Разработка системы аппланационной тонометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мансуров Геннадий Константинович

• Мансуров Геннадий Константинович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Мансуров Геннадий Константинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ К РАЗРАБОТКЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

1.1. Анатомические особенности и основные функции артериального

1.2. русла кровеносной системы человека

1.2. Физические основы измерения артериального давления

1.3. Инвазивный и неинвазивный инструментальные методы измерения артериального давления человека

1.4. Актуальные инструментальные методы неинвазивного

измерения артериального давления человека

1.5. Выводы к 1 главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ АППЛАНАЦИОНЫХ ДАТЧИКОВ НА ПРИНЦИПЕ ЛОКАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

2.1. Обоснование аппланационной схемы измерения давления компенсационным методом

2.2. Разработка и исследование характеристик аппланационного датчика с жидкостной рабочей камерой

2.3. Минимизация размера чувствительной зоны аппланационного датчика с переходом на пневматический вариант рабочей камеры

2.4. Исследование устойчивости потока воздуха в рабочей камере датчика и оценка ограничений на ее параметры

2.5. Решение проблемы позиционирования датчика

Выводы к 2 главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО ПРОТОТИПА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА АРТЕРИАЛЬНОГО

Стр.

ДАВЛЕНИЯ

3.1. Структура опытного образца системы мониторинга артериального давления

3.2. Функциональное назначение элементов системы мониторинга

3.3 Информационное обеспечение опытного образца системы

мониторинга артериального давления

3.4. Системная и функциональная компоненты программно-алгоритмического комплекса обработки первичных данных

артериального давления

Выводы к 3 главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

4.1. Результаты тестовых данных мониторинга артериального

давления

4.2. Синхронизация датчика артериального давления с электрокардиосигналом

4.3. Оценка упругих свойств артерий по динамике распространения пульсовой волны давления

4.4. Рекомендации по дальнейшему развитию системы мониторинга

артериального давления человека

Выводы по 4 главе

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - артериальное давление

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВОЗ - всемирная организация здравоохранения

ДАД - диастолическое артериальное давление

ДДД - дифференциальный датчик давления

ИС - интегральная схема

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОУ - операционный усилитель

ПВХ- - поливинилхлоридный

ПИД- - пропорционально-интегрально-дифференциальный

САД - систолическое артериальное давление

СМАД - суточный мониторинг артериального давления

СРПВ - скорость распространения пульсовой волны

ССЗ - сердечно-сосудистые заболевания

ССС - сердечно-сосудистая система

MCU - microcontroller unit (микроконтроллер)

USB - universal serial bus (универсальная последовательная шина)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы аппланационной тонометрии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена переходом к инновационному социально ориентированному типу экономического развития и возрастающей ролью цифровых методов в медицине. Постановлением Правительства РФ №1640 от 26.12.2017 г. утверждена государственная программа Российской Федерации «Развитие здравоохранения», которая наряду с другими включает в себя направление (подпрограмму) 2 «Развитие и внедрение инновационных методов диагностики, профилактики и лечения, а также основ персонализированной медицины». В странах со средним и высоким уровнем доходов ишемическая болезнь сердца и инсульт уносят больше всего человеческих жизней. Последние 15 лет по данным ВОЗ эти заболевания остаются ведущими причинами смерти в мире. И лишь в странах с низким доходом на первое место по региональной смертности выходят так называемыми состояния «группы I», включающие различные инфекционные болезни, материнскую смертность, патологии, возникающие при беременности и родах, качество воды и общую недостаточность питания [1]. Сердечно-сосудистые и цереброваскулярные заболевания, представленные в официальной российской статистике, как болезни системы кровообращения (БСК) являются ведущими причинами смертности населения и в Российской Федерации, на их долю в числе умерших от всех причин приходится более 55% смертей [2]. При диагностике и лечении этих заболеваний используется информация о состоянии системы кровообращения и отдельных ее органов, полученная, в том числе, путем анализа данных измерения артериального давления (АД) в доступных для этого участках человеческого тела [3]. Разработка надежных и удобных в применении способов неинвазивного измерения артериального давления крови является важным направлением развития для практической медицины, а также фундаментальных биомедицинских исследований. Профилактика и лечение сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) постоянно совершенствуются как в организационно-методическом плане, так и в применении новых технических средств и приборов

функциональной диагностики и контроля сердечно-сосудистой системы. Применение современных математических методов обработки данных открывает новые возможности для ранней диагностики ССЗ, а также мониторинга состояния пациента в период лечения или реабилитации. Информатика в наши дни стала неотъемлемой частью современной медицины. Носимые приборы, такие как монитор Холтера [4] для записи электрокардиограммы, стали привычными диагностическими приборами. Монитор Холтера в некоторых вариантах объединен с тонометром, периодически снимающим показатели артериального давления (АД). В таких устройствах, как правило, применяются методы измерения АД с применением охватывающей руку манжеты с периодическим (20-60 минут) измерением всего двух величин - систолического (САД) и диастолического (ДАД) давления. При всей ценности данных АД информативность таких методов сильно уступает информативности записи ЭКГ, которая непрерывно фиксирует данные каждого сердечного цикла. Существующие методы непрерывного измерения АД имеют ограничения по условиям применения и продолжительности процедуры.

Вышеизложенное послужило основанием для разработки программно-аппаратного комплекса мониторинга (измерения, записи и отображения) АД непрерывного действия с использованием аппланационного метода локальной разгрузки стенки артерии.

