V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

Автоматическое неинвазивное определение артериального давления (АД), несмотря на кажущуюся простоту задачи, до сих пор является проблемой, имеющиеся решения которой нельзя признать до конца удовлетворительными.

Существование большого числа методов и устройств, предназначенных для этой цели, означает, что в настоящее время в мире не существует не только идеального неинвазивного автоматического измерителя АД, но даже просто хорошего универсального прибора, применимого в широком клиническом диапазоне.

Отсутствие универсального прибора компенсируется сравнительно широким спектром технических средств, каждое из которых предназначено для решения узкого круга клинических задач. Вместе с тем не существует сколько-нибудь эффективных автоматических систем для неинвазивного мониторного контроля АД. Это существенно осложняет работу врача, особенно в условиях реанимации, когда непрерывный контроль динамики АД является едва ли не главным требованием адекватного ведения больного. Отсутствие непрерывного длительного контроля АД, например, во время сна, у больных, подверженных риску возникновения гипертонического криза, не позволяет принять своевременные меры и предупредить развитие возможных осложнений. Эта же причина делает практически неразрешимой задачу получения профиля изменения АД у больного в процессе диагностического или терапевтического воздействия - задачу тем более актуальную, что как точность диагностики, так и адекватность лечебной процедуры, например, в случае гипертонической болезни, определяется не двумя-тремя случайными измерениями, а характером профиля АД в различных ситуациях.

Артериальное давление, общее описание объекта измерения

Сердце представляет собой мышечный насос, функция которого заключается в постоянном перемещении крови и содержащихся в ней кислорода и питательных веществ по всему организму; при этом сердце своими ритмическими сокращениями приводит в движение всю кровь в кровеносных сосудах. Кровь, выталкиваемая сердцем, давит на стенки артерий, и это давление называют артериальным.

Артериальное давление (АД) характеризуется двумя показателями, которые измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Верхнее значение (первое число) называется систолическим давлением, определяющим усилие, с которым сердце выталкивает кровь в артерии при сокращении (при этом из сердца выталкивается 60-70 мл крови). Нижнее значение (второе число) называют диастолическим давлением. Оно характеризует давление внутри артерии, когда сердце находится в расслабленном состоянии.

Даже у здорового человека давление может существенно изменяться в течение дня. Оно обычно снижено во время сна, но при возбуждении или волнении, а также во время физической работы АД повышается. Так же повышение давления может быть вызвано стрессом, выкуренной сигаретой или выпитой чашкой кофе. Существуют нормы артериального давления, принятые Всемирной Организацией Здравоохранения.

Тем не менее, давление может меняться в зависимости от возраста и очень важно, чтобы оно не превышало показателей, указанных в таблице 1.

Таблица 1

Возраст	Артериальное давление (мм рт.ст.)
	систолическое	диастолическое
16-20 лет	100-120	70-80
20-40 лет	120-130	70-80
40-60 лет	до 140	до 90
Старше 60 лет	150	90

Высота артериального давления зависит от множества факторов:

• от частоты сокращений сердца, которое гонит кровь по сосудам,

• от качества стенок сосудов (их эластичность), которые оказывают крови сопротивление,

• от объема циркулирующей крови и ее вязкости,

• от психологического состояния человека,

• от употребления некоторой пищи (например, кофе, колы), приема лекарственных препаратов.

• от времени суток и др.

В некоторых ситуациях артериальное давление изменяется по физиологическим причинам: например, повышается в стрессовой ситуации или понижается во время сна. Кроме того, у некоторых людей оно может быть немного повышенным или пониженным от природы. Низкое давление в норме также отмечается у всех новорожденных, у многих подростков в период полового созревания. Однако часто подобные изменения носят патологический характер и являются признаками нарушений в организме и симптомами различных заболеваний, требующих профессиональной поддержки.

