ОСЦИЛЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OSCILLOMETRIC METHOD FOR MEASURING THE BLOOD PRESSURE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и устройствам для измерения артериального давления крови. В последнее время широкое распространение получил осциллометрический метод измерения артериального давления, применяемый в автоматических средствах измерения этого параметра. Измерения артериального давления, полученные осциллометрическим методом, в 5-15% случаев дают значения величин артериального давления устойчиво и существенно отличающиеся от величин, полученных по методу Короткова. Претензии к достоверности результатов измерений, получаемых с применением осциллометрического метода, возникают по той причине, что эти результаты получают путем эмпирических расчетов, базирующихся на статистических обобщениях тахоосциллограмм, полученных при измерении артериального давления осциллометрическим методом и усредненных по большим группам пациентов.
Известен электронный тонометр по патент RU 2652070 от 16.05.2017, содержащий двухкамерную компрессионную гидроманжету, два датчика давления, блоки регистрации и индикации, источник давления, содержащий резервуар с заданным объемом жидкости и устройство для подачи жидкости в камеры компрессионной гидроманжеты, первый и второй блоки управления источника давления, причем датчики давления входами связаны с первой и второй камерами компрессионной гидроманжеты и с выходами блоков управления источника давления соответственно, источник давления связан с первым и вторым блоками управления источника давления, которые связаны с первой и второй камерами компрессионной гидроманжеты соответственно, выход блока регистрации связан с входом блока индикации. В тонометр дополнительно введен анализатор амплитуды осцилляций второй камеры компрессионной гидроманжеты, при этом выход датчика давления первой камеры компрессионной гидроманжеты связан с входом блока регистрации, выход датчика давления второй камеры компрессионной гидроманжеты связан с входом анализатора амплитуды осцилляций второй камеры компрессионной гидроманжеты, выход которого соединен с входами источника давления, второго блока управления источника давления и блока регистрации.
Способ осциллометрического измерения артериального давления осуществляют с помощью названного электронного тонометра, содержащего компрессионную манжету с двумя независимыми камерами, которые разнесены одна от другой на некоторое расстояние, что приводит к формированию в тканях тела, окружающих артерию, двух пространственных распределений вторичного давления на два разных участка артерии.
При проведении измерений воздействие гидроманжеты на ткани тела начинают со второй по току крови камеры, в которую с помощью источника давления закачивают жидкость для создания давления второй камеры на поверхностный участок тела, противолежащий второй камере. При этом давление камеры на участок тела приводит к возникновению во второй камере осцилляций давления жидкости находящейся в этой камере. Одновременно осуществляют оценку значений амплитуд осцилляций давления жидкости во второй камере.
При достижении максимальных значений амплитуд этих осцилляций прекращают подачу жидкости во вторую камеру и сохраняют достигнутое давление жидкости в ней до конца измерения. Далее начинают осуществлять подачу жидкости в первую камеру, в которой таким образом создают давление, заведомо превышающее значение систолического артериального давления крови, что приводит к исчезновению осцилляций во второй камере, после чего жидкость из первой камеры перекачивают в источник давления и таким образом начинают процесс декомпрессии в первой камере. В момент появления во второй камере осцилляций давления фиксируют значение давления в первой камере, которое передают в блок регистрации в качестве измеренной величины систолического значения артериального давления.
Дальнейшее равномерное снижение давления в первой камере манжеты приводит к равномерному увеличению амплитуд осцилляций во второй камере. Момент прекращения увеличения амплитуд осцилляций во второй камере совпадает по времени с моментом достижения равенства между величиной диастолического значения артериального давления и величиной давления жидкости в первой камере. Эту величину давления жидкости в первой камере считают величиной измеряемого диастолического значения давления крови.
Использования описанного тонометра для измерения артериального давления имеет ряд недостатков, приводящих к появлению дополнительной погрешности измерения, и ухудшению его эксплуатационных свойств.
