Сенсорные и программно-аппаратные методы и средства для исследования кардиомеханосигналов человека тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, доктор наук Явелов Игорь Самуилович

• Явелов Игорь Самуилович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Явелов Игорь Самуилович

1.1 Вводные замечания

1.2 Традиционные и современные средства анализа кардиосигналов

1.3 Диагностика по пульсу

1.4 Выводы

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ КАРДИОМЕХАНОСИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ВОП)

2.1 Вводные замечания

2.2 Специфика кардиомеханосигналов

2.3 Принципы работы волоконно-оптических информационных преобразователей

2.4 ВОП пульсовой волны и оптофонендоскопы

2.5 Испытания датчиков кардиомеханосигналов

2.6 Выводы

3 ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА ФОРМИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОЙ АППАРАТУРЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

3.1 Вводные замечания

3.2 Требования к оптоэлектронным блокам

3.3 Варианты построения вторичных схем

3.4 Источники погрешностей ВОП, специфические для амплитудных зондов

3.5 Выводы

4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ МОБИЛЬНОГО ПРИБОРА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА

4.1 Вводные замечания

4.2 Кардиоанализатор «Пульс». Эволюция программно-аппаратного комплекса

4.3 Сфигмография высокого разрешения. Анализаторы «Пульс-М» и «Пульс-Т» с беспроводной связью

4.4 Разработка методов безманжетного определения артериального давления (АД)

4.5 Выводы

5 РАЗВИТИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПУЛЬСА И УНИВЕРСАЛЬНОЙ ТОНОМЕТРИИ

5.1 Вводные замечания

5.2 Измерение скорости распространения центральной пульсовой волны

5.3 Центральный и периферийный пульс. Моделирование пульсовых волн в аорте и лучевой артерии

5.4 Вариабельность пульсовой волны и методы стимуляции кровотока с помощью массажных средств

5.5 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение 1 Список аббревиатур

Приложение 2 Акты внедрения

Приложение 3 Протоколы испытаний датчиков пульсовой волны разработки

ИМАШ РАН

Приложение 4 Протоколы технических и клинических испытаний анализатора

«Пульс»

Приложение 5 Результаты тепловых испытаний волоконно-оптических датчиков на территории завода ОАО «Теплоприбор»

Введение ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. ОБСУЖДЕНИЕ

АКТУАЛЬНЫХ ЗАДАЧ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СРЕДСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сенсорные и программно-аппаратные методы и средства для исследования кардиомеханосигналов человека»

Актуальность темы

Актуальность исследований сердечнососудистой системы (ССС) обуславливают следующие факты. По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) сердечнососудистые заболевания (ССЗ) в настоящее время являются основной причиной смертей во всем мире.

Сердечнососудистая система человека ответственна за доставку крови и содержащихся в ней веществ, необходимых для жизнедеятельности организма, развитие и старение которого сопровождается соответствующей эволюцией ССС. В России статистика смертей от ССЗ выглядит особенно угрожающе. От ССЗ ежегодно в России умирает 1 миллион 300 тысяч человек, что составляет 58% смертности от всех остальных заболеваний. Поэтому проблема ССЗ у нас стала одним из вопросов государственной важности.

Вероятность ССЗ во многом зависит от так называемых кардиоваскулярных факторов риска. Особенно опасные факторы риска эксперты ВОЗ подразделяют на модифицируемые (артериальная гипертензия, сахарный диабет, избыточная масса тела, курение, недостаточная физическая активность, избыточное потребление алкоголя, загрязнение воздуха, проживание в странах бывшего СССР) и немодифицируемые (возраст, пол, склонность к сосудистым катастрофам). Модифицируемые факторы риска неизбежно приводят к тому, что ССЗ поражают не только пожилых людей, но и представителей среднего возраста, то есть налицо «омоложение» проблемы ССЗ.

Диагностикой и лечением ССС занимались предшественники современных врачей с глубокой древности. 5000 лет назад существовала древнетибетская пульсодиагносика и меридиональная медицина, тайны которой не раскрыты и до сих пор.

Известные врачи древности Гален, Гиппократ, Геродал, Ибн Сина обогатили китайский опыт пульсовой диагностики тонким и неординарным ее толкованием.

Более поздний период развития медицины связан с появлением учения о перкуссии, творцами которой считаются австралийский врач Леопольд Ауэнбруггер (1722-1809 г.г.) и французский врач Жан Корвизар (1755-1821 г.г.).

В дальнейшем развитие этой области связано с такими именами, как Рене Лаэннек (в 1819 г. предложил аускультацию сердца) и представителями русской терапевтической школы Н.Д. Стражеско, В.П. Образцовым.

Конкретно развитие диагностики в плане исследования кардиомеханосигналов связано с появлением в 1860 г. артериосфигмографа Марея. Оно отображало пульсовые волны на закопченной стеклянной пластинке.

Следующий этап развития кардиодиагностики знаменуется изобретением в 1905 г. манжетного тонометра, известного как тонометр Н.С. Короткова. Далее этот метод был усовершенствован Н.Н. Савицким.

Современный этап развития механопульсогрфии связан с появлением сенсоров и электронных систем обработки данных, сначала аналоговых, а затем цифровых.

В Институте машиноведения РАН им. А.А. Благонравова более 30 лет развивается направление сенсорики, использующее волоконно-оптические жгуты-зонды, обладающие повышенной параметрической надежностью. На их основе разработаны оригинальные датчики кардиомеханосигналов: пульсовой волны (ПВ) и виброакустических сигналов сердца, которые обладают рядом полезных свойств, позволяющих создавать современные аналоги старинных (но незаменимых для врача) инструментов - тонометра и фонендоскопа. Получение качественных кардиосигналов в цифровой форме дает возможность конструировать компактные, удобные варианты аппаратуры с минимальным количеством шлангов и проводов, обрабатывать сигналы современными математическими методами и собирать максимум информации о пациенте за короткое время.

Цель и задачи диссертационного исследования

Цель работы - обосновать методы и программно-аппаратные средства, помогающие при исследовании сердечнососудистой системы человека увеличить точность измерения кардиомеханосигналов. Для достижения этой цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1 Обосновать методы исследования кардиомеханосигналов с помощью волоконно-оптических датчиков, а именно: датчиков пульсовой волны и широкополосных оптофонендоскопов, работающих как в области звука, так и в области инфразвука, а также проанализировать влияние погрешностей, специфических для датчиков кардиомеханосигналов. В интересах увеличения точности диагностики предложить методы уменьшения погрешностей датчика.

2 Разработать метод неинвазивного определения наиважнейших показателей состояния сердечнососудистой системы, в том числе артериального давления с помощью аппланационной тонометрии без пережатия сосудистого русла манжеткой.

3 Создать программно-аппаратные комплексы для реализации предложенных методов в виде мобильных медицинских устройств с одним каналом информации, а также многоканальные приборы на основе

современных беспроводных методов связи. Разработанные методы и устройства должны стать основой современного инструментария практикующего врача.

4 Обосновать методику исследования параметров центрального пульса, ответственного за витально важные показатели состояния аорты, а именно: центральное систолическое аортальное давление (СЛБР), индексы аугментации и скорость распространения пульсовой волны в центральном регионе.

5 Разработать алгоритмы определения артериального давления в плечевом регионе без манжетки, а также обосновать математическую модель, позволяющую рассчитывать параметры кровотока в районе аорты и доказать ее адекватность.

6 Разработать методы и алгоритмы анализа вариабельности сердечного ритма не по кардиоинтервалам, а по параметрам пульсовых волн, связав их с локальным увеличением кровотока.

Научная новизна

Заключается в разработке методов исследования кардиомеханосигналов и создании на их основе многоканальной аппаратуры нового типа, построенной с учетом передовых достижений сенсортехники, электроники и современных информационных технологий и предназначенной для исследования и диагностики состояния сердечнососудистой системы человека. С помощью разработанной аппаратуры проведены исследования кардиомеханосигналов человека (пульсовых волн и вибросигналов сердца), которые впервые позволили сформулировать гипотезу, объясняющую форму пульсовых волн, рассчитать по одному информационному каналу среднюю скорость пульсовой волны, определить параметры центрального пульса по записям пульсовых волн с лучевой артерии, а также объяснить природу вариабельности сердечного ритма с точки зрения увеличения локального кровотока.

Результаты, полученные впервые:

1 Предложены методы исследования кардиомеханосигналов на основе конструктивных и технологических решений при разработке датчиков пульсовых волн и вибросигналов сердца с использованием волоконно-оптических жгутов-зондов. Их преимущества сравнительно с датчиками других типов следующие: а) параметрическая надежность; б) дистанционное измерение движений мишени - отсутствие на мембране наклеенных или напыленных элементов и улучшение динамических характеристик; в) регистрация как постоянной, так и переменной составляющей; г) гальваноразвязка с объектом измерения; д) независимость показаний от электромагнитных полей; е) высокие показатели пространственного разрешения (чувствительность по смещению 15 нм) и широкая линейная полоса пропускания частот от 0 до 80 кГц.

Предложены научно обоснованные подходы для уменьшения погрешностей измерения, связанные с влиянием артефактов позиционирования

одноточечных датчиков пульсовой волны и вибросигналов сердца. Предлагаемые решения не имеют аналогов в мировой практике.

2 Созданы методы неинвазивного определения артериального давления без пережатия сосудистого русла манжетой, а также методы определения наиважнейших параметров сердечнососудистой системы: периферического сопротивления сосудов, коэффициента ригидности сосудов, индексов аугментации и др.

3 Разработана современная измерительная аппаратура (программно-аппаратные комплексы), сочетающая удобные для врача беспроводные способы связи и принципиально новые алгоритмы обработки данных. В частности, реализована многоканальная архитектура кардиологического прибора, основанного на передовых методах аппланационной тонометрии и широкополостной оптофонендоскопии.

4 Предложен метод определения параметров центрального пульса (давление и скорость пульсовой волны в аорте), которые, как установлено в кардиологии в последние годы, являются более значимыми предикторами сердечнососудистых осложнений, чем те же параметры, измеренные традиционными инструментами на плече. Предложена модель взаимосвязи центральных и периферийных пульсовых волн, учитывающая индивидуальные особенности сердечнососудистой системы.

5 Развиты математические модели, позволяющие анализировать форму пульсовых волн, с точки зрения анатомического строения человека. Выявлена возможность определения показателей артериального давления без манжетки и скорости пульсовой волны (СПВ) по результату ее измерения в одном канале на лучевой артерии. Эта методика проверена на группе пациентов с различным гипертоническим статусом.

6 Разработаны методы и алгоритмы анализа вариабельности по параметрам пульсовых волн, учитывающие модуляции частоты сердечных сокращений. На основании разработанных методов усовершенствованы массажные средства с помощью введения обратных связей по пульсовым волнам вместо сигнала ЭКГ. Это позволило учесть не только амплитудные, но и фазовые процессы при перекачке крови, и, соответственно, повысить эффективность массажа.

