Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
Метод неинвазивного активного измерения артериального давления на основе согласованного с оценкой пульса управления датчиком
В. Е. Анциперов, Г. К. Мансуров
Введение
Впечатляющий прогресс информационных технологий в компьютерной области, в сфере медийных устройств и в сфере средств коммуникации вселяет обоснованные надежды на аналогичные инновации в отношении медицинской техники, приборов и устройств. По этой причине в настоящее время оправданно возрос интерес к новым медицинским приборам, в особенности к компактным мобильным устройствам, так называемым гаджетам.
Несомненно, их появление откроет новые возможности для здравоохранения, ориентированного на широкие слои населения. Кроме того, достоинством IT-ориентированной медицинской техники является ее мощный вычислительный потенциал, необходимый для реализации новых методов измерения и обработки данных. В целом, можно уверенно сказать, что сегодня на практике сбывается предсказание отца кибернетики Норберта Винера о том, что вопросы связи и управления будут проникать во все сферы человеческой деятельности, включая биологию и медицину [1].
Отмеченный прогресс подразумевает ускорение темпов разработок и внедрения как принципиально новых медицинских технологий обследования пациентов, так и существенного пересмотра классических подходов. Одним из важных аспектов этой проблемы является задача развития информативных, эффективных и надежных методов измерения и обработки медико-биологических данных о пациенте. Отметим, что одной из основных тенденцией здесь, также как и в более широкой сфере разработок индустриальных систем мониторинга и контроля, является всестороннее внедрение интеллектуальных датчиков.
Одной из основных задач последних является максимальная автоматизация измерений - соответственно минимизация роли человека в процессах измерения [2]. Важной чертой аппаратной реализации интеллектуальных датчиков является обязательное использование в них микропроцессоров (мP) и, как правило, беспроводных коммуникационных устройств (CU) для приема команд управления / передачи измеренных данных, см. Рис.1.
Рис.1 Принципиальная архитектура компонент интеллектуальных датчиков [2].
В данной работе мы приводим результаты исследований и разработок по интеллектуализации одного из популярных (если не самого популярного!) в медицине прибора - измерителя артериального давления (АД). Ниже в работе показано, что возможность добавления к классическому тонометру следящей системы, блока формирования на основе наблюдений прогноза динамики давления и гибкого управления в соответствии с прогнозом датчиком позволяет осуществлять мониторинг АД непрерывно во времени, практически без участия врача.
Более того, удается неинвазивно измерять текущее давление в абсолютных единицах - в мм рт.ст.! Естественно, что все эти преимущества реализуются на базе встроенного микроконтроллера (мC) и его периферии - характерных атрибутов современных интеллектуальных датчиков, как это изображено на Рис.1. Однако в нашем случае для измерения давления предложенным нами компенсационным методом пришлось пойти еще на один шаг дальше - ввести петлю обратной связи согласованного с наблюдениями управления датчиком. В итоге сложилась концепция активного датчика, архитектура которого расширяет архитектуру интеллектуальных датчиков так, как показано на Рис.2.
Рис.2 Принципиальная архитектура компонент активных датчиков.
Ниже, вслед за вводным разделом по истории вопроса, мы приводим краткое описание принципов функционирования и некоторых конструктивных особенностей разработанного нами активного датчика для измерения АД и обосновываем необходимость достаточно сложного управления последним. Сразу отметим, что приведенное ниже описание датчика не преследует цель изложения особенностей его инженерного решения, оно приводится как типичный пример для обсуждения проблемы активных измерений. Именно эта проблема находится в центре внимания работы и ее решению на основе концепции многомасштабного корреляционного анализа (МКА) [3,4] и техники аналитических спектров (АСП) [5,6] посвящена данная работа.
Эволюция подходов к измерению АД
Одним из первых (1876 г.) неинвазивных аппаратов, пригодных для измерения кровяного давления у человека, был изобретенный Э.Ж. Марием плетизмограф.
Рис.3 Аппарат Мария измерения АД : плетизмограф O соединен с подвешенным на блоке B заполненным водой резервуаром V и с ртутным манометром М; изменение объема записывалось на закопченной ленте К соединенным с поплавком e пером [7].
