Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор существующих методов и средств измерения артериального давления 11
1.1 Вводные замечания 11
1.2 Историческая справка 11
1.3 Особенности механизма кровотока в артерии 13
1.4 Классификация способов измерения и мониторинга артериального давления 16
1.5 Инвазивные методы измерения АД 21
1.6 Осциллометрические методы измерения АД 21
1.7 Аускультативный метод измерения АД 25
1.8 Другие методы фиксации моментов компенсации систолического и диастолического значений АД 26
1.9 Косвенные методы измерения АД 29
1.10 Способы мониторинга АД 30
1.11 Сравнительные оценки методов измерения АД 34
1.12 Основные результаты и выводы 43
Глава 2 Разработка и усовершенствование методов и средств измерения АД 44
2.1 Вводные замечания 44
2.2 Математические аспекты измерения АД 44
2.3 Пути усовершенствования осциллометрического метода измерения АД 48
2.3.1 Разработка и исследование алгоритмов фиксации компенсации АД внешним давлением 49
2.3.2 Разработка схемы генерации компенсирующего давления для измерения артериального давления в режиме компрессии 65
2.3.3 Исследование возможностей повышения быстродействия тонометров 68
2.3.4 Изучение возможностей использования экстраполяции при измерении АД 74
2.4. Основные результаты и выводы 83
Глава 3. Разработка методов и средств непрерывного мониторинга АД 85
3.1 Вводные замечания 85
3.2 Аналитический обзор существующих систем мониторинга АД 85
3.3 Разработка системы непрерывного мониторинга АД 94
3.4 Разработка способа непрерывного неинвазивного мониторинга АД... 101
3.5 Основные результаты и выводы 106
Глава 4. Разработка приборов, предназначенных для измерения и мониторинга АД 108
4.1 Вводные замечания 108
4.2 Экспериментальная проверка качества работы предложенных алгоритмов определения АД 108
4.3 Экспериментальная проверка возможностей уменьшения времени измерения за счет использования режима компрессии артерии и использования алгоритмов вычисления значения систолического АД путем экстраполяции 117
4.4 Экспериментальная проверка возможности мониторинга АД и с использованием предложенной модификации тонометрического метода 121
4.5 Экспериментальная проверка возможности мониторинга АД с использованием оптоэлектронного датчика 123
4.6 Основные результаты и выводы 126
Заключение 129
Библиографический список
- Особенности механизма кровотока в артерии
- Пути усовершенствования осциллометрического метода измерения АД
- Аналитический обзор существующих систем мониторинга АД
- Экспериментальная проверка качества работы предложенных алгоритмов определения АД
Введение к работе
Актуальность работы и состояние вопроса. Артериальное давление является важнейшим показателем работы сердечно-сосудистой системы. Приборы для его измерения (тонометры) являются одними из самых распространенных бытовых приборов медицинского назначения. Однако подавляющее большинство тонометров представляют собой незначительные вариации прибора, предложенного еще в начале прошлого века. Эти тонометры для получения достаточно точных результатов требуют наличия у измеряющего специальных навыков, к тому же люди, имеющие дефекты слуха не могут ими пользоваться. В настоящее время в продаже появились автоматические и полуавтоматические тонометры, изготавливаемые такими фирмами, как Omron, A&D Medical, Nissey, Microlife и т.д. Данные тонометры гораздо более удобны в использовании, однако в основе их работы также лежит метод определения АД, предложенный в середине XIX века, и с тех пор практически не изменившийся. В частности все они требуют для измерения полного пережатия артерии, что приводит к существенному нарушению гемодинамики артерии. Также к недостаткам подобных тонометров можно отнести большое время измерения (более минуты), что является критическим параметром в ситуациях, когда необходимо произвести измерение АД у большого количества людей. Кроме того, данные тонометры, как правило, имеют невысокую точность, особенно это относится к недорогим моделям.