В тонометре для создания давления в камерах используют жидкость, которая в отличие от воздуха представляет собой несжимаемую неупругую среду. Отсутствие собственной упругости приводит к отсутствию линейной зависимости между количеством жидкости, закаченной в фиксированный объем камеры манжеты и давлением, возникающим внутри этой камеры. Если бы такая камера имела жесткие стенки, то по ее заполнении любое количество жидкости, закачиваемое в этот объем, привело бы к появлению бесконечно высокого давления. В камере гидравлической компрессионной манжеты, давление, возникающее в ней, определяется не количеством жидкости, а ненормируемыми параметрами жесткости или упругости тканей тела, сдавливаемых камерой. В связи с этим давление, создаваемое в камере, заполненной жидкостью, не может выполнять метрологическую функцию опорной величины.
Следующим недостатком тонометра является неизменяемость под действием пульсаций артериального давления объема жидкости, помещенной в камеру гидравлической манжеты, что исключает возможность пульсации стенок артерии синхронно с сердечным циклом, и приводит к плавному изменению сечения артерии, по мере изменения количества жидкости, заполняющей камеру. Это, в свою очередь, приводит к плавному изменению амплитуд осцилляций на границах равенства давления жидкости в первой манжете с систолическим и диастолическим значениями артериального давления и тем самым снижает точность определения этих моментов (см. фиг. 3. Кривая «Б» известного патента).
Еще одним из недостатков тонометра при измерении артериального давления является необходимость формирования двух пространственных распределений вторичного давления тканей тела на артерию от двух камер, устанавливаемых на некотором расстоянии одна от другой, что увеличивает ширину манжеты и затрудняет применение тонометра с учетом требуемой точности измерений. Исходя из необходимости обеспечения равенств между величинами давлений жидкости в первой камере и величиной вторичного давления тканей тела на артерию ширина первой камеры гидравлической манжеты в соответствии с требованиями ГОСТ 31515.1-2012 не может быть меньше величины от 130 мм до 150 мм ±10 мм, установленной этим документом. Вторая камера увеличивает суммарную ширину манжеты, при этом возникает проблема соответствия суммарной ширины манжеты расстоянию между локтевым сгибом руки и плечевым суставом.
К более близкому по сущности предлагаемого изобретения решению можно отнести известное техническое решение, раскрытое в патенте на полезную модель RU 104437 - Тонометр Геращенко, направленное на поиск и формирование признаков соответствия величины давления жидкости в манжете величинам систолического и диастолического значений артериального давления крови.
Устройство, реализующее способ измерения давления, содержит компрессионную манжету, датчики давления в камерах компрессионной манжеты, блоки регистрации и индикации, источник давления, блоки управления источника давления, дифференциальный усилитель. Компрессионная манжета выполнена двухкамерной, в качестве рабочего тела, заполняющего камеры манжеты, применена жидкость, причем датчики давления своими входами связаны с первой и второй камерами компрессионной манжеты и с выходами блоков управления источника давления соответственно, а своими выходами связаны с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом блока регистрации, который, в свою очередь, связан с блоком индикации, при этом источник давления содержит резервуар с заданным объемом жидкости и грушу для подачи давления.