Работа плетизмографа основывалась на регистрации импульсов изменения объема конечности, связанных с пульсациями АД [7], Рис.3. При измерении предплечье пациента помещалось в заполненный теплой водой плетизмограф O. Изменение кровенаполнения артерий предплечья, связанное с толчками сердца (пульсом), приводило к вытеснению воды из плетизмографа, что в свою очередь перемещало поплавок и записывающее плетизмограмму перо (Рис.3). В эксперименте Мария изменения объема регистрировалось при постоянном давлении в плетизмографе, которое задавалось высотой подвешенного на блоке B резервуара с водой V и отображалось на последовательно подсоединенном манометре M.
В своих экспериментах Марий получил много интересных результатов, в частности, обнаружил зависимость размаха (амплитуды) плетизмограммы от величины давления в плетизмографе [7].
В принципе, на основе этих данных можно было бы, как стало известно позднее, определять оба главных показателя АД - как систолическое, так и диастолическое давления. Однако из-за сложности реализации и неоднозначной трактовки результатов плетизмографический метод Мария долго (около ста лет) не получал развития.
Сложилось так, что большего внимания в конце IX века удостоились методы измерения АД основанные на сфигмоманометрии - на наблюдениях за изменениями характера сердечного пульса («твердый пульс», «мягкий пульс» и т.д.), проявляющегося в микродвижениях стенок артерий. Основной задачей аппаратов - сфигмоманометров стало нахождение такого внешнего давления на артерию, которое бы уравновесило контрдавление крови, в результате чего кровоток бы прекратился и, соответственно, исчез пульс. Наиболее удачным из числа первых сфигмоманометров был аппарат Самюэля фон Баше, созданный им в 1881 г. С его помощью он, хотя и приблизительно, определял систолическое давление. Густав Гертнер в 1899 г. усовершенствовал этот тип аппарата и назвал его тонометром.
Кульминацией поиска способов неинвазивного измерения АД стали два открытия, обеспечившие возможность успехов кардиологических исследований в XX веке: описание сфигмоманометра Рива-Роччи [8] в 1896 г. и открытие тонов Короткова в 1905 г. Метод Рива-Роччи состоит в сжатии плечевой артерии с помощью специальной манжеты, соединенной с ртутным манометром. Воздух в манжету нагнетают с помощью баллона до тех пор, пока не исчезнет пульс, а затем его медленно стравливают. О величине АД судят по показаниям манометра в момент появления пульса.
Таким образом, прибор позволяет оценить систолическое давление. Открытие Н.С. Коротковым в 1905г. закономерностей звуковых явлений при декомпрессии плечевой артерии легло в основу альтернативного метода определения систолического и диастолического АД. Считается, что тоны Короткова связаны с нарушением ламинарного течения крови по артериям при их пережатии. Это нарушение сопровождается ударными явлениями и звук этих ударов позволяет «услышать пульс» в диапазоне между систолическим и диастолическим АД.
Технический прогресс в области микроэлектроники и вычислительной техники позволил во второй половине XX века усовершенствовать ставшую классической методологию измерения АД Рива-Роччи и Короткова [9]. Усовершенствования в основном были связаны со стремлением максимально исключить влияние человеческого фактора на процесс измерения.
При этом оказалось, что для автоматических процедур определения параметров АД наиболее удобной оценкой характера пульса является амплитуда осцилляций давления в окклюзионной манжете - факт, столетием ранее обнаруженный Марием! В 1976 г. был выпущен на рынок первый прикроватный автоматический измеритель АД (Dinamap825), реализующий модифицированный метод Мария. Переход от плетизмографа к обычной окклюзионной манжете, соединившей в себе устройство создания внешней компрессии и не очень точного, но приемлемого для задач измерения АД датчика пульсаций, положил начало новой, осциллометрической методике.
На сегодняшний день доля автоматических и полуавтоматических измерителей АД на основе осциллометрического метода составляют около 80% всех аппаратов. Идет интенсивное соревнование производителей в области исследования алгоритмов обработки измеренных данных с целью повышения точности и надежности получаемых результатов. Последние модели приборов имеют повышенный “интеллектуальный уровень” (включая модели “fuzzi logic”) и их вполне можно отнести к категории интеллектуальных сенсоров (см. Рис.1).
Перечисленные методы предполагают одноразовое измерение параметров АД. Часто этого достаточно для общей оценки состояния сердечно-сосудистой системы.