Другой задачей, также относящейся к области измерения АД, является задача мониторинга АД. Как известно, значения АД не являются величиной постоянной, а колеблются с течением времени. Соответственно для диагностики отклонений АД от нормы может понадобиться отслеживание динамики изменения АД в течение некоторого временного промежутка. Зачастую для подобного мониторинга используют приборы, построенные на тех же принципах, что и описанные выше тонометры. Данные приборы с некоторой периодичностью, задаваемой таймером, измеряют АД и заносят его в память [1]. Однако полученные в результате такого «мониторинга»
результаты имеют достаточно низкую точность, а сам процесс «мониторинга» создает существенный дискомфорт [2,3]. С другой стороны, существуют приборы, позволяющие фиксировать всю кривую изменения АД в полном объеме, однако как правило они либо имеют очень большие погрешности результатов, либо неудобны для бытового использования. Кроме того, подобные системы, как правило, очень дороги. Таким образом, в настоящее время проблема мониторинга АД имеет приемлемое решение только для очень узкой области - мониторинга АД в палатах интенсивной терапии. Задачу же бытового мониторинга АД можно считать практически нерешенной. При этом ее актуальность не только является огромной, но и постоянно возрастает: по различным оценкам в 2000 году гипертонией в той или иной форме страдали от 600 миллионов до 1 миллиарда человек, а к 2025 году количество страдающих гипертонией может возрасти до 1.5 миллиарда человек [4, 5,6].
Таким образом, существует острая потребность в совершенствовании существующих средств измерения АД с целью повышения точности и быстродействия, улучшения эргономических характеристик, а также снижения стоимости приборов для измерения АД
Цели и задачи исследования. Исходя из вышесказанного, в качестве цели диссертационной работы было поставлено усовершенствование существующих методов измерения и мониторинга АД в направлении улучшения их метрологических и эргономических характеристик. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Систематизация методов измерения АД. Она необходима для более полной и всесторонней оценки методов измерения АД и выявления их достоинств и недостатков.
Разработка алгоритмов обработки сигнала давления в компрессионной камере, обеспечивающих возможность их реализации средствами цифровой техники.
Разработка и исследование механизмов фиксации моментов компенсации внешним компенсирующим давлением значений верхнего и нижнего АД. Разработка более совершенных алгоритмов фиксации моментов компенсации позволит существенно повысить точность определения значений АД, а также несколько снизить требования к максимально допустимому уровню помех, что в свою очередь позволит уменьшить себестоимость тонометра за счет применения более дешевых компонентов.
Исследование возможности использования режима компрессии конечности для измерения АД. Использование режима компрессии заметно сокращает время измерения, а также существенно уменьшает нарушения гемодинамики, оказываемые тонометром в процессе измерения.
Исследование возможности использования режима экстраполяции для измерения АД. Решение данной задачи позволит еще больше сократить время измерения, а также устранит один из существенных недостатков общепринятого способа измерения: необходимость полного пережатия артерии для определения верхнего АД
Разработка способа мониторинга АД, обладающего достаточно высокой точностью измерений и не оказывающего заметного влияния на гемодинамику конечностей.
Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и список использованных источников
В первой главе приводится классификация методов измерения АД по признакам, которые существенны с метрологической точки зрения, и которые отличаются от признаков традиционной классификации, принятой в медицинских источниках. Это позволяет выделить несколько подклассов методов, каждый из которых объединяет методы с близкими метрологическими характеристиками. Подобный подход упрощает сравнительную оценку вариантов построения средств измерения АД и выбор
наиболее перспективных путей их совершенствования. Поскольку привычными для специалистов являются названия методов измерения АД, возникшие из традиционной классификации, в работе в наглядной форме приводится соответствие подклассов средств измерения АД сопоставляемых классификационных схем. Кроме того, в первой главе приведено детальное описание строения артерии, что позволило в дальнейшем уточнить структуру и параметры математических моделей, описывающих поведение артерии при измерении АД. Также в первой главе подробно описаны наиболее распространенные способы измерения АД.