Способ измерения артериального давления с помощью тонометра Геращенко заключается в том, что на руке пациента устанавливают двухкамерную компрессионную манжету, содержащую две отдельные камеры, разнесенные на некоторое расстояние одна от другой, в результате чего каждая камера воздействует на свой участок артерии (см. фиг. 1). В обе камеры компрессионной манжеты через соответствующие блоки управления из источника давления одновременно закачивают жидкость и таким образом создают в камерах давление, заведомо превышающее по величине предполагаемое систолическое значение артериального давления, что приводит к полному пережатию артерии под камерами гидравлической компрессионной манжеты. После этого жидкость, заполнившая камеры манжеты, через те же блоки управления постепенно возвращают в источник давления, в результате чего осуществляют снижение величины давления жидкости в камерах компрессионной манжеты, наблюдают при этом появление изменений (осцилляций) давления в камерах компрессионной манжеты, которые с помощью датчиков давления преобразуют в сигналы, поступающие в противофазе на два входа дифференциального усилителя, вырабатывающего выходной сигнал, пропорциональный величине разности входных сигналов, поступающих от упомянутых датчиков. В начале декомпрессии пульсовая волна артериального давления воздействует только на первую камеру компрессионной манжеты, при этом на первом входе дифференциального усилителя появляются соответствующие сигналы. Далее в процессе декомпрессии возникают пульсации избыточного давления во второй камере и при этом, по мнению автора известного патента, они исчезают в первой камере. Момент появления этих двух сигналов на выходе дифференциального усилителя характеризует момент начала осцилляции при декомпрессии. При этом амплитуда сигнала с выхода дифференциального усилителя сначала увеличиваться по мере уменьшения давления в камерах, достигает максимального значения, равного срединному значению между систолическим и диастолическим величинами давлений. При продолжении снижения давления жидкости, находящейся в камерах, наступает момент выравнивания величины давления в манжете с величиной диастолического артериального давления, после чего амплитуды сигналов на входах дифференциального усилителя становятся одинаковыми, при этом амплитуда выходных сигналов дифференциального усилителя уменьшается до значений, близких к нулевым. Блок регистрации фиксирует и запоминает значения давления в манжетах, соответствующие моменту начала появления сигнала на выходе усилителя и его исчезновения. Эти значения высвечивают в блоке индикации в качестве измеренных величин систолического и диастолического значений артериального давления.
Один из недостатков, возникающих при использовании Тонометра Геращенко, состоит в применении жидкости в качестве среды для заполнения камер манжеты, так как это, как упомянуто выше, приводит к несоответствию величины давления в камерах манжеты метрологическому понятию опорная величина, к отсутствию пульсаций стенок артерии в процессе измерения, что, в свою очередь, приводит к таким же постепенным изменениям амплитуд осцилляций, что снижает точность определения моментов равенства давлений в камерах манжеты измеряемым величинам систолического и диастолического значений артериального давления.
Второй существенный недостаток при применении тонометра Геращенко заключается в необходимости формирования в тканях тела двух раздельных распределений вторичного давления тканей тела на артерию с двумя максимальными значениями, локализованными в местах соприкосновения этих камер с поверхностью тела. Это тоже приведет или к двойному увеличению ширины манжеты, или к возникновению существенной погрешности измерения, если ширина каждой камеры будет недостаточна для получения соответствия величин давления жидкости в камерах, величинам вторичного давления тела на соответствующие участки артерии.
Предложенное изобретение направлено на преодоление недостатков уровня техники и обеспечивает достижение основного технического результата, заключающегося в повышение точности измерения (уменьшении погрешности) систолического и диастолического значений артериального давления крови.
Технический результат достигается тем, что предлагается осциллометрический способ измерения артериального давления, заключающийся в том, что
- размещают на руке компрессионную манжету, содержащую две камеры, последовательно расположенные по направлению тока крови,
- заполняют камеры манжеты рабочей средой и воздействуют ее давлением на поверхность тела через камеры,
- регулируют величину давления рабочей среды в камерах манжеты в пределах диапазона, заведомо включающего в себя величины значений систолического и диастолического артериального давления,
- регистрируют моменты появления и исчезновения осцилляций давления в камерах манжеты, определяя таким образом величины систолического и диастолического значений артериального давления по величинам давления рабочей среды в камерах манжеты, соответствующим этим моментам, в котором, согласно изобретению,
- в качестве рабочей среды для заполнения камер манжеты используют воздух для придания величине давления рабочей среды в камерах манжеты метрологического статуса опорной величины, независимой от биологических факторов тканей тела, окружающих артерию;
- воздействуют на поверхность руки давлением камер манжеты, соприкасающихся между собой по линии середины манжеты;
- осуществляют режим дросселирования рабочей среды, подаваемой в камеры манжеты, обеспечивая в процессе регулировки величины давления этой среды практическое равенство величин этого давления;
- осуществляют прямое измерение разности давлений между первой и второй камерами манжеты, а также между второй камерой манжеты и источником опорного давления,
при этом величину систолического значений артериального давления определяют по возникновению осцилляционной разности величин давлений между второй камерой и опорным давлением, а величину диастолического значения артериального давления определяют по величине давления в камерах манжеты в момент наступления полного равенства величин давления в первой и второй камерах манжеты.
