Cредства и методы диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по пульсовой волне

Автор: · Дата: 24 Январь 2012 · Пока нет комментариев

тезисы доклада на конфереции “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ – 2011)”

Дацок О.М., Павленко Д.В., Хоружная А.В. Средства и методы диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по пульсовой волне // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития. 4-й Международный радиоэлектронный форум. Харьков, 18-21 окт. 2011-Харьков-Т3.-с.65-67

Средства и методы диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по пульсовой волне

Дацок О.М., Павленко Д.В., Хоружная А.В.

Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

61077, Харьков, пл. Свободы 4, каф. физической и биомедицинской электроники и КИТ

The importance of pulse waveform characteristics is grounded in the article. The main methods of the pulse wave registration were analyzed. The requirements to the pulse optical monitor taking into account photometric research peculiarities were formulated. New approach to a pulse waveform registration is offered. This method is based on amplitude modulation of the pulsed IR radiation by changing blood filling in vessels via heart activity. The automatic gain control circuit is developed. Further prospects for improvement of the device functionality are shown.

Введение

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) по-прежнему сохраняют лидерство среди наиболее опасных и распространенных болезней. Основной способ борьбы с высоким уровнем смертности вследствие ССЗ – это, прежде всего, усовершенствование традиционных методов диагностики и разработка новых высокоинформативных диагностических комплексов, которые позволяют контролировать как состояние сосудов, так и сократительную способность сердца. Нарушения функционального состояния сосудистой системы (СС) могут свидетельствовать о таких заболеваниях как артериальная гипертензия, сахарный диабет, атеросклероз и др. Оценивать структурно-функциональные свойства сосудистой стенки позволяют непрямые методы, основанные на контурном анализе объемной пульсовой волны (ПВ), который заключается в исследовании ее амплитудно-временных характеристик.

Методы регистрации пульсовой волны

Регистрация ПВ может проводиться различными неинвазивными методами, которые отражают колебания диаметра (объема) сосудов, связанные с динамикой их кровенаполнения. Сложный вид регистрируемых кривых связан с колебаниями внутрисосудистого давления, вызванными многочисленными отражениями в местах ветвления и значительного сужения сосудов, а также податливостью стенки артерии, в которой проводится регистрация. Анализ работ по исследованию СС показывает, что наиболее ценную диагностическую информацию о силе сосудистой реакции представляют два рассчитываемых показателя – индекс отражения (отношение амплитуд отраженной и прямой волны) и индекс жесткости (определяют как отношение роста обследуемого ко времени отражения ПВ). Более сильное и более раннее отражение наблюдается при патологиях, сопровождающихся снижением эластичности сосудов.

Контурный анализ пульсовой кривой является простым и доступным методом оценки не только артериальной ригидности крупных артерий, но и функционального состояния сосудистого эндотелия [1]. Значимость этих показателей в клинической практике неоспорима, поскольку длительное существование эндотелиальной дисфункции  является общим пусковым механизмом для многих патологических процессов. Также исследования состояния эндотелия проводят при оценке тяжести состояния больных с различными клиническими проявлениями стенозирующего атеросклероза.

Зачастую методы исследования ПВ основаны на регистрации изменений свойств тканей, вызванных пульсовым кровенаполнением. Реографические методы исследования гемодинамики основаны на измерении колебаний электрического сопротивления участка ткани, отражающих изменение объема сосудов вследствие распространения ПВ. Существующие методы измерения проводимости живой ткани построены на базе мостовых или потенциометрических схем [2,3]. Однако такие подходы не лишены недостатков. Прежде всего, мостовые методы требуют подстройки (компенсация постоянной составляющей импеданса биоткани), тщательной фильтрации и усиления сигнала (дорогостоящие высокочувствительные усилители), поскольку относительное изменение сопротивления составляет доли процента. Расположение электродов на значительном расстоянии затрудняет локальные исследования. Кроме того, в связи с необходимостью пропускания электрического тока через тело человека, к реографам предъявляются жесткие требования с точки зрения электробезопасности.

Достаточно высокими метрологическими характеристиками обладают диагностические комплексы на основе пьезодатчиков. Приемником является воронка, в вершине которой располагается чувствительный элемент, который представляет собой пьезорезонатор с подвижным электродом в виде мембраны и модулированным под действием механической силы воздушным зазором [4].  Это позволяет трансформировать внешнее воздействие в изменение параметров колебательной системы сенсора и, как следствие, изменение резонансной частоты. Основные трудности  при разработке подобных устройств – сложные программные алгоритмы, которые обеспечивают линеаризацию передаточной характеристики пьезодатчика. Также большую роль играет влияние помех (в т.ч. артефактов движения), а также наличие в спектре ПВ составляющих с частотами, кратными собственным резонансным частотам пьезоэлемента, что приводит к значительным искажениям в интерпретации полученных результатов.