Во второй главе описана математическая модель взаимодействия артерии с охватывающими ее мягкими тканями и окклюзионной манжетой в процессе измерения АД. Исследование модели послужило основой для поиска новых и совершенствования известных способов измерения АД, в частности - для повышения точности фиксации моментов отсчета верхнего и нижнего значений АД и для решения задачи увеличения соотношения сигнал/шум при построении систем мониторинга АД.
Основной тенденцией развития современных средств измерений является увеличение доли преобразования информации с использованием цифровой обработки, что упрощает схемную реализацию, снижает себестоимость и повышает надежность изделия. С учетом этого в работе значительное внимание было уделено решению задачи определения амплитуд пульсовых колебаний без использования аналоговых узлов.
Известно, что точность реализации осциллометрического (самого распространенного на практике) способа измерения АД определяется главным образом погрешностью выделения моментов равенства внешнего компенсирующего давления значениям систолического и диастолического АД. Поэтому в работе предложены новые алгоритмы выделения указанных моментов по признакам, которые малочувствительны к воздействию помех.
Подавляющее большинство промышленно выпускаемых тонометров используют режим декомпрессии артерии в процессе измерения, в результате
чего существенно увеличивается время измерения, а полное пережатие артерии приводит к погрешности измерения из-за нарушения гемодинамики артерии, не говоря уже о дискомфорте, испытываемом пациентом. В работе предложен и исследован способ измерения АД в режиме компрессии, при котором сокращается время измерения, а внешнее давление лишь весьма незначительно превышает систолическое АД, Дальнейшее снижение времени измерения и искажений гемодинамики артерии оказалось возможным при использовании экстраполяции, что позволяет вычислять значение систолического АД, не доводя внешнее компенсирующее давление до полного пережатия артерии.
В третьей главе дается критический анализ существующих способов мониторинга АД, и указывается на их основной недостаток: сложность реализации. Предлагается модификация тонометрического способа мониторинга АД, в которой получено более простое решение задачи позиционирования датчика относительно артерии, а также исключена необходимость стабилизации силы прижатия датчика давления к месту близкого залегания артерии к поверхности кожного покрова конечности. Кроме того, предложено решение нетривиальной задачи определения точки начала отсчета при расшифровке кривой пульсовых колебаний, воспринимаемых датчиком.
В четвертой главе описаны результаты экспериментальной проверки предложенных во второй главе алгоритмов выделения амплитуд пульсовых колебаний и моментов фиксации значений верхнего и нижнего давления, и делаются выводы об их практической пригодности. Также приводится описание макетного образца тонометра, реализующего предложенные в диссертации алгоритмы измерения АД. Изложены результаты экспериментов, демонстрирующих методическую корректность способов мониторинга АД, предложенных в третьей главе.
Основные выводы и результаты. Предложенная математическая модель взаимодействия артерии с охватывающими ее мягкими тканями и
компрессионной камерой позволила уточнить характер поведения артерии
% при измерении АД методом развертывающего уравновешивающего
преобразования.
Предложен алгоритм цифровой обработки сигнала с датчика давления,
обеспечивающий минимизацию ошибок первого и второго рода при
выделении амплитуды пульсовых колебаний артерии. Экспериментальная
проверка предложенного алгоритма подтвердила его высокую
эффективность.
Предложен алгоритм фиксации моментов уравновешивания АД г
внешним компенсирующим давлением, основанный на аппроксимации огибающей пульсовых колебаний с помощью регрессии. В условиях наличия в спектре сигнала, снимаемого с датчика давления, шумовой составляющей, данный алгоритм обеспечивает более высокую точность по сравнению с альтернативными алгоритмами.
Предложен и реализован способ измерения АД в режиме компрессии.
» Это позволило заметно уменьшить время измерения и искажения
гемодинамики артерии.
Предложены алгоритмы определения верхнего значения АД, реализуемые без полного пережатия артерии, что обеспечивает дальнейшее снижение времени измерения и искажений гемодинамики.
Предложен способ мониторинга АД с использованием двух датчиков давления и жидкостной камеры. Это позволило решить проблемы позиционирования датчика давления над артерией и задачу корректного определения точки начала АД. Кроме того, данное решение позволяет исключить необходимость стабилизации силы прижатия датчика давления к артерии к месту близкого залегания артерии к поверхности кожного покрова конечности.