Целелсообразно измерение диастолического значения артериального давления осуществлять в процессе компрессии при заполнении компрессионной манжеты воздухом, тогда как систолическое значение артериального давления определять в процессе декомпрессии при снижении величины опорного давления.
Технический результат достигается также тем, что для осуществления заявляемого способа для измерения артериального давления предлагается устройство, содержащее:
- двухкамерную компрессионную манжету,
-источник давления рабочей среды, заполняющей камеры манжеты,
- блок дросселирования,
- селектор осцилляций,
- блок регистрации измерительной информации,
- блок индикации результатов измерений,
в котором, согласно изобретению,
- в качестве рабочей среды использован воздух,
- две камеры компрессионной манжеты выполнены соприкасающимися между собой по линии середины манжеты, и распределёнными по её ширине,
-блок дросселирования содержит два параллельных воздушных канала, каждый из которых одним концом соединен с одной из камер манжеты, а другим концом с источником давления рабочей среды,
- селектор осцилляций, выполнен в виде двух дифференциальных измерителей разности величин давлений, из которых первый измеритель двумя входами подсоединен к двум камерам манжеты соответственно, а второй измеритель, подключен первым входом ко второй камере манжеты, вторым входом – к источнику давления, при этом названные дифференциальные измерители выходами подключены к блоку регистрации измерительных сигналов.
В дальнейшем предполагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
- на 1 – диаграмма распределения вторичного давления тканей тела на артерию, для случаев использования однокамерной и двухкамерной компрессионных манжет;
- на фиг.2 – диаграмма процессов, происходящих в артерии и тканях тела, при разных величинах давления воздуха в компрессионной манжете;
- на фиг.3 – функциональная схема устройства для измерения артериального давления с двухкамерной воздушной компрессионной манжетой;
l
1
м
т
Для реализации заявленного способа измерения артериального давления и достижения поставленных целей и результата, заключающегося в повышении точности измерения артериального давления, с помощью двухкамерной воздухонаполняемой компрессионной манжеты 1, содержащей две равновеликие камеры К1 и К2, выполненные соприкасающимися между собой в середине манжеты по линии разделения ср, поперечной по отношению к артерии 3, создают давление Рм манжеты на поверхность тела, контактирующую с манжетой, одинаковое по всей ширине  компрессионной манжеты, аналогичное давлению на поверхность тела компрессионной манжеты 1, содержащей одну камеру К, и таким образом создают в тканях тела 2 вторичное распределение давления Р этих тканей на артерию 3, с максимальным значением вторичного давления вблизи середины манжеты  равным давлению Р манжеты на поверхность тела, и с нулевыми значениями у краев манжеты, также аналогичное распределению этого вторичного давления Р на артерию 3, создаваемому однокамерной манжетой такой же ширины, как показано на фиг. 1.
