Разработка виртуального медицинского диагностического симулятора измерения артериального давления

МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

УДК 53.082:004.9

А. Ю. Тычков, П. П. Чураков, А. Н. Тычкова, О. В. Абросимова

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНОГО МЕДИЦИНСКОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО СИМУЛЯТОРАИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

A. Yu. Tychkov, P. P., Churakov, A. N. Tychkova, О. V. Abrosimova

DEVELOPMENT OF A VIRTUAL MEDICAL DIAGNOSTIC SIMULATOR FOR BLOOD PRESSURE MEASUREMENT

Аннотация. Актуальность и цели. Виртуальные медицинские диагностические симуляторы измерения артериального давления предназначены для регистрации, обработки и экспресс-анализа состояния здоровья человека с использованием специализированного программного обеспечения LabVIEW. Материалы и методы. Для разработки виртуальных медицинских диагностических симуляторов измерения артериального давления используется среда LabVIEW 2013. Результаты. Приведен обзор известных виртуальных приборов измерения артериального давления, обозначены достоинства и недостатки. Разработан виртуальный медицинский диагностический симулятор измерения артериального давления, позволяющий регистрировать, генерировать, обрабатывать и анализировать результаты систолического и диастолического давления. Выводы. Разработан виртуальный медицинский диагностический симулятор в среде программирования LabVIEW для измерения артериального давления, который позволяет продемонстрировать процесс измерения артериального давления, отображения результатов в виде пульсовой волны и прогноза состояния пациента в зависимости от возраста, и может быть использован в качестве медицинского диагностического симулятора измерения артериального давления.

Abstract. Background. Virtual medical diagnostic simulators for blood pressure measurement are used for registration, processing and rapid analysis of a human health status using the specialized software LabView. Materials and methods. LabVIEW 2013 is used for the development of virtual diagnostic simulators for blood pressure measurement. Results. A review of known virtual blood pressure measurement devices is given, their advantages and disadvantages are specified. A virtual medical diagnostic simulator for blood pressure measurement has been developed that allows to record, produce, process and analyze the results of the systolic and diastolic pressure. Conclusions. A virtual medical diagnostic simulator for blood pressure measurement has been developed in the LabVIEW programming environment, which can demonstrate the process of blood pressure measuring, display the results in the form of a pulse wave, and the patient's prognosis depending on his/her age, and can be used as a medical diagnostic simulator for blood pressure measurement.

Ключевые слова: виртуальный симулятор, LabView, артериальное давление. Key words: virtual simulator, LabView, blood pressure.

2016, № 4

97

Введение

Биомедицинские сигналы являются основой для диагностики состояния организма человека. Устройства для регистрации и анализа биомедицинских сигналов становятся все более функциональными, интеллектуальными и сложными. Большинство таких приборов позволяют, кроме непосредственно регистрации сигнала, осуществлять предварительную обработку, анализ данных и представление предварительных результатов в удобном для пользователя виде.

Для проектирования и моделирования приборов медицинского назначения предложено использовать среду LabVIEW 2013.

LabVIEW (LV) - это универсальный пакет, разработанный фирмой National Instruments. [1, 2]. Пакет LV тесно связан с аппаратным обеспечением National Instruments. Возможности пакета могут быть успешно использованы при создании и исследовании систем регистрации и обработки биомедицинских сигналов.

В данной статье рассматриваются построенные в пакете LV 13 виртуальные приборы, или виртуальные медицинские диагностические симуляторы (ВМДС) измерения артериального давления (АД).

Работа осуществлялась при поддержке регионального центра технологий National Instruments кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета [3] и Российского фонда фундаментальных и прикладных исследований РФФИ мол а № 16-31-00194.

Актуальность разработки ВМДС измерения АД

Обработка сигналов типа пульсовых колебаний или артериальной пульсации крови лежит в основе принципа действия современных устройств измерения артериального давления (УИАД).

Артериальное кровяное давление является одним из важнейших показателей состояния здоровья человека. АД есть величина, показывающая, с какой силой движется кровь по сосудам сердца и какое давление она оказывает на стенки и кровеносные сосуды.

Регистрация пульсовой волны происходит по четырем последовательным фазам, описанным Н. С. Коротковым [4]. Первая фаза (рис. 1) начинается от момента возникновения колебаний. Вторая фаза следует после первой фазы и отсчитывается от момента ослабления или исчезновения первичных колебаний. Третья фаза следует после второй фазы и отсчитывается от момента нарастания звуковых явлений. Четвертая фаза следует после третьей фазы и от-считывается от момента выраженного ослабления и исчезновения звуковых явлений.