Предложен способ мониторинга АД, основанный на использовании в
\ качестве источника информации об объемных пульсациях артерии светового
потока, отраженного от артерии. При этом алгоритм работы и конструкция
прибора позволяют уменьшить влияние дрейфа параметров электронных
l компонентов тонометра
Реализация работы. В результате проведенных исследований был разработан
и экспериментально исследован макет автоматического цифрового
тонометра. Исследования показали, что точность измерения АД при помощи
данного макетного образца не уступает существующим отечественным и
зарубежным аналогам. В настоящее время на Саранском
приборостроительном заводе ведется разработка промышленно
выпускаемого тонометра, реализующего алгоритмы, предложенные в г
диссертации.
Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ. На один из
описанных в диссертации способов мониторинга АД получен патент, еще на
один - подана заявка на получение патента.
Особенности механизма кровотока в артерии
Для того, чтобы можно было наглядно представить себе процесс функционирования сердечно-сосудистой системы человека, опишем ее более подробно [18]. Сердце при своем сокращении «вбрасывает» порцию крови в кровеносную систему. Кровь по артериям передается в артериолы, из них - в капилляры, а затем возвращается обратно к сердцу через венулы и вены. В нашем случае нас интересует именно процесс передачи крови по артериям, поэтому рассмотрим его подробнее.
В медицине выделяют три основных вида артерий: эластического, мышечного и смешанного (мышечно-эластического). Эта классификация основывается на соотношении количества мышечных клеток и эластических волокон в средней оболочке артерий.
Артерии эластического типа (arteriae elastotypica) характеризуются выраженным развитием в их средней оболочке эластических структур (мембраны, волокна). К ним относятся сосуды крупного калибра, такие как аорта и легочная артерия, в которых кровь протекает под высоким давлением и с большой скоростью. Такие артерии выполняют, главным образом, транспортную и демпфирующую функции: наличие большого количества эластических элементов позволяет этим сосудам сильно растягиваться при систоле сердца и возвращаться в исходное положение во время диастолы. Это существенно облегчает работу сердца и улучшает циркуляцию крови в организме. Артерии смешанного типа (arteriae mixtotypicae). Средняя оболочка таких артерий состоит из примерно равного количества гладких мышечных клеток, спирально ориентированных эластических волокон и окончатых пластических мембран. К этому типу относятся, в частности, сонная и подключичная артерии. Эти артерии также выполняют в основном транспортную и, отчасти, демпфирующую функции.
Артерии мышечного типа (arteriae myotypicae). К ним относятся преимущественно сосуды среднего и мелкого калибра, т.е. большинство артерий организма (артерии тела, конечностей и внутренних органов). В стенках этих артерий имеется относительно большое количество гладких мышечных клеток, что обеспечивает дополнительную нагнетающую силу и регулирует приток крови к органам. Так как интересующие нас артерии относятся именно к этому типу, рассмотрим подробнее их устройство и функционирование.
Все артерии этого типа состоят из внутренней, средней и наружной оболочек. Внутренняя оболочка артерий мышечного типа состоит из эндотелия с базальной мембраной, подэндотелиального слоя и внутренней эластической мембраны. Эндотелиальные клетки, расположенные на базальной мембране, вытянуты вдоль продольной оси сосуда. Подэндотелиальный слой состоит из тонких эластических и коллагеновых волокон, преимущественно продольно направленных, а также соединительнотканных клеток. Кнаружи от подэндотелиального слоя находится внутренняя эластическая мембрана.
Средняя оболочка артерии содержит в основном гладкие мышечные клетки, занимающие до 2/3 объема стенки сосуда. Они расположены по пологой спирали, в промежутках между ними находятся в небольшом количестве соединительнотканные клетки и волокна (коллагеновые и эластические). Коллагеновые волокна образуют опорный каркас для гладких миоцитов. Эластические волокна стенки артерии на границе с наружной и внутренней оболочками сливаются с эластическими мембранами. Таким ,5!