Научная новизна подтверждается совокупностью публикаций в рецензируемых изданиях по теме диссертации и объектами правовой защиты интеллектуальной собственности.

Практическая ценность работы

1 Полученные результаты используются для создания серийных образцов датчиков кардиомеханосигналов (пульсовой волны и вибросигналов сердца в диапазоне звука и инфразвука). Датчики позволяют с высоким разрешением анализировать неинвазивно зарегистрированные сигналы сердечнососудистой системы, что дает возможность врачу уточнять диагноз еще до поступления пациента в стационар.

2 Решена задача исследования влияния особенностей получаемых кардиосигналов с точки зрения уменьшения влияния основных артефактов. Обоснованы методы, позволяющие производить в приемлемом диапазоне смещений и усилий прижатия одноточечных датчиков уверенные измерения исследуемых величин, а именно: артериального давления, степени периферического сопротивления сосудов, вариабельности сердечного ритма и других витально важных показателей.

3 Разработаны принципы построения архитектуры обязательного инструментария для практикующего врача (кардиолога или терапевта), а именно многоканального пульсомера-тонометра, заменяющего традиционные тонометр и фонендоскоп. На опытных образцах данной аппаратуры доказано удобство в пользовании и практическая полезность предлагаемых решений.

4 Разработаны и внедрены диагностические методы, основанные на аппланационной тонометрии и традиционных методах пульсометрии и ЭКГ, а также внедрен метод определения скорости пульсовой волны по одному измерительному каналу.

5 Создан и внедрен метод пересчета периферийных пульсовых сигналов на центральные. Это позволяет более точно диагностировать патологические отклонения в аорте, которые могут быть причиной сосудистых катастроф и даже смертей у молодых людей.

6 Практическую ценность представляет собой проведенное исследование вариабельности сердечного ритма, позволяющее рассмотреть процессы локального увеличения кровотока и использовать эти наработки при конструировании массажных аппаратов и устройств с обратными связями по пульсовым волнам.

Положения, выносимые на защиту

1 □Метод измерения кардиомеханосигналов на основе параметрически надежных волоконно-оптических преобразователей - зондов, обеспечивающих требуемое пространственно-временное разрешение предлагаемых датчиков, а именно: миниатюрные размеры чувствительного элемента, соизмеримого с диаметром артерии (порядка 3 мм) и пропускаемая линейная полоса частот в пределах от 0 до 20 Гц, что обеспечивает получение кардиомеханосигнала с точностью до 1 мм рт. ст.

2 Метод построения архитектуры программно-аппаратных комплексов и разработка диагностической аппаратуры для врачей на основе исследования кардиомеханосигналов человека (т.е. на основе сосредоточенного сигнального сервиса), что дает возможность получения кардиологической информации сразу по трем каналам, в дополнение к традиционной электрокардиографии. Это позволяет сократить время обследования в десятки раз.

3 Метод неинвазивного определения артериального давления без пережатия сосудистого русла манжетой, а также методы определения наиважнейших параметров сердечнососудистой системы, обеспечивающие точность измерения артериального давления верхнего - 16 мм рт. ст., нижнего - 10 мм рт. ст.

4 Модель определения скорости пульсовой волны по измерению в одной точке только на лучевой артерии. Это позволяет мобильно рассчитать параметры центрального пульса с учетом дополнительного фактора - скорости пульсовой волны и рассчитать центральное систолическое аортальное давление (СЛБР). Расчет аортального систолического выброса производится с точностью 16 мм рт. ст.

5 Модель, позволяющая с различных позиций анализировать центральные и периферийные пульсовые волны, в частности рассчитывать индексы аугментации, коэффициент ригидности, скорость пульсовой волны в аорте и вариабельность сердечного ритма. Адекватность модели доказана с помощью валидации. Это дает возможность диагностировать синдром изолированной систолической артериальной гипертензии, а также реализовать устройства, способные на основе анализа вариабельности сердечного ритма повысить локальный кровоток на величину до 71% путем использования массажных средств.

6 Методы анализа вариабельности сердечного ритма, опирающиеся на исследование неравномерности пульса не по кардиоинтервалам, а по параметрам пульсовой волны, что улучшает соотношение сигнал-шум в 5-8 раз. Это дает возможность реализовать устройства, способные на основе анализа вариабельности сердечного ритма повысить локальный кровоток путем использования преобразователей кардиомеханосигналов. Кроме того, предлагаются методы усовершенствования массажных средств, позволяющие с помощью обратных связей повысить их эффективность на 70 % и обеспечить адресацию при доставке крови и препаратов. Адресная доставка крови дает возможность локально воздействовать на очаги заболеваний и обеспечивать скорейшее заживление патологических зон.

Внедрение результатов работы

В рамках исполнения хозяйственного договора № 08-11-ИМАШ от 30.06.2011г. темы НИР «Разработка и изготовление программно-аппаратного комплекса «Пульс-М» с беспроводной связью» на ООО НТМ были внедрены методы исследования кардиомеханосигналов человека с помощью волоконно-оптических датчиков и вторичной аппаратуры с использованием беспроводной связи между прибором и отсчетно-командным устройством (компьютером). Заказчики: ИМАШ РАН, г. Москва; ООО «Наука,Техника, Медицина», г.Томск.

Методы и технология исследования сердечнососудистой системы, в основе которой лежит регистрация пульсовых волн человека с помощью волоконно-оптических датчиков кардиомеханосигналов, были использованы ООО «Эмдея» (г.Москва) при внедрении производственного процесса выпуска приборов для неинвазивной кардиодиагностики типа «Пульс».

Научно-медицинской фирмой «Статокин» внедрен прибор - анализатор пульсовой волны компьютерный «Пульс». Прибор представляет собой четырехканальный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для

синхронного обследования сердечнососудистой системы человека с помощью датчиков пульсовой волны (ПВ), оптофонендоскопа и одного отведения электрокардиограммы (ЭКГ).

Прибор «Пульс», внедренный ООО «Центр ТЭС» (г. Санкт-Петербург), представляет собой закрепляемый на кисти руки браслет, содержащий оригинальный волоконно-оптический датчик пульсовой волны. Световодами датчик связан с модулем беспроводной связи сигнала, который расположен рядом с рукой пациента. С помощью беспроводной связи сигнал передается в отсчетно-командное устройство (компьютер, планшет или смартфон). В результате обработки сигнала и его пересчета определяется ключевой диагностический параметр центрального пульса - систолическое аортальное давление. Процедура валидации прибора «Пульс» в сравнении с прибором «Сфигмокор» (Австралия) проведена ООО «Центр ТЭС» (г.Санкт-Петербург) с участием сотрудников ФГБУ РК НПК МЗ РФ в июле 2015г.

Апробация работы и публикации

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на:

1 Техническом совете ОАО «Теплоприбор» (г.Рязань) 22.12.2005г.

2 Секции НТС отдела биомеханики ИМАШ РАН 30.03.2006г.

3 Семинаре Института механики МГУ 22.05.2012г.

4 Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах». Москва, ИМАШ РАН, 27-29. 11 2012г.

5 Международной конференции «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения», посвященной 75-летию ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова, 21 -22.11.2013г.

6 Научном семинаре «Биомедицинская техника», МГТУ им. Н.Э.Баумана 11.02. 2014г.

7 Научном семинаре «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э.Баумана 10.06. 2014г.

8 Семинаре Института механики МГУ 25.08.2014г.

Апробация результатов также была проведена на международных выставках и конкурсах изобретателей, в частности:

1 46-й Всемирный салон инноваций, научных исследований и новых технологий, «Брюссель-Эврика-1997» (Бельгия, г. Брюссель,5-12.11.1997 г.).

2 Международная выставка-ярмарка «Ганновер-Мессе», (Германия, г.Ганновер, 19-24.04.1999 г.).

3 Международная выставка-ярмарка «Ганновер-Мессе», (Германия, г.Ганновер, 7-12.04.2003 г.).

4 17-я Международная Харбинская торгово-экономическая ярмарка. (Китай, г. Харбин, 12-20.06.2006 г.).

5 54-й Всемирный салон инноваций, научных исследований и новых технологий, «Брюссель-Эврика-2006» (Бельгия, г. Брюссель,23-27.11. 2006 г.).

6 34-й Международный салон изобретений, (Швейцария, Женева, 410.04. 2006 г.).

7 35-й Международный салон изобретений, (Швейцария, Женева,18-22.4. 2007 г.).

8 Международный салон изобретений «Конкурс Лепин» (Франция,

г.Страсбург,7-17.08. 2007 г.).

9 6-й Международный Салон инноваций, научных исследований и новых технологий «Марок Иннова 2008» (Марокко, г. Касабланка, 28-31.05. 2008г.).

10 37-й Международный салон изобретений, новой техники и технологий, (Швейцария, г. Женева,1-5.04.2009 г.)

11 5-й Европейский салон исследований и инноваций и международный форум «Россия-Франция-приоритеты в инновационном сотрудничестве», (Франция, г. Париж, 3-5.06.2009 г.).

12 Европейский салон изобретений «Конкурс Лепин» под патронажем Евросоюза и Правительства Франции. «Организатор-Французская Ассоциация изобретателей и производителей» (Л.I.F.F.)(Франция, г. Страсбург,4-14.08. 2009 г.).

Личный вклад автора присутствует во всех работах, выполненных в соавторстве, включая постановку задачи, разработку основных методов и средств для проведения исследований, обработку и анализ результатов.

Автор является непосредственным исполнителем всех теоретических и экспериментальных исследований.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы из 204 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 268 страниц основного текста, а также 178 рисунков и 23 таблицы.

Автор выражает благодарность коллегам, оказавшим помощь и поддержку при выполнении данной работы. Большую роль сыграла совместная работа с ФИАНом (Лаборатория прикладной волоконной оптики. Зав. лабораторией Даниелян Г.Л.) и ООО научно-медицинской фирмой «Статокин» (Сафонов С.Ю., Доценко В.И.). Электронные блоки помогали создавать сотрудники ИМАШ РАН - Бочаров Е.Ю., Годин С.М., Жданов А.С. и другие. Над программным продуктом в разное время работали сотрудники - Карпухин В.И., Румянцев К.А., Калугин И.Ю., Федянин В.И., Тарасевич Г.М., Мансуров Г.К., Рудченко П.В. Большую роль в развитии схемотехники и идеологии прибора сыграл д.б.н. Петров О.В.