Степень разработанности темы

Исследование сердечно-сосудистой системы человека уходит корнями глубоко в историю, когда иных инструментов и методов диагностики, кроме пальпации (прощупывания) пульса, не существовало. Тем не менее, известны попытки классификации и исследования пульса, например, «Книга о пульсе» китайского врача Ван Шухэ (Wang Shuhe) 3 века н. э. [5]. Что касается инструментального измерения артериального давления, первым дошедшим до нас источником считается книга Стивена Гэйлса (1667-1761) [6], где описывается опыт по введению в артерию привязанной и лежащей на спине кобылы латунной трубки с внутренним диаметром 1/6 дюйма, соединенной со стеклянной трубкой

длиной 9 футов. Кровь в стеклянной трубке за несколько начальных толчков поднялась на 8 футов 3 дюйма относительно уровня сердца и с каждым ударом пульса уровень крови в трубке падал и поднимался на несколько дюймов. Частота пульса составляла около 55 ударов в минуту, временами поднимаясь до ста, в то время как до эксперимента в спокойном состоянии была порядка 36 ударов в минуту. Гэйлс заметил и описал также медленные колебания систолического давления с периодом 40-50 ударов пульса. Говоря современным языком, он первым применил метод прямого инвазивного измерения артериального давления, который, с поправками на современные технологии, используется в отдельных случаях и в наши дни. Это травматичный и трудоемкий метод, применяющийся редко и только в медицинских учреждениях.

Во второй половине 19-го века французский ученый Маре (EJ.Marey) опубликовал ряд трудов, посвященных кровообращению. Используя технологии того времени, он разработал методы измерения артериального давления и формы пульсовой волны при помощи механических самописцев, положивших начало сфигмографии [7]. Сфигмография - метод исследования пульса по колебательным перемещениям стенки артерии, в том числе объемным. Более простыми способами измерения артериального давления оказались так называемые окклюзионные методы, с применением манжеты Рива-Роччи [8], усовершенствованные далее российским военным врачом Н. С. Коротковым. Его имя носит метод измерения давления, до сих пор применяющийся в медицине. Он основан на прослушивании стетоскопом шумов (тонов Короткова), возникающих и исчезающих в нижележащей артерии при плавном понижении давления воздуха в манжете, как правило, плечевой. Уровни давления в манжете в моменты появления и затухания тонов Короткова соответствуют систолическому и диастолическому давлению. С появлением микроконтроллеров самописцы Маре обрели новое воплощение в осциллометрическом методе измерения артериального давления. Метод основан на измерении амплитуды пульсаций давления в окклюзионной манжете при плавном изменении давления в ней. По огибающей амплитуды пульсаций как

функции давления в манжете определяются точки, соответствующие систолическому, диастолическому и среднему давлению. Продолжительность одного измерения длится порядка десяти и более периодов сердечного цикла. Как в методе Короткова, так и в осциллометрическом результат измерения представляет собой уровни систолического и диастолического давлений в артерии. Эти методы не отображают динамику давления в артерии в течение одного сердечного цикла или их серии произвольной продолжительности.

Аппланационная тонометрия как метод измерения артериального давления в некотором смысле является обратной задачей сфигмографии - вместо измерения перемещения стенки артерии измеряется переменная сила давления на неподвижный участок поверхности, прижатой к артерии (через кожу) без окклюзии (перекрытия русла) артерии. В 1963 году Г. Прессман и П. Ньюгард опубликовали статью, положившую начало методу артериальной аппланационной тонометрии [9]. При кажущейся простоте метода имеется целый ряд проблем в реализации надежного и удобного в применении тонометра. За прошедшие десятилетия было разработано много вариантов аппланационного тонометра самых разных конструкций, но сложность применения и ограниченная функциональность препятствуют выходу на широкий рынок. В офтальмологии же, где геометрия объекта измерения и динамика измеряемого давления иные, аппланационная тонометрия с успехом применяется для измерения внутриглазного давления [10].

Цели и задачи

Цель работы - анализ существующих методов измерения артериального давления, разработка нового активного датчика аппланационной тонометрии и аппаратно-программных средств для измерения, оцифровки и отображения в реальном времени давления в поверхностных артериях человека.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка физико-математической модели преобразования нормальных составляющих сил реакции стенки сосуда в электрический сигнал датчика.

2. Разработка и исследование конструктивных особенностей аппланационного датчика давления.

3. Разработка алгоритмического программно-методического обеспечения системы аппланационного измерения давления.

4. Проведение пилотных исследований эффективности разработанных средств и методов мониторинга артериального давления на основе аппланационного подхода

Научная новизна

1. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан новый метод измерения давления в поверхностных артериях, отличающийся тем, что в рабочих камерах аппликатора формируется и поддерживается давление, уравновешивающее давление на поверхность аппликатора со стороны прижатой артерии.

2. Разработана физико-математическая модель формирования сигналов давления стенки артерии в режиме аппланации через поверхностные ткани и кожу на измерительную площадку аппликатора.

3. Разработан способ позиционирования датчика артериального давления путем конструктивного усовершенствования аппликатора до монолитного трехканального варианта, в котором рабочие камеры размещены на равных расстояниях друг от друга по прямой линии трансверсально оси артерии.

Теоретическая и практическая значимость задачи

Теоретическая значимость заключается в обосновании нового подхода к измерению артериального давления с помощью датчиков нового пневматического типа, в разработке физико-математической модели преобразования нормальной составляющей распределенных сил реакции стенки сосуда в давление в измерительной камере аппликатора.

