Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов исследования работы сердечнососудистой системы 11
1.1 Вводные замечания 11
1.2 Традиционные и современные средства анализа кардиосигналов 12
1.3 Диагностика по пульсу 14
1.4 Выводы 21
2 Разработка метода исследования кардиомеханосигналов с помощью волоконно-оптических преобразователей (ВОП) 22
2.1 Вводные замечания .22
2.2 Специфика кардиомеханосигналов 23
2.3 Принципы работы волоконно-оптических информационных преобразователей 26
2.4 ВОП пульсовой волны и оптофонендоскопы 50
2.5 Испытания датчиков кардиомеханосигналов 75
2.6 Выводы 103
3 Особенности метода формирования вторичной аппаратуры и погрешности измерительных систем с волоконно-оптическими преобразователями 104
3.1 Вводные замечания 104
3.2 Требования к оптоэлектронным блокам 105
3.3 Варианты построения вторичных схем 124
3.4 Источники погрешностей ВОП, специфические для амплитудных зондов .135
3.5 Выводы 146
4 Обоснование метода построения архитектуры мобильного прибора для исследования сердечнососудистой системы человека 148
4.1 Вводные замечания 148
4.2 Кардиоанализатор «Пульс». Эволюция программно-аппаратного комплекса .149
4.3 Сфигмография высокого разрешения. Анализаторы «Пульс-М» и «Пульс-Т» с беспроводной связью .171
4.4 Разработка методов безманжетного определения артериального давления (АД).180
4.5 Выводы 194
5 Развитие и совершенствование перспективных методов для измерения параметров центрального пульса и универсальной тонометрии 196
5.1 Вводные замечания 196
5.2 Измерение скорости распространения центральной пульсовой волны 197
5.3 Центральный и периферийный пульс. Моделирование пульсовых волн в аорте и лучевой артерии 213
5.4 Вариабельность пульсовой волны и методы стимуляции кровотока с помощью массажных средств 234
5.5 Выводы 258
Заключение .259
Список литературы 260
Приложения 269
Приложение 1 Список аббревиатур 270
Приложение 2 Акты внедрения .271
Приложение 3 Протоколы испытаний датчиков пульсовой волны разработки ИМАШ РАН 279
Приложение 4 Протоколы технических и клинических испытаний анализатора «Пульс» 287
Приложение 5 Результаты тепловых испытаний волоконно-оптических датчиков на территории завода ОАО «Теплоприбор» .296
- Диагностика по пульсу
- Испытания датчиков кардиомеханосигналов
- Кардиоанализатор «Пульс». Эволюция программно-аппаратного комплекса
- Центральный и периферийный пульс. Моделирование пульсовых волн в аорте и лучевой артерии
Введение к работе
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) 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 пульсодиагностика и меридиональная медицина, тайны которой не раскрыты и до сих пор.
Известные врачи древности Гален, Гиппократ, Геродал, Ибн Сина обогатили 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 механопульсографии 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, позволяющие повысить точность измерения кардиомеханосигналов при исследовании сердечнососудистой системы человека. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:
-
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, проанализировать влияние погрешностей, специфических для датчиков кардиомеханосигналов, а также разработать способы их уменьшения.
-
Разработать метод неинвазивного определения наиважнейших показателей состояния сердечнососудистой системы, в том числе артериального давления с помощью аппланационной тонометрии без пережатия сосудистого русла манжеткой.
-
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.
-
Обосновать методику исследования параметров центрального пульса, ответственного за витально важные показатели состояния аорты, а именно: центральное систолическое аортальное давление (CASP), индексы аугментации и скорость распространения пульсовой волны в центральном регионе.
-
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.
Объект исследования. Комплексные методы оценки функционального
состояния сердечнососудистой системы человека на основе использования
волоконно-оптических датчиков и программно-аппаратные средства,
включающие удобные для врача беспроводные способы связи и новые алгоритмы обработки данных.
Методы исследования. Теоретическая часть диссертационной работы построена на базе аппарата математического анализа, системного анализа, теории оценивания и математической статистики. Экспериментальные исследования (технические и клинические) проведены с использованием промышленного оборудования по методикам, разработанным автором.
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.