т1
Рт2
т3
т4
S
D
M1
S
M2
S
d
M3
S
M4
D
T1
T2
T3
T4
M1
M2
M3
M4
M1
M2
M3
D
S
M1
M1
S
1
К1
К1
Диаграмма процессов, происходящих в артерии и тканях тела (фиг. 2) при измерении артериального давления содержит диаграмму вторичных давлений Р, , Р и Р тканей тела на стенки артерии в зависимости от продольной координаты  отсчитываемой в соответствии с фиг. 1 от левого края манжеты до полной ее ширины  при направлении движения крови, указанном стрелкой 4. Перечисленные значения давления воздуха в манжете соотносятся с значениями артериального давления P и P следующим образом: P>P, Р=P, P<P<P, P<P и формируют в тканях тела, прилегающих к артерии, соответственно четыре распределения величин вторичного давления: Р, Р, Р, Р вдоль артерии. Ниже под индексами: Р, Р, Р, Р изображены четыре ситуации, происходящие под двухкамерной манжетой 1, наложенной на участок тела 2, содержащий артерию 3. Как видно из фиг. 2 первые три из перечисленных значений давления: Р, Р, P, воздуха в манжете создают три начальных положения границы пережатия артерии внешним давлением, соответствующие координатам:  Левее этих координат величина внутреннего артериального давления крови на стенки артерии всегда превышает величину внешнего давления тканей тела на эти стенки, и там артерия всегда наполнена кровью. При каждом срабатывании сердца давление крови в артерии повышается от значения P до значения P, и в соответствии с этим границы пережатия артерии перемещается в направлении движения крови, после чего возвращаются обратно, как показано на фиг. 2. При величине давления воздуха в манжете, равном значению Р, граница пережатия артерии из координаты  смещается до координаты  так как правее этой координаты P>P, и затем возвращается в исходное состояние. В процессе этого движения границы пережатия длина участка артерии в пределах координат от  до  пульсирует, меняя объем артерии в пределах величины, определяемой расстоянием между этими координатами. Эти пульсации объема артерии вызывают пульсации поверхности тела вблизи артерии и приводят к периодическому с частотой работы сердца увеличению объема тела на величину ΔV, что вызывает уменьшение объема V первой камеры манжеты на величину  что приводит к соответствующим скачкам ΔP давления воздуха в первой камере манжеты  именуемым осцилляциями.
S
M2
1
2
2
Понижение давления воздуха в камерах манжеты, происходящее в процессе измерения артериального давления, до зна чения P систолического артериального давления приводит к сдвигу координат диапазона пульсаций границы пережатия артерии к значениям от  до  и обратно, как показано на части фиг. 2, обозначенной индексом Р. При этом амплитуда пульсаций объема первой камеры К манжеты достигнет максимальной величины ΔV, что кратковременно уменьшит объем первой камеры манжеты на величину, равную величине ΔV, при этом пульсации объема второй камеры манжеты еще отсутствуют, а пульсации давления в первой камере манжеты увеличатся, так как
м3
s
d
м
S
3
м
2
Дальнейшее понижение давления воздуха в камерах манжеты приведет к возникновению ситуации, изображенной в части фиг. 2, отмеченной индексом Р, описывающей ситуацию, при которой величина давления воздуха в камерах манжеты лежит внутри диапазона пульсаций артериального давления, ограниченного значениями давления P и P. Как только величина Р станет меньше значения P, граница пережатия артерии при каждом ударе сердца будет переходить линию середины манжеты, при этом кровь порциями будет протекать под всей манжетой, и возникнут пульсации объема ΔV артерии, ограниченные левой границей пережатия  и не ограниченные с правой стороны, в результате чего на величину опорного давления воздуха Р в камере второй манжеты К накладываются пульсации (осцилляции) этого давления с амплитудой
м
м
s
при этом общее давление воздуха  во второй камере манжеты будет определяться суммой  Величина давления Р воздуха в камерах манжеты задается источником давления, поэтому величина  осцилляций будет равна разности давлений воздуха  между величиной давления  воздуха во второй камере манжеты и величиной опорного Р значения давления воспроизводимой источником опорного давления. Поэтому прямое измерение этой разности давлений позволяет точно определить величину и характер его осцилляций во второй камере, а, следовательно, определить момент равенства величины систолического Pзначения артериального давления величине опорного давления воздуха в манжете.
D
м4
M4
D
D
S
D
S
4
Продолжающееся понижение давления воздуха в камерах манжеты до уровня ниже диастолического значения P артериального давления приведет к ситуации, отображенной в части фиг. 2, обозначенной индексом Р. Когда величина давления Р снизится относительно величины диастолического значения артериального давления P, то максимальное значение давления тканей тела на артерию также опустится ниже этого уровня, в результате чего кровоток в артерии восстанавливается по всей ширине манжеты. При этом характер пульсаций объема артерии изменится. Артерия, наполненная кровью, будет в результате работы сердца только менять свой диаметр от величины dдо величины d и обратно с учетом упругости своих стенок на растяжение синхронно с работой сердца в результате периодического изменения артериального давления в пределах величин P и P. В связи с этим при каждом срабатывании сердца площадь сечения артерии, будет увеличиваться на величину  а ее объем будет пульсировать с амплитудой ΔV всей ширине манжеты.
