УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к средствам регистрации пульсовой волны для целей диагностики сердечнососудистой деятельности.
Оценке состояния стенок артериальных сосудов придается большое значение для понимания изменений функционального состояния сердечнососудистой системы. Известно, что сигнал пульсовой волны кровяного давления (далее пульсовой волны), распространяющейся по артериальным сосудам тела человека, может достаточно эффективно характеризовать упруговязкое состояние сосудистых стенок.
Известны устройства регистрации пульсовой волны, основанные на следующих принципах съема сигнала пульсовой волны: регистрации изменения оптической плотности кровенесущей ткани с помощью источника облучения и фотоприемника рассеянного светового потока с длинами волн инфракрасного диапазона [патент РФ 2249430], регистрации импедансным методом - с помощью реографических электродов [патент РФ 2261039], тензодатчиков давления [Явелов И.С., Колпаков Е.В. Компьютерный анализатор пульсовой волны и электрической активности сердца «Пульс»// Медицинская техника, 2003, №4, с.11-16], регистрации с помощью емкостных преобразователей, установленных на торцах сильфонов, которые контактными площадками прикладывают к лучевой артерии [патент РФ 2 308 876], пневматической регистрации пульсовых волн с помощью компрессионной манжеты и приемных пьезоэлектрических преобразователей [Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Изд-во: Техносфера, 2006. - с.466].
Устройства пневматической регистрации пульсовой волны с помощью компрессионной манжеты и приемных пьезоэлектрических преобразователей
являются наиболее широко применяемыми для оценки эластических свойств сосудов.
Известно устройство регистрации пульсовой волны, пневматическое приемное устройство которого представляет собой камеру компрессионной манжеты, с одной стороны ограниченную резиновой мембраной, которая накладывается на поверхность тела, с другой - пьезокерамическим диском, который регистрирует колебания давления воздуха в манжете, вызванные прохождением пульсовой волны в сегменте конечности, на которую наложена манжета [Большая медицинская энциклопедия. М.: Сов. энцикл., 1982. Т.24. с.399].
Однако данное устройство обладает низкой чувствительностью и помехозащищенностью, так как регистрируемый сигнал пульсовой волны зависит от состояния контакта передающей манжеты и расположенного вне ее приемного пьезокерамического диска. Кроме того, отсутствие экранирования приемного пьезокерамического диска существенно снижает помехозащищенность устройства.
Известен измеритель артериального давления ИАД-1, прием пульсовых сигналов в котором осуществляется датчиком с чувствительным пьезоэлектрическим элементом, вмонтированным в компрессионную манжету [Большая медицинская энциклопедия. М.: Сов. энцикл., 1982. Т.24. с.400].
Однако используемый пьезоэлектрический элемент, состоящий из одной пьезоэлектрической пластины, чувствителен лишь к высокочастотным составляющим регистрируемого пульсового процесса (тонам Короткова) и не позволяет регистрирововать инфразвуковые компоненты пульсового сигнала, что существенно искажает наблюдаемый сигнал.
Известно устройство регистрации пульсовой волны, включающее датчик, располагаемый под компрессионной манжетой на предплечье пациента, содержащий корпус, крышку с центральным отверстием, пьезокерамический биморфный чувствительный элемент, расположенный в
корпусе параллельно крышке, и пилот, закрепленный в центре биморфного элемента [Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. Изд-во: Техносфера, 2006. - с.445-446]. Биморфный элемент представляет собой две пластины из пьезоэлектрического материала, склеенные между собой таким образом, что при приложении механического усилия одна из пластин будет расширяться, другая - сжиматься, что приведет к изгибной деформации всего биморфного элемента. В отличие от деформации по толщине одной пьезоэлектрической пластины, изгибные деформации биморфного элемента более чувствительны к низкочастотным составляющим сигнала пульсовой волны, что позволяет регистрировать сигнал пульсовой волны со всеми его локальными особенностями, без искажений.
Однако данное устройство не обладает высокой чувствительностью, так как пьезоэлектрический преобразователь расположен под компрессионной манжетой, поэтому регистрируемый сигнал пульсовой волны зависит от состояния контакта датчика с поверхностью кожи и степени давления передающей манжеты на расположенный под ней преобразователь. Кроме того, на пилот датчика также воздействуют акустические шумы, связанные с движением конечности под манжетой или вызванные смещением манжеты.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство регистрации пульсовой волны «Поли-Спектр-СРПВ» фирмы «Нейрософт», основанное на бесконтактной, пневматической передаче сигнала пульсовой волны на приемный пьезоэлектрический элемент, включающее установленный внутри компрессионной манжеты датчик с чувствительным пьезоэлектрическим элементом, помещенный в металлический корпус, нагнетающее устройство с индикатором давления, электрокардиографические электроды и двухканальный усилитель сигналов, первый вход которого соединен с датчиком, второй - с электрокардиографическими электродами, а выход подключен к
персональному компьютеру [ПУЛЬСОВАЯ ВОЛНА [он-лайн], 20.05.2005, [найдено 12.07.2007]. Найден из Интернет: www.neurosoft.ru/old/product/]. В качестве чувствительного элемента датчика пульсовой волны используется одна пьезоэлектрическая пластина.
