Способ определения ударного объема сердца человека
METHOD FOR DETERMINING THE STROKE VOLUME OF THE HUMAN HEART

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерений в медицине для диагностических целей, в частности измерения тока крови, и может быть использовано для создания методов и средств диагностики сердечно-сосудистой системы, основанных на определении ударного объема сердца человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Количественная оценка объема кровообращения и постоянный динамический контроль изменений показателей центральной гемодинамики имеет важнейшее значение для оценки функционального состояния сердца у здоровых и больных людей разного возраста. Ключевым показателем сократительной функции миокарда является ударный объем сердца (иначе – ударный объем левого желудочка, систолический выброс крови, сердечный выброс).
Известен способ определения ударного объема сердца, описанный в RU2384291C1 (опубл. 20.03.2010). Согласно этому способу инвазивно измеряют диастолическое, пульсовое артериальное давление, а ударный объем сердца определяют по эмпирической формуле, включающей в качестве переменных указанные параметры артериального давления, возраст пациента и согласующий коэффициент, учитывающий частоту сердечных сокращений. Однако этот способ предполагает инвазивное определение параметров артериального давления крови, а также имеет ограниченное применение, поскольку эмпирически найденные соотношения применимы только для больных без пороков сердца.
В RU2186520C1 (опубл. 10.08.2002) описан способ определения ударного объема сердца, согласно которому значение ударного объема сердца, полученное по формуле Старра, умножают на разные коэффициенты в зависимости от значения систолического и диастолического давления, а также возраста и пола. Недостатком данного способа является то, что ударный объем сердца определяют путем математических операций, производимых со значениями артериального давления. В настоящее время научно обосновано, что это не верно. «Непредсказуемый характер ошибки, заложенной в подобные формулы, был убедительно показан еще в конце 1950-х годов» (см. Кровообращение и анестезия / Под ред. К. М. Лебединского. – СПб: Изд. «Человек», 2015. С. 243. URL: https://www.mmbook.ru/catalog/anesteziologija/108011-detail).
В RU2190951C1 (опубл. 20.10.2002) описан способ определения систолического выброса крови посредством наложения сдавливающей манжеты, при котором измеряют величину систолического и диастолического давления, площадь поперечного сечения артерии и длину участка, заключенного под манжетой, а о значении систолического выброса крови судят по выражению вида
где  - систолический выброс, см³;
– систолическое давление, мм рт. ст.;
– диастолическое давление, мм рт. ст;
– площадь сечения плечевой артерии на уровне помещения манжеты, определение по номограммам, см²;
– длина сосуда, помещенного под манжету, см.
Данный способ также является результатом вычислительных манипуляций со значениями систолического и диастолического давлений, поэтому он имеет тот же недостаток, что и предыдущий.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание простого, надежного, физиологически обоснованного и не требующего специальной калибровки неинвазивного способа определения ударного объема сердца человека, реализуемого с использованием привычных технических средств, таких как охватывающая плечо пациента окклюзионная манжета с управляемым компрессором и измерением параметров артериального давления. Как следствие, настоящее изобретение расширяет арсенал технических средств, которые могут быть использованы для осуществления способа определения ударного объема сердца.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением способ определения ударного объема сердца человека включает регистрацию пульсовой волны с помощью датчика давления, установленного с возможностью регистрации давления в манжете, охватывающей плечо, при окклюзионном давлении в манжете, равном среднему артериальному давлению крови, при этом ударный объем сердца  определяют как
где  – площадь сечения аорты;
– ширина пневмокамеры манжеты;
– среднее значение давления пульсовой волны за период времени от начала пульсовой волны до дикротического подъема;
– максимальное значение давления пульсовой волны.
Идея, положенная в основу изобретения, связана с тем, что если определить объем крови, прошедшей по плечевой артерии за одно сердечное сокращение, -  и сечение артерии  то, зная априори сечение аорты  можно определить ударный объем сердца  Последнее определяется известным физиологическим фактом: когда пациент находится в состоянии покоя в положении лежа, соотношение объема крови, прошедшей за одно сердечное сокращение по крупному сосуду, в данном случае плечевой артерии, и ударного объема сердца, то есть объема крови, выброшенного левым желудочком в аорту, по существу равно соотношению площади сечения этого сосуда и площади сечения аорты, иначе:
Для определения площади сечения аорты существуют различные методы, как инструментальные, так и расчетные на основе антропометрических данных (например, описанные в: Arik Wolak at al. Aortic Size Assessment by Noncontrast Cardiac Computed Tomography: Normal Limits by Age, Gender, and Body Surface Area // JACC: Cardiovascular Imaging. 2008. Vol. 1. No. 2. URL: https://radiology-universe.org/calculator/ascending-aorta-diameter/11005.pdf), и, как правило, такие медицинские данные для конкретного человека имеются. Более того, этот анатомический параметр не относится к вариабельному в течение короткого промежутка времени. Однако определение других указанных параметров в упомянутых условиях, с применением обычных средств измерения артериального давления, является неочевидной задачей.