Существующие неизвазивные безманжетные методы измерения артериального давления

Фотоплетизмографический метод. В основу методики положено изменение сосудистых артериальных рефлексов при различных положениях конечности - превалирование сосудорасширяющего рефлекса при поднятии конечности вверх, при опускании конечности вниз превалирует сосудосуживающий рефлекс. По данным Sapir (1957) при поднятии руки уменьшается кровенаполнение пальца за счет оттока венозной крови и увеличения объемного пульса за счет увеличения артериального притока. При этом дикротическая волна перемещается на вершину и может совсем исчезнуть; систолическое давление увеличивается.

Эти явления выражаются в изменениях амплитуды пульсовых волн – при развитии сосудосуживающего эффекта амплитуда пульсовых волн нарастает, при развитии сосудорасширяющего эффекта амплитуда пульсовых волн уменьшается. Исследование сосудистых рефлексов с помощью фотоплетизмографии позволяет выявить подвижность механизмов, регулирующих распределение крови, что имеет существенное значение при выявлении локальных капиллярных нарушений и сосудистых заболеваний на уровне всего организма.

Метод основан на преобразовании давления (Р) в силу (F) и измерении параметров пульсовой волны одновременно с измерением значений давления. Поскольку

(1)

где S — площадь поверхности, то, задаваясь определенным, заранее выбранным значением , мы получаем, что. Если мы будем использовать датчик силы, с определенной площадью поверхности на который мы будем воздействовать артерией, то мы получим значения силы Р, пропорциональные значению давления Р. В этом качестве удобно использовать пальцевую артерию. Мы надавливаем пальцем (а точнее, пальцевой подушечкой, где находиться пальцевая артерия) на датчик силы и при этом одновременно измеряем пульсовую волну с помощью фотоэлектрического датчика, состоящего из светодиода и приемного фотодиода.

Естественно, что нажатие пальцем на датчик соответствует явлению компрессии пальцевой артерий, а отжатие — декомпрессии пальцевой артерии. При этом форма пульсовой волны будет изменяться. Пиковые значения амплитуд пульсовой волны до нажатия (т. е. компрессии) первоначально имеют постоянные значения (обозначим их через А). После того как начинается процесс компрессии, пиковые значения амплитуд начинают возрастать (например, следующее значение обозначим через А1), а впоследствии — уменьшаться до полного исчезновения пульсовой волны (момент полного пережатия артерии). В момент компрессии датчик силы (давления) отрабатывает значения давления (силы). После этого происходит процесс декомпрессии, т. е. датчик силы отпускается. Критериями отсчета значений давления Рs и Рd являются значения амплитуд пульсовой волны, определяемые следующим образом: значению Рs соответствует пиковое значение амплитуды (А1) первого появившегося импульса пульсовой волны; значению Рd соответствует пиковое значение амплитуды А2 = А + ΔА, при этом ΔА А1.

Метод импедансной плетизмографии. Известно, что импедансная плетизмография (реография) применяется для определения таких гемодинамических показателей, как минутный ударный объем крови, скорость кругооборота крови, масса циркулирующей крови в артерии, скорость распространения пульсовой волны, а также параметры артериального давления крови человека . При определении параметров артериального давления (АД) крови, а именно, его систолического Рsи диастолического Р_dдавлений, импедансная плетизмография позволяет получить кривую изменения сопротивления участка тела человека, так называемую реограмму.

Авторы предлагают использовать безманжетный способ определения параметров АД на основе импедансно-плетизмографического метода, направленный на устранение указанных недостатков.

Известно, что сопротивление R можно определить по классической зависимости

R=plS=pl2V (2)

где p – удельное сопротивление, S – площадь проводник, V- объем проводника, l – длина проводника, из которой можно получить выражение для объема

V=pl2R (3)

Дифференцируя это выражение по dR получим

dV=-pl2R2dR (4)

Известно, что объемная скорость кровотока определяется как

Q=dVdt=-pl2R2dRdt=PW (5)

где W – гидравлическое сопротивление; P – давление

С учетом вязкости крови μ и радиуса исследуемого участка артерии r можно определить гидравлическое сопротивление:

W=8πlμr4 (6)

В результате составления этих выражений получим формулу для определения давления в артерии на участке фаланги пальца человека:

P=-8lμpdRdt=kdRdt (7)

В этом выражении параметры μ и p при определенных частотах являются физиологическими константами. Например, при частоте 150 кГц p=150 Ом·см, а μ=2,5∙10-3 Па·с. При этом значение l является также фиксированной величиной, зависящей от конструкции первичного преобразователи измерительного устройства АД, например, l=3см.

