Устройство для непрерывного измерения артериального давления и относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов

Полезная модель относится к медицинской технике, предназначенной для исследования состояния сосудов, а именно к устройствам для непрерывного измерения артериального давления методом Пеньяза и определения относительной интегральной растяжимости артерий в каждом цикле сердечного сокращения в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня. Полезная модель может применяться в медицинских учреждениях разных направлений с целью проведения обследований, связанных с определением состояния сосудистой системы организма.
Известен метод и устройство, специализированные для решения задачи проведения неинвазивных измерений и определения показателей артериального давления [1]. Артериальное давление определяется на основе корреляции этого параметра со временем распространения пульсовой волны в сосудистом русле. В состав устройства для неинвазивного определения артериального давления пациента входят устройство с датчиками для съема и регистрации электрокардиограммы; датчик пульса для детектирования и измерения параметров сигнала пульсовой волны давления; блок оценки времени распространения пульсовой волны давления от сердца до участка локации пульса. При этом для измерения времени распространения используются данные обработки сигнала электрокардиограммы. Артериальное давление определяется в блоке оценки расчетным путем по формуле, в которой учитываются две составляющие, первая характеризует активное проявление эластичности кровеносных сосудов, а вторая составляющая связывается с пассивным проявлением эластичности кровеносных сосудов. В блоке оценки дополнительно предусмотрена калибровка, проводимая путем измерения и определения артериального давления в зависимости, учитывающей взаимосвязь параметров и с учетом роста пациента.
Недостатком устройства [1] является то, что оно не позволяет проводить непрерывную оценку растяжимости кровеносного сосуда в каждом цикле сердечного сокращения во всем диапазоне изменения артериального давления от уровня диастолического до систолического давления. Кроме того, для расчета артериального давления в зависимости от времени распространения пульсовой волны, связанного с эластичностью сосудов, используются эмпирические коэффициенты. Это делает не универсальным непрерывное измерение артериального давления у разных пациентов.
В разработке устройства многофункционального монитора артериального давления известны технические решения, полученные фирмой Nihon Kohden Co. и защищенные американским патентом [2]. Монитор обеспечивает измерение артериального давления и включает в своем составе блок обнаружения периферической пульсовой волны; устройство для определения интервала времени прохождения пульсовой волны от аорты до участка регистрации периферической пульсовой волны; входной блок, используемый для ввода калибровочного значения артериального давления; блок центрального процессора, производящего измерение времени распространения пульсовой волны на основе выделяемой периферической пульсовой волны крови, и дисплей для представления вычисляемых значений артериального давления и значения параметра пульсовой волны, которые используются в качестве индекса для диагностики атеросклероза.
Недостатком устройства [2] является отсутствие непрерывной оценки растяжимости кровеносного сосуда в каждом цикле сердечного сокращения в диапазоне изменения артериального давления от уровня диастолического до систолического давления. Это ограничивает возможности исследований, связанных с определением состояния сосудистой стенки.
Известны технические решения, полученные в изобретении [3]. Запатентованные аппаратура и метод [3] основаны на реализации непрерывного неинвазивного измерения артериального давления. В состав аппаратуры включены фотоплетизмографическая система, обеспечивающая съем сигнала, отражающего объемные изменения кровенаполнения пальцевых артерий. Посредством системы производится измерение характеристик кровенаполнения пальцевых артерий и повышается качество анализа состояния сосудистой системы пациента. Система съема фотоплетизмографического сигнала объединена с пальцевой окклюзионной манжетой, и контроль давления в манжете осуществляется в соответствии с фотоплетизмографическим сигналом. Артериальное давление вычисляется на основе данных о сигналах давления в манжете и изменений фотоплетизмографического сигнала. Это соотношение позволяет путем анализа контура кривой артериального давления рассчитывать параметры стенки сосудов. При настройке аппаратуры используется регистрация кривой артериального давления в состоянии пережатой и расслабленной артерии. Однако аппаратурой [3] не измеряется параметр растяжимости сосудистой стенки, что ограничивает возможности аппаратуры для целей исследования состояния сосудистой системы. В частности, по полученным данным невозможно анализировать изменение растяжимости сосудов в зависимости от артериального давления в диапазоне его изменения от диастолического до систолического уровня. Это не позволяет интерпретировать данные при проявлении динамических изменений состояния сосудистой стенки.
