способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови, включающий регистрацию пульсограмм с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, определение расстояния L между этими участками, времени t пробега пульсовой волны между ними и вычисление скорости V распространения пульсовой волны по формуле V=L/ t, отличающийся тем, что с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями регистрируют одновременно две дифференциальные пульсограммы двумя пьезодатчиками, a t определяют по сдвигу графиков кардиоциклов этих двух пульсограмм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сдвиг графиков кардиоциклов двух полученных пульсограмм определяют по точкам абсолютного положительного экстремума графиков кардиоциклов.

3. Устройство для определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови, содержащее последовательно соединенные первый пьезодатчик, устройство сопряжения, ЭВМ и монитор, при этом устройство сопряжения включает в себя первый усилитель, один из входов которого является первым входом устройства сопряжения и соединен с выходом первого пьезодатчика, а выход первого усилителя подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), последовательно соединенному с блоком преобразования и блоком согласования, выход которого является выходом устройства сопряжения и подключен к ЭВМ, а также содержит источник опорного напряжения, выходы которого подключены к соответствующим входам первого усилителя, АЦП, блока преобразования и блока согласования, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым пьезодатчиком, а в устройство сопряжения введены второй усилитель подключенный к АЦП параллельно первому усилителю, и блок гальванической развязки, включенный между АЦП и блоком преобразования, причем один из входов второго усилителя является вторым входом устройства сопряжения и соединен с выходом второго пьезодатчика, а другой его вход соединен с соответствующим выходом источника опорного напряжения, вход которого соединен с ЭВМ.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к медицине и медицинской технике, в частности, к кардиологии и приборам для исследования функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека, и может быть использована при определении скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови.

Известен способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови, в котором используют преимущественно различные типы плетизмографических датчиков, регистрирующих волнообразное изменение объема тканей, прилегающих к датчику, обусловленное пульсирующим притоком артериальной крови - объемная сфигмография (ОСфГ). С помощью одного такого датчика последовательно регистрируют в течение 10-20 секунд сигналы с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, измеряют расстояние между этими участками (L) и, деля его на время пробега пульсовой волны между этими участками ( t), вычисляют скорость - V=L/ t. Для определения величины t одновременно со снятием пульсограмм регистрируют электрокардиограмму (ЭКГ) для привязки сигналов от датчика к реальному времени, при этом время задержки t определяют по моменту открытия аортального клапана [Руководство оператора по программному обеспечению системы анализа пульсовой волны scor-px. 2006. AtCor Medical Pty. Ltd., Australia].

К недостаткам способа следует отнести необходимость регистрации ЭКГ одновременно со снятием пульсограмм, что усложняет способ. Кроме того, регистрируемый плетизмографическим датчиком сигнал включает в себя дополнительную объемную составляющую, обусловленную кожей, мелкими сосудами, мышечными и другими структурными компонентами тканей. Все это демпфирует, сглаживает график регистрируемой волны давления крови и, как следствие, ограничивает точность оценки его параметров, которые используются в определении величины t при определении скорости распространения пульсовой волны по артерии. Также на точность определения момента открытия аортального клапана влияют такие дополнительные факторы, как зависимость динамики выброса ударного объема крови из левого желудочка сердца в аорту от структурно-функционального состояния аортального клапана и стенки левого желудочка, от упруго-эластических свойств аорты. Все это растягивает во времени переходный процесс от фазы изометрического напряжения миокарда левого желудочка к фазе изотонического выброса крови в артериальное русло, увеличивает вариабельность момента открытия аортального клапана и тем самым снижает точность определения величины t.

Известно устройство для реализации способа пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека (см. описание изобретения по пат. № 2268639).

Известное устройство, выбранное в качестве прототипа к заявляемому устройству, содержит последовательно соединенные пьезодатчик, устройство сопряжения, ЭВМ и монитор, а также сфигмоманометр, подключенный к ЭВМ, при этом устройство сопряжения включает в себя усилитель, один из входов которого является входом устройства сопряжения и соединен с выходом пьезодатчика, а выход усилителя подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), последовательно соединенному с блоком преобразования и блоком согласования, соответствующие входы всех элементов устройства сопряжения подключены к источнику питания, а блок преобразования соединен также с генератором тактовых импульсов.