Практическая значимость заключается в экспериментальном подтверждении на основе аппаратно-программной реализации датчика,

адекватности измерения им артериального давления и, соответственно, возможности использования его как в клинических исследованиях, так и при индивидуальном применении. Система может быть использована для определения временных характеристик пульсовой волны на артерии.

Методология и методы исследования

Методология исследования опирается на базовые принципы научного поиска. Методы исследования основаны на теоретическом моделировании физических процессов в тканях и кровеносных сосудах человека и в камерах пневматических датчиков и апробированы в соответствующих экспериментах по измерению давления на реальных волонтерах.

Положения, выносимые на защиту

1. Для измерения артериального давления аппланационным методом разработан активный датчик, в котором достигается непрерывная компенсация давления крови в артерии внешним давлением, динамически формируемым в рабочей камере аппликатора и доступным для прямого измерения.

2. Проблема оптимального позиционирования аппликатора на поверхности кожи над артерией решается применением трехкамерного датчика в монолитном исполнении, положение которого контролируется по уровню и амплитуде давления в основной и двух вспомогательных рабочих камерах.

3. Аппаратно-программный комплекс в модульном исполнении обеспечивает измерение, цифровую обработку и отображение данных непрерывного мониторинга артериального давления в режиме реального времени.

Степень достоверности и апробация результатов

Давление в рабочих камерах измерялось миниатюрными сенсорами, серийно выпускающимися компанией Honeywell. Производителем заявлен класс точности и линейности сенсора, превосходящий уровень точности стрелочного манометра MICROLIFE BP AG1-30 (~2 mmHg), по которому производилась тарировка каждого сенсора в нашей конструкции. Точность отсчетов по шкале

времени обеспечивается кварцевым тактовым генератором микроконтроллера. Гидростатические испытания на модели артерии в виде тонкостенной резиновой трубки проводились с прямым измерением высоты столба воды, заполняющей модель. Измерения на артерии чередовались контрольными измерениями полуавтоматическим тонометром AND UA-702 [11]. Результаты контрольных измерений вполне соответствовали данным разработанного датчика с учетом вариабельности самого сигнала артериального давления.

Результаты, изложенные в диссертации, получены в период с 2015 по 2020 год. Они докладывались и обсуждались на научных конференциях: 2016 International Conference on Bioinformatics and Systems Biology (BSB), Allahabad, India, 2016; The Second International Conference on Smart Portable, Wearable, Implantable and Disability-oriented Devices and Systems (SPWID 2016), May 22-26, 2016 - Valencia, Spain; 19-я научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья (МЕДТЕХ - 2017)», 29 сентября - 6 октября 2017 г., Греция, о. Тасос; Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии и математическое моделирование систем», Моск. обл., г. Одинцово 20 - 22 ноября 2017 года; IWBBIO 2018 (6th International Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering), April 25-27, 2018, Granada (Spain); 20-я научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья (МЕДТЕХ - 2018)». 21 сентября — 28 сентября 2018 г., Италия, Калабрия; 11-я Международная научно-техническая конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 7-10 октября 2018г. /Российское НТОРЭС им. А. С. Попова. Суздаль. Россия. 2018; XII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - Москва, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. - 26-28 ноября 2018 г.; 7th International Work-Conference, IWBBIO 2019, Granada, Spain, May 8-10, 2019; 21-я научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья (МЕДТЕХ - 2019)». 22-29 сентября 2019 г., Греция; 12-я Международная научно-техническая конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». 13 - 16

октября 2019, Москва; BIOSTEC 2020, 13th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies.24-26 February 2020, Valletta, MALTA; 24th International Conference on Knowledge-Based and Intelligent Information & Engineering Systems, 16-18 September 2020, Verona; IWBBIO 2020 (8th International Work-Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering), May 6-8, 2020, Granada, Spain; 13-я Международная научно-техническая конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 12-13 октября 2020г. /Российское НТОРЭС им. А. С. Попова. Москва. Россия; XIV-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» - Москва, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. - 2325 ноября 2020 г.; Международная конференция «Фундаментальные проблемы биомедицинской радиоэлектроники: междисциплинарные подходы и современные вызовы» (BIOMEDRAD). - Москва, 26-27 ноября 2020 г. KES-2021, 5th International Conference on Knowledge-Based and Intelligent Information & Engineering Systems - Szczecin, Poland, 8-10 September 2021; 14-я Международная научно-техническая конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации», 05-07 октября 2021г. /Российское НТОРЭС им. А. С. Попова. Астрахань. Россия; BIODEVICES 2022, part of BIOSTEC, 15th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies, Online streaming, 9-11 February 2022.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежат: разработка концепции пневматического датчика, принципа позиционирования датчика на основе обработки сигналов трехканального сенсора, разработка программного комплекса для измерения, представления и записи сигналов артериального давления, разработка и монтаж схемотехники, компоновка аппаратных средств.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы, включая 7 статей в рецензируемых журналах и изданиях из перечня ВАК РФ и 9 статей в изданиях, индексируемых в Scopus. Общий объем 9,57 п. л. Кроме этого, получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Содержание диссертации соответствует специальности 2.2.12.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 121 странице, работа содержит 57 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 102 источников.

ГЛАВА 1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ К РАЗРАБОТКЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Мониторинг артериального давления - термин, применяемый для широкого круга исследований, от трехразовых в день записей показаний бытового тонометра до непрерывного контроля артериального давления в критических ситуациях. Непрерывное измерение артериального давления без ограничения длительности процедуры в повседневных обстоятельствах - это задача, подход к решению которой делается в настоящем исследовании. Последовательное продвижение к решению этой задачи удобными в использовании и экономически эффективными методами приближает возможность создания универсальной системы мониторинга артериального давления произвольной длительности с настройкой интервалов и периодичности измерения вплоть до непрерывного.