Научные результаты, полученные впервые:
1Предложены методы исследования кардиомеханосигналов на основе
конструктивных и технологических решений при разработке датчиков
пульсовых волн и вибросигналов сердца с использованием волоконно-
оптических жгутов-зондов, обладающих преимуществами сравнительно с
датчиками других типов: а) параметрическая надежность; б) дистанционное
измерение движений мишени, отсутствие на мембране наклеенных или
напыленных элементов, улучшение динамических характеристик; в)
регистрация как постоянной, так и переменной составляющих сигнала; г) гальваническая развязка с объектом измерения; д) независимость показаний от внешних 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. Предложенные решения не имеют аналогов в мировой практике.
2Созданы 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.
3Разработана 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.
4Предложен 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.
5Развиты математические модели, позволяющие анализировать форму пульсовых волн, с точки зрения анатомического строения человека. Выявлена возможность определения показателей артериального давления без манжеты и скорости пульсовой волны (СПВ) по результату ее измерения в одном канале на лучевой артерии. Методика проверена на группе пациентов с различным гипертоническим статусом.
6Разработаны 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
1Полученные 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.
2Решена 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.
3Разработаны 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.
4Разработаны 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.
5Создан 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.
6Практическую 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
1Метод 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 пропускаемую линейную полосу частот в пределах от 0 до 20 Гц, что обеспечивает регистрацию кардиомеханосигнала с точностью до 1 мм рт. ст.
2Метод построения архитектуры программно-аппаратных комплексов и
разработка диагностической аппаратуры 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.
3Метод неинвазивного определения артериального давления без пережатия сосудистого русла манжетой, а также способы определения наиважнейших параметров сердечнососудистой системы, обеспечивающие точность измерения артериального давления: верхнего - 16 мм рт. ст., нижнего - 10 мм рт. ст.
4Модель определения скорости пульсовой волны по измерению в одной точке только на лучевой артерии, позволяющая мобильно рассчитать параметры центрального пульса с учетом дополнительного фактора - скорости пульсовой волны и рассчитать центральное систолическое аортальное давление (CASP). Расчет аортального систолического выброса производится с точностью 16 мм рт. ст.
5Модель, 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.
6Метод анализа вариабельности сердечного ритма, включающий
исследование неравномерности пульса по параметрам пульсовой волны (а не по
кардиоинтервалам), 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,
предложены способы 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
Программно-аппаратный комплекс с беспроводной связью «Пульс-М» внедрен на предприятиях ИМАШ РАН, г. Москва; ООО «Наука, Техника, Медицина», г. Томск. Комплекс разработан в рамках исполнения хозяйственного договора № 08-11-ИМАШ от 30.06.2011 г. под научным руководством автора.
Методы и технология исследования сердечнососудистой системы, в основе которой лежит разработанная автором регистрация пульсовых волн человека с помощью волоконно-оптических датчиков кардиомеханосигналов, внедрены в ООО «Эмдея» (г. Москва) при организации производственного процесса выпуска приборов для неинвазивной кардиодиагностики типа «Пульс».
Компьютерный анализатор пульсовой волны «Пульс», представляющий собой четырехканальный программно-аппаратный комплекс, предназначенный для синхронного обследования сердечнососудистой системы человека с помощью датчиков пульсовой волны, оптофонендоскопа и одного отведения электрокардиограммы внедрен в НМФ «Статокин», г. Москва.
Прибор «Пульс» (автор Явелов И.С.), представляющий собой закрепляемый на кисти руки браслет, содержащий оригинальный волоконно-
оптический датчик пульсовой волны внедрен в ООО «Центр ТЭС», г. Санкт-Петербург. Процедура валидации прибора «Пульс» в сравнении с прибором «Сфигмокор» (Австралия) проведена ООО «Центр ТЭС» с участием сотрудников ФГБУ РК НПК МЗ РФ по разработанной автором методике в июле 2015 г.
Апробация работы и публикации
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на:
1Техническом совете ОАО «Теплоприбор» (г. Рязань) 22.12.2005 г.
2Секции НТС отдела биомеханики ИМАШ РАН 30.03.2006 г.
3Семинаре Института механики МГУ 22.05.2012 г.
4Международной научной конференции «Колебания и волны в механических системах». Москва, ИМАШ РАН, 27-29.11 2012 г.