Недостатком известного устройство является то, что оно не обеспечивает точного определения скорости распространения пульсовой волны давления крови по аорте и крупным артериальным сосудам, что существенно снижает оценку степени жесткости стенок аорты и крупных магистральных артерий при неинвазивном экспресс-анализе функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека.

Технический результат, достигаемый группой изобретений, заключается в упрощении способа за счет исключения необходимости регистрации ЭКГ, а также в повышении точности определения скорости распространения пульсовой волны давления крови по аорте и крупным артериальным сосудам.

Заявленный технический результат достигается в способе определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови, включающем регистрацию пульсограмм с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, определение расстояния L между этими участками, времени t пробега пульсовой волны между ними и вычисление скорости V распространения пульсовой волны по формуле V=L/ t, в котором, согласно изобретению, с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями регистрируют одновременно две дифференциальные пульсограммы двумя пьезодатчиками, a t определяют по сдвигу графиков кардиоциклов этих двух пульсограмм.

Целесообразно сдвиг графиков кардиоциклов двух полученных пульсограмм определять по точкам абсолютного положительного экстремума графиков кардиоциклов.

Заявленный технический результат достигается также в устройстве, содержащем последовательно соединенные первый пьезодатчик, устройство сопряжения, ЭВМ и монитор, при этом устройство сопряжения включает в себя первый усилитель один из входов которого является первым входом устройства сопряжения и соединен с выходом первого пьезодатчика, а выход первого усилителя подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), последовательно соединенному с блоком преобразования и блоком согласования, выход которого является выходом устройства сопряжения и подключен к ЭВМ, а также содержит источник опорного напряжения, выходы которого подключены к соответствующим входам первого усилителя, АЦП, блока преобразования и блока согласования, согласно изобретению дополнительно снабжено вторым пьезодатчиком, а в устройство сопряжения введены второй усилитель, подключенный к АЦП параллельно первому усилителю, и блок гальванической развязки, включенный между АЦП и блоком преобразования, причем один из входов второго усилителя является вторым входом устройства сопряжения и соединен с выходом второго пьезодатчика, а другой его вход соединен с соответствующим выходом источника опорного напряжения, вход которого соединен с ЭВМ.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - представлены графики дифференциальных пульсограмм, снимаемых с пьезодатчиков 1 и 2;

на фиг.2 - представлена структурная схема заявленного устройства;

на фиг.3 - функциональная схема устройства сопряжения;

на фиг.4 - блок-схема алгоритма обработки данных;

на фиг.5 - блок-схема алгоритма программного обеспечения микроконтроллера.

Два пьезодатчика, закрепленные над пульсирующими из-за близко прилегающих артерий исследуемыми участками тела, отстоящими друг от друга на измеренном расстоянии L, преобразовывают локальные механические толчки непосредственно в электрические сигналы. Эти сигналы непрерывно регистрируются и визуализируются графически на экране монитора персонального компьютера (ПК) в виде двух кривых, сдвинутых относительно друг друга на время запаздывания ( t) прихода одной и той же пульсовой волны ко второму датчику, установленному дистально, по сравнению с первым датчиком, установленным проксимально (фиг.1). Дифференциальный график пьезопульсограммы отражает скорость пульсового изменения артериального давления (АД) крови на разных этапах сердечного цикла в течение всего периода обследования. Это позволяет выделять на графике заданные расчетные точки (нулевые, экстремальные и точки перегиба) и с высокой точностью определять величину t по сдвигам этих точек на графиках кардиоциклов.

Для определения моментов времени при оценке скорости пробега пульсовой волны АД по артериальным стенкам целесообразно выбирать точку В абсолютного положительного экстремума на графике кардиоциклов. Этот параметр не испытывает влияния отраженной от сосудистой периферии волны пульсового артериального давления, что обеспечивает наибольшую точность определения величины t.