Американским патентом на изобретение [4] защищены технические решения, принятые в разработке монитора пациента. Монитор предназначен для одновременного и непрерывного измерения трех основных физиологических параметров, отражающих состояние жизненно важных функций организма. При этом используется регистрация сигнала ЭКГ, по которому определяется частота сердечных сокращений. Кроме того, аппаратурой осуществляется контроль параметров артериального давления и насыщения крови кислородом в пальцевых сосудах. В качестве устройства съема информации для этого используется две пальцевые манжеты. На одном из пальцев производится неинвазивное и непрерывное измерение артериального давления методом разгруженной стенки сосудов по принципу Пеньяза, на другом пальце - насыщение крови кислородом. В состав устройства [4] включены две пальцевые манжеты, электрокардиографические электроды, первый индикатор и датчик для измерения артериального давления и второй индикатор и датчик для измерения оксигенации крови. В канале измерителя артериального давления используется следящая система. Все измерительные каналы работают независимо. Использование манжет для съема сигналов одновременно с двух пальцев и получение соответствующей измерительной информации от датчиков дает существенные преимущества при обработке сигнала и при интерпретации результатов. За счет этого уменьшается число ошибочных результатов. Измерительная система с двумя пальцевыми датчиками обеспечивает измерение неинвазивным методом жизненно важных функций организма, артериального давления и насыщения крови кислородом, и повышает надежность устройства для мониторинга состояния пациентов, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, или с проблемами в системе дыхания. Однако недостатком устройства является отсутствие решений для получения данных о свойствах сосудистой стенки в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня. Это не позволяет анализировать состояние сосудов пациента.
Известны технические решения в изобретении, защищенном патентом [5]. Они относятся к системе и методам для автоматического и неинвазивного мониторинга артериального давления. В системе используется фотоплетизмограф, обеспечивающий регистрацию изменений объема наполнения крови в пальцевой или височной артерии. При этом данные об изменении объема наполнения сосудов используются для анализа формы волны кривой артериального давления и для определения артериального давления. В теоретическом обосновании объемных изменений артерии, связанных с изменением артериального давления, используется модель «total compliance model», позволяющая определять состояние артерии конкретного пациента и определять артериальное давление в любой момент времени. При этом аппаратура обеспечивает повышение надежности и точности измерений у пациентов с аномальными значениями артериального давления. После установления у пациента среднего давления систолическое и диастолическое давление рассчитывается на основе соотношения с регистрируемыми изменениями объема наполнения артериальных сосудов. В состав аппаратуры для автоматического и неинвазивного мониторинга артериального давления, реализующей предложенный метод, входит аппарат, состоящий из средств для неинвазивного обнаружения изменений объема в артерии пациента, измерения артериального давления и процессора, электрически соединенного со средствами для неинвазивного обнаружения изменений объема. Устройства не предназначено для получения данных о растяжимости сосудистой стенки в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня.