1.1. Анатомические особенности и основные функции артериального русла кровеносной системы человека

Система кровообращения - важнейшая транспортная система организма человека (и почти всех животных). Снабжение всех органов необходимыми веществами и удаление из них продуктов метаболизма происходит благодаря непрерывной работе сердечно-сосудистой системы (ССС) в течение всей жизни организма. Даже незначительные нарушения функций кровообращения сказываются на состоянии здоровья и работоспособности человека, а серьезные заболевания сердечно-сосудистой системы ведут к инвалидности и, более того, являются согласно статистике лидирующей причиной смертности. Кровообращение человека состоит из двух кругов - малого и большого, последовательно соединяющихся в замкнутую систему с четырехкамерным сердцем [12]. Малый (легочный) круг начинается с правого желудочка сердца, откуда кровь проходит через капиллярную сеть легких и возвращается уже к левому предсердию. Кровь далее проходит через левый желудочек в большой

круг, в аорту - начало артериального русла. Артерии, ветвясь, несут обогащенную кислородом кровь в капиллярную сеть всех органов, откуда после обменных процессов кровь поступает в вены, укрупняющиеся и сливающиеся в итоге в нижнюю и верхнюю полые вены, соединенные с правым предсердием.

Артерии большого круга в некоторых местах проходят близко к поверхности тела и могут быть пальпированы - прощупаны как пульсирующие сосуды. Измерение частоты пульсаций уже является одним из показателей состояния здоровья. Для более детального исследования ССС применяются приборные средства необходимого уровня. Одним из самых несложных и широко распространенных диагностических процедур является измерения артериального давления. Строго говоря, количественной характеристикой транспортной системы служит «грузооборот», или объемный расход крови в единицу времени. Его оценка в большинстве случаев возможна косвенными методами, например, по артериальному давлению, измерение которого не столь трудоемко, как измерение объемного расхода.

Строение стенок артерий, как и вен, принято считать состоящим из трех основных слоев - внутренней, средней и наружной оболочек (Рисунок 1.1).

Сосуды сосудов

Рисунок 1.1. Строение стенок артерии [13].

Эндотелий выстилает внутреннюю оболочку изнутри и непосредственно контактирует с кровью, наполняющей артерию. К внутренней оболочке относится также базальная мембрана и подэндотелиальный слой, состоящий из рыхлой соединительной ткани. Внутреннюю и среднюю оболочку разделяет внутренняя эластическая мембрана. Средняя оболочка состоит из гладких мышечных волокон, а также коллагеновых и эластических волокон. Между средней и наружной оболочками расположена наружная эластическая мембрана. Наружная оболочка состоит из соединительной ткани, в которой проходят кровеносные сосуды и нервные волокна.

По особенностям строения артерии классифицируются по соотношению мышечных и эластических волокон в средней оболочке и разделяются на три типа: эластического, мышечного и смешанного типа [14]. Аорта и легочная артерии относятся к артериям эластического типа с наличием большого количества эластических волокон и мембран. В стенках артерий мышечного типа, к которым относятся сосуды среднего и мелкого калибра, имеется много гладких мышечных клеток. Промежуточное положение занимают артерии смешанного типа, в частности, сонная и подключичная. Обладая высокой эластичностью, они в то же время содержат большое количество гладких мышечных клеток.

Состояние сердечно-сосудистой системы диагностируется с необходимым уровнем детализации практически при всех обращениях к врачу. Измерение артериального давления и частоты сердечных сокращений(пульса) при всей простоте процедуры дает важную первичную информацию для оценки здоровья и необходимости дальнейших диагностических процедур. Измерение артериального давления (как и температуры тела) стоит в первых рядах несложных, но важных процедур первичной оценки состояния здоровья.

1.2. Физические основы измерения артериального давления

В существующих сегодня неинвазивных методах применяются только косвенные методы измерений. То есть измерительный прибор (манометр или иной датчик давления) физически соединен с некоторым объектом (манжета, подушка) вне организма. В полости этого объекта при помощи ручной груши или электрической помпы можно регулировать давление воздуха (очень редко -жидкости) путем нагнетания или стравливания через клапан. Наблюдая за параметрами взаимодействия манжеты и пережимаемой ею артерии (сквозь кожу и ткани), такими, как появление и исчезновение звуков (тонов Короткова) или пульсации давления в манжете, оператор или контроллер прибора фиксируют показания манометра (датчика), которые соответствуют систолическому и диастолическому АД по принятым методикам измерений. Этих двух значений (САД и ДАД) наряду с частотой пульса - сердечных сокращений (ЧСС) в большинстве случаев достаточно для повседневного применения.

Реальная динамика артериального давления крови намного сложнее, чем можно описать при помощи двух параметров - систолического и диастолического давления. Давление в конкретном участке любой артерии зависит от расположения артерии в организме, от ЧСС, ударного объема сердца, эластичности стенок сосудов. Кроме того, множество параметров, начиная от состава и вязкости крови до положения тела и состояния отдельных органов вносят свой вклад в итоговую картину. Существует даже термин «гипертензия белого халата», означающий повышение артериального давления только от появления врача [15]. Имеет значение также время суток, предыстория состояния организма (сон, физические упражнения, усталость) и даже предстоящие события (посещение зубного врача, долгожданное свидание). Разнообразия добавляют заболевания - в первую очередь сердечно-сосудистые.