Такая конструкция устройства, реализующего заявленный способ, позволяет за счет наличия двух пьезодатчиков осуществлять одновременную регистрацию двух дифференциальных пульсограмм с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями. Введение в устройство сопряжения второго усилителя, подключенного к АЦП параллельно первому усилителю, и блока гальванической развязки, включенного между АЦП и блоком преобразования таким образом, что один из входов второго усилителя является вторым входом устройства сопряжения и соединен с выходом второго пьезодатчика, а другой его вход соединен с соответствующим выходом источника опорного напряжения, вход которого соединен с ЭВМ, позволяет исключить необходимость регистрации ЭКГ, что приводит к упрощению способа.

Предлагаемое устройство для реализации способа определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови (фиг.2) содержит первый и второй пьезодатчики 1 и 2, параллельно подключенные к устройству сопряжения 3, соединенному через ЭВМ 4 с монитором 5. Устройство сопряжения 3 (фиг.3) включает в себя первый и второй усилители 6 и 7, параллельно подключенные к АЦП 8, который последовательно соединен с блоком гальванической развязки 9, блоком преобразования 10 и блоком согласования 11, выход которого является выходом устройства сопряжения. Устройство сопряжения 3 (фиг.3) содержит также источник опорного напряжения 12, который осуществляет питание всех элементов схемы от USB-порта ЭВМ 4 (фиг.2).

Каждый из усилителей 6 и 7 выполнен по трехкаскадной схеме. Так для снижения уровня внешних помех первый каскад обоих усилителей включен по схеме подавления синфазного сигнала. В качестве операционных усилителей первого каскада используют, например, микросхемы типа ОР491 с высоким входным сопротивлением. Второй каскад включен по схеме не инвертирующего усилителя и используется для плавной регулировки коэффициента усиления с помощью внешнего потенциометра. Третий каскад предназначен для смещения напряжения сигнала в положительную область относительно нуля. Во втором и третьем каскаде каждого усилителя используют, например, микросхемы ОУ типа LMV324.

Усиленные до необходимой амплитуды (порядка 2 вольт) сигналы поступают на входы АЦП 8, где они квантуются с частотой дискретизации, равной 1000 Гц (либо 200 Гц) и оцифровываются. Аналого-цифровой преобразователь 8, например, микросхема AD7866 фирмы Analog Device, представляет собой двухканальный 12-разрядный АЦП последовательного приближения. Все внешнее управление работой АЦП 8 осуществляется через сигнальные линии интерфейса стандарта SPI. При появлении логического нуля на входной ножке /CS АЦП осуществляет одновременную передачу последовательных данных об амплитудах измеренных сигналов на выходах DOUTA и DOUTB по тактовым импульсам, поступающим на вход SCLK. Выход DOUTA отвечает за канал А АЦП, а выход DOUTB за канал В. Одновременный запуск измерений осуществляется в момент перехода сигнала на входе /CS из логической 1 в логический 0.

Далее информация в виде последовательного цифрового кода, минуя гальваническую развязку 9, передается на устройство преобразования 10. Гальваническая развязка 9, выполненная по технологии iCoupler на микросхеме ADuM1402BRW, является гальванической развязкой трансформаторного типа и используется для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.

В качестве устройства преобразования используется 8-битовый микроконтроллер, например, АТ89С2051 фирмы Atmel. Задачами, возложенными на микроконтроллер, являются: выработка синхросигналов /CS и SCLK для управления аналого-цифровым преобразователем 8, чтение последовательного кода с выходов DOUTA и DOUTB аналогово-цифрового преобразователя 8, преобразование полученного последовательного кода в параллельный код и передача его на вход устройства согласования 11. Программное обеспечение микроконтроллера (алгоритм представлен на фиг.5), получив прерывание от таймера, настроенного на частоту дискретизации 1 кГц, генерирует сигнал начала преобразования и сигнал тактовых импульсов для SPI интерфейса АЦП 8, одновременно считывая сигналы с его выходов. Получив два 12-битных числа, соответствующие амплитудам на выходах усилителей 6 и 7, микроконтроллер, добавив в старшие биты информацию о номере канала, преобразует их в два двухбайтных слова и передает на вход устройства согласования 11. На фиг.5 приведена блок-схема алгоритма работы программного обеспечения микроконтроллера. В качестве устройства согласования 11 может быть использована, например, микросхема FT245BM фирмы FTDI, представляющая собой преобразователь FIFO - USB, позволяющая получать и передавать параллельные данные в виде отдельных байтов по USB интерфейсу на ЭВМ. Микроконтроллер, используя параллельный порт (D0 D7) этой микросхемы и сигналы /RD, WR, записывает данные во внутренний промежуточный буфер, тем самым автоматически инициирует передачу этих данных по USB интерфейсу.