Объем крови  прошедшей за одно сердечное сокращение по плечевой артерии, может быть определен как
где  – упомянутое среднее значение давления пульсовой волны за период времени от начала пульсовой волны до дикротического подъема (момента закрытия аортального клапана);
– так называемый комплайнс манжеты – параметр, характеризующий ее эластичность как соотношение изменения объема манжеты  к изменению давления в манжете  вызванному пульсовой волной от протекающей по плечевой артерии крови, иначе:
Выбранный период времени (от начала пульсовой волны до дикротического подъема) определения среднего значения давления пульсовой волны соответствует времени, когда в условиях окклюзионного давления в манжете, равного среднему артериальному давлению крови, через плечевую артерию свободно проходит поток крови. Соответственно, выражение (3) справедливо для указанных условий осуществления способа определения ударного объема крови в соответствии с настоящим изобретением.
Площадь сечения плечевой артерии  может быть определена в момент систолы, когда наблюдается максимальное значение давления пульсовой волны, соответствующее объему участка плечевой артерии под манжетой (произведение площади сечения  плечевой артерии на ширину пневмокамеры манжеты – ).  В этом случае справедливо следующее соотношение:
где  – упомянутое максимальное значение давления пульсовой волны.
Соответственно, площадь сечения плечевой артерии определяется как
Принимая во внимание соотношения (2), (3) и (5), получаем выражение (1), являющееся одним из существенных признаков настоящего изобретения.
Отметим, что приведенные соотношения справедливы при указанных условиях осуществления способа, а именно регистрации пульсовой волны и оценке ее параметров при создаваемой манжетой окклюзионном давлении, равном среднему артериальному давлению крови.
В результате определение ударного объема сердца обеспечивается обычными операциями, выполняемыми с помощью охватывающей плечо пациента окклюзионной манжеты с подключенным к ней измерителем давления, простой оценкой двух параметров пульсовой волны и получением искомого значения ударного объема сердца без использования калибровки.
С целью уменьшения инструментальной погрешности предпочтительно использовать манжету, согласованную с окружностью плеча. Известно, что размер пневмокамеры манжеты должен соответствовать окружности плеча: охватывать не менее 80 % окружности и не менее 40 % длины плеча. Пневмокамеры манжет имеют типоразмеры, установленные ГОСТ 31515.1-2012 «Сфигмоманометры (измерители артериального давления) неинвазивные» (см. табл. 1).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена общая схема примера осуществления способа определения ударного объема сердца в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 2 представлены график изменения давления в манжете и график регистрируемой пульсовой волны в процессе осуществления способа.
На Фиг. 3 представлен график пульсовой волны (осциллограмма) за один сердечный цикл с характерными параметрами, используемыми для определения ударного объема сердца в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма как последовательности действий определения ударного объема сердца в соответствии с настоящим изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один из возможных примеров осуществления изобретения проиллюстрирован на Фиг. 1. В частности, был использован Монитор гемодинамики операционный МГО-01 «ОПЕРПУЛЬС» производства АО «МИКАРД-ЛАНА» – медицинское изделие, зарегистрированное в Росздравнадзоре Министерства здравоохранения РФ (регистрационное удостоверение № ФСР 2010/09366 от 21 декабря 2020 г.). Общая схема определения ударного объема сердца включает: окклюзионную манжету 1 с пневмокамерой 2, компрессор 3, датчик давления 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, микропроцессор 6 и персональный компьютер (ПК) 7, в качестве которого использован панельный компьютер серии AFL-10A (производитель IEI Technology Corp.), при этом компрессор 3, датчик давления 4, АЦП 5 и микропроцессор 6 входят в состав канала 8 измерения артериального давления крови упомянутого МГО-01 «ОПЕРПУЛЬС».