v
a
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство, одновременно производящее неинвазивные измерения динамических характеристик изменения давления крови и эластичности кровеносных сосудов. Описание устройства представлено в научной статье [6], опубликованной в японском издании. В измерительной системе устройства используется два независимых информационно-измерительных канала, на основе съема и преобразования сигналов в которых регистрируются данные о растяжимости пальцевых кровеносных сосудов в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня. Основными блоками измерительной системы являются измеритель полной проводимости; контроллер давления, создаваемого в пальцевой манжете; система измерения мгновенного значения артериального давления; аналого-цифровой преобразователь и регистрирующее устройство; персональный компьютер и двухкоординатный графопостроитель. В канале измерения давления используется контроллер давления, производящий управление давлением в пальцевой манжете, и система измерения мгновенного значения артериального давления. Эти блоки обеспечивают непрерывное измерение артериального давления в сосудах пальца методом Пеньяза [7, 8]. Артериальное давление регистрируется непрерывно во всем диапазоне его изменения от диастолического до систолического уровня. С соседнего пальца той же руки производится съем сигнала, пропорционального полной электрической проводимости, представляющего данные об объеме кровенаполнения сосудов пальца. Использование двух информационно-измерительных каналов позволяет непрерывно и в каждом цикле сердечных сокращений представлять зависимость, характеризующую изменение состояния стенки сосуда от внутрисосудистого давления. Данные этой зависимости регистрируются непрерывно и одновременно по двум координатам. По одной - о модуле объемной упругости E или сжимаемости C стенки сосуда, выраженной в условных единицах, по другой координате - измеряемого сигнала показателя внутриартериального давления, в пересчете представленного в абсолютных единицах давления. Устройство [6] предназначено для медицинских исследований состояния сосудов и, в частности, при проведении разных функциональных проб. Главным недостатком этого устройства является то, что оно позволяет оценить состояние только локальных сосудов, а именно сосудов пальца из всей артериальной системы. Существенным недостатком устройства является усложнение аппаратной части оснащения, что ухудшает эксплуатационные характеристики при работе с этим устройством. Это касается использования в устройстве двух разных методов реализации информационно-измерительных каналов. При этом обоим методам исследования - методу измерения артериального давления по принципу разгруженной стенки Пеньяза и методу измерения электрической проводимости сосуда - свойственны различные инструментальные и методические погрешности и условия применения в разных состояниях пациентов. Другой недостаток - съем реографического сигнала может осуществляться в неподвижном состоянии пациента. Это ограничивает возможности использования устройства для практических целей.
Целью настоящей полезной модели является создание устройства для измерения артериального давления и интегральной растяжимости артериальных сосудов в каждом цикле сердечного сокращения и во всем диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня.
Решение данной задачи осуществляется тем, что устройство для непрерывного измерения артериального давления методом Пеньяза и относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов содержит датчик ЭКГ, фотоплетизмографическую и пневматическую системы и контроллер. Устройство отличается тем, что включает две фотоплетизмографические системы, соответственно совмещенные с двумя компрессионными манжетами, пневматически связанными с пневматической системой, электрические выводы датчика ЭКГ, пневматической и фотоплетизмографических систем связаны с контроллером, соединенным с устройством отображения информации.
Датчиком ЭКГ производится съем сигнала электрического сердечного потенциала. Фотоплетизмографическими системами производится съем и регистрация сигналов, связанных с кровенаполнением пальцевых сосудов при действии на них внешнего давления со стороны манжет. Фотоплетизмографические системы выполнены по одинаковой схеме и соответственно содержат, по меньшей мере, по одному источнику света и, по меньшей мере, по одному фотоприемнику. Источники света обеспечивают подачу световых сигналов на кровеносные сосуды. Фотоприемники обеспечивают съем световых сигналов, проходящих от источника света через пальцевые кровеносные сосуды. Конструктивно фотоплетизмографические системы совмещены соответственно с манжетами. Манжетами передается создаваемое в них давление на сосудистые системы пальцев. Пневматическая система обеспечивает создание давления в пальцевых компрессионных манжетах. Она включает, по меньшей мере, один компрессор, по меньшей мере, два клапана и датчики давления. Исполнение пневматической системы возможно на основе разных известных вариантов, каждый из которых обеспечивает выполнение его назначения. Как вариант исполнения, пневматическая система содержит два компрессора, пневматически связанных с соответствующими клапанами, соединенными соответственно с датчиками давления. Пневматические выводы пневматической системы связаны соответственно с манжетами. Электрические выводы пневматической системы, от датчиков давления, соединены с контроллером. Контроллер предназначен для формирования сигналов управления пневматической системой и фотоплетизмографическими системами и передачи обработанных данных в устройство отображения информации. В контроллере производится преобразование в цифровой код входных сигналов, поступающих от датчика ЭКГ, от пневматической и фотоплетизмографических систем. В контроллере производится математическая обработка цифровых данных, результаты которой по командам из контроллера передаются для отображения в устройство отображения информации. На устройстве отображения отображаются регистрируемые сигналы ЭКГ и пульсовой волны, представляются измеряемые значения параметров ЭКГ, показателей артериального давления и расчетные значения относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов в каждом цикле сердечного сокращения в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня.