Устройство работает следующим образом. На исследуемый сегмент верхней или нижней конечности пациента накладывается облегающая манжета, в которую нагнетается давление. При прохождении пульсовой волны колебания воздуха в манжете пневматически передаются на датчик, встроенный в манжету. Вид пульсовой кривой определяют с помощью регистрирующего прибора (персонального компьютера). Кроме того, для расширения функциональных возможностей устройства, оно снабжено вторым каналом, состоящим из электрокардиографических электродов и двухканального усилителя сигналов, для синхронной записи сигналов пульсовых волн и электрических потенциалов сердца.
Данное техническое решение позволяет получать полную информацию о состоянии сердечно сосудистой системы.
Расположение пьезоэлектрической пластины внутри компрессионной манжеты позволяет обеспечить независимость регистрации сигнала пульсовой волны от степени прижатия датчика к поверхности кожи и способа его крепления, а также от индивидуальных особенностей пациентов и позволяют использовать данные устройства для ранней диагностики атеросклеротических заболеваний артериальных сосудов верхних и нижних конечностей, расположенных не так близко к поверхности.
Однако, несмотря на это, известное устройство имеет ряд недостатков.
В качестве чувствительного элемента датчика используется одна пьезоэлектрическая пластина, что не обеспечивает максимальной чувствительности при приеме пульсового сигнала. Происходящая деформация пьезоэлектрической пластины по толщине при приеме пульсовых волн чувствительна лишь к высокочастотным компонентам
пульсового сигнала, что существенно искажает форму регистрируемых пульсовых кривых.
Из-за большой площади соприкосновения компрессионной манжеты с конечностью регистрируемый сигнал является результатом интегрирования колебаний давления воздуха по всей площади соприкосновения манжеты с поверхностью тела. В результате отсутствует локальность измерений, искажается форма регистрируемого сигнала, невозможно точно определить местоположение нарушения кровотока, что затрудняет диагностику состояния сосудистых стенок.
Кроме того, при таком расположении датчика в широкой облегающей манжете не исключается его смещение внутри манжеты, что ухудшает локальность измерений, повышается вероятность появления помех, что существенно снижает чувствительность устройства.
В основу полезной модели положена задача повышения чувствительности измерения за счет использования изгибных деформаций пьезоэлектрических пластин датчика пульсовой волны, увеличения собственного сопротивления устройства, повышения локальности и помехозащищенности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве регистрации пульсовой волны, включающем установленный внутри компрессионной манжеты датчик с чувствительным пьезоэлектрическим элементом, помещенный в металлический корпус, нагнетающее устройство с индикатором давления, электрокардиографические электроды и двухканальный усилитель сигналов, первый вход которого соединен с датчиком, второй - с электрокардиографическими электродами, а выход подключен к персональному компьютеру, согласно полезной модели датчик снабжен дополнительным чувствительным пьезоэлектрическим элементом, чувствительные пьезоэлектрические элементы соединены между собой последовательно, при этом датчик жестко закреплен внутри компрессионной манжеты, ширина которой соответствует его диаметру.
При этом:
- каждый чувствительный пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пластины из пьезокерамического материала одинакового диаметра и толщины.
- ширина компрессионной манжеты не превышает диаметр датчика более чем на 20-30 мм.
- корпус датчика выполнен из ферромагнитного материала.
Выбор ширины манжеты в соответствии с диаметром датчика обеспечивает минимальную площадь соприкосновения манжеты с исследуемым сегментом конечности, что позволяет повысить локальность измерений и регистрировать форму сигнала пульсовой волны без искажений, что существенно увеличивает чувствительность заявляемого устройства.
Жесткое крепление датчика внутри манжеты позволяет обеспечить независимость регистрации сигнала пульсовой волны от способа крепления датчика к коже пациента над исследуемой артерией и состояния контакта датчика со стенками манжеты, что существенно повышает помехозащищенность измерений, улучшая чувствительность заявляемого устройства в целом. Жесткая фиксация датчика внутри узкой манжеты, повышая локальность измерений, также снижает погрешность определения времени запаздывания регистрируемого сигнала пульсовой волны на исследуемом участке артериального сосуда относительно ЭКГ.