В соответствии с указанными условиями постоянная k может быть определена как

k=-8lμπp=-1.1·103Па·с/Ом (8)

Знак минус свидетельствует о том, что изменение сопротивления и давления направлены в противоположные стороны, т.е. приток крови в артерии соответствует уменьшению сопротивления, а отток – его увеличению. Поэтому знак в расчетах можно не использовать.

Поскольку сопротивление R и давление P являются функциями времени, то

Pt=kdR(t)dt (9)

Зависимость показывает взаимосвязь между двумя функциями и является операторным управлением, при этом R характеризует общее сопротивление участка пальцевой артерии человека и учитывает сопротивление кожи, мышц, жира и крови (без учета костной ткани), соединенные последовательно.

Поскольку указанные сопротивления тканей соединены последовательно, и можно предположить, что на определенной частоте переменного тока в диапазоне от 50 до 150 кГц сопротивление окружающих сосуд с кровью тканей не изменяется во времени, то

dR(t)dt=dRtdt (10)

где R_t – сопротивление крови в артерии пальцевой фаланги человека.

Очевидно, что для определения значений Ps необходимо найти максимумы, тогда

Ps=Pmaxt=k(dR(t)dt) max=k·k1dU(t)dtmax (11)

Pd=Pmint=k(dR(t)dt) min=k·k1·dU(t)dtmin (12)

Таким образом данный способ определения значений систолического и диастолического давления крови без использования оклюзионной манжеты основывается на получении максимумов по дифференциальной реограмме и умножении их на коэффициент k.

Метод пульсовой оксиметрии. Принципиальное преимущество оптических сенсоров в медицине это их существенная безопасность, т.к отсутствует электрический контакт между пациентом и оборудованием. Так же эти сенсоры менее чувствительны к электромагнитным полям. Это дало толчок развитию оптических технологий для контроля физиологических параметров: например, Доплеровский Лазерный метод для измерения скорости красных кровяных телец.

Зачастую очень важно в реальном времени контролировать не только уровень давления и частоту пульса, но и уровень кислорода в крови пациента, отражающего эффективность работы легких и дыхательной системы в целом. Контролировать все эти параметры в реальном времени позволяет пульсовая оксиметрия. Оксиметрия в настоящий момент широко применяется в анестезиологии и в течение интенсивной терапии. Пульсовая оксиметрия так же применяется для мониторинга легочных болезней у взрослых и в поиске причин расстройства сна.

Принцип пульсовой оксиметрии основан на характеристиках поглощения света красного и инфракрасного диапазонов насыщенным и обедненным кислородом гемоглобином. Насыщенный кислородом гемоглобин поглощает больше инфракрасного света и пропускает больше красного света. Обедненный кислородом гемоглобин поглощает больше красного света и пропускает через себя больше инфракрасного света. Красный свет имеет длины волн от 600 до 700 нм. Диапазон длин волн инфракрасного света 850-1000 нм. По результатам исследования, опубликованного в журнале “Anesthesia”, обедненный кислородом гемоглобин наилучшим образом поглощает свет с длиной волны 660 нм, насыщенный кислородом лучше всего поглощает свет с длиной волны 910 нм. Пульсовая оксиметрия использует источники света с красным и инфракрасным светодиодами, которые просвечивают через относительно прозрачную часть тела с хорошим током крови. Обычно у взрослых и детей в качестве мест установки датчиков используются пальцы рук и ног, ушные раковины и мочки ушей. У детей используются ладони, а так же большие пальцы рук и ног. На противоположной стороне от излучателя устанавливается фотодетектор, на который попадает свет, проходящий через ткани человека.