В процессе патентных исследований не выявлено источника информации, в котором бы содержались и раскрывались технические решения со всеми признаками какого-либо известного устройства, с аналогичными признаками заявляемой полезной модели и сходными по признакам, отличающим заявляемое решение от прототипа. Поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Это позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется приведенными чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 – блок-схема устройства для непрерывного измерения артериального давления и относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов; на фиг. 2 – блок-схема пневматической системы, как пример ее исполнения; на фиг. 3 – блок-схема фотоплетизмографической системы; на фиг. 4 - временные диаграммы сигналов измерительного процесса.
Устройство для непрерывного измерения артериального давления и относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов включает датчик ЭКГ 1, фотоплетизмографические системы 2 и 6, соответственно совмещенные с компрессионными манжетами 3 и 5, пневматически связанными с пневматической системой 4, электрические выводы датчика ЭКГ, пневматической и фотоплетизмографических систем связаны с контроллером 7, соединенным с устройством 8 отображения информации. Датчик ЭКГ 1 предназначен для съема сигналов электрического сердечного потенциала. Фотоплетизмографические системы 2 и 6 предназначены для съема и регистрации сигналов, связанных с кровенаполнением пальцевых сосудов. Фотоплетизмографические системы 2 и 6 выполнены по одинаковой схеме и соответственно содержат, по меньшей мере, по одному источнику света 9 (10) и, по меньшей мере, одному фотоприемнику 11 (12). Источники света 9 (10) предназначены для подачи световых сигналов на кровеносные сосуды. Фотоприемники 11 (12) предназначены для съема световых сигналов, проходящих от источника 9 (10) света через пальцевые кровеносные сосуды. Фотоплетизмографические системы 2 и 6 конструктивно совмещены соответственно с манжетами 3 и 5. Манжеты 3 и 5 предназначены для передачи создаваемого в них давления на сосудистые системы пальцев. Пневматическая система 4 предназначена для создания давления в пальцевых компрессионных манжетах 3 и 5. Она включает, по меньшей мере, один компрессор, по меньшей мере, два клапана и датчики давления. Исполнение пневматической системы 4 возможно на основе разных известных вариантов, каждый из которых обеспечивает выполнение его назначения. Как вариант исполнения, пневматическая система 4 содержит компрессоры 13 и 14, пневматически связанные соответственно с клапанами 15 и 16, соединенными соответственно с датчиками давления 17 и 18. Пневматические выводы пневматической системы 4 связаны соответственно с манжетами 3 и 5. Электрические выводы пневматической системы 4 от датчиков давления 17 и 18 соединены с контроллером 7. Контроллер 7 предназначен для формирования сигналов управления пневматической системой 4 и фотоплетизмографическими 2 и 6 системами и передачи обработанных данных в устройство 8 отображения информации. В контроллере 7 производится преобразование в цифровой код входных сигналов, поступающих от датчика ЭКГ 1, от пневматической 4 и фотоплетизмографических систем 2 и 6. В контроллере 7 производится математическая обработка цифровых данных, результаты которой по командам из контроллера 7 представляются в устройстве 8 отображения информации. Устройство 8 отображения предназначено для отображения регистрируемых сигналов ЭКГ и пульсовой волны, представления измеряемых значений параметров ЭКГ, показателей артериального давления и расчетных значений относительной интегральной растяжимости артериальных сосудов в каждом цикле сердечного сокращения в диапазоне изменения артериального давления от диастолического до систолического уровня.