образом, создается единый эластический каркас, который с одной стороны, придает сосуду эластичность при растяжении, а с другой - упругость при сдавлеиии. Эластический каркас препятствует спадению артерий, что обусловливает их постоянное зияние и непрерывность тока крови в них. Таким образом, в отличие от других сосудов, артерии мышечного типа не слипаются при лишении их крови. Наружная оболочка состоит из рыхлой волокнистой соединительной ткани, в которой соединительнотканные волокна имеют преимущественно косое и продольное направление. В этой оболочке также расположены нервы и кровеносные сосуды, питающие стенку (сосуды сосудов). Подробная схема строения артерии мышечного типа приведена на рис. 1.3.1. На нем обозначены следующие составляющие части: I - внутренняя оболочка: 1 - эндотелий; 2 - базальная мембрана; 3 -подэндотелиальный слой; 4 - внутренняя эластическая мембрана; II - средняя оболочка: 5 - гладкие миоциты; 6 - эластические волокна; 7 коллагеновые волокна; III - наружная оболочка: 8 -наружная эластическая мембрана; 9 - волокнистая соединительная ткань; 10 - сосуды сосудов.
Пути усовершенствования осциллометрического метода измерения АД
Как было показано выше, с учетом всех факторов наиболее подходящим для реализации является осциллометрический метод измерения АД. Поэтому в дальнейшем будут рассматриваться возможные пути повышения его точности и быстродействия. Суть осциллометрического метода (см. раздел 1.6) состоит в анализе характера изменения амплитуд пульсаций артерии при изменении внешнего компенсирующего давления. Соответственно основным путем для повышения точности измерений является максимальное устранение ошибки неверной фиксации моментов уравновешивания внешним давлением систолического/диастолического АД. Для этого необходимо разработать более совершенные алгоритмы для выделения пульсаций артерии. Данная задача является довольно сложной, если учесть, что в процессе измерения возникает большое количество различных артефактов. Кроме того, необходимо разработать более совершенные алгоритмы анализа пульсаций на предмет более точного нахождения моментов уравновешивания АД внешним давлением. Основным же путем повышения быстродействия тонометров является использование для измерения АД режима компрессии. Как было сказано выше, сейчас процесс измерения АД производится в режиме декомпрессии, что требует этапа предварительного поднятия внешнего давления до значения, значительно превышающего предполагаемое систолическое АД, что занимает некоторое время. Кроме того, при использовании режима компрессии появляется возможность использовать различные экстраполяциошпле способы для того, чтобы вычислять значение систолического АД без полного пережатия артерии. 2.3.1 Разработка и исследование алгоритмов фиксации компенсации АД внешним давлением
Все методы с использованием опорного канала сводятся в конечном итоге к анализу амплитуд пульсаций артерии в процессе постепенного пережатия последней, поэтому большое значение имеют способы анализа этих пульсаций. Однако не менее важны способы выделения пульсаций из общей кривой изменения давления. В большинстве автоматических тонометров для решения этой задачи используются аналоговые фильтры, позволяющие выделить из общего сигнала его нужные составляющие для облегчения последующей обработки. Однако использование аналоговых фильтров существенно усложняет схемную реализацию тонометра, поэтому представляет интерес возможность решения данной задачи программными средствами. Но при этом возникает необходимость в разработке эффективных алгоритмов выделения амплитуд пульсаций из исходного сигнала.
Как можно увидеть из рис. 2.3.2, основным препятствием для анализа является наличие большого количества так называемых локальных экстремумов, появление которых обусловлено как харакгером работы сердца и сосудов, так и влиянием разного рода помех. Причем амплитуда локальных максимумов может быть сравнимой с амплитудой глобальных максимумов (на рис. 2.3.2 первый и третий пики относятся к глобальным максимумам пульсаций, а второй и четвертый пики - к локальным максимумам). Для решения поставленной задачи нужно принять во внимание следующее соображение. Вероятность того, что за время измерения пульс у измеряемого может увеличиться в несколько раз, практически нулевая. Поэтому, если при анализе обнаруживаются участки, на которых частота появления экстремумов гораздо выше, чем в целом во время измерения, можно с уверенностью сказать, что имеют место ошибки алгоритма выделения максимумов.