На последнем этапе подготовки диссертации огромную помощь оказали

д.т.н. Кириллов С.Н., д.т.н. Жулев В.И. и д.т.н. Прошин Е.М.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

1.1 Вводные замечания

Настоящий раздел посвящен обзору методов исследования работы седечнососудистой системы. В ней рассмотрены традиционные и современные средства для анализа кардиосигналов. Все они подразделяются на активные и пассивные. Активные включают в себя ультразвуковое, магнитное или рентгеновское воздействие на организм, поэтому предпочтительнее иногда использовать пассивные методы, которые без какого-либо действия на организм дают диагностическую информацию только за счет метрологических средств. В последней группе заметную роль играет диагностика по пульсу, которая на сегодняшний день считается одним из передовых методов в кардиологии за счет развития аппланационной тонометрии.

Наиважнейшую роль в профилактике и лечении ССЗ играет мониторинг параметров сердца и сосудов, причем не только при лечении заболеваний, но и на этапе донозологических массовых обследований (скрининга) населения [3, 4, 5, 7, 15, 52, 56, 60, 67, 73, 74, 86, 91, 92, 96, 118, 121, 128, 130].

Цель данной главы показать насколько перспективными являются средства для исследования кардиомеханосигналов, предлагаемые автором данной работы, с точки зрения мобильности и удобства для врача в получении информации, полезной для уточнения диагноза.

Исходя из вышеизложенного в данной главе следует решить следующие задачи.

1 Систематизировать средства анализа кардиосигналов, рассматривая их как с традиционной, так и с современной точки зрения.

2 Провести сопоставление активных и пассивных методов и средств в кардиодиагностике.

3 Проанализировать роль механоакустических методов и средств в кардиодиагностике, которые в современном исполнении с развитием сенсортехники, микроэлектроники и средств передачи информации могут стать незаменимыми в арсенале врача и дополнить традиционные средства.

4 Рассмотреть вопросы тонометрии и особенности современных тонометров манжетного исполнения, а также проанализировать попытки исследователей создать следующие версии тонометров, в том числе и безманжетные варианты.

5 Отдельно рассмотреть нишу в кардиодиагностике, связанную с диагностикой по пульсу, начиная от «древнетибетской пульсодиагностики» досовременных методов и средств сфигмографии.

6 Провести обзор развития сенсорных и аппаратных средств в области исследования пульсовых волн.

1.2 Традиционные и современные средства анализа кардиосигналов

В современных научно-медицинских учреждениях и стационарах имеется большой арсенал диагностических средств для исследования сердечнососудистой системы. Рассмотрим основные диагностические средства, используемые врачами как традиционно, так и созданные в наш век высоких технологий, условно подразделив их на активные и пассивные. Активные средства предполагают воздействие ультразвуком, магнитным полем или рентгеновским излучением с предварительным контрастным проявлением путем введения химических веществ. Пассивные позволяют вести диагностику без какого-либо воздействия на организм, используя только метрологические средства.

К первой группе относятся, прежде всего, ультразвуковые сканирующие приборы, завоевавшие в последнее время наибольшую популярность в кардиодиагностике, благодаря возможности визуального наблюдения процессов и достаточной степени разрешения. Использование ультразвука требует специальной подготовки операторов кабинетов функциональной диагностики и очень часто врачи - специалисты высокой квалификации ограничиваются ультразвуковым исследованием для постановки и уточнения диагноза. На сегодняшний день дорогая ультразвуковая аппаратура доступна в основном в стационарах и частных медкабинетах и меньше применяется в поликлинической системе и, тем более, врачами - терапевтами на участковой работе. По-прежнему, основными инструментами участкового врача -терапевта остаются фонендоскоп и тонометр Короткова.

В стационарах для кардиологического обследования из активных методов также применяют традиционно рентгеновскую аппаратуру, а в последнее время ядерно-магнитную интроскопию, ангиографию и томографию в различных вариантах, изобретенную в 1960 г.

Большинство видов сосудистой диагностики, в том числе коронарография и ультразвуковые допплерографы, применяемые в стационарах, относятся к активной диагностике.

Вторая группа - пассивные диагностические средства - начинается старыми диагностическими методами, к которым относятся перкуссия и аускультация сердца.

Огромную роль в кардиодиагностике сыграло появление электрокардиографии (ЭКГ), которая позволила изучать работу проводящей системы сердца. На сегодняшний день кабинеты ЭКГ, оснащенные самыми современными приборами, являются неотъемлемой частью любой поликлиники или медкабинета. Портативными кардиографами оснащены машины скорой помощи. ЭКГ - самописцы являются обязательным компонентом прикроватных мониторов и всегда находятся в операционных.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Явелов Игорь Самуилович, 2019 год

/ \

Y Fiber 'х 00.2шт

VR = 10V Та = 25°С

-0.8 -0.4

0.4 X. Y (mm) -0 8 -0.4

0.4 X.Y imm)

Рисунок 3.31 - Кривые потерь связи в зависимости от разъюстировки оптического волокна и

поверхности фотодиода по осям Х,У

На рисунке 3.32 показаны кривые потерь связи в зависимости от расстояния от торца волокна до фотодиода при двух фиксированных диаметрах световода - 1 мм (слева) и 0,2 мм (справа).

Рисунок 3.32 - Кривые потерь связи в зависимости от расстояния Ъ торца оптического волокна и поверхности фотодиода

Как видно из выше приведенных графиков нестабильность ВОП может иметь весьма значительную величину при разъюстировке оптического разъема. Если принять во внимание типичную разрешающую способность ВОП, лежащую на уровне 10- (-60 дБ) от полной амплитуды оптического сигнала, то требования к конструированию оптико-механических деталей должны быть не хуже этой величины. Таким образом, для световода на рис. 3.31. справа с диаметром 0,2 мм разъюстировка по осям Х,У не должна превышать 1,6 мкм чтобы изменение сигнала было на уровне разрешающей способности ВОП. Аналогичные цифры получаются для допустимой нестабильности расстояния между площадкой фотоприемника и торцом световода.

Оптические погрешности отражающих поверхностей. Это важная часть при проектировании и эксплуатации ВОП, т.к. в большинстве случаев чувствительным элементом в датчиках является тонкая металлическая или керамическая мембрана от поверхности которой происходит отражение света. Часть отраженного света попадает на приемную часть ВОП и регистрируется как полезный сигнал датчика. В этой связи качество поверхности и характер отражения весьма важны для правильной работы датчика.

Как правило, в качестве мембран используют полированные металлические пластины и характер отражения можно считать зеркальным, т.е. интенсивность зеркально отраженного света зависит от угла падения длины волны падающего света Л и свойств вещества мембраны. Зеркальное отражение

света является направленным. Угол отражения от идеальной отражающей поверхности (зеркала) равен углу падения, в любом другом положении наблюдатель не видит зеркально отраженный свет. Это означает, что вектор наблюдения совпадает с вектором отражения, рисунок 3.33 слева. Если поверхность не идеальна, то количество света, достигающее наблюдателя, зависит от пространственного распределения зеркально отраженного света. У гладких поверхностей распределение узкое или сфокусированное, у шероховатых — более широкое, рисунок 3.33 справа.

Рисунок 3.33 - Зеркальное отражение света (слева) и диффузное (справа)

В простой модели можно воспользоваться эмпирической формулой Буи-Туонга Фонга, так как физические свойства зеркального отражения очень сложны. Модель Фонга имеет вид:

/в = I/ (/,2) cos" в19 (3.9)

где: Iе - интенсивность света, попавшего на приемный световод,

Ij - интенсивность падающего света, F (1,2)- кривая отражения,

представляющая отношение зеркально отраженного света к падающему как функцию угла падения в7 и длины волны X, в7 - угол между направлением света и нормалью к поверхности, п - степень, аппроксимирующая пространственное распределение зеркально отраженного света.

Коэффициент зеркального отражения F зависит от угла падения, однако даже при перпендикулярном падении зеркально отражается только часть света, а остальная часть либо поглощается, либо отражается диффузно. Эти соотношения определяются свойствами вещества и длиной волны. Коэффициент отражения для некоторых неметаллов может быть равен всего 4%, в то время как для металлических материалов — более 80%. На рисунке 3.34, слева, коэффициенты отражения для некоторых веществ при нормальном падении света показаны как функции длины волны, а справа - как функции угла падения.

Рисунок 3.34 - Коэффициенты отражения для некоторых веществ при нормальном падении света как функции длины волны (слева), и как функции угла падения (справа)

Необходимо отметить, что при падении под скользящим углом (0 = 900) коэффициент отражения стремится к 100%, то есть отражается почти весь падающий свет, поэтому при изготовлении чувствительного элемента крайне важна точная юстировка оптических волокон по нормали к отражающей поверхности мембраны.

Погрешность, связанная с неоднородностью заполнения оправки волокнами. Это технологическая погрешность может возникнуть при сборке чувствительного элемента ВОП. Как правило, оптический жгут состоит из нескольких сотен волокон, половина из них используется для соединения с источником света, вторая половина для подключения к приемнику света. Волокна, передающие и принимающие, могут занимать в оправке пространственно любое положение, но при этом меняются характеристики датчика. В качестве примера приведем два возможных случая: а) волокна располагаются в оправке случайным образом - приемные и передающие перемешаны равномерно, рисунок 3.35 слева, б) волокна располагаются вполне определенным образом, например, передающие в одном конце оправки, принимающие - в другом, рисунок 3.35 справа.

В этом случае мы будем наблюдать две, совершенно различные по крутизне, передаточные характеристики. В первом случае крутизна рабочего участка может быть в несколько раз больше, чем во втором, рисунок 3.35. Здесь по оси 2 отложено расстояние от торца жгута до отражающей поверхности мембраны. Кроме того, от расположения волокон зависит и оптимальное расстояние от торцов волокон до отражающей поверхности мембраны и во втором случае, кривая справа, она будет существенно больше.

Z, мкм ^ мкм

Рисунок 3.35 - Пример вероятного расположения волокон в оправке ВОП и соответствующие каждому случаю передаточные характеристики

Необходимо отметить, что все рассмотренные выше источники погрешности ВОП в конечном итоге вносят некоторую суммарную погрешность в измеряемую величину. Можно ожидать, что для независимых источников погрешностей х1г х2,...хп , обусловленных различными частями ВОП, суммарная среднеквадратичная погрешность составит

х2 + х2 +... + х2) и эта погрешность должна быть не хуже разрешающей

способности ВОП, лежащей на уровне 10-3. Отсюда вытекают все сложности обеспечения временной и температурной точности измерений с помощью ВОП амплитудного типа.

3.5 Выводы

1 Сформулированы требования к оптоэлектронным элементам, обслуживающим волоконно-оптический тракт. В частности, из всего арсенала современных средств выбраны излучатели и приемники, обладающими оптимальными габаритами и характеристиками, а именно: светоизлучающие диоды ИК-диапазона (0,8-0,9 мкм) и фототранзисторы. Подробно рассмотрены и решены проблемы сопряжения оптоэлектронных элементов с торцами световодов.