5Международной конференции «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения», посвященной 75-летию ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 21-22.11.2013 г.
6Научном семинаре «Биомедицинская техника», МГТУ им. Н.Э.Баумана 11.02. 2014 г.
7Научном семинаре «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э.Баумана 10.06. 2014 г.
8Семинаре Института механики МГУ 25.08.2014 г.
Апробация результатов также была проведена на международных выставках и конкурсах изобретателей, в частности:
146-й Всемирный салон инноваций, научных исследований и новых технологий, «Брюссель-Эврика-1997» (Бельгия, г. Брюссель, 5-12.11.1997 г.).
2Международная выставка-ярмарка «Ганновер-Мессе», (Германия, г. Ганновер,19-24.04.1999 г.).
3Международная выставка-ярмарка «Ганновер-Мессе», (Германия, г. Ганновер, 7-12.04.2003 г.).
417-я Международная Харбинская торгово-экономическая ярмарка. (Китай, г. Харбин, 12-20.06.2006 г.).
554-й Всемирный салон инноваций, научных исследований и новых технологий, «Брюссель-Эврика-2006» (Бельгия, г. Брюссель, 23-27.11. 2006 г.).
634-й Международный салон изобретений, (Швейцария, Женева, 4-10.04. 2006 г.).
735-й Международный салон изобретений, (Швейцария, Женева,18-22.4. 2007 г.).
8Международный салон изобретений «Конкурс Лепин» (Франция, г. Страсбург,7-17.08. 2007 г.).
96-й Международный Салон инноваций, научных исследований и новых технологий «Марок Иннова 2008» (Марокко, г. Касабланка, 28-31.05. 2008 г.).
1037-й Международный салон изобретений, новой техники и технологий, (Швейцария, г. Женева, 1-5.04.2009 г.)
115-й Европейский салон исследований и инноваций и международный форум «Россия-Франция-приоритеты в инновационном сотрудничестве», (Франция, г. Париж, 3-5.06.2009 г.).
12Европейский салон изобретений «Конкурс Лепин» под патронажем Евросоюза и Правительства Франции. «Организатор - Французская Ассоциация изобретателей и производителей» (A.I.F.F.) (Франция, г. Страсбург, 4-14.08. 2009 г.).
Личный вклад автора во всех работах, выполненных в соавторстве, включает 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.
Диагностика по пульсу
Рассмотрим методы, которые можно объединить общим названием диагностика по пульсу. Каждая сердечная систола сопровождается продвижением порции крови по сосудам, называемым пульсовой волной (ПВ). Исторически наиболее древним является пальпаторное исследование пульса, известное как древнетибетская пульсодиагностика [11, 70].
В медицине Древнего Китая пальпаторное исследование пульса с классификацией тактильного образа сигнала ПВ также было одним из главных диагностических методов. В древне-китайском медицинском трактате "Хуанди ней-цзин" пульсы описываются следующим образом:
1 Большой пульс - повышена энергия ян, но ослаблена инь, отмечается также уменьшение крови и соков организма. Требуется седативное воздействиена на ян, кровопускание противопоказано.
2 Малый пульс – ян пуста и инь слаба, недостаток энергии и крови, т.е. слаба внутренняя и наружная энергия; такого больного нельзя лечить акупунктурой, нужно повышать защитные силы организма, используя прогревание, фитотерапию, а на современном этапе - лазеротерапию.
3 Гладкий пульс - повышена энергия ян (полнота), что клинически проявляется повышением температуры тела. Показано тонизирующее воздействие.
4 Шероховатый пульс - блокирование энергии ци, недостаточность ян.
При акупунктурном лечении необходимо точно отыскать нарушенный меридиан и ввести иглу по ходу канала. Одновременно меридиан массируют, чтобы снять блокирование ци и крови; после извлечения иглы точку промассировать пальцем.
5 Быстрый пульс - синдром холода, вызванный тем, что инь - энергия внутри организма находится без движения. При акупунктуре используется седативная методика (глубокое введение игл на 30 - 40 мин).
6 Долгий пульс - синдром жара во внутренностях, что связано с наружными факторами.
Всего, как следует из других источников [24, 54, 55, 57], было установлено 27 типов пульсов.