В то же время отсутствие максимума на том месте, где он должен присутствовать при данном значении пульса, не обязательно говорит об ошибках алгоритма, а может быть обусловлено, например, появлением экстрасистол. На рис. 2.3.3 приведен результат работы алгоритма выделения экстремумов из сигнала с датчика давления. На графике по оси абсцисс отложено время, прошедшее с начала измерения, а по оси ординат -амплитуды пульсаций (разности между минимумом и следующим за ним максимумом осциллограммы), При этом цифрой «I» показана ошибка выделения экстремума. В то же время пустой участок, обозначенный цифрой «2», - это не ошибка алгоритма, а результат появления экстрасистолы (перебоя в работе сердца) при измерении.
Имеет смысл отметить, что появление большинства ложных максимумов обусловлено не столько влиянием различных помех, сколько спецификой работы сердца: как было показано в разделе 2.2, кривая изменения АД за один цикл сердечного сокращения имеет два максимума, второй из которых в данном случае является неинформативным. Для учета этого фактора можно воспользоваться тем, что локальные экстремумы, обусловленные работой сердца, появляются сразу после глобальных, и начинать поиск новой пары «максимум-минимум» следует не сразу после нахождения предыдущей такой пары, а спустя некоторое время. Как было показано выше, кривая изменения АД, снимаемая с датчика давления, имеет ярко выраженную случайную составляющую, от которой желательно как-либо избавиться. Наиболее простым путем уменьшения влияния случайной составляющей является использование интегральных критериев. Для того, чтобы эффективно избавиться от появления экстремумов, обусловленных влиянием помех достаточно обеспечить выполнение следующего условия: экстремум считается значимым, если на расстоянии, меньшем некоторого порогового, нет других экстремумов того же типа, превышающих его по значению. А для того, чтобы исключить влияние артефактов, можно использовать следующий критерий: разница между максимумом и предшествующим ему минимумом не должна отличаться для двух соседних пар экстремумов более, чем в два раза. Исходя из вышеизложенного, можно составить следующий алгоритм поиска экстремумов (см. схему алгоритма на рис. 2.3.4 и 2.3.5):
Аналитический обзор существующих систем мониторинга АД
В третьей главе диссертации рассмотрены проблемы, связанные с задачей мониторинга АД. Она отличается от задачи измерения АД тем, что мониторинг должен вестись непрерывно в течение длительного промежутка времени. Поэтому использование способов, как-либо нарушающих нормальное функционирование организма, является недопустимым (исключение - мониторинг в палатах интенсивной терапии). Поэтому для мониторинга АД используются преимущественно косвенные методы измерения. В главе указаны недостатки существующих решений данной задачи, а также предложены возможные способы реализации приборов для решения задачи мониторинга АД, свободные от недостатков, присущих существующим способам.
Как уже было сказано выше, артериальное давление не является постоянной величиной, а изменяется в зависимости от множества факторов. В связи с этим большое значение приобретает задача создания прибора, который в автоматическом режиме измерял бы АД с достаточно высокой частотой. В настоящее время на рынке присутствуют приборы, решающие данную задачу, однако они обладают рядом недостатков. В частности, большинство носимых приборов используют для измерения АД метод развертывающего уравновешивающего преобразования, а функции мониторинга в них сводятся к тому, что измерения производятся через определенные интервалы времени, и полученные значения заносятся в память. Данные приборы можно назвать мониторами АД лишь с большой натяжкой, так как они причиняют целый ряд неудобств как при измерениях, так и при ношении. Другой достаточно распространенной разновидностью мониторов АД являются описанные в параграфе 1.10 инвазивные мониторы, использующие методику «Oxford». Однако вышеупомянутые приборы могут использоваться только в клинической практике для уточнения характера суточных колебаний АД у пациента. В то же время существует огромная потребность в приборах, которые постоянно отслеживали бы значение АД у людей, страдающих теми или иными гипертоническими заболеваниями, и в случае изменения АД каким-либо образом давали сигнал о необходимости принять лекарство. В настоящее время существует несколько приборов, позволяющих регистрировать в полном объеме кривую изменения АД. Их можно разделить на два класса: методы прямого и косвенного измерения. При этом необходимо отметить, что в случае неинвазивного мониторинга прямое определение непрерывной функции изменения значений АД нереализуемо, так как это потребует существенного нарушения гемодинамики, что недопустимо. Поэтому методами прямого измерения будем называть методы, в которых часть информации об АД определяется непосредственным измерением, а часть вычисляется на основе косвенных данных. В противоположность им методами косвенного измерения будем называть те методы, которые предусматривают вычисление АД исключительно на основе косвенных данных.