Работа устройства для непрерывного измерения артериального давления и относительной растяжимости в системе артериальных сосудов осуществляется следующим образом. До подачи электрического питания на устройство его фотоплетизмографические системы 2 и 6, пневматическая система 4, контроллер 7 и устройство 8 отображения информации находятся в выключенном состоянии. Давление в манжетах равно атмосферному давлению, на контроллер 7 от датчика ЭКГ 1, а также с выхода фотоприемников 11 и 12 фотоплетизмографических систем 2 и 6 и с выхода датчиков давления 17 и 18 никаких сигналов не подается. На устройстве 8 информация не отображается. Для проведения измерительной процедуры на теле пациента располагают электроды датчика ЭКГ 1, а на пальцах руки манжеты 3 и 5, совмещенные с фотоплетизмографическими системами соответственно 2 и 6. Затем после подачи электрического питания на устройство в контроллере 7 формируются сигналы, управляющие циклом создания изменений давления в манжетах 3 и 5 и изменением световых сигналов источников света 9 и 10 в фотоплетизмографических системах 2 и 6. По команде Пуск от контроллера 7 в пневматической системе 4 в работу включаются компрессоры 13 и 14 и клапаны 15 и 16. При этом в манжетах по заданному алгоритму повышается давление. В одной из манжет давление повышается до уровня, при котором амплитуда сигнала пульсовой волны, снимаемого фотоприемником соответствующей фотоплетизмографической системы, достигает оптимального уровня. В дальнейшем давление в этой манжете поддерживается на постоянном достигнутом уровне или медленно изменяется в зависимости от величины измеренного артериального давления. В другой манжете, на другом пальце, в это время по сигналу управления давлением, формируемым в контроллере 7, реализуется исполнение алгоритма принципа Пеньяза. А именно, осуществляется отслеживание за постоянством кровенаполнения сосудов пальца по сигналу обратной связи в цепи фотоприемника, расположенного на этом пальце. Так, в режиме непрерывного слежения за артериальным давлением в абсолютных значениях давления регистрируется осциллограмма сигнала артериального давления в пальцевых сосудах. При этом она представляется во всем диапазоне его изменения от диастолического до систолического значений в каждом цикле сердечного сокращения. Кроме того, на контроллер 7 от датчика ЭКГ 1 поступает ЭКГ сигнал, отражающий электрическую активность сердечной мышцы. Алгоритмом управления пневматической системой 4 по командам от контроллера 7 предусматривается возможность чередования выполнения манжетами 3 и 5 двух описанных функций. Это осуществляется путем соответствующего управления пневматической системой 4 и предназначается для восстановления (отдыха) сосудистой системы соответствующего пальца в ходе проведения исследования и сохранения при этом режима непрерывного слежения за параметрами сосудистой системы и артериального давления без остановки исследования. В контроллере 7 производится математическая обработка цифровых данных путем расчета по формулам, связывающим параметры скорости распространения пульсовой волны PWV (pulse wave velocity) в сосудистой системе и артериального давления Р с интегральной от сердца до пальца растяжимостью D сосудистой стенки:
R
PW
где (dA/A) - относительное изменение площади просвета сосудов. Вычисление скорости распространения пульсовой волны PWV производится в контроллере по данным из сигналов электрического сердечного потенциала (сигнала ЭКГ) и сигнала от фотоприемника компрессионной манжеты и соответственно выделения моментов времени характерных признаков появления R-зубцов ЭКГ T и пульсовой волны T (фиг. 4), по формуле
где L - расстояние от сердца до пальца, измеряемое вручную.
По командам из контроллера 7 регистрируемые в результате работы устройства кривые изменения параметров систолического (САД) и диастолического (ДАД) давления, сигнала ЭКГ и данные с расчетными значениями частоты сердечных сокращений и интегральной растяжимости сосудов представляются на показывающем дисплее устройства 8 отображения информации. После завершения работы пневматическая система автоматически выключается, давление в манжетах стравливается, устройство автоматически выключается.
Технический результат, достигаемый при использовании устройства, заключается в получении данных об артериальном давлении и относительной растяжимости сосудов артериальной системы в каждом цикле сердечного сокращения в диапазоне от уровня диастолического до систолического давления.