Наиболее древними трактовками по пульсодиагностике следует считать китайские: « Цзя-и-цин», «Нан-удин», тибетские «Чжуд ши», монгольские «Вайдурья Онбо» и другие [11].
Пальпаторное исследования пульса для определения болезней использовалось не только в медицине народов Дальнего Востока. В древней медицине Индии - Аюрведе исследование пульса также являлось важным диагностическим методом.
Известные врачи древности Гален, Гиппократ, Геродал, Ибн Сина обогатили китайский опыт пульсовой диагностики тонким и неординарным ее толкованием [46].
К сожалению не все древние и современные восточные руководства переведены на европейские языки. Это связанно с особенностями китайского языка и отсутствием понятийных эквивалентов при переводе. Передача знаний в этой области требовала длительного обучения (до 30 лет) и сопровождалась накоплением собственного эмпирического опыта. Кроме того, создание тактильных образов пульса, лежащих в основе пальпаторной диагностики, базируется на субъективном восприятии и художественных интерпретациях, требующих творческого подхода. Поэтому попытки объективизировать древневосточную пульсодиагностику упираются не только в технические трудности, но и в трактовку полученных данных. В западной кардиологической школе исследование пульса пальпаторным методом также широко применяется врачами. Как и у древних медиков используется традиционное расположение пальцев врача на лучевой артерии на обеих руках. Причем часто применяют шестипальцевое обследование в районе запястья, расположив кисть на уровне сердца. Однако в европейской медицине нет разделения видов пульса по связи с меридианами органов. Классификации видов пульса проводят по следующим его характеристикам. Частота пульса число ударов в минуту (норма 60-80 уд/мин). Отклонения в сторону увеличения - тахикардия, и в сторону уменьшения - брадикардия - говорят о функциональных изменениях в организме. Ритм пульса - в основном определяет наличие или отсутствие сбоев сердечного ритма (аритмии).
Скорость пульса – высокий, скачущий пульс или вялый, медленный зависит от скорости нарастания переднего фронта пульсовой волны. Скорость пульса является симптомом определенных сердечнососудистых заболеваний. Напряжение пульса – соответствует понятиям твердого и мягкого пульса. Этот параметр определяют путем полного пережимания сосудов. Наполнение пульса – зависит от скорости и напряжения пульса. Различают «полный» и «пустой» тип пульса, а также равномерный или неравномерный пульс (например, альтернирующий пульс).
Как и в случае восточной пульсодиагностики основной особенностью исследования по пульсу является обязательный субъективный элемент, зависящий от восприятия и трактовки врача.
Поэтому дальнейшее развитие диагностики по пульсу было направлено на создание сенсорных систем и объективизации сигнала ПВ путем его визуализации, записи и строгого анализа. Основные современные методы исследования пульса – реография, фотоплетизмография и сфигмография.
В основе реографического метода исследования кровотока лежит регистрация переменной части активной (омической) составляющей полного сопротивления (импеданса) органа электрическому току высокой частоты (80-175 кГц) и малой величины (1-2 мА). Метод реографии может быть использован для исследования кровоснабжен6ия практически любого участка организма [51, 81, 84].
Информативность сигнала и простота его получения послужили стимулом для развития и значительного распространения различных видов реографов. Однако главный недостаток этих приборов заключается в том, что измерению подлежит косвенный параметр - электрический отклик пульсовой волны. В результате этого реографические кривые осредняют и заглаживают особенности пульсовой волны, ответственные за диагностические признаки. Другие недостатки связаны с большой степенью субъективизма в способах интерпретации сигнала и слабой выраженности откликов отраженных волн более мелких сосудов.
Фотоплетизмография изучает кровенаполнение с помощью измерения оптической проницаемости потока крови, проходящего через ткани. Ткани облучаются инфракрасным потоком света (обычно от полупроводникового источника ближнего ИК - излучения). Световой луч модулируется потоком крови и воспринимается фотодетектором. Сигнал, полученный методом «на просвет» или «отражением» содержит в себе информацию о пульсовой волне.
Фотоплетизмографический сигнал формируется благодаря изменению пульсового объема кровотока, которое сопровождается увеличением оптической плотности измеряемого участка.
В практике такие устройства в наибольшей степени распространены для измерения капиллярного кровотока в подушечках пальцев или мочке уха.