Некоторое представление о динамике артериального давления дает сфигмография - регистрация механических перемещений стенки поверхностной

артерии при нагрузке датчиком с упругим элементом - пелотом или плунжером. Колебания датчика передаются на регистрирующее устройство. Пульсовая волна, регистрируемая сфигмографом, коррелирует с переменной составляющей давления в исследуемой артерии и, при индивидуальных калибровках, может быть использована для оценки текущих значений АД. Кроме этого, сфигмография может быть использована для определения отдельных параметров периферических сосудов, сердца, ритмичности и частоты пульса [16]. Объемная сфигмография [17] основана на регистрации изменений объема конечности при помощи компрессионной манжеты. В настоящее время роль сфигмографии уходит на второй план в сравнении с современными высокотехнологичными методами сосудистой диагностики. Однако «Правила проведения функциональных исследований», утвержденные приказом Министерства здравоохранения РФ от 26 декабря 2016 г. № 997н в приложении 15 «Стандарт оснащения отделения функциональной диагностики» включают под пунктом 10 аппарат для объемной сфигмографии.

Для наблюдения динамики артериального давления, так называемой пульсовой волны, требуются средства отображения информации в развертке по времени, такие как осциллограф или самописец, но все чаще экран компьютера, смартфона или специальной аппаратуры.

1.3. Инвазивный и неинвазивный инструментальные методы измерения

артериального давления человека

Инвазивный способ измерения артериального давления, как следует из названия, осуществляется введением в артерию зонда или иглы, соединенной с измерительным прибором [18]. Он является наиболее точным и достоверным, но требует принятия дополнительных действий по предотвращению свертывания крови и образования тромбов. Кроме повышенной травматичности самого метода, и жестких профессиональных требований к персоналу, этот способ используется только при острой необходимости проведения именно такого вида

исследования, в стационарных условиях, под непрерывным контролем квалифицированного медперсонала. Данный метод не позволяет вести длительный мониторинг давления и применимость его ограничена специальными условиями медицинского учреждения.

Измерение артериального давления не всегда ограничивается разовой процедурой, отдельными контрольными замерами. Мониторинг артериального давления - термин, применяемый для широкого круга исследований, от трехразовых в день записей показаний бытового тонометра до непрерывного контроля артериального давления в критических для пациента ситуациях. Мониторинг артериального давления, как правило, суточный, используется, например, как эффективный метод диагностики артериальной гипертензии (гипертонии).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мансуров Геннадий Константинович, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Информационный бюллетень // WHO.INT сервер Всемирной организации здравоохранения. URL: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death (дата обращения 24.05.2018).

2. Чазова И. Е., Ощепкова Е. В., Жернакова Ю. В., Диагностика и лечение артериальной гипертонии// Кардиологический вестник. 2015. № 1. С. 5.

3. Возможности и перспективы способов и приборов для измерения уровня артериального давления/ Родина О. П. [и др.] // Fundamental research. 2014. № 10. P. 166-169.

4. Holter N. J. New method for heart studies// Science, 1961, № 134(3486), P. 1214-1220.

5. Wang Zhenguo, Chen Ping, Xie Peiping / History and Development of Traditional Chinese Medicine// Science Press. 1999. P. 100-101.

6. Hales S. Statical Essays. London. 1733. P. B1-3.

7. Marey E.-J. Pression et vitesse du sang// Physiologie Experimentale. 1876.

8. Riva-Rocci S. Un nuovo sfigmomanometro // Gazzetta medica di Torino, 1896. №47. P. 981-996.

9. Pressman G.L., Newgard P.M. A transducer for the continuous external measurement of arterial blood pressure // IEEE Transactions on Bio-medical Electronics. 1963. Vol. 10. P. 73-81.

10. Астахов Ю. С., Акопов Е. Л., Потемкин В. В. Аппланационная и контурная тонометрия: сравнительный анализ // Офтальмологические ведомости. 2008. № 1 . С. 4-9.

11. Digital Blood Pressure Monitor Model UA-702// AANDD.JP Сервер компании A&D. URL: https://www.aandd.jp/products/manual/medical/ua-702.pdf (дата обращения 24.05.2018)

12. Шмидт Р., Тевс Г. (ред.), Ульмер Х.Ф. Физиология человека. В 3-х томах. Т. 2. Пер. с англ. М.: Мир. 1996. C. 498-499.

13. Козлов В. И., Анатомия сердечно-сосудистой системы. Москва:

Практическая медицина. 2017. C. 17-19.

14. Гистология, цитология и эмбриология / Ю. И. Афанасьев [и др.] Москва: Медицина. 2004. С. 387-392.

15. Striuk R I, Bortnikova V N Syndrome of white coat hypertension in pregnant women // Kardiologiia. 2006. 46(11). P. 44-47.

16. Butlin M., Qasem A., Large Artery Stiffness Assessment Using SphygmoCor Technology // Pulse. 2016. № 4. P. 180-192.

17. Заирова А. Р., Рогоза А. Н. Объемная сфигмография сегодня // Медицинский алфавит. 2018. № 36. С. 8-18.

18. Кузьков В. В., Киров М. Ю. Инвазивный мониторинг гемодинамики в интенсивной терапии и анестезиологии. Архангельск: СГМУ. 2008. С. 41-42.

19. Carretero O. A., Oparil S., Essential Hypertension, part 1: Definition and Etiology // Circulation. 2000. № 3. P. 329-335.

20. Гипертония // WHO.INT сервер Всемирной организации здравоохранения. 2021. URL: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/hypertension.