2 Показано, что волоконно-оптические преобразователи (ВОП) амплитудного типа обладают оптимальными свойствами при конструировании

датчиков кардиомеханосигналов. Они существенно дешевле преобразователей, использующих фазовый принцип измерения, и в то же время имеют достаточные точностные характеристики для получения неискаженных кардиомеханосигналов.

3 Проанализированы погрешности, специфические для датчиков кардиосигналов. Кроме того, описаны погрешности, вносимые оптоэлектронными элементами вторичного тракта. Предложены пути снижения их влияния.

4 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ МОБИЛЬНОГО ПРИБОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА

4.1 Вводные замечания

Данная глава посвящена методам построения архитектуры программно-аппаратных комплексов на базе рассмотренных в предыдущих главах сенсорных средств, использующих волоконно-оптические преобразователи -зонды для исследования кардиомеханосигналов. В первой части главы описана разработка многоканального анализатора «Пульс», воплощающего технологию обследования пациентов по многоканальной схеме, включающей пульсовые волны (механопульсограммы), оптофонендограммы и электрокардиограммы. Подробно рассмотрена блок-схема прибора и особенности измерения параметров, включая обработку данных. Затем уделено внимание описанию беспроводных вариантов прибора «Пульс-Т».

В последней части главы приведены описания исследований, касающихся безманжетных методов определения артериального давления, и даны алгоритмы, позволяющие реализовать технологию безманжетной тонометрии.

Области применения прибора «Пульс»: доклиническая массовая диагностика, профилактическая медицина, адаптационная терапия и спортивная медицина, функциональная диагностика и кардиология.

Фактически анализатор объединяет в одном приборе данные, получаемые обычно в кабинетах ЭКГ и функциональной диагностики. Это делает его незаменимым и очень удобным в инструментальном арсенале врача.

С другой стороны, анализатор может оказаться полезным при создании систем медобслуживания населения, использущих современные средства связи - Интернет и сотовую телефонию. Недорогие версии прибора можно рекомендовать самим пациентам в качестве дополнения к компьютеру для создания семейного архива медицинских данных и подключения к новым системам медобслуживания.

Таким образом, целью данной главы является описание практически полезной аппаратуры, создаваемой на основе волоконно-оптических датчиков кардиомеханосигналов.

Разработка датчиков кардиомеханосигналов на основе волоконной оптики потребовала развития вторичной оптоэлектронной аппаратуры и создания программно - аппаратных средств, позволяющих запоминать и обрабатывать сигналы.

4.2 Кардиоанализатор «Пульс». Эволюция программно - аппаратного комплекса

Начиная с 1990г. в ИМАШ РАН разрабатывается ряд приборов с условным названием «Пульс», адресованных практическим врачам: кардиологам и терапевтам. Перейдем к описанию основных модификаций прибора «Пульс».

Разработка архитектуры вторичного блока и всего программно -аппаратного комплекса на основе волоконно-оптических датчиков кардиомеханосигналов требует, прежде всего, макетирования оптоэлектронного контура. Он необходим для обслуживания трехполюсника -коллектора, состоящего из световодов. Для этого требуется схема, содержащая излучатель и фотоприемник. После выбора оптоэлектронного тракта следует разработка схемы усиления, фильтрации и смещения полезного аналогового сигнала. Затем поблочно решается задача оцифровки, мультиплексирования и связи с компьютером.

Рассмотрим последовательно развитие вторичных блоков, следовавшее за совершенствованием компьютеров.

Первоначально прибор «Пульс» имел два канала информации: оптоэлектронный канал для датчика пульсовой волны (ПВ) и канал усиления биопотенциалов для сигналов электрокардиограммы (ЭКГ).

Блок-схема прибора «Пульс» показана на рисунке 4.1. Его аналоговая часть состоит, соответственно, из оптоэлектронной цепи и цепи биопотенциалов.

Сигналы ЭКГ и ПВ поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее через гальваническую развязку на разъем RS 232 компьютера.

Гальваническая развязка выполнена на оптопарах и соответствует требованиям к усилителям биопотенциалов, предъявляемым со стороны РосЗдрава.

Прибор питается напряжением 5В от компьютера из разъема клавиатуры. Конвертер питания (DC-DC) образует цепи питания прибора +/- 12В и развязывает гальванически компьютер от потребителя.

Канал ПВ включает в себя волоконно-оптический датчик и оптоэлектронный усилитель. Датчик содержит мембранную головку и волоконно-оптический преобразователь-зонд, заключенный в гибкий защитный чехол.

Рисунок 4.1 - Блок-схема прибора «ПУЛЬС»

Датчик ПВ устанавливается на лучевую артерию левой руки. При необходимости возможно измерение на правой руке или на сонной артерии

(центральный пульс). Перед установкой датчика необходимо прощупать пульс пальцами, чтобы в первом приближении найти место измерения, затем следует уточнить место установки датчика методом проб, наблюдая пульсовой сигнал на мониторе в реальном времени. Датчик держат рукой, прижимая с некоторым усилием. Необходимо добиться правильной постановки датчика, при которой амплитуда выброса будет максимальной, а форма волны неискаженной.

Канал ЭКГ состоит из датчиков - хлор-серебряных конечностных электродов для подключения по схеме «рука-рука» и дифференциального усилителя биопотенциалов. Электрод «земля» устанавливается на тыльной стороне левой руке. Электроды смазываются электродным гелем или физраствором. Кожу рук под электродами желательно протереть спиртом.

Электронный блок прибора «Пульс» размещен в компактном металлическом или пластмассовом корпусе, на передней панели которого находятся разъемы «тюльпан» под электроды ЭКГ, специальные опторазъемы (под накидную гайку) волоконно-оптического датчика пульсовой волны и индикатор питания (светодиод). На задней панели прибора расположен информационный разъем (9pin) подключения прибора к компьютеру через параллельный порт и силовой разъем питания напряжения 5В от клавиатуры компьютера. Силовой кабель вставляется в разъем клавиатуры компьютера с помощью специальной вилки-разветвителя.

Детализированная блок-схема прибора представлена на рисунке 4.2. Сигналы ЭКГ, ПВ поступают с усилителей на аналоговый ключ, который управляется блоком управления АЦП и аналогового ключа. Блок управления определяет работу аналогового ключа через управляющие сигналы, поступающие на информационный вход прибора с компьютера, последовательно коммутируя сигнальные каналы на вход АЦП. Работу АЦП в нужном режиме задают управляющие сигналы, поступающие на информационный вход с компьютера. Протокол обмена и режим работы АЦП представлен на рисунке 4.3.

С выхода АЦП сигнал через оптоэлектронную развязку поступает непосредственно в последовательный порт компьютера СОМ1или СОМ2 (по усмотрению оператора). Преобразователь напряжения постоянного тока служит для подачи нужного напряжения питания всем блокам прибора.

Рисунок 4.2 - Детализированная блок-схема прибора

На рисунке 4.3 представлена диаграмма работы интерфейса, по которой написана программа-драйвер для прибора «Пульс».

Блок-схема программы card.exe:

1 Первый блок программы проводит инициализацию последовательного порта. Определяет все переменные, нужные для сохранения данных на жестком диске, а также считывает из файла настроек все необходимые предустановленные параметры масштаба по времени и амплитуде.

2 Драйвер АЦП служит для записи данных, полученных от АЦП. Блок заканчивается командой перехода, передающей управление собственно прикладной программе. Эта прикладная программа универсальна. Она зависит от выполняемой задачи, но ни в коей мере зависит от применяемого АЦП.

3 Прикладная программа может сама обращаться ко второму блоку основной программы (драйверу АЦП) настолько часто, насколько требуется. Вторая часть основной программы отвечает за выполнение одного (и только одного) аналого-цифрового преобразования за размещение результата в переменных для последующей записи. Только прикладная программа определяет, с какой скоростью будут проводиться преобразования, надо ли комбинировать полученные значения перед выводом результата и каков будет способ обработки результата (цифровое табло, построение кривой, запись на диск).

Приводим алгоритм программы.

Блок Программы Строка в программе Выполняемые процедуры и функции

1 10...260 Инициализация. Определение массивов для записи на диск; сообщения об ошибках инициализации, если таковые есть; вывод меню на экран ПК; чтение из файла настроек; выбор порта для подключения прибора; инициализация АЦП.

2 265... 790 Переход на вывод меню, считывание данных из порта (драйвер АЦП)

2 1190...1210 Переход в пользовательскую программу, обработка сообщений оператора.

2 1214 Завершение работы программы

3 1216...1340 Обработка клавиатуры

3 1520...2090 Обработка полученных данных с АЦП и вывод на экран данных с трех каналов в реальном времени

3 2270...2690 Печать меню на экране и масштабирование

3 2700...2870 Сохранение данных в файл (с инкрементом порядкового номера)

3 2880...2980 Сохранение файла настроек

3 3210 Возвращение к считыванию данных из порта

Рассмотрим особенности такой программной реализации: одной из них является привязка полученных данных из порта к реальному значению времени, взятых с частотой 50 Гц из системного таймера. Фактически вывод на экран ПК происходит с выбранной в файле настроек частотой дискретизации (более 100 Гц). Таким образом, программа годится лишь для мониторинга за исследуемым сигналом, но не пригодна для записи в файл из-за низкой частоты дискретизации, равной 50 Гц.

Клавиши управления и инструкции для использования см. в отдельном документе.

Описание работы интерфейса прибора Пульс2

~L

Г

^^ и

I ; 1 |j м 1J 14 ] i J IH И Ii

L. игушиЛ M.id.llünil Ct*ll*>» hilüUlUll

pa^ll^i pjipH.I pïl|U.l ^IFH.I

~L

Л

1jii:ÎK MI):

llfiiii ЛЩ]

С 1 №14 нишульсы RIS осуществляйся вводланщьп. Сигналы мщ'с*:,ч А. Г (.[ 1 ((трмкруЕотся электронной схемой в

[ipirfiiipi.

BpoicKHjifl диаграмма [sifiorhi iiuHfiopa

Рисунок 4.3 - Диаграмма работы интерфейса

Описание программы. В данном документе описаны особенности работы с программой многоканального ввода данных через АЦП ADS 1286 с использованием интерфейса RS 232 при наличии оптронной развязки.

Использование оптронной развязки позволяет получить гальванически развязанные измерительные цепи, не зависящие от компьютера и использовать аппаратуру для медицинских исследований.

Необходимо отметить, что реализация обмена через последовательный интерфейс накладывает определенные ограничения на выбор программных средств. Действительно, организация такого обмена в стандартном режиме по протоколу RS 232 предполагает наличие на выходе интерфейса стандартного интерфейса последовательного обмена (UARTа). Поэтому необходимо для реализации стандартного протокола обмена строить сравнительно сложную схему на логических микросхемах, либо использовать микроконтроллеры с встроенной функций UARTа. В этих случаях схема устройства усложняется и возрастает его стоимость. В большинстве случаев для ввода данных с АЦП с последовательным выходом используется нестандартный обмен через последовательный порт. В этом случае в качестве выходных сигналов, управляющих работой АЦП используются сигналы DTR и RTS последовательного порта, а для ввода данных используется ввод сигнала CTS интерфейса. Значения этих сигналов могут быть заданы и считаны непосредственно с регистров порта.