В настоящее время известно две реализации методов прямого наблюдения. Автором одного из них является Penaz J. [48], а второго -Шахов Э.К. [61]. Оба этих метода предусматривают слежение за изменениями АД в артерии, расположенной в одном из пальцев. Функциональная схема тонометра, предложенного Penaz J., представлена на рис.3.2.1. Суть метода состоит в следующем: на палец накладывается окклюзионная манжета, которая содержит фотоплетизмографический датчик, состоящий из источника света и фотоприемника. Свет, излучаемый источником, отражается от артерии и попадает на фотодатчик. При пульсациях артерия меняет свой объем, и сигнал, воспринимаемый фотодатчиком, несет информацию об этих изменениях объема артерии.
Экспериментальная проверка качества работы предложенных алгоритмов определения АД
Использование микроконтроллеров в тонометрах предоставляет по сравнению с аналоговыми схемами целый ряд преимуществ, таких, как возможность использования более совершенных алгоритмов фиксации значений АД, а также, в случае работы тонометра в режиме компрессии, возможность определить значение систолического АД при помощи экстраполяции. Однако многократная модификация программной составляющей микроконтроллера является трудоемкой, поэтому для проверки технических решений, предложенных во второй главе, был собран макетный образец, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.2.1, где 1 - компрессор; 2 - клапан 3 - демпфирующая камера; 4 - калиброванное отверстие; 5 - манжта; 6 - мягкие ткани конечности; 7 - артерия; 8 - датчик давления; 9 - усилитель; 10 - микроконтроллер; 11 - компьютер.
При этом был использован компрессор от плечевого тонометра японской фирмы Omron марки МХ2 Basic, а также манжета от запястного тонометра UB-201 фирмы A&D Medical. Для восприятия давления в манжете был использован тензометрический датчик производства НИИ физических измерений г. Пензы, рассчитанный на диапазон давлений от 0 до 300 мм рт. ст. Сигнал с выхода датчика поступал на вход усилителя, построенного на специализированной микросхеме XTR106 фирмы Burr-Brown, работающей по схеме «токовая петля». Усиленный сигнал передавался на вход АЦП, интегрированного в микроконтроллер РІС-16000. Там аналоговый сигнал оцифровывался, после чего данные передавались в компьютер через СОМ-порт. Таким образом, вся математическая обработка сигнала (определение АД и вывод результата) была возложена на компьютер, для которого было специально разработано соответствующее программное обеспечение.
Для проверки работоспособности алгоритма выделения экстремумов, способов фиксации значений систолического и диастолического АД и методов вычисления значения верхнего АД с использованием экстраполяции, предложенных во второй главе диссертации, был произведен ряд исследований, в ходе которых с помощью вышеописанного макета были записаны осциллограммы изменения давления в окклюзионной манжете при различных условиях. При этом в качестве пациентов выступали сотрудники кафедры ИВС Пензенского государственного университета. В общей сложности в качестве пациентов выступили девять человек в возрасте от 24 до 69 лет. Впоследствии записанные осциллограммы обрабатывались на компьютере с целью разработки оптимального алгоритма работы тонометра.