Источник опорного напряжения (ИОН) 12 осуществляет питание элементов схемы устройства сопряжения 3 стабилизированным напряжением. ИОН 12 состоит из трех частей: LC фильтра, изолированного DC/DC конвертера и стабилизатора напряжения. Напряжение питания схемы подается от USB порта компьютера. LC фильтр обеспечивает сглаживание пульсаций этого напряжения. С выхода LC фильтра напряжение 5 вольт подается на всю цифровую часть схемы (гальваническая развязка 9, блок преобразования 10 и блок согласования 11). Аналоговая часть схемы (усилители 6 и 7, АЦП 8, гальваническая развязка 9) запитывается через цепочку изолированный DC/DC конвертер - стабилизатор напряжения. Изолированный DC/DC конвертер (микросхема DCPO 10505) позволяет осуществлять гальваническую развязку входной и выходной частей схемы, а стабилизатор напряжения (микросхема LP2986IM) сгладить неравномерности питания аналоговой части.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом.

Обследование проводят в условиях физического и эмоционального покоя пациента. Определение скорости распространения пульсовой волны по аорте (Vao) проводят в положении лежа. При исследовании других магистральных артерий (Var) положение пациента зависит от задачи обследования (лежа, сидя или стоя при ортостатической нагрузке). Регистрацию пьезопульсограммы проводят после 5-10 минутного отдыха, непрерывно в течение не менее 30 с. в зависимости от задачи обследования.

Для определения Vao измеряют расстояние Lc между яремной выемкой и пульсирующим участком над сонной артерией (arteria carotis), с которого снимают сигнал датчиком 1, а также расстояние Lf между яремной выемкой и пульсирующим участком над бедренной артерией (arteria femoralis), с которого снимают сигнал датчиком 2. Величина разности Lf-Lc представляет собой реальное расстояние Lao, которое пробегает пульсовая волна АД по аорте за интервал времени t между точками B₁ и В₂ (Фиг.1).

Определение величины Var, например, по магистральной артерии левой руки, проводят аналогично вышеописанному. Расстояния Lao и Lar вносят в окошко меню «Данные о пациенте» программного обеспечения.

Сигналы 1 и 2 с соответствующих пьезодатчиков поступают на входы 1 и 2 устройства сопряжения 3, с выхода которого в оцифрованном виде поступают на ЭВМ 4 (Фиг.2), и после вычисления скорости распространения пульсовой волны по алгоритму, представленному на фиг.4, отображаются на мониторе 5 в виде графиков (Фиг.1) и таблицы результатов.

Алгоритм, представленный на фиг.4, обеспечивает вычисление временной разницы между экстремумами на первом и втором графиках (фиг.1) по формуле t_i=N_i/F, где t_i - интервал времени между точками B₁ и В₂; N_i - количество дискрет оцифровки; F - частота оцифровки. Точность определения t_i составляет 1 дискрет, что соответствует 1 мс при частоте дискретизации сигнала, равной 1 кГц.

Полученные интервалы t_i усредняются и определяется величина t - как среднее время задержки прохождения пульсовой волны между выбранными пульсирующими участками тела над обследуемой артерией.

Далее, согласно алгоритму, по полученным значениям t и Lao или Lar вычисляется скорость распространения пульсовой волны артериального давления крови.