Особенностью АЦП является сравнительно низкая скорость преобразования (порядка 20000 выборок в секунду), а также сравнительно низкое быстродействие оптронных элементов, используемых для гальванической развязки и рассчитанных на высокое напряжение. Эти

ограничения требуют снижения скорости обмена через последовательный интерфейс, что обеспечивается введением задержек между выполнением команд обращения к регистрам интерфейса. Это, в частности, также говорит о нецелесообразности использования высокоскоростных подпрограмм обмена через интерфейс (с использованием языков ассемблера и Си). При использовании компьютеров среднего быстродействия работу программы ввода приходится искусственно задерживать до скоростей определяемых аппаратной частью прибора. Таким образом, для ввода и обработки вполне достаточна скорость обработки, обеспечиваемая скомпилированной программой на языке BASIC.

Для многоканального ввода используется последовательный опрос каналов, при котором после ввода сигнала по первому каналу вход АЦП через мультиплексор переключается ко второму каналу и т.д. В данном конкретном случае используется четырехканальный аналоговый коммутатор, позволяющий вводить сигналы по четырем каналам. Поскольку используется только три канала, первый (нулевой) канал используется при тестировании устройства. Для ввода по каждому из каналов используется 16 тактовых импульсов. Хотя для работы интерфейса достаточно 14 тактовых импульсов (два подготовительных и двенадцать соответствующих 12 разрядам выходного кода).

Протокол обмена через интерфейс. Обмен осуществляется в соответствующей временной последовательности:

1. DTR = RTS =1 - исходное состояние

2. DTR =0 RTS = 1 - сброс счетчика каналов и запуск преобразования по первому каналу

3. DTR = 0 RTS = 0

4. DTR = 0 RTS = 1 два подготовительных тактовых импульса

5. DTR =0 RTS = 0

6. DTR = 0 RTS = 1

7. DTR = 0 RTS = 0

8. DTR = 0 RTS = 1

двенадцать тактовых импульсов считывания данных по интерфейсу по каналу 0

9. DTR = 0 RTS = 0

10. DTR =0 RTS = 1

11. DTR = 0 RTS = 0

12. DTR = 0 RTS = 1 два неиспользованных импульса, после которых на вход АЦП

13. DTR = 0 RTS = 0 подключается первый канал и инициализируется новый цикл преобразования

14. DTR = 0 RTS = 1

Далее выполняется считывание данных по 1, 2 и 3 каналам.

Работа с программой. Программа содержит три файла, которые должны находиться в одной директории, откуда осуществляется запуск программы:

Cardb. exe - собственно файл программы

Card.cnf - файл с данными настройки программы, обеспечивающий сохранение режима использованного при последнем запуске программы.

Brun40.exe - файл с вспомогательными программами библиотечных функций

Для запуска программы необходимо выполнить команду:

Run. card. exe или запустите ее двойным щелчком левой кнопки мыши.

После запуска программы на экран выводится окно с предложением выбрать порт, к которому подключен интерфейс прибора.

После выбора номера порта программа в течение 5 секунд проводит оценку быстродействия компьютера для определения необходимых задержек при обмене через интерфейс.

После окончания теста программа переходит в рабочий режим и на экран выводятся данные, поступающие с прибора. Управление работой программы осуществляется с клавиатуры нажатием клавиш перечисленных в нижней строке экрана. Нажатие 1 или 2 приводит к переключению в режим вывода на экран одного графика PV2 (при нажатии 1) или ECG и PV (при нажатии 2).

В начале нижней строки выводится информация о масштабах вывода по вертикали графиков (возможны три состояния х1, х2 или х4 ) для каждого из графиков.

Если выводится один график, переключение масштаба по вертикали осуществляется нажатием на клавиши |и|. Если на экран выводятся два графика, для нижнего (PV1) переключение масштаба по вертикали осуществляется нажатием на те же клавиши | и Для верхнего графика ECG изменение масштаба осуществляется нажатием на А или V.

Для изменения скорости вывода используются клавиши ^ и^. Оценка скорости при этом отображается в первой строке в виде 25 mm/s, 50mm/s или 100 mm/s. Для компенсации сдвига уровня сигналов используются сочетания клавиш Home-End и PageUp - PageDown. Нажатие этих клавиш вызывает перемещение графиков вниз или вверх относительно нулевого уровня. Следует отметить, что оценка скорости вывода носит предварительный характер, поскольку в зависимости от размеров экрана монитора она будет меняться (для экрана монитора большего размера - скорость выше).

Для останова программы следует нажать клавишу С.

При нажатии клавиши F выполняется запись отображенных данных в файл, название которого пользователь задает в ответ на запрос программы. Рекомендуется использовать соглашения о наименовании файлов, принятые в MSDOS (до 8 символов названия маленькие латинские буквы или цифры, затем точка и расширение). В качестве расширения для файла данных обычно используют расширение dat.

Программа пульсодиагностика сигнальная (ПДС). Рабочий режим под Windows. Справочная информация по программе ПДС. Полученные результаты позволили сформировать карту пациента (рисунки 4.4-4.8).

Фамилия И.О.: М есто работы: История болезни:

В озр аст: Тем пература: Давление: Н агрузка: Рука:

Ж ал о б ы:

Анализатор "Пульс"

Общие сведения.

Явелов И.С. ИМ АШ РАН Гипертония

Состояние на момент съёмки сигнала.

5 1

3 6,6 15 2/97 нет левая

Жалоб нет

Результаты анализа ЭКГ+ПВ.

Параметры:

1. Пульс, уд/мин:

2. Пульсовое давление, т т Hg:

3. М аксимальная интенсивность выброса, mmHg/c:

4. Время изгнания, с:

5. Запаздывание клапана, с:

6. Жёсткость работы клапана:

7. Индекс эластичности сосудов:

8. Коэффициент периферического сопротивления сосудов:

9. Физиологический возраст сосудов, лет:

10.Индекс работы за время изгнания, (т т Hg)*c:

11.Ф азовый сдвиг ЭКГ - ПВ, с:

12.С корость пульсовой волны, sm/c: 1 З.Артери альн ое давление, тт Hg: 14.Р0, с:

15.0Т, с:

1б.рд/дт:

пациента норма

86 60-80

55 30-45

1 4 4 2,4 7 .......

0,16 0,18-0,21

0,06 >0

0,73 <0,8

0,84 <1

0,25 <1

35 - 45 5 1

5,78 .......

0,14 0,13

5 0 2,7 3 4 3 0 - 6 4 0

1 5 2 /9 7 1 5 2 /9 7

0,1 0 -------

0,26 -------

0,3 9 -------

Комментарий.

Артерия: крупная, хорошо прощупывается, нормально залегает. В олн а: островерш ин ная. П ульсовое давлени е: вы сокое. Систола: нормальная.

Закрытие аортального клапана: нормальное, мягкое. Задний скат волны: имеет отклик артериол и мелких сосудов. Эластичность сосудов: высокая.

Ф изиологический возраст сосудов: ниже возраста пациента. Нарушение периодичности сердечных сокращений: отсутствует.

Рисунок 4.4 - Карта пациента

В карте пациента (рисунки 4.4-4.8) сконцентрированы: а) данные больного (сокращенный вариант анамнеза Морби и анамнеза Уйае); б) данные объективного обследования, в том числе по результатам измерения пульсовой волны; в) распечатка пульсовой волны и ЭКГ с реперами в 10 точках. Оцифровка координат этих точек сведена в таблицу для сравнения с эталонной волной (шаблоном); г) первичный диагноз пациента, основанный на анализе формы пульсовой волны с точки зрения механизма движения жидкости и стандартных соотношений; д) построение характеристик стрессового состояния

пациента на основе обработки 2-х минутной непрерывной записи пульсовой волны.

Рассмотрим подробнее некоторые разделы «Карты пациента». Верхняя часть «Карты» (рисунок 4.4) содержит общие данные, полученные опросом испытуемого и комментариев не требует.

Таблица «Результаты анализа ЭКГ+ПВ» построена следующим образом. Волна выбирается путем просмотра фрагмента длительностью до 2 мин. Выбранная волна в ручном режиме размечается реперами в 7 точках, координаты которых автоматически оцифровываются . Координаты 7 точек ^ -горизонтальные, р - вертикальные) содержат данные для расчета параметров таблицы «Результаты анализа ЭКГ + ПВ».

1 «Пульс» вычисляется из длительности кардиоцикла (^ - ^ ).

2 Пульсовое давление (р2 - рД

3 Максимальная интенсивность выброса рассчитывается по максимальному текущему значению производной dp/ dt на переднем скате волны.

4 Время изгнания (^ -

5 Запаздывание клапана 0з42).

Нормативный параметр этой величины > 1, т.к. момент срабатывания клапана у здоровых молодых людей расположен после первого максимума ПВ, на ее заднем скате.

С возрастом и одряхлением сердечной мышцы время систолы желудочка сокращается, момент закрытия клапана располагается все ближе к максимуму и может переходить на передний фронт ПВ. Тогда параметр 5 становится меньше 1.

6 Жесткость работы клапана (р3 / р2) определяет удаленность момента срабатывания клапана от экстремума, но по вертикальной координате. Закрытие клапана вблизи экстремума ПВ менее благоприятно из-за высокого давления в системе. По средним данным 15 пациентов у здоровых молодых людей нормативный параметр р3/ р2 > 0.8.

7 Индекс эластичности сосудов (р4/р5) определяется наличием и интенсивностью дикротической волны на заднем скате ПВ. Этот параметр рекомендуется у большинства авторов для оценки эластичности сосудов [8,48]. Выраженность дикротической волны у пожилых людей меньше, что свидетельствует о падении упруго-вязкостных свойств стенок сосудов вследствие солевых отложений. С возрастом задний скат ПВ становится практически гладким

8 Коэффициент периферического сопротивления сосудов (р3/р1).

9 Физиологический возраст сосудов - отражает наглядно седьмой параметр и связан с ним следующей зависимостью:

Физиологический возраст, лет Р4/Р5

15-25 <0.5

25-35 0.5...0.8

35-45 0.81...0.91

45-55 0.92.1.1

> 55 > 1.2

10 Индекс работы за время изгнания определяется площадью фигуры, ограниченной ПВ за время изгнания.

11 Фазовый сдвиг ЭКГ - ПВ, (с) - это расстояние между величиной точкой д дЯБ-зубца ЭКГ и началом ПВ, измеренной на лучевой артерии. Время фазового сдвига определяется двумя событиями: 1 - процессом изометрического сокращения желудочка до момента закрытия аортального клапана и 2 - процессом распространения ПВ по магистральным сосудам до места измерения. Пренебрегая изменением 1 -ой части, можно использовать этот показатель для грубой оценки скорости распространения ПВ (СРПВ).

