - Вып. 2.

3. Метод объемной компрессионной осциллометрии. - URL: http://gemodinamika.ru/metod-objemnoj-kompressionnoj-oscillometrii.html

4. Комплекс аппаратно-программный неинвазивного исследования центральной гемодинамики методом объемной компрессионной осциллометрии. - URL: http://gemodinamika.ru/

5. КАП ЦГосм-Глобус комплексы аппаратно-программные. - URL: http://www.tdconcord.ru/items/011926.html

6. Национальные рекомендации по кардиоваскулярной профилактике // Кардиоваскуляр-ная терапия и профилактика. - 2011. - № 10 (6). - Приложение 2.

7. Малышев, В. Д. Интенсивная терапия / В. Д. Малышев, И. В. Веденина, X. T. Омаров и др. ; под ред. В. Д. Малышева. - M. : Медицина, 2002. - 584 с.

8. Пат. № 104437 Российская Федерация. Тонометр Геращенко / Геращенко М. С. 2011. -URL: http://bankpatentov.ru/node/78436 (дата обращения: 05.05.2016).

9. Gerashchenko, M. S. Application of the hydrocuff technology for blood pressure evaluation / M. S. Gerashchenko, S. M. Gerashchenko, S. I. Gerashchenko, N. N. Yankina // International Journal of Applied Engineering Research. - 2016. - Т. 11, № 4. - С. 2271-2274.

10. Принципы проектирования компьютеризованных диагностических комплексов для не-инвазивной оценки параметров системы кровообращения // Г. Г. Знайко, И. Д. Стулин, А. А. Швеин, В. Ю. Соловьев, В. Е. Красовский, А. А. Робинзон. - URL: http://pandia.ru/ text/80/014/25454.php

Геращенко Михаил Сергеевич

аспирант,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: mifon1@yandex.ru

Геращенко Сергей Иванович

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

Геращенко Сергей Михайлович

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

Gerashchenko Mikhail Sergeevich

postgraduate student,

Penza State University

Gerashchenko Sergey Ivanovich

doctor of technical sciences, professor,

head of sub-department of medical cybernetics

and informatics,

Penza State University

Gerashchenko Sergey Mikhaylovich

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

УДК 681.2.08:57.087 Геращенко, М. С.

Разработка гидроманжетного прибора для мониторинга гемодинамических параметров /

М. С. Геращенко, С. И. Геращенко, С. М. Геращенко // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 112-117.