21. Williams B., Mancia G. 2018 ESC/ESH Guidelines for the management of arterial hypertension // European Heart Journal. 2018. vol. 39. P. 3035.

22. Современные неинвазивные методы измерения артериального давления для диагностики артериальной гипертонии и оценки эффективности антигипертензивной терапии: Пособие для врачей / Рогоза А. Н. [и др.] Москва: МЕДИКА. 2007. С. 10-13.

23. Settels J. J. Noninvasive Arterial Pressure Monitoring // Monitoring Technologies in Acute Care Environments ed. by J. M. Ehrenfeld and M. Cannesson. New York: Springer. 2014. P. 87-107.

24. Коротков Н.С. К вопросу о методах исследования кровяного давления // Известия Императорской Военно-медицинской академии. 1905. Т. XI. № 4. С. 365.

25. Characterization of the Oscillometric Method for Measuring Indirect Blood Pressure / Geddes L. A. [et al] // Annals of Biomedical Engineering. 1982, V. 10. P.

271-280.

26. Drzewiecki G., Hood R., Apple H. Theory of the Oscillometric Maximum and the Systolic and Diastolic Detection Ratios // Annals of Biomedical Engineering. 1994. vol. 22. P. 89.

27. Иванов С. Ю., Бондаренко Б. Б. Неинвазивные методы исследования динамики артериального давления // Артериальная Гипертензия. 2018. №. 24(6). С. 637-645.

28. Penaz J. Photoelectric measurement of blood pressure, volume and flow in the finger // Digest of the 10th International Conference on Medical and Biological Engineering. Dresden. 1973.

29. CNAP Monitor HD for Non-invasive blood pressure monitoring // URL: https://www.cnsystems.com/products/cnap-monitor-hd/ (дата обращения 13 08 2022).

30. Кобалава Ж. Д., Котовская Ю. В., Моисеев В. С. Артериальная гипертония. Москва: ГЕОТАР-Медиа. 2009. С. 324-328.

31. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. Москва: Мир.

1983.

32. Электрорадиоизмерения / Нефедов В. И. [и др.] Москва: Форум. 2018.

С. 29.

33. Киселев А., Древинг В. Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии. Москва: Издательство Московского университета. 1973. С. 29-30.

34. Apparatus and method for continuous oscillometric blood pressure measurement: US Patent US2013/0060152A1/ E. Baron. 7.03.2013.

35. Pressure-providing instrument and biosignal-measuring device including a pressure-providing instrument: US Patent 8870781 / J. Lee. 28.10.2014.

36. Система для непрерывного неинвазивного контроля кровяного давления: Патент РФ 2140187С1 / Д. Арчибальд. 07.11.1994.

37. Miniature SMT Low Pressure Sensors with Wet/Wet Differential // HONEYWELL.COM: сервер корпорации Honeywell. 2015. URL: https://prod-

edam.honeywell.com/content/dam/honeywell-edam/sps/siot/en-us/products/sensors/pressure-sensors/board-mount-pressure-sensors/24pc-series/documents/sps-siot-board-mount-24pc-series-miniature-smt-low-pressure-sensors-wet-wet-differential-product-sheet-32302910-a-en-ciid-49868.pdf (дата обращения 22.03.2023)

38. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Москва: Горячая линия-Телеком. 2005. С. 210-211.

39. Low cost, low power, input/output rail-to-rail operational amplifiers// ST.COM: сервер корпорации STMicroelectronics. 2021. URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/lmv321.pdf (дата обращения 22.03.2023).

40. LM4041 Precision Micropower Shunt Voltage Reference//TI.COM: сервер корпорации Texas Instruments. 2020. URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4041a12.pdf (дата обращения 15.02.2022)

41. Astrom K. J., Hagglund T. PID controllers; theory, design, and tuning. Research Triangle Park. NC: Instrument Society of America. 1995. P. 64-73.

42. Antsiperov V. E., Mansurov G. K. Arterial Blood Pressure Monitoring by Active Sensors Based on Heart Rate Estimation and Pulse Wave Pattern Prediction// Pattern Recognition and Image Analysis. 2016. Vol. 26. № 3. P. 533-547.

43. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К. Метод неинвазивного активного измерения артериального давления на основе согласованного с оценкой пульса управления датчиком // ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. 2015. № 11.

44. Noninvasive arterial blood pressure monitoring by active sensor based on the principle of pulse wave compensation / Mansurov G. [и др.] // International Conference on Bioinformatics and Systems Biology (BSB) proceedings. Allahabad, India. 2016.

45. Устройство для непрерывного неинвазивного измерения кровяного давления: патент РФ 2626319 / Г. К. Мансуров [и др.], приоритет 22.12.2015, дата публикации 25.07.2017. Бюллетень № 21.

46. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К. Пневматический сенсор для непрерывного неинвазивного измерения артериального давления // ЖУРНАЛ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. 2017. № 12.

47. Dynamic behaviour of direct spring loaded pressure relief valves in gas service: II reduced order modelling / Hos C.J. [и др.] // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 36. P. 1-12.

48. Antsiperov V., Mansurov G. Wearable Pneumatic Sensor for Non-invasive Continuous Arterial Blood Pressure Monitoring // 6th International Work-Conference Proceedings, IWBBIO. 2018. Granada, Spain. Part II. P. 383-394.

49. Сивухин Д. В. Общий курс физики, т. 2. Москва: Физматлит. 2005. С. 73-74.

50. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т. 6. М.: Наука. 1988. С. 445-449.