Естественно, как и предыдущий метод – фотоплетизмография дает для исследования косвенный параметр кровотока (оптическую проницаемость), поэтому обладает всеми его недостатками. Однако фотоплетизмографы чрезвычайно распространены ввиду высокой комфортности и простоты измерения и, в основном, применяются для измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) и степени оксигенации крови. В прикроватных мониторах они обычно совмещают две эти функции в приборах – пульсоксиметрах.
Необходимо отметить также новое направление фотоплетизмографии, связанное с развитием аппланационной тонометрии и контурным анализом пульсовой волны [29, 42, 61]. Предлагаемый метод разработан коллективом под руководством д.м.н., проф. Парфенова А.С. и реализован в приборах «Ангиоскан». Предлагаемый прибор проводит измерение артериальной ригидности и сосудистого тонуса с помощью регистрации ФПГ после окклюзивной пробы (полного пережатия сосудистого русла) и наблюдения восстановительного процесса по пульсовым волнам. Это дает представление о сохранности эндотелиального слоя в сосудах и развитии сердечных заболеваний.
Испытания датчиков кардиомеханосигналов
Особый интерес представляет для исследований с помощью датчиков кардиомеханосигналов изучение их статических и динамических характеристик, поскольку от этого зависит степень погрешностей, вносимых в замер самими преобразователями. Кроме того, существуют погрешности специфические для измерения именно пульсовых волн, связанные с геометрией мертрологической зоны и заложением артерии – это погрешности позиционирования датчика.
Статические испытания. В настоящей главе рассмотрим результаты статических испытаний головок датчиков, являющихся первичными преобразователями информации. Перемещение механических элементов датчика (мембраны или консоли с зеркалом) в датчиках конструкции ИМАШ РАН отслеживаются бесконтактно волоконно – оптическим зондом. Поэтому погрешности перемещения здесь вносятся только за счет механических головок.
Воздействие оказывали двумя способами – давлением и усилием. В первой группе испытаний участвовали головки мембранного типа, полученные методами лазерной микросварки и электроэррозией.
В период 01.03.-17.03.2010г. были проведены испытания, разработанного в ИМАШ РАН, волоконно-оптического датчика (ВОД) на основе рандомизированного многоканального зонда с модуляцией интенсивности.
Датчик пригоден для измерения следующих физических величин: перемещений, давлений, усилий, пульсовых волн человека (см. Протокол №1 от 08.04.2010г. в приложении 4).
Параметры волоконно-оптического жгута следующие: диаметр волокна 50 мкм, диаметр жгута 1,5мм, длина жгута 60 см. Разводка оптической схемы с выравниванием освещенности по торцу проведена на Лыткаринском заводе оптического стекла. Параметры головки датчика: диаметр мембраны 3 мм, толщина мембраны 50 мкм, материал мембраны - никель. Мембранный наконечник выполнен в ИМАШ РАН методом точечной лазерной сварки.
Были проведены испытания в статике - нагружение давлением в камере. Результаты испытаний и блок-схема стенда приведены на рисунках 2.49, 2.50.
Датчики пульсовой волны радиальной конструкции (рисунок 2.23б) имеют консольный упругий элемент и в исходном конструктивном варианте герметичностью не обладают. Поэтому для сравнения статических характеристик датчиков двух типов проводили испытания с нагружением силой калиброванными грузами (см. Протокол № 3 в Приложении 3). По результатам испытаний отмечена более высокая чувствительность радиального (консольного) датчика, что необходимо учитывать при конструировании вторичной аппаратуры.
Дополнительно статические испытания датчиков при нагружении давлением проводили с учетом влияния теплового и временного дрейфа. Для испытаний были использованы специальные термокамеры с контролируемым тепловым режимом, установленные на территории термоконстантного цеха завода ОАО «Теплоприбор» г. Рязань. В термокамерах устанавливали стабилизированные режимы повышенной температуры (50,9 град С), пониженной температуры (5,4 град С) и средней температуры (24,1 град С).
Первый (пробный) этап испытаний был проведен при температуре цеха 17 град С. Его результаты отображены графически на рисунке 2.51. Мембранный наконечник датчика был выполнен монолитным и получен методом электроэррозии. Материал наконечника – нержавеющая сталь 10Х18Н9Т. Из рисунка 2.51 следует, что в каждом диапазоне температур получена достаточно линейная характеристика при изменении давления от 0 до 12атм.