12 Скорость распространения пульсовой волны, см/с определяется дистанцией распространения ПВ от сердечной мышцы до места измерения датчиком ПВ (в среднем до 70 см) за время фазового сдвига по п.10, т.е. 70/ фазовый сдвиг.

13 Артериальное давление (АД), мм.рт.ст. - определяется безманжеточным способом по изменению СРПВ. Вязкоупругие свойства сосудистой стенки изменяются при изменении АД, что приводит к изменению СРПВ. Данный физический эффект позволяет определить АД, если известно базовое артериальное давление (измеренное тонометром), базовый фазовый сдвиг ЭКГ-ПВ и новое значение фазового сдвига. Взаимосвязь параметров получена эмпирически и выражается формулой, заложенной в компьютер:

Р = Р &

РВ РВ (б д ,

где:

РВ - верхнее значение АД в момент измерения;

РВ (б) - верхнее базовое АД;

Л - фазовый сдвиг в момент измерения;

Дб - базовый фазовый сдвиг.

Нижнее значение АД определяется следующим образом:

Рн = Рв - К8,

К= (Рвб - Рнб)/ 5б ,

где: Рн - нижнее АД в момент измерения;

Рнб - нижнее АД базовое;

5 - пульсовое давление в момент измерения;

5б - пульсовое давление базовое.

Таким образом, пациент в первый раз измеряет давление манжеточным тонометром и его данные вместе с сигналами ПВ и ЭКГ закладываются в архив. Во время следующих обследований компьютер автоматически определяет АД, используя новые значения фазового сдвига. Поиск базовых данных осуществляется по фамилии, имени и отчеству пациента.

Третья страница карты пациента (рисунок 4.5) содержит обработку результатов измерений всего 2-х минутного фрагмента в целом и отражает медленноволновые регулировочные процессы организма человека, характеризующие его адаптационные реакции и стрессовое состояние [3].

На рисунке 4.5 дана амплитудная гистограмма, отражающая изменение во времени площадей кардиоциклов, ограниченных пульсовой волной, а также картина изменения верхнего АД.

Интегралы

_Интегралогисгограмма __

8, мм 75

АД, ммрт.ст 160

120

80

40

0|_____

о 10 20 30 40 50 т, с

Рисунок 4.5 - Мониторинг вариабельности сердечного ритма по сигналу ПВ и артериального давления (АД) верхнего

На рисунке 4.6 построена фазовая картина изменения кардиоциклов, полученная подстыковкой начала каждой последующей ПВ к началу первой ПВ. Она дает наглядное представление о величине наблюдаемых колебаний и выявляет аритмию.

Рисунок 4.6 - Стрессовая реакция организма

Графическая интерпретация регулировочных процессов, отраженная на рисунках 4.5 и 4.6 удобна для качественной оценки стрессового состояния испытуемого.

14. Заполнением и распечаткой «Карты пациента» завершается процесс обследования сердечнососудистой системы испытуемого. Информация от всего 2-х минутного фрагмента записи поступает в «Регистратуру», которая расположена в памяти компьютера. Регистратура построена по алфавитному признаку (алфавитный каталог).

Расстановка маркеров на сигнале ЭКГ №№ 8, 9, 10 позволяет определить интервалы Рр, рт.

На рисунках 4.7 и 4.8 приведены образцы записей с самописца.

мм рт.сг. II I ,

и, в Электрокардиограмма

Рисунок 4.7. Расстановка маркеров на сигналах ПВ и ЭКГ

Воэд^слные иэм-ененни пультовой е&лны

Нарушений периодичности сердечною рцтм&

Зжс г рас ИСТ QI N4

iainii'к синкоп* itumihi«

Им I ЛСП рК|*СГ-й1Ы

Рисунок 4.8 - Шаблонные сигналы

Алфавитный фамильный каталог включает дату и номера съемок, системный признак, наличие карточек и название файла данных, где складирован фрагмент с первичной информацией.

Программа позволяет вывести в отчет шаблонные сигналы (рисунок 4.8.) и произвести запись отчета в файл в виде HTML - страницы и передать ее через Интернет. Пометка файла производится автоматически.

Развитие функциональных возможностей и архитектуры анализатора «Пульс». Развитие компьютерной и процессорной техники и совершенствование программных продуктов потребовали создания новой аппаратной версии прибора «Пульс». Одновременно произошло и наращивание функциональных возможностей. Анализатор «Пульс» обновился элементной базой, стал процессорным, приобрел программное управление усилением по каналам и фильтрами. Развязка на порт USB позволила избавиться от

дополнительного кабеля питания от клавиатуры. Дополнительно прибор обогатился двумя каналами - оптофонендограммы (ОФГ) и кнопкой, позволяющей переводить анализатор из режима мониторинга в режим записи в файл рукой пациента, а не врача - оператора. Таким образом, был реализован канал фонендоскопии и оператор получил возможность, настроив датчики во время мониторинга, производить запись, не отрывая рук от датчика пульсовой волны (ПВ).

Внешний вид аппарата «Пульс» и датчиков приведен на рисунке 4.9.

Прибор имеет современный компактный пластмассовый корпус с переменой угла положения за счет откидных передних ножек. На передней панели прибора расположен индикатор питания, единый разъем ЭКГ и опторазъемы ПВ и ОФГ. На нижней части корпуса указан заводской номер блока, разъем подключения к компьютеру через порт USB находится на корпусе сзади. Схема подключения датчиков и компьютера представлена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Схема наружных коммутаций анализатора «Пульс» с развязкой USB

В отличие от предыдущей версии прибор имеет дополнительный канал ОФГ и специальную кнопку для запуска записи в файл самим пациентом. Кабель пациента (ЭКГ) выполнен единым проводом, имеет удобный моноразъем повышенной надежности и подключается к электродам - клипсам с помощью «крокодилов». В остальном прибор аналогичен предыдущему. Питание прибора подключается программно при запуске соответствующего режима. В остальное время прибор отключен, не смотря на то, что компьютер может быть загружен.

Блок-схема кардиоанализатора «Пульс» с USB интерфейсом представлена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Блок-схема четырехканального кардиоанализатора с развязкой на USB: 1,2 - входы каналов ПВ и ОФГ; 3 - вход ЭКГ; 4 - электрод-кнопка; 5 - излучатели ИК-диапазона; 6 - стабилизатор тока; 7 - предусилители; 8 - фильтры; 9 - усилители; 10, 11 -усилитель ЭКГ; 12 - фильтр; 13 - АЦП с мультиплексором; 14 - опторазвязки; 15 -микроконтроллер; 16 - контроллер шины USB; 17 - порт USB; 18 - конвертер напряжения

Центральным узлом прибора является микроконтроллер 15, который обеспечивает управление основными функциональными узлами, а также поддержку верхних протокольных уровней шины USB. Для сопряжения с USB шиной данных служит контроллер шины USB 16, обеспечивающий электрическое согласование сигналов и поддержку нижних протокольных уровней. Обмен данными между контроллером шины USB 16 и микроконтроллером 15 осуществляется с помощью восьмиразрядного параллельного интерфейса, обеспечивающего наилучшее быстродействие.

Питание контроллера шины USB 16 и микроконтроллера 15 осуществляется непосредственно от порта USB 18.

Для обеспечения требований электробезопасности предъявляемых к медицинскому оборудованию служит вторичный источник электропитания 18, имеющий гальваническую развязку по напряжению вход-выход не менее 4000V. Данный источник обеспечивает питание узлов прибора допускающих непосредственный электрический контакт с пациентом. Источник питания 18 управляется микроконтроллером 15 и включается непосредственно во время обследования по команде от персонального компьютера, что обеспечивает экономию электропитания в соответствии со спецификацией USB интерфейса. Входы волоконно-оптических датчиков ПВ и ОФГ подключаются к излучателям ИК диапазона 5, которые питаются от стабилизированного источника тока 6. Оптический сигнал с выходов датчиков содержащий огибающую пульсовой волны детектируется фотоприемниками 1, 2 и далее поступает на предварительные усилители 7. Сигналы ПВ и ОФГ отделяются от помех фильтрами 8 и после дальнейшего масштабирования усилителями 9 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 13. Сигнал ЭКГ поступает на вход инструментального усилителя 10, имеющий низкий уровень собственных шумов и высокий уровень подавления синфазных помех, что обеспечивает высококачественное предварительное усиление полезного сигнала и подавление нежелательных сетевых наводок. После прохождения следующего каскада усиления 11 сигнал ЭКГ подвергается дальнейшей обработки фильтром 12, который позволяет дополнительно подавить помехи в случае их высокой интенсивности. После дополнительной фильтрации сигнал ЭКГ также поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 13.

Аналого-цифровой преобразователь 13 имеет в своем составе аналоговый мультиплексор позволяющий производить последовательное переключение каналов ЭКГ, ПВ и ОФГ с минимальными апертурными задержками. Управление аналого-цифровым преобразователем 13 осуществляет микроконтроллер 15, который со строго определенной частотой, синхронизированной внутренним таймером, производит последовательную выборку и чтение оцифрованных данных.

Гальваническая развязка микроконтроллера 15 и аналого-цифрового преобразователя 13 по сигнальным цепям обеспечивается оптопарами 14 с напряжением изоляции не менее 7000V.

Состояние пользовательской кнопки в составе электрода 4 с целью экономии аппаратных средств считывается через мультиплексированный канал аналого-цифрового преобразователя 13.

Оцифрованные данные каналов ЭКГ, ПВ, ОФГ и состояние пользовательской кнопки формируются микроконтроллером 15 в пакет данных, который считывается персональным компьютером через USB интерфейс. Частота опроса прибора персональным компьютером о наличии данных задано через конфигурационные структуры USB устройства, и значительно превышает

частоту оцифровки данных, что гарантирует их своевременную передачу без потерь.

Как известно, функционирование любого USB устройства, подключенного к персональному компьютеру, невозможно без собственного программного драйвера, взаимодействующего с операционной системой. Разработка собственного драйвера устройства, как правило, является сложной задачей программирования, и под силу лишь опытным программистам в совершенстве владеющими всеми тонкостями работы с операционной системой персонального компьютера.

Поэтому для обеспечения функционирования кардиоанализатора в среде операционной системы персонального компьютера используется стандартный драйвер, входящий в комплект поставки операционных систем семейства "Windows". Использование данного драйвера позволяет обходиться без сложной процедуры инсталляции прибора и гарантирует полную совместимость с операционными системами компании "Microsoft".