Снабжение датчика, жестко зафиксированного в узкой манжете, дополнительным чувствительным пьезокерамическим элементом такого же размера и материала, что и основной, и их последовательное соединение, образует биморфный элемент, более чувствительный к низкочастотным компонентам пульсового сигнала. Дополнительный чувствительный пьезокерамический элемент, увеличивая собственное сопротивление датчика, в свою очередь увеличивает величину напряжения регистрируемого сигнала, что при обеспечении локальности значительно повышает чувствительность устройства.
Кроме того, увеличение сопротивления датчика значительно повышает помехозащищенность устройства.
Выполнение корпуса из ферромагнитного материала обеспечивает эффективное экранирование датчика от внешних низкочастотных электромагнитных полей и тем самым также повышает чувствительность и помехозащищенность заявляемого устройства.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в увеличении чувствительности измерений.
На фиг.1 показана структурная схема заявляемого устройства;
На фиг.2 показана конструкция датчика;
На фиг.3 представлена схема последовательного подключения пьезокерамических пластин чувствительного элемента датчика
На фиг.4 представлен пример синхронной записи сигнала пульсовой волны и ЭКГ в норме (кривая а) и при нарушении ритмичности сердечных сокращений (кривая б), осуществленной с помощью заявляемого устройства.
На фиг.5 представлены примеры синхронной записи сигнала пульсовой волны и ЭКГ с помощью устройства-прототипа (кривая а) и заявляемого устройства (кривая б).
Устройство регистрации пульсовой волны (фиг.1) состоит из установленного в компрессионной манжете 1 шириной 40-45 мм датчика 2 диаметром 15 мм в металлическом корпусе 3 (фиг.2) из ферромагнитного материала. Ширина компрессионной манжеты 1 не превышает диаметр датчика 2 более чем на 20-30 мм.
Датчик 2 включает два чувствительных пьезокерамических элемента 4 и 5 соответственно, соединенных последовательно между собой. Устройство регистрации пульсовой волны содержит также нагнетающее устройство в виде груши 6 с индикатором 7 давления, электрокардиографические электроды 8 и двухканальный усилитель 9 сигналов, первый вход которого соединен с датчиком 2, а второй - с электрокардиографическими
электродами 8, выход усилителя 9 подключен к персональному компьютеру 10.
Датчик 2 состоит из в корпуса 3, изготовленного из низкоуглеродистой стали Ст-20, двух чувствительных пьезокерамических элементов 4 и 5, каждый из которых выполнен в виде пластины из материала ЦТС-19. Пластины имеют одинаковый диаметр и толщину и склеены между собой. Кроме того, датчик 2 содержит переходное пластмассовое кольцо 11, которое приклеено к корпусу 3, на корпус 3 плотно насаживается крышка 12, имеющая отверстия 13, 14 - для пропускания воздуха из манжеты 1 и отверстие 15 - для выхода кабеля 16 от датчика 2.
Для повышения чувствительности датчика 2 по напряжению чувствительные пьезокерамические элементы 4 и 5, соединены между собой последовательно, таким образом, что направления поляризации Е пластин - противоположны (фиг.3). В результате в два раза увеличивается собственное сопротивление датчика 2, и развиваемое напряжение на датчике 2 в два раза больше при том же изменении давления воздуха в манжете 1, чем при наличии одной пьезоэлектрической пластины. Стальной корпус 3 датчика 2, выполненный из ферромагнитного материала, с толщиной стенок 1 мм обеспечивает эффективное экранирование от помех промышленной частоты, что позволяет получить «чистый» сигнал с датчика 2 без помех.
Устройство работает следующим образом.
Компрессионная манжета 1 со встроенным датчиком 2 накладывается на исследуемую верхнюю или нижнюю конечность. В манжету 1 с помощью груши 6 нагнетается давление воздуха до 180-200 мм рт.ст. и на фоне его снижения регистрируются колебания стенок пульсирующих артериальных сосудов. Контроль давления ведется с помощью индикатора 7 давления (аналогового манометра ММТ-1 с погрешностью измерений ±3 мм рт.ст., ТУ 25-18.001-87). При распространении пульсовой волны по исследуемому участку сосуда компрессионная манжета 1 воспринимает пульсовые
изменения объема артерии, находящейся под ней, и через воздушную среду своей камеры передает осцилляции давления встроенному датчику 2.