Для уточнения результатов был организован второй этап испытаний, состоящий из 5 циклов нагружения и разгрузки в диапазоне до 10атм при изменении температуры в термокамере. Статистическая обработка данных проводилась по методике ОАО «Теплоприбор», изложенной ниже.
1. Вычисление среднего арифметического цикла прямого хода (ПХ) и обратного хода (ОХ) при числе надавливаний n=3.
2. Вычисление средней прямой по крайним точкам среднего арифметического цикла.
3. Вычисление нелинейности по интервалам приращений при ПХ и ОХ по формуле [85]:
По формулам (2.16)-(2.19) вычислялись погрешности, указанные ниже в протоколах №№ 1-5, сведенных в таблицу (см. Приложение 5, таблица П 5.1). Результаты испытаний следующие:
- основная погрешность датчика составляет 2,5%,
- случайная погрешность и вариация находятся в основном в пределах 0,1%.
Эти данные подтверждают высокие метрологические качества датчика данного типа и указывают на возможность создания преобразователя класса 0,1.
Третий этап испытаний был посвящен исследованию датчиков, мембранный наконечник которых был получен методом точечной лазерной сварки[12].
Последовательность экспериментов соответствовала приводимому ниже графику, включающему 11 циклов нагружения.
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.
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.
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).
Центральный и периферийный пульс. Моделирование пульсовых волн в аорте и лучевой артерии
В настоящее время большое число исследований посвящено изучению влияния артериального давления в аорте (центральное артериальное давление) как диагностически более значимого фактора, чем традиционно измеряемого тонометрами давление плечевого кровотока (периферийное артериальное давление) [60, 61, 62 и др.]. По мнению ряда авторов, оно в большей степени отражает характер кровотока в коронарных и мозговых сосудах и «является более значимым предиктором сердечнососудистых поражений» [61]. Особенно важную роль в этом направлении играет амбулаторный мониторинг артериального давления. Причем большинством исследований отмечено, что очень часто плечевое давление не отражает опасное повышение давления, развивающееся в аорте. Поэтому основные усилия разработчиков новых диагностических методов сейчас направлены на развитие технологий, позволяющих неинвазивно регистрировать параметры центрального кровотока. Бурно развивающаяся отрасль кардиологии аппланационная тонометрия позволяет оценивать состояние центрального кровотока с помощью контурного анализа пульсовых волн. Как уже указывалось ранее, в этой области наиболее распространенной является технология «Сфигмокор» (Австралия), которая позволяет с помощью генерализованной функции преобразования установить связь сигналов пульсовой волны лучевой артерии и пульсовой волны в аорте.
Аппаратуру для аналогичной цели также разработала фирма «HealthStat s» (Сингапур), выпускающая прибор BPro с датчиком пульсовой волны лучевой артерии. Другим аналогом является стационарный прибор НЕМ 9000 AI, выпускаемый фирмой OMRON (Япония).
В упомянутых выше работах и описаниях приборов убедительно доказано, насколько существенно измерение центрального систолического давления для наблюдения за пациентами с факторами поражения органов-мишеней, сердечной дисфункцией, повышенным риском заболеваний сердца и сердечных приступов, появляющихся с возрастом.
Более того, эти изменения усиливают риск сосудистых катастроф у лиц с развитием аортальных поражений ранней стадии, особенно страдающих гипертонией, диабетом и почечной недостаточностью, а иногда и всеми тремя заболеваниями. Показатели плечевого артериального давления очень часто не эквивалентно отражают различное лекарственное воздействие на кровообращение, поэтому измерение центрального аортального давления очень важно при оценке влияния препаратов на состояние органов-мишеней и клинические исходы.
Ввиду особой важности для диагностики сердечнососудистых болезней показателей центрального пульса в данной работе предпринята попытка разработать свой подход для оценки центральных пульсовых волн по данным неинвазивного измерения пульсовых волн периферийного пульса. Он основан на анализе и сравнении эмпирических данных, полученных с лучевой и сонной артерий.