Из рисунка видно, что данная программа представляет собой многооконное приложение. При этом каждому из окон соответствует одна осциллограмма, снятая в процессе измерения АД. На рисунке открыты три осциллограммы, причем показаны различные этапы обработки осциллограмм: исходный сигнал, выделение экстремумов, выделение амплитуд пульсаций. В правой части главного окна программы находится список открытых файлов, позволяющий выбрать нужную запись
Проверка алгоритма, предложенного в параграфе 2.3.1, на более чем 250 записях, показала, что количество ошибок второго рода (выделение лишнего экстремума) не превышает 1% от общего количества выделенных экстремумов, а ошибки первого рода (пропуск значимого экстремума), практически отсутствуют: зафиксировано всего три подобных ошибки на несколько тысяч верно определенных экстремумов. При этом необходимо отметить, что большинство ошибок расположены в начале или конце осциллограммы, а не в рабочей (информативной) ее части.
Для определения оптимальности данного алгоритма параллельно были проверены упрощенная и усложненная его версия. Усложнение алгоритма было осуществлено за счет добавления дополнительных этапов проверки на корректность выделения экстремума: в алгоритм проверки максимумов была добавлена проверка на амплитуду пульсации (исходя из предположения, что амплитуда пульсаций меняется достаточно плавно, соответственно появление пульсации с амплитудой, составляющей менее 1/2 от предыдущей, является признаком ошибки алгоритма), а в алгоритм проверки минимумов -проверка на расстояние до ближайшего предыдущего минимума (аналогичная проверке на расстояние между максимумами, описанной в параграфе 2.3.1). Упрощение алгоритма состояло в том, что отбрасывалась проверка на расстояние от предыдущего максимума. Проверка показала, что при упрощении алгоритма резко возрастает количество ошибок второго рода (до 5% от общего числа, ошибки присутствуют практически в каждой осциллограмме, в осциллограммах с низким уровнем полезного сигнала - по несколько штук, что существенно затрудняет определение АД). При усложнении же алгоритма количество ошибок второго рода снизилось до уровня 0,2%, однако возросло количество ошибок первого рода (до уровня 0,5 %). Таким образом, усложнение алгоритма привело к снижению общего количества ошибок. Однако учитывая, что пропуск значимого экстремума в данном случае является более серьезной ошибкой, чем ошибочное выделение экстремума, можно сказать, что усложнение алгоритма также приводит к ухудшеншо его качественных показателей. Таким образом, можно сделать вывод об оптимальности предложенного алгоритма выделения экстремумов. После того, как получен набор экстремумов и вычислены амплитуды пульсовых колебаний давления в компрессионной камере, следующим шагом является поиск моментов уравновешивания внешним компенсирующим давлением диастолического и систолического давления. Для определения оптимального алгоритма поиска значений АД сравнивались следующие алгоритмы:
1. Поиск максимальной разницы амплитуд двух последовательных пульсаций (т.н. «классический» алгоритм).
2. Анализ угла наклона к оси абсцисс прямой, проведенной через значения амплитуд двух последовательных пульсаций.
3. Анализ угла наклона к оси абсцисс регрессионной прямой, проведенной через несколько последовательных отсчетов. При этом рассмотрены случаи, когда прямая проводится через различное количество последовательных отсчетов, от трех до восьми.
4. Анализ угла, образованного двумя регрессионными прямыми, проведенными через несколько последовательных амплитуд пульсаций, причем вторая прямая сдвинута относительно первой.
При этом для определения истинного значения АД использовался визуальный анализ осциллограмм. Для проверки качества различных алгоритмов определения момента уравновешивания внешним компенсирующим давлением верхнего и нижнего АД была разработана программа «виртуальный тонометр», интерфейс которой приведен на рис. 4.4. Верхний из графиков показывает общий вид осциллограммы (для визуального контроля качества работы алгоритма), средний график -амплитуды пульсовых колебаний, а нижний график - нормализованный сигнал после вычета из общего сигнала составляющей, обусловленной увеличением внешнего компенсирующего давления.