0
-
+
Принцип действия датчика 2 заключается в том, что загерметизированное пространство корпуса 3 датчика 2 заполнено воздушной средой с некоторым постоянным давлением Р. Объемные изменения давления Р в манжете 1, вызванные прохождением пульсовой волны в сосуде, пневматически передаются на пластину чувствительного пьезокерамического элемента 4 датчика 2, что приводит к сжатию верхней пластины 4 и индуцированию на ней напряжения отрицательной полярности Е, в это же самое время нижняя пластина 5 испытывает растяжение и на ней возникает напряжение положительной полярности Е. В целом это приводит к изгибным деформациям чувствительных пьезокерамических элементов 4 и 5 датчика 2 (фиг.3) именно за счет сохранения герметичности корпуса 3. Выходное напряжение, пропорциональное прогибу чувствительных пьезокерамических элементов 4 и 5 датчика 2, является электрическим сигналом пульсовой волны. Частота прогибов пластин соответствует частоте артериального пульса. Возникающий электрический сигнал на обкладках пластин чувствительных пьезокерамических элементов 4 и 5 датчика 2, вызванный изменением давления в манжете 1, подается на первый вход двухканального усилителя 9 и затем вводится в персональный компьютер 10 через АЦП (на чертеже не показано). Одновременно происходит также регистрация сигнала ЭКГ с помощью электрокардиографических электродов 8 и усиление сигнала ЭКГ через второй канал двухканального усилителя 9.
В разработанном устройстве для окклюзии исследуемого участка артериального сосуда используется компрессионная манжета 1, имеющая цилиндрическую пневмокамеру, внутри которой жестко зафиксирован датчик 2. Размеры манжеты 1: длина 380 мм, ширина 45 мм, - определяются необходимостью встроить в нее датчик 2, что обеспечивает минимальную площадь соприкосновения манжеты с поверхностью исследуемого участка артерии, улучшает локальность измерений, дает более точные результаты в
определении упруго-вязких свойств данного участка артерии по регистрируемым параметрам пульсовой волны. Протяженность спада давления в манжете 1 с 200 до 20 мм рт.ст. в среднем составляет 50 с, средняя скорость спада давления - 5 мм рт.ст./с.
Для обеспечения портативности прибора и комплексной записи в одном масштабе времени процессов, связанных с деятельностью сердца, в устройстве предусмотрен второй канал двухканального усилителя 9 сигналов ЭКГ. Для снятия сигнала ЭКГ использовалось первое стандартное отведение по схеме рука-рука, электрод «земля» расположен на лбу. Пример синхронной записи сигналов пульсовой волны и ЭКГ в норме (кривая а) и при нарушении ритмичности сердечных сокращений (кривая б) с помощью заявляемого устройства показан на фиг.4.
1
2
Снабжение датчика 2 дополнительным чувствительным пьезокерамическим элементом 5, а также использование узкой компрессионной манжеты 1 с жестко закрепленным в ней датчиком 2 позволило повысить чувствительность устройства и регистрировать сигналы пульсовых волн с четко выраженными максимумами первой и второй положительных волн (А и А, фиг.5б) сигнала пульсовой волны.
Заявляемое устройство позволяет регистрировать сигнал пульсовой волны в артериях верхних и нижних конечностей человека, проводить диагностику сердечно-сосудистой системы по нескольким параметрам: форме пульсовых кривых, измерению времени запаздывания сигнала пульсовой волны относительно сердечной систолы (R зубца ЭКГ), характеризующее эластичность сосудистой стенки.
Разработанное устройство может быть подключено к любому персональному компьютеру через АЦП звуковой карты, что обеспечивает мобильность устройства и возможности обработки и хранения регистрируемых данных в памяти персонального компьютера.
Пример измерений скорости распространения пульсовой волны на различных участках сосудистой трассы верхних и нижних конечностей с
помощью заявляемого устройства приведен в таблице. Исследуемые пациенты отличались по половому и возрастному признаку. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными [Фофанов П. Н. Упруговязкие свойства стенок артериальных сосудов, сосудистый тонус, Ленинград, 1977 г. - 254 с.].
Таблица
Артерия
1
2
3
4
Бедренная артерия (бедро), норма - 8.5 м/с
муж, 30 лет
жен., 22 г.
муж, 23 г.
жен., 22 г.
7.6±1.0 м/с
6.3±0.9 м/с
7.1±0.9 м/с
8.7±0.8 м/с
Задняя больше-берцовая артерия (голень), норма - 13.0 м/с
муж, 60 лет
жен., 58 лет
жен., 21 г.
муж, 30 лет
12.3±1.6 м/с
11.5±1.1 м/с
11.3±1.2 м/с
12.9±1.3 м/с
Плече-лучевая артерия (плечо), норма - 7.7 м/с
муж, 25 лет
7.2±0.9 м/с
лучевая артерия (запястье), норма - 11.5 м/с
жен., 22 г.
9.6±1.3 м/с
Как видно из таблицы, заявляемое устройство обеспечивает получение информации о состоянии стенок артериальных сосудов, без проведения трудоемких анализов и, не требуя дорогостоящего оборудования, что может эффективно применяться на практике для ранней диагностики атеросклеротических заболеваний сосудов верхних и нижних конечностей.