Существует два метода оксиметрии; метод, основанный на отражении света и метод, основанный на прохождении света. В методе, основанном на прохождении света через ткани человека, излучатель и фотодетектор расположены на противоположных сторонах части тела человека (пальца, мочки уха и тд). В методе, использующем отражение света, фотодетектор и излучатель находятся рядом на одном уровне. Первый метод наиболее широко используется в медицине.

После генерации красный и инфракрасный сигналы проходят через ткани человека и попадают на фотодетектор, затем вычисляется отношение R/IR (отношение напряжения, создаваемого красным светом к напряжению, создаваемому инфракрасным светом). Далее эмпирически вычисляются параметры, зависящие от этого отношения, такие как количество кислорода и сахара в крови, а так же давление.

Анестезиологи рекомендуют использовать данный метод при невозможности или неудаче применения внутриартериального способа измерения АД. По данным журнала «Anesthesia», основную сложность в изготовлении данного вида тонометров представляет поиск корреляции между пульсовой волной, снятой с помощью оксиметра, и артериальным давлением.

Использование пьезоэлектрического датчика силы для неинвазивного безманжетного измерения артериального давления

Вследствие того, что чувствительность данного вида датчиков высока, было предложено использовать пьезоэлектрический датчик силы для детектирования пульсовой волны непосредственно с запястья человека и, впоследствии, её обработки для нахождения значений систолического и диастолического артериального давления.

В общем виде математическую модель устройства можно представить следующим образом:

E=K∙∆x где, (13)

E – напряжение на выходе преобразователя

K – общий коэффициент преобразования

∆x – перемещение преобразователя

Связь перемещения с действующей силой описывается законом Гука:

F=k∙∆x (14)

∆x=F/k (15)

В свою очередь, связь силы и давления:

F=S∙P, где (16)

S - площадь соприкосновения преобразователя с телом человека

P – давление

Основываясь на приведенных выше выражениях можно составить следующую систему уравнений:

F=k∙∆xF=S∙P (17)

отсюда можно выразить значение давления,

P=kS∙∆x здесь, (18)

kS-общий коэффициент преобразования K

Для исследования пьезоэлектрического преобразователя в качестве датчика артериального давления были проведены эксперименты с использованием монофонического пьезоэлектрического звукоснимателя. Обработка сигнала с датчика производилась с помощью макета (рис.1), основанного на микроконтроллере atmega16 и компьютерной программе Labview. Следует отметить, что макет был созданассистентом кафедры ИИТ Национального исследовательского Томского политехнического университета Шкляр Е.И.

Рис.1. Блок-схема макета.

Технические характеристики преобразователя (пьезоэлектрического звукоснимателя): Выходное напряжение: 3 мВ (5 см/с)Частотный диапазон: 20 – 25000 ГцРазделение каналов: 27 дБ (1 кГц)Сбалансированность каналов: 1 дБ (или менее)Сопротивление нагрузки: 47 кОм

Микроконтроллер (МК) – Atmega16

Устройство сопряжения – интерфейс RS-232, переходник RS-232 -> USB

Результаты эксперимента

Были проведены измерения АД у людей разного возраста и пола (табл.2) с последующим сравнением результатов с эталонным прибором (тонометр фирмы OMRON серии M2 Basic). Показания эталонного прибора указаны в скобках.

	Левая рука		Правая рука
	Систолическое	Диастолическое	Систолическое	Диастолическое
1	115(121)	88(79)	107(110)	77(85)
2	135(129)	78(86)	132(130)	86(80)
3	106(93)	58(53)	97(96)	58(56)
4	157(148)	80(71)	124(121)	68(65)
5	130(129)	65(59)	127(126)	72(58)
6	127(121)	73(71)	133(126)	81(68)
7	118(119)	81(64)	117(110)	72(60)
8	103(113)	62(64)	98(102)	63(51)
9	132(129)	76(70)	144(136)	85(72)
10	121(115)	54(62)	129(124)	65(65)

Как видно из таблицы 2, показания экспериментального тонометра приблизительно соответствуют показаниям эталонного прибора. Хотя важно отметить, что тонометр OMRON, принятый в данном эксперименте за эталон, несомненно, имеет существенную погрешность измерения. Точное измерение артериального давления вне стационара представляет большую сложность.