К
4
К1
К2
При этом пульсации объемов ΔV каждой камеры манжеты будут равны между собой и равны половине от ΔV:  если размеры камер идентичны. Пульсации объемов камер манжеты приведут к возникновению равных по величине осцилляций давления ΔP и ΔP:
что позволит путем прямого измерения разности величин этих давлений определить момент достижения давлением воздуха в манжете диастолического значения артериального давления по моменту обнуления этой разности.
Таким образом, и в режиме декомпрессии, и в режиме компрессии одно из значений артериального давления определяется в момент появления соответствующей разности давлений между камерами манжеты, а другое, в момент исчезновения этой разности, что приводит к применению двух разных вариантов обнаружения этих моментов и, соответственно к усложнению схемы измерения. Поэтому может оказаться целесообразным воспользоваться в процессе одного измерения обоими режимами изменения величины опорного давления воздуха в манжете. Это позволит определять момент равенства величины опорного давления диастолическому значению артериального давления по появлению сигналов разности давлений в процессе компрессии (заполнения камер манжет воздухом), при этом величину систолического значения артериального давления будет целесообразно тоже определять, как описано выше, по появлению сигналов разности давлений. При этом оба измерения выполняются за один цикл работы манжеты и увеличивается достоверность получаемых результатов.
1
2
1
2
2
Функциональная схема предлагаемого устройства, приведенная на фиг. 3, содержит компрессионную манжету 1, укомплектованную двумя камерами К и К, соприкасающимися между собой по линии разделения, поперечной по отношению к артерии 3, которые соответственно посредством воздушных каналов 5 и 6 пневматически связаны с блоком дросселирования 7, в свою очередь пневматически подсоединенным к источнику опорного давления 8. Селектор осцилляций состоит из двух дифференциальных измерительных преобразователей: преобразователя 9 разности давлений между камерами K и К манжеты 1 и преобразователя 10 разности давлений между камерой Кманжеты 1 и источником опорного давления 8.
Блок измерения величины опорного давления 11 пневматически подключен к выходу источника опорного давления 8. Выходы первого 9 и второго 10 дифференциальных измерительных преобразователей, а также выход блока измерения величины опорного давления 11 электрически подключены к блоку регистрации измерительной информации 12, который своим выходом электрически подсоединен к блоку индикации результатов измерений 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Предлагаемое устройство работает следующим образом.
M
1
2
M
На часть тела 2, содержащую артерию 3, накладывают компрессионную манжету 1. С помощью источника опорного давления 8 через воздушные каналы 5 и 6 блока дросселирования 7 регулируют величину опорного давления Р в камерах К и К компрессионной манжеты 1. Каналы 5 и 6 блока дросселирования 7 имеют гидравлическое сопротивление потоку воздуха, проходящего через них, обеспечивающее практическое равенство величин давления воздуха в камерах манжеты величине опорного давления Р, создаваемого с помощью источника опорного давления 8 при изменении этой величины со скоростью, нормированной эксплуатационными документами. При возникновении осцилляций давления воздуха в камерах манжеты наличие указанного гидравлического сопротивления обеспечивает разность осцилляционных величин давлений на входах соответствующих дифференциальных измерительных преобразователей, что обеспечивает прямую селекцию осцилляций воздуха, необходимых для определения моментов равенства величин опорного давления воздуха величинам систолического и диастолического значений артериального давления.
Предложенные осциллометрический способ измерения артериального давления и устройство для его осуществления позволяют точно измерить два принятых в медицинской практике систолическое и диастолическое значения артериального давления с высокой достоверностью полученных результатов.