Пневмокамера 2 манжеты 1 подсоединяется к выходу компрессора 3 посредством пневмоканала 9, с которым также связан датчик давления 4. Выход датчика давления 4 соединен с входом АЦП 5, цифровой выход которого соединен с шиной данных микропроцессора 6, управляющий выход которого соединен с входом управления компрессора 3. Информационный обмен между микропроцессором 6 и ПК 7 осуществляется посредством беспроводного канала связи по протоколу Bluetooth, что условно показано в виде антенн 10 и 11 приемопередающих устройств микропроцессора 6 и ПК 7 соответственно.
Такая схема (Фиг. 1) обеспечивает:
- измерение показателей артериального давления (систолическое, диастолическое, среднее артериальное давление);
- поддержание требуемого давления в манжете, при котором осуществляется регистрация пульсовой волны;
- определение характерных параметров пульсовой волны – среднего значения давления пульсовой волны за период времени от начала пульсовой волны до дикротического подъема и максимального значения давления пульсовой волны;
- вычисление ударного объема сердца.
Согласно изобретению регистрацию пульсовой волны осуществляют при окклюзионном давлении в манжете, равном среднему артериальному давлению крови. Этот процесс иллюстрирует Фиг. 2, на которой представлены график изменения давления  в пневмокамере 2 манжеты 1, созданное компрессором 3, и график регистрируемого изменения давления  в манжете 1, вызванного пульсациями протекающей по плечевой артерии крови, что по существу является графиком давления пульсовой волны.
Вначале, в период времени  компрессором 3 создается нарастающее давление  в манжете 1, охватывающей плечо пациента. При достижении давления  значения диастолического давления  крови в плечевой артерии начинают появляться пульсации пульсовой волны, вызванные протекающей по плечевой артерии крови, что регистрирует датчик давления 4. Аналоговый сигнал с выхода датчика давления 4 поступает в АЦП 5, преобразуется в цифровой вид и поступает по шине данных в микропроцессор 6, фиксирующий значение диастолического давления . По мере нарастания давления в манжете амплитуда пульсовой волны растет, достигая максимальных значений при среднем значении артериального давления , что также фиксируется микропроцессором 6. Дальнейший рост давления в манжете ведет к пережатию плечевой артерии, при котором амплитуда пульсовой волны снижается до 0,4 от максимального значения, что соответствует значению систолического давления
В данном случае реализован известный осциллометрический метод определения параметров артериального давления, с той лишь особенностью, что в отличие от обычных тонометров, определяющих параметры артериального давления при спадающем давлении в манжете, используемая в примере осуществления способа аппаратура МГО-01 «ОПЕРПУЛЬС» обеспечивает определение параметров артериального давления в режиме нарастающего давления в манжете.
После того как значение давления  в манжете 1 превысит значение систолического давления  примерно на 20%, микропроцессор формирует команду на прекращение работы компрессора 3. На этом период времени  определения параметров артериального давления крови завершается, после чего от микропроцессора 6 следует команда на сброс давления в манжете 1 (срабатывает специальный клапан, на Фиг. 1 не показан), и давление в манжете 1 в течение времени  снижается по меньшей мере до значения меньше диастолического.
Затем в течение времени  компрессор 3 нагнетает воздух в манжету 1 до значения , определенного в период времени . Согласно изобретению последующий этап (период времени ), на котором регистрируется пульсовая волна, выполняют при установленном давлении  в манжете 1. Одновременно или после регистрации пульсовой волны определяют характерные значения давления пульсовой волны и вычисляют значение ударного объема сердца. Для уменьшения погрешности измерения выполняют за несколько сердечных циклов с последующим усреднением.
Характерный вид регистрируемой пульсовой волны за один сердечный цикл представлен на Фиг. 3, которая фактически соответствует переменной составляющей давления  регистрируемого датчиком давления 4. Постоянная составляющая соответствует установленному в манжете давлению  .
Микропроцессор 6 с заданным шагом дискретизации обрабатывает полученный от АЦП цифровой сигнал пульсовой волны, формирует пакет данных и передает его в ПК 7. Последующая обработка сигнала пульсовой волны осуществляется с помощью ПК 7, в котором установлено соответствующее программное обеспечение. При этом определяются (Фиг. 3):
-  – максимальное значение давления пульсовой волны;
- момент времени  дикротического подъема (позиция 20 Фиг. 3) и соответствующее значение давления
-  – среднее значение давления пульсовой волны за период времени от начала пульсовой волны до дикротического подъема, которое соответствует значению заштрихованной площади 21 под кривой пульсовой волны за время от ее начала до дикротического подъема, деленной на
В итоге ПК вычисляет значение  ударного объема сердца в соответствии с выражением (1), используя для этого известные априори значение площади сечения аорты –  и значение ширины пневмокамеры манжеты – , а также определенные по зарегистрированной пульсовой волне среднее значение давления пульсовой волны за период времени от начала пульсовой волны до дикротического подъема –  и максимальное значение давления пульсовой волны –
В целом последовательность операций способа в соответствии с настоящим изобретением может быть проиллюстрирована блок-схемой, представленной на Фиг. 4.