Ниже приведен пример применения предлагаемого устройства. При подготовке к проведению измерений на теле пациента располагались электроды датчика ЭКГ и на указательном и среднем пальцах левой руки манжеты 3 и 5. После подачи электрического питания на устройство по командам из контроллера 7 в работу включались компрессоры 13 и 14 и клапаны 15 и 16. В манжетах 3 и 5 создавалось давление, производилось управление изменением световых сигналов источников света 9 и 10 в фотоплетизмографических системах 2 и 6. При этом в манжете 3, на указательном пальце, давление повышалось до уровня, при котором амплитуда сигнала пульсовой волны, снимаемого фотоприемником соответствующей фотоплетизмографической системы, достигало оптимального уровня. В дальнейшем давление в манжете 3 поддерживалось на постоянном достигнутом уровне и посредством фотоплетизмографической системы непрерывно регистрировалась фотоплетимограмма сосудов указательного пальца, которая отображалась на показывающем устройстве 8 отображения информации. В манжете 5, на среднем пальце, в это время реализовывалось исполнение алгоритма принципа Пеньяза. А именно, производилось отслеживание за постоянством кровенаполнения сосудов пальца среднего пальца по сигналу обратной связи в цепи расположенного на нем фотоприемника. Так, в режиме непрерывного слежения за артериальным давлением в абсолютных значениях давления регистрировалась осциллограмма сигнала артериального давления в сосудах среднего пальца. При этом регистрация отображалась на показывающем дисплее устройства отображения информации во всем диапазоне его изменения от диастолического до систолического значений и в каждом цикле сердечного сокращения. Вместе с непрерывной кривой артериального давления на устройство отображения информации выводился сигнал ЭКГ. По заданному алгоритму управления пневматической системой 4 по команде из контроллера 7 производилось предусмотренное чередование выполнения манжетами 3 и 5 двух описанных функций. Это осуществлялось путем соответствующего управления пневматической системой 4 и использовалось с целью восстановления (отдыха) сосудистой системы соответствующего пальца в ходе проведения исследования и сохранения при этом режима непрерывного слежения за параметрами сосудистой системы и артериального давления, без остановки проведения исследования. Кроме того, на устройстве отображения информации выводились результаты математической обработки цифровых данных, производимой в контроллере 7 по формулам, связывающим параметры скорости распространения пульсовой волны PWV в сосудистой системе и артериального давления Р с интегральной от сердца до пальца растяжимостью D сосудистой стенки:
R
PW
где (dA/A) - относительное изменение площади просвета сосудов. Вычисление скорости распространения пульсовой волны PWV производилось контроллером по данным из сигналов электрического сердечного потенциала (сигнала ЭКГ) и сигнала от фотоприемника компрессионной манжеты и соответственно вычисления времени распространения пульсовой волны РТТ по моментам времени характерных признаков появления R-зубцов ЭКГ T и пульсовой волны T (фиг. 4), по формулам
где L - расстояние от сердца до пальца, измеряемое вручную.
На фиг. 4 приведена характерная запись временной диаграммы с сигналами ЭКГ, изменения параметров систолического (САД) и диастолического (ДАД) артериального давления в сосудах среднего пальца руки и фотоплетизмограммы (ФПГ) с указательного пальца, частоты сердечных сокращений и значений интегральной растяжимости сосудов.
Источники информации, принятые во внимание
1. Patent US 7374542. Noninvasive blood pressure determination method and apparatus. Приоритет от 23.03.2005, опубл. 20.05.2008.
2. Patent US 5603329. Multi-functional blood pressure monitor. Приоритет от 21.06.1995, опубл. 18.02.1997.
3. Patent US 8814800. Apparatus and method for enhancing and analyzing signals from a continuous non-invasive blood pressure device. Приоритет от 29.10.2009, опубл. 26.09.2014.
4. Dual-finger vital signs monitor, patent US 5152296 на изобретение, заявитель Hewlett-Packard Company. Приоритет от 1.03.1990, опубл. 22.09.2013.
5. Patent US 5423322. Total compliance method and apparatus for noninvasive arterial blood pressure measurement. Приоритет от 29.12.1988, опубл. 13.6.1995.
6. Каварада А. Неинвазивные измерения динамических характеристик давления крови и эластичности кровеносных сосудов. Ие дэнси то сэйтай когаку. 1985, том 23, №6, стр. 54-55.
th
7. Penaz J. In Dig. 10 Int. Conf. Med. Biol. Engl. - Drezden. -1973. p. 104.
8. Patent US 4524777 Automatic continuous and indirect blood pressure measurement apparatus / Yamakoshi, K.I. et al. // 1985.