Эмпирический подход. Разработка вычислительной программы CPW-1 (central pulse wave). В соответствии с современными представлениями центральная пульсовая волна (рисунок 5.14) является результатом наложения основной (антеградной) и отраженной (ретроградной) пульсовых волн. Анализом этой волны и занимается аппланационная тонометрия. В работе [73] приведены результаты обследования трех групп пациентов на приборе фирмы «Сфигмокор». Первая группа (3 человека) состояла из здоровых людей различного возраста. Вторая группа – больные артериальной гипертонией, третья группа – пациент с диагнозом ложная систолическая артериальная гипертония. Именно в третьем случае возможны осложнения течения болезни вплоть до летальных исходов у сравнительно молодых людей, причем артериальное плечевое давление у этих пациентов находится в пределах нормы и не сигнализирует об опасности.
На первом этапе формирования модели было проведено численное сопоставление кривых центральной и периферийной пульсовых волн, приведенных в упомянутой работе. Это было сделано с целью выявления генерализованной функции, применяемой фирмой «Сфигмокор». Результаты численного сопоставления показаны на рисунках 5.15, 5.16, 5.17 в виде замкнутых фигур в центральной части рисунков. Расчеты проведены в масштабах осей координат, представленных в статье. Из рисунков следует, что во всех семи случаях кривые, отражающие взаимосвязь пульсовых волн между собою различаются (особенно отличается случай 7). Поэтому сделать вывод о наличии однозначной взаимосвязи пульсовых волн нельзя. Следовательно, преобразование, предлагаемое фирмой «Сфигмокор», не может быть однозначным для разных людей и, по-видимому, учитывает влияние дополнительных индивидуальных факторов, о которых в явной форме в статье не сказано.
Далее с целью изучения алгоритма «Сфигмокор» были проведены непосредственные съемки пульсовых волн на добровольце – мужчине 50 лет (нормотоник) на аппаратуре австралийской фирмы.
Датчик пульсовой волны устанавливали в положении пациента лежа, а съемку проводили с небольшим разрывом по времени, так, чтобы пульсовые волны были достаточно идентичными.
Результаты представлены на рисунках 5.18 и 5.19. В случае съемки на лучевой артерии (рисунок 5.18) получена пульсовая волна в аорте, которая по форме отличается от пульсовой волны в аорте, когда датчик стоит на сонной артерии. Различие результатов, скорее всего, можно объяснить тем, что генерализованная функция пересчета, предлагаемая фирмой, в основном предназначена для съемок на лучевой артерии.
Для разработки собственного алгоритма пересчета были использованы пульсовые волны с лучевой и сонной артерии того же пациента, но снятые с помощью датчиков и аппаратуры, разработанных в ИМАШ РАН. В основе методики при пересчете периферийного артериального давления на центральное лежит предположение, что пульсовая волна сонной артерии достаточно близка к аортальной и может служить основой для расчета центрального систолического давления.
Экспериментальные данные представлены на рисунке 5.20а.
Особенностью съемки было то, что обе волны сняты одновременно с двух точек по двум каналам информации и соответственно имеют фазовый сдвиг, связанный с разностью хода пульсовой волны от сердца до точек расположения датчиков.
Оцифрованные в компьютере волны показаны на рисунке 5.20б с обозначением дискретных точек.
Предполагая, что генерализованная функция взаимосвязи центральной и периферийной волн может быть в какой-то мере подобной (как это принято фирмой «Сфигмокор»), нельзя, однако, игнорировать тот факт, что скорость распространения пульсовой волны в исследуемом бассейне различна у лиц разного возраста и зависит от состояния сосудистой стенки и многих других факторов. Следовательно, сдвиг по фазе волн, представленных на рисунке 5.20, может меняться в соответствующих пределах.
Проведем численный эксперимент, рассчитывая функцию пересчета при изменении фазового сдвига волн, начиная с нулевого сдвига. Затем сдвигаем пульсовую волну сонной артерии вперед относительно пульсовой волны лучевой артерии на 1 дискрету и вновь определяем функцию пересчета. 1 дискрета равна 0,019 с. Фазовому сдвигу соответствует определенная скорость пульсовой волны, которая вычисляется с учетом анатомических параметров человека. Таким образом, было получено семейство пересчетных функций, изображенное на рисунке 5.20.