Однако существует много ситуаций требующих непрерывного наблюдения АД, буквально мониторинга АД от удара сердца к удару (beat-to-beat). В крайних случаях это осуществляется инвазивно, непосредственно внутри одной из периферийных артерий при введении в нее катетера. Однако, поскольку инвазивный способ связан с дискомфортом пациента и имеется риск осложнений при установке катетера, для рутинных наблюдений желательны неинвазивные методы.
Одно из первых решений в этом направлении было найдено Пеньязом. Методика его способа неинвазивного непрерывного измерения АД была описана в 1973 году и мотивировалась стремлением уменьшить связанные с артериальной катетеризацией риски и при этом сохранить преимущества непрерывного мониторинга артериального давления [10]. Пеньяз использовал метод объемной компенсации, основанный на идее "разгрузки стенок сосудов" (предполагается, что в “разгруженном” состоянии давление внутри сосудов равно давлению вне их).
Основной элемент аппарата (Рис.4.А) представляет собой небольшую напалцевую манжету, содержащую источник света на одной стороне и ИК-приемник на противоположной, с их помощью по величине поглощения света оценивается объем крови в пальце. Сигнал, полученный от подобного “плетизмографа”, используется затем в цепи обратной связи для регулировки величины давления в манжете. Давление регулируется таким образом, чтобы поддерживать объем крови в пальце постоянным во времени, равным объему, который при калибровке выбран как "разгружающий" сосуды. При этом осцилляции регулирующего давления можно считать приблизительно равными давлению в артериях. Позже были предложены формулы для пересчета давления от артерий пальца к плечевым артериям, что позволило верифицировать метод по отношению к классическим процедурам.
Рис.4 Современная аппаратура для неинвазивного непрерывного измерения АД : A ? прибор “CNAP” на основе метода объемной компенсации Пеньяза; B ? прибор “T_Line” на основе метода артериальной тонометрии [9]
Другим известным решением, обеспечивающим неинвазивное непрерывное измерение АД, является артериальная тонометрия. В ней, как и в методе Пеньяза, оцениваются пульсовые осцилляции АД, но принцип "разгрузки стенок артерий" другой. В данном случае манжета располагается на запястье и содержит расположенный над лучевой артерией датчик тонометра (Рис.4.B). Датчик прижимает артерию к лучевой кости настолько, чтобы в достаточной степени ее сжать, сделать контакт с ее стенкой плоским (но не пережать до окклюзии).
Затем через стенки сосуда с помощью тензодатчиков бокового давления регистрируется пульсовые изменения АД. Величина давления, необходимая для того, чтобы уплощить, но не закрыть артерию, известна как “рабочее усилие прижима” и рассчитывается по достаточно сложному алгоритму, который включает в себя предварительные оценки систолического, диастолического и пульсового давлений.
Упомянутые методы непрерывного измерения АД обладают рядом достоинств и недостатков, их детальное обсуждение можно найти, например, в работе [9]. С нашей точки зрения главным недостатком существующих неинвазивных методов является то, что вне зависимости от способов "разгрузки стенок сосудов", контроль разгрузки осуществляется в них на основе интегральных параметров (кровенаполнение, полная сила, действующая на датчик, смещение датчика как целого и т.д.). Это позволяет относительно неплохо отслеживать “усредненную” пульсовую волну АД, но не гарантирует передачи деталей формы импульса. Нами был предложен иной способ измерения АД, ориентированный на локальную разгрузку стенок артерий методом компенсации локального давления.
Неинвазивное непрерывное измерение АД методом компенсации пульсового давления
На основе анализа известных неинвазивных методов непрерывного измерения АД [9], можно прийти к выводу, что лучших результатов мониторинга нестационарной динамики АД удалось добиться при помощи так называемых компенсаторных или близких к ним методов.
Методы компенсации применяются в практике измерения различных физических величин и основаны на компенсации неизвестной измеряемой величины противодействующей управляемой величиной посредством сведением к нулю их разности. Простейшим примером служат чашечные весы, на которых неизвестный вес Wu измеряется с помощью набора разновесок (гирь) Wv (Рис.5(А)). Нуль-индикатором у весов служит заданное положение коромысла или связанной с ним стрелки.