При первом подключении к компьютеру операционная система автоматически определяет устройство и устанавливает необходимый драйвер. Приложение пользователя находит подключенный прибор по его уникальным идентификаторам "VendorID" и "ProductID", заложенным в энергонезависимой памяти прибора. Для системного программиста вся работа с прибором осуществляется через стандартный API интерфейс. Обмен данными с прибором осуществляется пакетами данных фиксированной длины с использованием функций записи и чтения файла.

На рисунке 4.12 представлен фрагмент трехканальной записи рабочих сигналов с прибора «Пульс», оснащенного датчиками кардиомеханосигналов и ЭКГ. Компьютер производит автоматическую разметку кардиоциклов и отмечает основные события, происходящие в сердечнососудистой системе в виде фазовой картины работы сердечного насоса. Расшифровка событий во многом зависит от опыта врача, т. к. на записи ОФГ четко отмечены только экстремумы кривой.

Прибор «Пульс» в последней версии был подготовлен для аттестации РосЗдрава, в связи с чем прошел технические испытания во Всероссийском научно - исследовательском и испытательном институте медицинской техники (ФГУ ВНИИИМТ Росздравнадзора), а также клинические испытания в медицинских учреждениях. Протоколы и отзывы о результатах находятся в Приложении 4 к диссертации.

Рисунок 4.12 - Образец трехканальной записи ЭКГ - ОФГ - ПВ Сверху - вниз: пульсовые волны (ПВ) лучевой артерии (механопульсограмма), низкочастотные вибросигналы сердца (оптофонендограмма ОФГ), электрокардиограмма (ЭКГ) в отведении рука-рука

Прибор «Пульс» в последней версии был подготовлен для аттестации РосЗдрава, в связи с чем прошел технические испытания во Всероссийском научно - исследовательском и испытательном институте медицинской техники (ФГУ ВНИИИМТ Росздравнадзора), а также клинические испытания в медицинских учреждениях. Протоколы и отзывы о результатах находятся в Приложении 4 к диссертации.

Перспективы развития технологии «Пульс». С расширением круга пользователей методики «Пульс» совершенствование прибора пойдет двумя путями: интеграция функции и миниатюризация. Приборами должны овладеть как врачи различного профиля, так и сами пациенты.

С точки зрения врача-терапевта очень удобным был бы прибор - моноблок с микроконтроллером, термопринтером и собственным ЖК цветным дисплеем (управление 1-ой или 2-мя кнопками). Прототипом можно считать спирометр фирмы Геолинк.

Вторая ветвь - это карманные мониторы. Они должны вести постоянный контроль за состоянием сердечно сосудистой системы и давать предупреждающий сигнал об опасности в случае отклонений или резкого "броска" показателей [113].

Вряд ли кто-нибудь откажется от миниатюрного комфортного измерителя, дающего непрерывные показания об АД, ЭКГ, фазовых смещениях, имеющих

жизненно-важное значение. Прибор будет снабжен системой "Алярм-кардио", следящей за развитием и приближением сосудистых катастроф: инфарктом или инсультом.

Ранняя диагностика развития сосудистых катастроф бесспорно является одной из главных проблем в профилактике и лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Это же относится и к мозговым сосудистым катастрофам [109, 111].

В настоящее время существует система скрининга населения, которая далека от совершенства вследствие малочисленности медперсонала и его слабой оснащенности инструментальными средствами. В большинстве случаев пациенты подвергаются серьезному обследованию только в поликлинической системе, куда они попадают с опасными симптомами развития сосудистых катастроф.

Очень часто участковый врач - терапевт направляет больных в стационар с развитыми признаками инфаркта или инсульта. И только там пациент получает необходимую и всестороннюю помощь, хотя катастрофу можно было предупредить заранее.

Каким же образом можно повысить прогностическую ценность методов скрининга и донозологического обследования населения? Все дело не только в увеличении количества врачей, но и во внедрении новых современных средств мониторинга физиологических параметров человека, таких как артериальное давление (АД), а также пульсовая волна (ПВ), скорость ее распространения (СРПВ) и другие сигнальные данные сердечно-сосудистой системы человека.

Примером такого прибора и может служить компьютерный кардиоанализитор «Пульс».

Он представляет собой многоканальный диагностический прибор для изучения кардиосигналов: ЭКГ, пульсовой волны (ПВ), оптофонендограммы (ОФГ).

Прибор развязан на компьютер (порт USB) и сопровождается программой - оболочкой «Регистратура» с элементами интернет - связи. Это позволяет делать синхронную запись ЭКГ (одно отведение), механопульсограммы и фазовой картины работы сердечного насоса.

Основой прибора являются волоконно - оптические датчики пульсовой волны и оптофонендограммы, защищенные патентами РФ [112,114].

Датчик пульсовой волны обеспечивает съемку неискаженного сигнала ПВ с высоким разрешением и является продуктом отечественной наукоемкой технологии. Датчик ПВ на основе волоконной оптики имеет отработанный более чем за 15 лет конструктив рабочей поверхности и синтезирован вокруг прецизионного преобразователя перемещений, имеющего высокое разрешение как во времени, так и в пространстве. Поэтому его положительные низкочастотные свойства (линейный диапазон начинается от 0 Гц), а также статическая и динамическая калибруемость позволяют считать, что он в наибольшей степени пригоден для исследований на сосудах человека.

В чем же конкретно заключаются преимущества прибора «Пульс»?

Это единственный прибор, который позволяет экспресс-методом (за 3-5 мин) провести обследование сердечно - сосудистой системы человека и оценить не только электрическую активность сердца, но и его насосную функцию и фазовую картину его работы, а также проверить эластичность магистральных сосудов. При повторном обследовании «Пульс» заменяет манжеточный тонометр и позволяет определить изменение артериального давления. Таким образом прибор является прототипом безманжетного тонометра и может служить для мониторинга давления, а значит и для предупреждения сосудистых катастроф.

Области применения прибора «Пульс»: доклиническая массовая диагностика, профилактическая медицина, адаптационная терапия и спортивная медицина, функциональная диагностика и кардиология.

Фактически анализатор объединяет в одном приборе данные, получаемые обычно в кабинетах ЭКГ и функциональной диагностики. Это делает его незаменимым и очень удобным в инструментальном арсенале врача.

С другой стороны, анализатор может оказаться полезным при создании систем медобслуживания населения, использущих современные средства связи - Интернет и сотовую телефонию. Недорогие версии прибора можно рекомендовать самим пациентам в качестве дополнения к компьютеру для создания семейного архива медицинских данных и подключения к новым системам медобслуживания [115].

Кардиоанализатор «Пульс» неоднократно экспонировался на Российских и международных выставках, неизменно привлекал внимание специалистов и был награжден дипломами и медалями.

4.3 Сфигмография высокого разрешения. Анализаторы «Пульс-М» и «Пульс-Т» с беспроводной связью

За более чем двадцатилетний путь развития технология «Пульс», реализованная в различных модификациях прибора, прошла апробации в десятках специализированных кардиологических учреждениях и получила положительные отзывы известных кардиологов нашей страны - среди них: проф., д.м.н. А.Н. Рогоза (РК НПК Росздрава), проф., д.м.н. А.В. Колпаков (1-я больница МПС), проф., д.м.н. Ф.А. Пятакович (Белгородский государственный университет), проф., д.м.н. В.А. Люсов (кафедра госпитальной терапии 2-го мединститута, 15 городская больница г. Москвы) и др.

Многочисленные пробные приемы пациентов были сделаны на выезде в сопровождении врачей. В основном местами апробаций были медицинские специализированные выставки в нашей стране и выставки изобретателей за рубежом.

Положительный опыт применения приборов «Пульс» позволил перейти к дальнейшему их совершенствованию. При этом за основу были взяты два направления: повышение удобства пользования прибором и увеличение

количества полезных функций. С этой целью на основе достижений современной электроники разрабатывался вариант прибора с минимальным количеством проводов и шлангов «Пульс-М».

«Пульс-М» имеет многоканальную архитектуру прибора «Пульс», но связь датчиков с компьютером осуществляется с помощью коротких радиолиний на беспроводных приемо-передающих модулях.

Кроме того, идеология обработки сигналов пульсовой волны была значительно развита с позиций аппланационной тонометрии, что привело к расширению функциональных возможностей прибора и сферы его применения в кардиологии и терапии.

Разработка многоканального прибора «Пульс-М.» с беспроводными модулями. Данная работа проводилась в несколько этапов. Сначала была усовершенствованная схема обслуживания волоконно-оптического датчика, а затем смакетирована и изготовлена цепь оцифровки сигналов и их беспроводной передачи на компьютер.

По макету, представленному на рисунке 4.13, был изготовлен лабораторный образец измерителя сигнала пульсовой волны с передачей на компьютер оцифрованных данных по беспроводной линии связи стандарта IEEE 802.15.4.

/У

Рисунок 4.13 - Макет контура обслуживания датчика

Основные требования:, 10-разрядный АЦП, питание автономное ЗУ от батареек, - частота отсчетов 100 Гц, приемное устройство подключается к ШБ-порту компьютера, питание приемного устройства от ШБ-порта.

Принципиальная электрическая схема макета (нотация элементов условная) приведена на рисунке 4.14.

С1Ч1

СЗ 333 -

156 914

Рисунок 4.14

Резисторы R1 и R2 задают уровень Цит/2. Через повторитель с выхода 7 операционного усилителя ШВ это напряжение подается на вход 10 ШС и служит для формирования тока излучающего диода I = Uпит/2R3. Ток излучателя зависит от напряжения питания и при Цит = 4 В составляет ~11 шЛ.

Сигнал с фотоприемника подается на вход 12 иШ(повторитель) и усиливается ОУ Ц1Л с коэффициентом усиления по напряжению ~100 с полосой от 1 до 100 Гц.

Ц1 имеет маркировку ЬМС6484 и представляет собой четыре операционных усилителя в одном корпусе. Излучатель предположительно WP7104F3C, фотоприемник Б2 предположительно РГЫ-Фотодиод BPW24R. При тестировании макета выяснилось, что в качестве фотоприемника установлен фототранзистор, по характеристикам сходный с Ь-32Р3С производства Кт§Ьп§Ы Излучатель Б2 аналогичен ИК-светодиоду Ь-34Б3С производства Кт§Ьп§Ы:. В пользу этих доступных и недорогих элементов и был сделан выбор.

Разработка технологии «Пульс-Т» на основе сфигмографии высокого разрешения. Параллельно с совершенствованием аппаратной части прибора решалась задача увеличения количества полезных функций. Успехи аппланационной тонометрии, быстро внедряющейся в мировой кардиологии, доказывают, что по сфигмограмме высокого разрешения можно получить

много дополнительной информации, повышающей прогностическую ценность данной технологии [61, 62, 113, 116, 117].

В качестве примера приведем сигнал с лучевой артерии, полученный с помощью волоконно-оптического датчика (см. ранее рисунок 2.1), и имеющий автоматически определяемые характерные точки: 1 - начало пульсовой волны, 2 - точка максимального давления, 3 - закрытие аортального клапана, 4 -отраженная волна, 5 - вторичная волна, которую некоторые авторы трактуют как отклик капилляров и венул, 6 - начало следующей пульсовой волны.