51. Antsiperov V., Mansurov G. Positioning Algorithm for Arterial Blood Pressure Pneumatic Sensor // IWBBIO 2020. LNBI 12108. 2020. P. 143-154.

52. Зырянов Ю. Т., Белоусов О. А., Федюнин П. А. Основы радиотехнических систем. Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ». 2011. С. 75-78.

53. Antsiperov V., Mansurov G. Positioning Method for Arterial Blood Pressure Monitoring Wearable Sensor // Bioinformatics and Biomedical Engineering. IWBBIO 2019. Lecture Notes in Computer Science. 2019. P. 405-414.

54. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К., Данилычев М. В. Метод позиционирования пневматического датчика неинвазивного мониторинга артериального давления по данным трехканальной регистрации сигнала пульсовой волны // Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: Материалы 11 -й Международной научно-технической конференции. Суздаль. 2018.

55. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К., Бугаев А. С. Позиционирование пневматического сенсора для неинвазивного мониторинга артериального давления на основе непрерывных трехканальных измерений пульсовой волны // 20-я научно-техническая конференция МЕДТЕХ-2018: Сборник трудов. Москва. 2018.

56. Монолитный трехкамерный пневматический сенсор с встроенными дроссельными каналами для непрерывного неинвазивного измерения артериального давления: патент РФ 2675066 / Мансуров Г. К. [и др.]. Приоритет от 26.02.2018 г. Дата публикации 14.12.2018. Бюллетень № 35.

57. Анциперов В. Е., Данилычев М. В., Мансуров Г. К. Технология неинвазивного мониторинга артериального давления по данным регистрации сигнала пульсовой волны трехканальным датчиком нового типа // Журнал радиоэлектроники. 2019. № 3. С. 1-10.

58. Non-Invasive Blood Pressure Monitoring with Positionable Three-chamber Pneumatic Sensor / Mansurov G. [и др.] // 12th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and technologies: proceedings. Prague. 2019.

59. Non-Invasive Blood Pressure Monitoring Based on Pulse Wave Recording with a New Three-channel Pneumatic Sensor / Mansurov G. [и др.] // 13th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies (BIOSTEC 2020) - Volume 1: BIODEVICES. 2020. P. 268-273.

60. Рангайян Р. М. Анализ биомедицинских сигналов. М.: Физматлит. 2007. С. 63-71.

61. Semiconductor solutions for healthcare applications // STM.COM: сервер STMicroelectronics. 2012. URL: https://www.st.com/content/ccc/resource/sales_and_marketing/promotional_material/ brochure/23/43/34/cb/b4/6c/4b/a6/brhealth.pdf/files/brhealth.pdf/jcr:content/translati ons/en.brhealth.pdf. P. 5 (дата обращения 07.09.2022)

62. Kemp B., Olivan J. European data format 'plus' (EDF+), an EDF alike standard format for the exchange of physiological data // Clinical Neurophysiology. 2003. 114(9). P. 1755-61.

63. Долганов А. Ю., Биомедицинские сигналы и изображения в цифровом здравоохранении: хранение, обработка и анализ / Кубланов В. С. [и др.]. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та. 2020. С. 56-71.

64. STM32CubeIDE // STM.COM: сервер STMicroelectronics. URL: https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html (дата обращения

25.06.2020).

65. Visual Studio Community// MICROSOFT.COM: сервер корпорации Микрософт. URL: https://visualstudio.microsoft.com/ru/vs/community/ (дата обращения 27.07.2022).

66. В. Е. Анциперов, М. В. Данилычев, А. С. Бугаев, Возможности неинвазивного мониторинга артериального давления по данным регистрации сигнала пульсовой волны трехканальным датчиком нового типа / Мансуров Г.К. [и др.] // Материалы 12-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». 2019. С. 112-117.

67. Antsiperov V., Mansurov G., Danilychev M. Non-invasive arterial pressure monitoring by a new pneumatic sensor and on-line analysis of pulse waveforms for a modern medical home care systems // Procedia Computer Science 2020. № 176. P. 2894-2903.

68. Неинвазивный мониторинг артериального давления на основе данных непрерывной регистрации сигнала пульсовой волны трехканальным датчиком нового типа / Мансуров Г. К. [и др.] // Физические основы приборостроения. 2019. № 4. С. 82-91.

69. Баевский Р. М., Иванов Г. Г. Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и возможности клинического применения // Ультразвуковая и функциональная диагностика. 2001. № 3. С. 119-120.

70. Белялов Ф. И. Аритмии сердца: монография. Иркутск: РИО ИМАПО. 2011. С. 179-183.

71. Использование пневматического датчика в задаче непрерывного неинвазивного мониторинга артериального давления и пульсовой волны / Мансуров Г. К. [и др.] // Журнал радиоэлектроники. 2020. № 5. С. 1-26.

72. Использование пневматического датчика со встроенным каналом ЭКГ для неинвазивного измерения скорости распространения пульсовой волны артериального давления / Мансуров Г. К. [и др.] // Материалы 12-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и

радиолокационные методы измерений и обработки информации». 2019. С. 117121.

73. Evangelista R. Pulse wave velosity: a marker of arterial stiffness and its applicability in clinical practice // Portuguese Journal of Cardiology. 2011. № 9. P. 699-702.

74. Свешников А. Г., Боголюбов А. Н., Кравцов В. В. Лекции по математической физике. Москва: Изд-во МГУ. 1993. С. 83-85.

75. Korteweg D. J. Ueber die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles in elastischen Röhren // Annalen der Physik. 1878. № 12. P. 526-530.