При снятии показаний АД экспериментальным тонометром пришлось столкнуться с рядом трудностей. Во первых, на показания оказывают существенное влияние угол наклона преобразователя, сила нажима, и в значительной мере место установки преобразователя. Так же на правильность показаний оказывает влияние, как ни странно, уровень АД человека. Так, было значительное затруднение при съеме показаний у людей с низким АД, проявляемое в слабой чувствительности датчика к пульсовой волне. В этом случае проблема решалась более точным выбором места установки датчика, регулировкой нажима, а так же помощью изменения положения кисти руки. Например при отгибании кисти можно добиться лучшей выявляемости кровеносных сосудов, что зачастую решало проблему с нечувствительностью датчика.

Но все же главной проблемой для выпуска полностью работоспособного прототипа остается выбор места установки и положения датчика, которые зависят от физиологических особенностей человека, а так же возможное смещение при ходьбе, движении, которое, несомненно, повлияет на показания прибора. Необходимо добиться точной и плотной фиксации преобразователя на руке человека. Отчасти этого можно добиться расположением преобразователя на жесткой основе, которая, в свою очередь, будет крепиться к руке человека. Но все равно остается открытым вопрос универсального положения датчика, которое мало будет зависеть от физиологических особенностей человека. В данный момент такое положение не найдено.

Заключение

Исходя из приведенной выше информации можно сделать вывод, механический метод с использованием пьезоэлектрического датчика является перспективным для дальнейшей разработки. Вывод основан на положительных результатах эксперимента с пьезоэлектрическим звукоснимателем, существовании четкой математической модели, относительной простоты нахождения корреляции между сигналом датчика и давлением. При необходимых доработках представляется возможным получить принципиально новый прибор. Доработки состоят в поиске идеального положения датчика, включении в измерительную схему аналогового фильтра, переноса всех вычислений на микроконтроллер. Метод оксиметрии требует широких статистических исследований для поиска связи между пульсовой волной и давлением, так же понижает удобство пользования прибором, вследствие необходимости ношения относительно громоздкого датчика на пальце. Другие же методы так же не вписываются в основную концепцию нового прибора, основная идея которого – незаметный и непрерывный мониторинг АД.

Основываясь на приведенной выше информации, можно предложить следующую структурную схему тонометра:

система питания

Рис.2 Структурная схема тонометра

Для реализации всех функций необходимо использовать более совершенный микроконтроллер, например STM32F4VG – 32 битный ARM микроконтроллер на ядре cortex-m4. Выбор микроконтроллера отчасти основывается на наличии дешевых и доступных отладочных плат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Oximetry, reference site. [Электронный ресурс] : / 2006 oximetry.org . - Режим доступа: http://www.oximetry.org/, свободный. - Загл. с экрана (дата обращения: 7.06.2012).

2. Шкляр Е.И.. Миляев Д.В. Разработка экспериментального макета на основе пьезоэлектрического преобразователя для измерения артериального давления // Ползуновский вестник, №2/1, 2012 г. - С. 203-207.

3. STMicroelectronics [электронный ресурс]: STMictoelectronics official site, 2012 . – режим доступа http://www.st.com/, - свободный. – загл. с экрана (дата обращения:14.06.2012).

4. Селиванов Е.П., Блинов А.В. Импедансно-плетизмографическое устройство определения параметров артериального давления крови человека в пальцевой фаланге // Радиопромышленность,1996.- вып.2-С.112-118

5. Principles of pulse oximetry [электронный ресурс]: AnestesiaUK: сетевой журн. – режим доступа http://www.frca.co.uk/article.aspx?articleid=332, - свободный. – загл. с экрана (дата обращения: 14.06.2012).

15

Код для цитирования: Скопировать