На первом шаге 22 в ПК 7 вводятся персональные и медицинские данные пациента, включая площадь сечения аорты, определенной предварительно, например, путем Доплер-кардиографического исследования или расчетно на основе антропометрических данных, как было указано ранее в разделе «Раскрытие сущности изобретения». Также вводятся данные ширины   пневмокамеры 2 используемой манжеты 1.
После того как плечо пациента охвачено манжетой 1, включается компрессор 3, создающий в пневмокамере 2 манжеты 1 воздушное давление  (шаг 23). По мере роста давления в пневмокамере 2 манжеты 1 измеряются параметры артериального давления (шаг 24), как это проиллюстрировано на Фиг. 2. При этом значение  постоянно сравнивается (шаг 25) с систолическим давлением  и если  не превышает  то есть не больше чем превышение систолического давления на 20 %, то нагнетание воздуха в манжету 1 продолжается, а по достижении указанного значения компрессор 3 прекращает нагнетание и выполняется сброс давления в манжете 1 (шаг 26).
Затем компрессор 3 снова включается и нагнетает воздух в манжету 1 до среднего значения артериального давления  (шаг 27), при котором выполняются последующие операции: регистрация пульсовой волны (шаг 28), определение по ней значений  и  (шаг 29), итоговое определение ударного объема сердца  (шаг 30).
Была проведена экспериментальная проверка заявляемого способа. В эксперименте приняли участие 12 здоровых людей в возрасте от 27 до 76 лет, общее число исследований – 64, в качестве контрольных были использованы данные ударного объема сердца, полученные эхокардиографическим методом. Относительная погрешность δ способа определения ударного объема сердца в соответствии с настоящим изобретением составила:
± (0,00–0,05) – в 50 % экспериментов,
± (0,05–0,10) – в 30 % экспериментов,
± (0,10–0,15) – в 14 % экспериментов,
± (0,15–0,20) – в 6 % экспериментов,
Иными словами, в 80 % случаев погрешность измерения составила не более 10 %, что для такого рода медицинских измерений представляется очень хорошим результатом.
Дополнительно были проанализированы данные для одних и тех же пациентов, но полученные с разными манжетами. Оценивалась погрешность способа при использовании манжеты, согласованной с окружностью плеча. Были использованы манжеты производства компании Little Doctor International (S) Pte. Ltd. двух типоразмеров: взрослая плечевая средняя с размером пневмокамеры (длина х ширина, в мм) 240х120 и плечевая большая манжеты с соответствующим размером пневмокамеры 310х150. Результаты сведены в таблицу.
Пациент №
Окружность плеча, мм
Размеры пневмокамеры манжеты, длина х ширина, мм
Ударный объем сердца, мм³
δ, %
Контрольный
Изобретение
2
460
240 х 120
86,52
74,59
-13,8
2
460
310 х 150
86,52
88,41
2,2
7
410
240 х 120
79,77
67,55
-15,3
7
410
310 х 150
79,77
80,26
0,6
6
310
240 х 120
60,40
59,03
-2,3
6
310
310 х 150
60,40
69,86
15,6
Как можно видеть, при использовании манжеты, согласованной с окружностью плеча, погрешность составляет не более ±2,3 %, тогда как при использовании несогласованной с окружностью плеча манжеты погрешность превышает ±13,8 %.
Для специалиста понятно, что возможны иные технические средства, с помощью которых можно осуществить настоящее изобретение. В частности, это может быть специализированное устройство, включающее компрессор, датчик давления и измерительный блок на базе программируемого микропроцессора, способный управлять работой компрессора, определять параметры артериального давления и вычислять по пульсовой волне ее характеристические параметры и ударный объем сердца. Также может быть использовано любое оборудование, предназначенное для измерения артериального давления с использованием окклюзионной манжеты и управляемого компрессора. Для этой цели такое оборудование может быть либо дополнено специализированным измерительным блоком, либо перепрограммировано для выполнения последовательности операций, как это проиллюстрировано Фиг. 4.