Рис. 1. Кривые измерения АД

На рис. 2 приведена обобщенная структурная схема УИАД.

i____________i

Рис. 2. Обобщенная структурная схема УИАД

Аналитический обзор известных ВМДС измерения АД

Известен виртуальный прибор (ВП) для измерения АД (рис. 3) [5], выполняющий задачи регистрации и обработки сигналов пульсовой волны.

Рис. 3. Известный ВП для измерения АД

2016, № 4

99

Известный ВП [4] состоит из следующих основных узлов:

- узел накачки и регулирования давления в манжете;

- узел обработки и анализа сигнала пульсовой волны;

- узел сброса результатов измерения.

Первый узел осуществляет процесс накачки давления в манжету (рис. 4). В узле сигнал снимается с датчика АД и поступает на датчик обработки сигналов. Устройство сбора данных состоит из датчика артериального давления и интерфейса сбора данных.

Рис. 4. Узел накачки и регулирования давления в манжете

Второй узел реализует этап обработки сигнала пульсовой волны (рис. 5). На данном этапе считываются значения с датчика давления и сводятся в таблицу. Процесс обработки сигнала начинается с удаления шума, что достигается путем использования фильтра Баттер-ворта 2-го порядка. По отфильтрованному сигналу строится кривая, аппроксимированная по полиному второй степени порядка. Построенная кривая вычитается из поступающих данных, вычисляя пики сигнала. По результатам обработки измеряются значения систолического и диастолического давления по методу Котельникова и заносятся в таблицу.

Рис. 5. Узел обработки и анализа сигнала пульсовой волны

Третий узел известного ВП измерения АД [4] выполняет сброс результатов измерения. Схема узла ВП сброса данных приведена на рис. 6. Данный узел ВП необходим для принудительного завершения процесса измерения и аварийных ситуациях работы устройства.

Недостатками известного ВП измерения АД [6, 7] является использование аппроксимированных функций, позволяющих только приближенно к реальным данным вывести результаты измерения. Кроме того, в известном ВП не учитываются погрешности измерений, связанные с выбором пороговых значений АД и амплитудно-частотными характеристиками фильтра.

Рис. 6. Узел сброса результатов измерения

Разработка ВМДС измерения АД

В рамках статьи разработан новый ВМДС измерения АД [8-10]. ВМДС приведен на рис. 7,а,б и состоит из следующих основных узлов:

- узел сброса результатов измерения;

- узел загрузки сигнала пульсовой волны;

- узел измерения значений АД;

- узел отображения сигнала пульсовой волны.

Узел сброса результатов измерения аналогичен узлу известного ВП [6, 7], приведенного на рис. 5.

Узел загрузки сигнала пульсовой волны при разработке ВМДС измерения АД начинается с построения узлов While Loop и Case, которые позволяют загружать сигналы пульсовой волны в режимах загрузки из файла (рис. 7,а) и при непосредственном снятии сигнала в реальном масштабе времени (рис. 7,б). Для загрузки сигнала пульсовой волны из файла в ВМДС измерения АД используется узел Read Biosignal.

В режиме регистрации сигнала в реальном времени используется узел Simulate. Данный узел задает параметры сигнала пульсовой волны: значения систолического и диастолического давления, пульса, наличия или отсутствия помех различного вида.

Фильтр Filter signal, используемый при разработке ВМДС, выполняет фильтрацию сигнала, подаваемого с узла Simulate или Read Biosignal.

Узел Filter signal задает следующие параметры фильтра:

- Filtering Type (Тип фильтра): Lowpass (нижних частот);

- Cutoff Frequency (Hz) (частота среза, Гц): 50;

- Topology (тип конструкции): Elliptic (эллиптический);

- Order (порядок): 3.

Узел измерения значений АД обозначается как Analysis и позволяет произвести обработку сигнала и выделить в нем информативные параметры: систолическое давление (Systolic pressure), диастолическое давление (Diastolic pressure) и среднее артериальное давление (MAP). Узел позволяет задать пороговые значения (уровни нормы) для систолического и диа-столического давления. Для систолического давления по умолчанию используется пороговое значение - 0,5, для диастолического - 0,78.

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения нормальное давление у людей разного возраста отличается. Для расчета нормального давления в зависимости от возраста пациента приняты формулы:

- для людей в возрасте от 7 до 20 лет значение уровня АД определяется следующим образом:

САД = 1,7 х возраст + 83 ± 5 мм рт.ст.;

ДАД = 1,6 х возраст + 42 ± 5 мм рт.ст.;

- для людей в возрасте от 20 до 80 лет значение уровня АД вычисляется как

САД = 0,4 х возраст + 109 ± 5 мм рт.ст.;

ДАД = 0,3 х возраст + 67 ± 5 мм рт.ст.