Величина «подъема» 4 характеризует отраженную волну, определяемую как показатель «ригидности» сосудов [13, 62, 77, 116].

На рисунке 4.15 дана синхронная запись ПВ и ЭКГ, полученная датчиками осевой и радиальной конструкции и электродами ЭКГ в отведении рука-рука.

ПВ Л

ПВ г

J

ЭКГ

еж к Б 1 гя я т ч

Рисунок 4.15 - Фрагмент 3-х канальной записи Сверху вниз: синхронная запись ПВ датчика осевого типа с левой руки, запись ПВ датчиком радиального типа с правой руки и запись сигнала ЭКГ.

Фото радиальных датчиков уменьшенного габарита представлено на рисунке 4.16.

а)

б)

Рисунок 4.16 - Фото консольных датчиков а) крепление на гибкой шлейке, б) крепление на жестком браслете

Примеры характерных возрастных изменений формы пульсовой волны с лучевой артерии представлены на рисунке 4.17.

Рисунок 4.17 - Возрастные изменения формы пульсовой волны

Кривые получены с помощью волоконно-оптических датчиков на лучевой артерии вблизи запястья. Снизу вверх показаны пульсовые волны, соответственно, здоровых людей 25 и 45 лет. Верхняя кривая принадлежит

пациенту старше 50 лет с признаками гипертонии и развитым атеросклерозом сосудов. Сравнение кривых показывает следующее.

Молодые люди имеют островершинную волну. С возрастом волна становится кругловершинной, и передний и задний ее фронты вблизи экстремума более пологими.

Показателем высокой эластичности сосудов у молодых людей может быть наличие дикротической и «венозной» волны на заднем скате, поскольку с возрастом их амплитуда снижается, а затем задний скат становится почти гладким.

Таким образом, можно указать объективные признаки развития возрастных и патологических изменений. Для более детального изучения влияния различных факторов на форму пульсовой волны рекомендуется радиальный датчик консольного типа, закрепленный на резиновой манжете. Это позволяет уменьшить влияние артефактов и, кроме того, использовать метод «синхронного» осреднения пульсовой волны за время съемки 20 секунд. В качестве примера приведем данные, полученные для двух добровольцев с различным уровнем АД. Первый пациент - мужчина 47 лет, астенического сложения без признаков каких-либо сердечно - сосудистых заболеваний со средним артериальным давлением 130/84 мм.рт.ст. (нормотоник). Второй пациент - мужчина 56 лет, с артериальной гипертонией I степени и избыточным весом. Средний уровень АД 152/98 мм.рт.ст. с периодическим повышением давления до 200/130 мм.рт.ст. Исследование проведено до назначения антигипертензивной терапии. Проводили функциональные пробы с физнагрузкой (20 приседаний). АД регистрировали с помощью тонометра-автомата OMRON RX3 Plus (HEM-642-T).

Результаты сфигмографии приведены на рисунке 4.18. Кривые получены с помощью компьютера, где они осреднялись и обрабатывались с целью выявления значимости формальных признаков, характеризующих пульсовые волны.

Анализ формы пульсовых волн показал, что при функциональных пробах существенно меняется крутизна заднего ската, поэтому для ее оценки вычисляли следующие параметры.

Первый - отношение А2/А1 (где А2 и А1 величины реперов, поставленных, соответственно, на характерном временном интервале At = t2 - t1 в районе дикротического выступа и в районе первого экстремума волны - см. рисунок

характеризующая давление пульсовой волны, отнесенная к р] (соответствующему моменту

3.27а).

Второй параметр

безразмерная функция,

Р, мм.рт.ст

О

Рисунок 4.18 - Изменения формы ПВ под влиянием различных факторов (1-исходное состояние, 2-измененное состояние):

а) влияние физнагрузки (нормотоник 49лет)

б) влияние физнагрузки (гипертоник 56 лет)

в) эпизодическое повышение АД до 194/130 мм.рт.ст. (гипертоник 56 лет)

Сравним кривые на рисунках 4.18а,б, полученные на выбранных пациентах до и после физнагрузки. В обоих случаях отмечается деформация ПВ, связанная с уменьшением дикротической волны на заднем скате. Это наглядно иллюстрирует рисунок 4.19а, где схематично совмещены ПВ с одинаковым дикротическим выступом в исходном состоянии и после приседаний.

АД

нмргпст Ai/Ai Jnt

О ti 0,5 t2 11, с 2 13

ol В]

Рисунок 4.19 - Функциональные пробы

1-исходное состояние

2-после 20 приседаний

3-спонтанное повышение давления

а) Изменение формы ПВ, б) Зависимость показателей ПВ и артериального давления от функционального состояния

Изменение параметров А2/А1 и Int и величины АД показано на рисунке 4.19б в случае функциональных проб и «спонтанного» повышения АД для пациента-гипертоника. Как видно из графиков, систолическое АД возрастает не только при гипертоническом кризе, но и под действием физнагрузки. Параметры же ПВ, при этом демонстрируют рост в тех ситуациях, для которых характерно повышение сопротивления сосудистого русла, т.е. потенциально они могут служить для оценки изменения тонуса периферических сосудов.

Методика мониторинга ПВ с помощью волоконно-оптических датчиков дополнительно позволяет также дать наглядное представление о вариабельности пульсовых явлений, как индикаторе стрессового состояния организма. Обычно для этой цели анализируют вариабельность сердечного ритма путем статистической обработки величины кардиоинтервалов [3]. Это достигается с помощью специальных компьютерных построений ПВ, снятых за время всего фрагмента съемки. С этой целью картину «наложения» пульсовых волн получали подстыковкой начала каждой последующей ПВ к началу первой ПВ. В результате получается «сборка», дающая наглядное представление о «вариабельности» ПВ (рисунок 4.20).

О 0,5 1 1,5 Т, С

Рисунок 4.20 - Стрессовая реакция организма а) спокойное состояние; б) эмоциональная нагрузка

Можно видеть, что при стрессе разброс ПВ уменьшается и «сборка» стремится сжаться в одну линию. Графическая интерпретация регулировочных процессов удобна не только для качественной, но и для количественной оценки стрессового состояния и может быть охарактеризована шириной переднего фронта второго всплеска. Таким образом сфигмография высокого разрешения на основе специальных волоконно-оптических датчиков позволяет в автоматическом режиме проводить детальный контурный анализ пульсовых волн в артериальных сосудах, в том числе и при длительном мониторинге. Это открывает возможность для совершенствования методов оперативного получения диагностической информации о состоянии сердца и сосудов пациента, в том числе о тонусе как магистральных, так и периферических артерий. В частности, на примере двух добровольцев был выявлен нелинейный эффект взаимосвязи основного выброса на кривой ПВ и дикротической волны и предложены параметры (соотношение амплитуд фиксированных реперов и площадь под кривой ПВ на определенном участке заднего ската), характеризующие проявление данного эффекта.

4.4 Разработка методов безманжетного определения артериального давления (АД)

Обнаруженные эффекты изменения формы пульсовой волны в зависимости от гипертонического статуса пациентов и при функциональных пробах позволяют надеяться, что с развитием пульсометрии появится возможность определения артериального давления, периферического сопротивления сосудов, параметров расхода крови и других показателей гемодинамики. Это позволит безманжетным способом получить важные для диагностики результаты дополнительно к показаниям тонометрии.

Существенную информацию по определению гипертонического статуса и состоянию сердечнососудистой системы человека может дать статистический анализ взаимосвязей с артериальным давлением таких данных как возраст, рост, вес, пол пациента. Дополнив эти данные результатами измерения пульсовых волн (коэффициент периферического сопротивления сосудов, скорость пульсовой волны и индекс эластичности сосудов), можно говорить о разработке безманжетного метода неинвазивного определения артериального давления без предварительной калибровки тонометром. Соответственно, был проведен цикл исследований на группе из 23 человек, распределенных условно на гипотоников (7 человек), нормотоников (8 человек) и гипертоников (8 человек). Эксперименты проводили в Москве (ИМАШ РАН) и Хилдене (Германия). Контрольные тонометры типа ХГД и МТП, а также специалисты по замеру артериального давления профессиональными тонометрами были любезно предоставлены немецкой фирмой «Медисана».

Рассмотрим статистические зависимости из литературных источников, касающиеся взаимосвязи физиологических данных с артериальным давлением, но сначала остановимся на классификаторах. По данным Всемирной организации здравоохранения и Международного общества по гипертонии от 1999г. классификация категорий артериального давления (АД) имеет следующий вид.

Категория АД АД верхнее, мм Н^ АД нижнее, мм

Оптимальное менее 120 менее 80

Нормальное менее 130 менее 85

Высокое нормальное 130-139 85-89

АГ 1 степени 140-159 90-99

АГ 2 степени 160-179 100-109

АГ 3 степени более 180 более 110

АГ - артериальная гипертензия.

По данным фирмы «Медисана»:

Категория АД АД верхнее, мм Hg АД нижнее, мм Hg

Низкое АД менее 100 менее 60

Нормальное АД 100-139 60-89

Гипертония легкая 140-159 90-99

Гипертония средняя 160-179 100-109

Гипертония сильная более 180 более 110

Из приведенных данных следует, что устоявшиеся классификаторы позволяют четко ранжировать область гипертонии. Для исследований в наших экспериментах была предложена графическая область данных, полученная в среднем для большого количества пациентов, условно названная гипертонический «рукав». Она представляет собой график зависимости АД верхнее (АДв) и АД нижнее (АДн) в функции АДВ. (рисунок 4.21).

НОРМА

АД ммрт.СТ. ^ГИПОТОНУС ГИПЕРТОНУС^ 200

150

100

50

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 дд Рисунок 4.21 - Гипертонический «рукав»

Факторы, влияющие на артериальное давление, условно разделим на глобальные (возраст, рост, вес, пол, состояние сосудистой системы по скорости пульсовой волны, периферическое сопротивление сосудов и т.д.) и локальные - связанные с изменениями состояния человека на небольшом отрезке времени, например, при функциональных пробах.

Для изучения влияния этих факторов все добровольцы (23 человека) были разделены на 3 группы по гипертоническому статусу: 1 группа - гипотоники (7 человек), 2 группа - нормотоники (8 человек), 3 группа - гипотоники (8 человек). Их данные сведены в таблице 4.1.

В каждой группе добровольцы имели случайное сочетание остальных параметров по возрасту, полу, росту и весу, а также по состоянию организма и

другим физиологическим данным. В левой части таблице 4.1 отражены исходные параметры, в том числе результаты тонометрии (по Короткову). В правой части приведены результаты обработки их пульсовых волн.

Таблица 4.1 - Сводные данные испытуемых - добровольцев