76. Moens A. I. Die Pulskurve. Leiden: E.J.Brill. 1878. P. 89-90.

77. Лайтхилл Д. Волны в жидкостях. Москва: Мир. 1981. С. 121-128.

78. Олвер П. Приложения групп Ли к дифференциальным уравнениям. Москва: Мир. 1989. С. 254-256.

79. Волобуев А. Н. Течение жидкости в трубках с эластичными стенками // Успехи физических наук. 1995. № 2. С. 177-186.

80. Continuous blood pressure measurement by using the pulse transit time: comparison to a cuff-based method / H. Gesche [et al.] // European Journal of Applied Physiology. 2012. vol. 112. P. 309-315.

81. Cuffless Blood Pressure Measurement Using a Smartphone-Case Based ECG Monitor with Photoplethysmography in Hypertensive Patients / Z. Sagirova [et al] // Sensors. 2021. №. 21. P. 1-11.

82. Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications / S. Laurent [et al] // European Heart Journal. 2006. vol. 27. P. 2588-2605.

83. Жесткость артерий мышечного и эластического типов у больных с атеросклерозом периферических артерий / Денисенко М. Н. [и др.] // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. 2016. № 5. C. 70-73.

84. Согласованное мнение российских экспертов по оценке артериальной жесткости в клинической практике / Васюк Ю. А. [и др.] // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. 2016. № 2. С. 4-19.

85. Antsiperov V., Mansurov G., Bugaev A. Methods of the Pulse Wave Velocity Estimation based on Pneumatic Blood Pressure Sensor Data and Synchronous ECG Records // Proceedings of the 13 th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies (BIOSTEC 2020) - Volume 4: BIOSIGNALS. Valletta, Malta. 2020. P. 301-307.

86. Bereksi-Reguig M. A., Bereksi-Reguig F., Nait Ali A. A New System for Measurement of the Pulse Transit Time, the Pulse Wave Velocity and its Analysis // Journal of Mechanics in Medicine and Biology. 2017. № 1. P. 1-20.

87. Small intra-individual variability of the pre-ejection period justifies the use of pulse transit time as approximation of the vascular transit / M. Kortekaas [et al] PLoS ONE. 2018. 13(10). P. 1-13.

88. Determinants of pulse wave velocity in healthy people and in the presence of cardiovascular risk factors: 'establishing normal and reference values' / Pierre Boutouyrie [et al] // European Heart Journal. 2010. № 31. P. 2338-2350.

89. Kim H.-L., Kim S.-L. Pulse Wave Velocity in Atherosclerosis // Frontiers in Cardiovascular Medicine. 2019.vol. 6:41. P. 1-13.

90. Aortic Stiffness. Current Understanding and Future Directions / Cavalcante J. L. [et al] // Journal of the American College of Cardiology. 2011. № 14. P. 15111522.

91. Оценка скорости распространения пульсовой волны артериального давления на основе данных измерения пневматическим датчиком со встроенным каналом ЭКГ / Мансуров Г. К. [и др.] // Физические основы приборостроения. 2019. № 4. С. 74-81.

92. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К., Бугаев А. С. Оценивание скорости распространения пульсовой волны по данным пневматического датчика артериального давления и синхронных данных канала ЭКГ // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. № 1. С. 35-43.

93. Анциперов В. Е., Данилычев М. В., Мансуров Г. К. Скорость распространения пульсовой волны артериального давления как фактор ранней диагностики атеросклероза // Сборник трудов XIV Всероссийской научно-

технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». Москва. 2020. С. 164172.

94. Анциперов В. Е., Мансуров Г. К., Данилычев М. В. Ранняя диагностика атеросклероза на основе оценки скорости распространения пульсовой волны артериального давления // Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации: Материалы 13-й Международной научно-технической конференции. Москва. 2020. C. 117-122.

95. Оценка скорости распространения пульсовой волны артериального давления пневматическим датчиком с синхронным каналом ЭКГ / Мансуров Г. К. [и др.] // Фундаментальные проблемы биомедицинской радиоэлектроники: междисциплинарные подходы и современные вызовы: Сборник материалов международной конференции. Москва. 2020. C. 68-74.

96. Матвиенко В. А. Основы теории цепей. Екатеринбург: УМЦ УПИ. 2016. C. 12-15.

97. Method for estimation of the pulse wave propagation velocity by a manual pneumatic arterial pressure sensor / G. Mansurov [et al] // Cardiometry. № 18. 2021. P. 38-43.

98. Advanced Method for Measuring the Mean Pulse Wave Velocity to Assess the Artery Wall Elasticity / Mansurov G. [et al] // Материалы 14-й Международной научно-технической конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Астрахань. 2021. C. 82-88.

99. Antsiperov V., Mansurov G., Danilychev M. Artery wall stiffness evaluation by new pneumatic sensor using improved method for measuring the pulse wave velocity // Procedia Computer Science. 2021. № 25. P. 3300-3309.

100. Оценка жесткости стенок артерий по результатам измерения скорости распространения пульсовой волны / Мансуров Г. К. [и др.] // Физические основы приборостроения. 2021. № 4. C. 2-9.

101. Improved Method for Measuring the Pulse Wave Propagation Velocity for Palpable Arteries / Mansurov G. [et al] // Proceedings of the 15th International Joint Conference on Biomedical Engineering Systems and Technologies (BIOSTEC 2022).

2022. Р. 149-154.

102. Дроздецкий С. И., Кучин К. Артериальная жёсткость в повседневной клинической практике: что важно знать практикующему врачу // Международный журнал сердца и сосудистых заболеваний. 2018. № 19. С. 3743.