В рамках исследования разработан узел определения значения уровня АД в зависимости от возраста (рис. 8).

а)

б)

Рис. 7. ВМДС измерения АД:

а - ВМДС в режиме загрузки сигнала пульсовой волны из файла; б - ВМДС в режиме генерирования сигнала пульсовой волны

а)

б)

Рис. 8. Узел определения уровня АД по возрасту: а - узел ВМДС вычисления АД для людей младше 20 лет; б - узел ВМДС вычисления АД для людей старше 20 лет

Для отображения сигнала пульсовой волны используется узел Waveform Graph, который выводит график сигнала пульсовой волны на лицевую панель ВМДС (рис. 9). На лицевой панели также выводятся значения систолического и диастолического АД, число полных лет пациента и сигнализатор критических состояний, который срабатывает при превышении порога АД у пациентов соответствующей возрастной группы.

Таким образом, в статье разработан ВМДС в среде программирования LV для измерения АД [7, 8], который позволяет продемонстрировать процесс измерения АД, отображения результатов в виде систолического, диастолического давления, пульсовой волны и прогноза состояния пациента в зависимости от возраста, сохранять результаты измерений; обладает удобным и понятийным интерфейсом для людей с ослабленным зрением; сопровождается звуковой сигнализацией, может передавать данные по различным каналам связи (в том числе через Internet), и может быть использован в качестве медицинского диагностического симуля-тора измерения АД.

Давление в манжете

График артериального давления

График пульсовой волны

Загрузить файл Предел систолического давления

;) 0,5

Предел диасголического давления

У °'7

Систолическое давление 121,501

Диастолическое давление 71,9469

Среднее артериальное давление 83,4246

Норма Не Норма 0 #

Стоп

Рис. 9. Лицевая панель ВМДС измерения АД

Список литературы

1. Тревис, Дж. LabVIEW для всех / Дж. Тревис. - М. : ДМК пресс, 2005. - 537 с.

2. Климентьев, К. Е. Основы графического программирования в среде LabVIEW : учеб. пособие / К. Е. Климентьев. - Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2003. -С. 69.

3. Официальный сайт Пензенского государственного университета. - URL: http://www.pnzgu.ru (дата обращения: 02.06.2014).

4. ГОСТ Р 30324.30-2002 (МЭК 60601-2-30-95). Изделия медицинские электрические. Часть 2. Частные требования безопасности к приборам автоматического контроля давления крови косвенным методом. - М. : Изд-во стандартов, 2000. - 45 с.

5. Иванов, С. Ю. Точность измерения артериального давления по тонам Короткова / С. Ю. Иванов, Н. И. Лившиц // Вестник аритмологии. - 2005. - № 40.

6. Blood pressure sensor: user manual. - Vernier : Software & Technology, 2014. - C. 8.

7. Датчики пульсовой волны для диагностики сердечно-сосудистой системы / С. А. Тараканов, В. И. Кузнецов, Н. И. Рыжаков, А. А. Рассадина, В. С. Гайдуков // Вестник новых медицинских технологий. - 2013. - № 1.

8. Tychkov, A. Yu. The development of the arterial pressure registration device with the increased efficiency of work / A. Yu. Tychkov // International Journal of Applied Engineering Research. - 2014. - Vol. 9, № 23. - P. 19729-19740.

9. Tyckov, A. Yu. The software solution of the problems of the biomedical information processing / A. Yu. Tyckov // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе : сб. тр. 4-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - С. 51-54.

10. Абросимова, О. В. Разработка информационно-измерительного устройства регистрации артериального давления с использованием манжеты с автоматическим запястным контуром / О. В. Абросимова, А. Ю. Тычков, П. П. Чураков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 4 (28). -С.119-127.

Тычков Александр Юрьевич

кандидат технических наук, заместитель директора научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: tychkov_a@pnzgu.ru

Чураков Петр Павлович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru

Тычкова Анна Николаевна

начальник инновационно-аналитического отдела, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: shiringuchi@mail.ru

Tychkov Aleksandr Yur'evich

candidate of technical sciences,

deputy director of Scientific-research Institute

of fundamental and applied research,

Penza State University

Churakov Petr Pavlovich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of information

and measuring equipment and metrology,

Penza State University

Tychkova Anna Nikolaevna

head of innovations and analytics department,

Penza State University

2 016 , N^ 4

105

Абросимова Олеся Валерьевна

соискатель,

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

Abrosimova Olesya Valer'evna

applicant,

Penza State University

УДК 53.082:004.9 Тычков, А. Ю.

Разработка виртуального медицинского диагностического симулятора измерения артериального давления / А. Ю. Тычков, П. П. Чураков, А. Н. Тычкова, О. В. Абросимова / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 96-105.