После окончания регистрации обе пьезопульсограммы сохраняют на жестком диске в виде одного файла. Кроме оцифрованных данных в файл записывают данные о пациенте (ФИО, возраст, пол, артериальное давление, предварительный диагноз) и параметры измерения (дата, время, длительность, дискрет квантования и др.).

Способ иллюстрируется следующими клиническими примерами.

1. Обследованный С., 22 г., без патологии ССС в анамнезе. Определение скорости распространения пульсовой волны АД по аорте Vao и магистральной артерии левой руки Var проводили в соответствии с описанной выше методикой. Расстояние Lao составило 490 мм, расстояние Lar - 615 мм. Для определения Vao пьезодатчик 1 был установлен на пульсирующем участке над сонной артерией, пьезодатчик 2 - на пульсирующем участке над бедренной артерией. Для определения Var пьезодатчик 1 был установлен на пульсирующем участке над над сонной артерией, пьезодатчик 2 - на пульсирующем участке над лучевой артерией. Была проведена серия из 10 регистрации пьезопульсограмм, выполненных независимо в течение одного месяца. Результаты обработки сигналов, полученных с датчиков, заявленным устройством представлены в Таблице, для каждого отдельного результата указана средняя арифметическая ошибка измерения, для средних результатов 10 измерений указана средняя квадратическая (стандартная) ошибка.

2. Обследованный В., 75 лет, практически здоров, без патологии ССС в анамнезе. Определение скорости распространения пульсовой волны АД по аорте Vao и магистральной артерии левой руки Var проводили в соответствии с описанной выше методикой. Расстояние Lao составило 450 мм, расстояние Lar - 610 мм. Для определения Vao пьезодатчик 1 был установлен на пульсирующем участке над сонной артерией, пьезодатчик 2 - на пульсирующем участке над бедренной артерией. Как и в предыдущем примере, была проведена серия из 10 регистрации пьезопульсограмм, выполненных независимо в течение одного месяца. Результаты обработки сигналов представлены в таблице.

Таблица
n	Обследованный С., 22 г.		Обследованный В., 75 лет
	Var (м/сек)	Vao (м/сек)	Var (м/сек)	Vao (м/сек)
1	7,23±0,03	6,22±0,03	9,03±0,05	9,98±0,06
2	6,97±0,03	6,13±0,02	9,21±0,04	9,25±0,05
3	6,42±0,02	6,53±0,03	8,98±0,05	9,45±0,07
4	7,31±0,03	5,87±0,03	8,57±0,07	9,87±0,06
5	7,11±0,03	6,04±0,03	8,85±0,05	8,89±0,06
6	7,28±0,03	6,56±0,04	8,45±0,06	9,23±0,05
7	6,88±0,03	5,98±0,03	9,08±0,06	9,59±0,05
8	7,53±0,04	6,06±0,02	9,11±0,05	9,76±0,06
9	6,94±0,03	6,18±0,02	8,78±0,05	10,04±0,11
10	7,40±0,03	6,08±0,03	9,06±0,07	9,12±0,06
Среднее значение (X±SD) для n=10	6,42±0,32	6,17±0,22	8,91±0,25	9,52±0,39

Из приведенных примеров можно видеть, что у молодого мужчины, для стенок артериальных сосудов которого характерна высокая эластичность, средние величины скоростей (Vao и Var) значительно ниже, чем величины тех же показателей у пожилого мужчины, для стенок артериальных сосудов которого является характерным возрастное увеличение жесткости (ригидности, stiffhess) и, соответственно, - скорости распространения пульсовой волны АД.

Величины всех этих показателей совпадают с численными значениями соответствующих международных стандартных кривых зависимости величин Vao и Var от возраста обследуемых [W.W.Nichols; S.J.Denardo; I.В.Wilkinson; C.M.McEniery; J.Cockcroft; M.F.O'Rourke. Effects of Arterial Stiffiiess, Pulse Wave Velocity, and Wave Reflections on the Central Aortic Pressure Waveform //J Clin Hypertens (Greenwich). 2008, 10: 295-303].

Использование заявленной группы изобретений позволяет упростить определение скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови и повысить точность получаемых результатов.