Широкое применение для измерения различных параметров физиологических процессов нашли фотоплетизмографические методы, основанные на анализе изменения светопроницаемости тканей в зависимости от их кровенаполнения [5]. Оптический датчик представляет собой ИК светодиод и фотодиод, располагаемые на ногтевой фаланге пальца руки. Оптические методы являются наиболее простыми с точки зрения технической реализации (близкая к линейной передаточная характеристика и несложная конструкция датчика), позволяют проводить локальные исследования периферического кровотока, исключают электрический контакт и действие тока на человека. К недостаткам относятся: чувствительность к сторонним засветкам, малая амплитуда информационного сигнала, необходимость подстройки при снятии пульсограмм у людей с разным типом кожи и состоянием ССС. Следовательно, современный фотоплетизмограф должен удовлетворять ряду требований: высокая чувствительность, помехоустойчивость и надежность (в т.ч. отсутствие подстроечных элементов), а также невысокая стоимость.

Экспериментальная установка

Нами было разработано устройство, реализующее фотометрический метод исследования ПВ на основе амплитудной модуляции импульсного ИК излучения сосудистым кровенаполнением. Достаточно высокая помехоустойчивость достигнута за счет переноса информационного сигнала в область высоких частот (5кГц). На светодиод  (рис. 1) подается переменное питающее напряжение стабильной несущей частоты и амплитуды от генератора, что позволяет избавиться от низкочастотных помех (наводки осветительной сети и фоновые источники света). Датчик устанавливается на фалангу пальца и работает на просвет.

Рис.1. Блок-схема устройства для регистрации пульсовой волны

Высокочастотный сигнал, зарегистрированный приемником оптического излучения  и усиленный предварительным усилителем УВЧ1, УВЧ2  поступает на амплитудный детектор АД  и интегратор, где выделяется его огибающая – полезный сигнал. Блок АРУ реализует автоматическую регулировку усиления, которая позволяет избежать ручной подстройки параметров усилителей. Далее низкочастотный сигнал усиливается (УНЧ1, УНЧ2), преобразовывается в цифровой код (БЦОС) и передается через USB-интерфейс в персональный компьютер. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить непрерывный мониторинг пульсовой волны. Важно отметить, что стоимость опытного образца устройства не превышает 20$.

Выводы

Исследование амплитудно-временных параметров пульсограммы позволяет выявить диагностически значимые показатели, по которым можно судить не только о состоянии сосудистой системы в целом, но и выявить нарушения её отдельных составляющих. Сравнительный анализ методик регистрации ПВ и результаты экспериментальных исследований показали, что оптимальным способом регистрации динамики кровенаполнения сосудов является фотоплетизмографический, а разработанное устройство может быть использовано в составе программно-аппаратного комплекса для повышения эффективности диагностики сердечно-сосудистых патологий.

Список литературы

  1. Калакутский  Л.И. Методика анализа контура пульсовой волны в диагностике функции сосудистого эндотелия [Текст] / Калакутский  Л.И., Лебедев П.А., Комарова М.В. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2008. – №5. – С.43–47.
  2. Кубарев А.М. Пульсации крови в артериальной системе и ее влияние на электрическое сопротивление тела [Текст]/ Кубарев А.М., Борисов В.И. // Нижегородский медицинский журнал, 2008. – №4. – с. 35 – 41.
  3. Бессараб А.В. Аппаратура для  биоимпедансной диагностики функционального состояния организма в режиме реального времени [Текст]/ Бессараб А.В., Лавров Л.М., Кудряшов Е.А.// Нижегородский медицинский журнал, 2008. – №4. – с. 27– 33.
  4. Колпаков Ф.Ф. Пьезорезонансные механотроны в измерениях параметров сердчено-сосудистой системы человека [Электронный ресурс] / Колпаков Ф.Ф., Пидченко С.К., Татарчук А.А., Опольская А.Е. // Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2009. – №2. – с. 60 – 70. – Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Rks/2009_2/Kolpakov.pdf
  5. Victor Kremin Sensing-Optical PulsOmeter with PSoC [Электронный ресурс] / V. Kremin //Cypress Semiconductor, 2004. – Режим доступа: http://www.cypress.com/?rID=2795

Скачать полную версию статьи в pdf

Скачать презентацию доклада в ppt

Популярность: 49%

Рубрика: Публікації · Запись имеет метки: , , ,  



Оставить комментарий или два

Пожалуйста, зарегистрируйтесь для комментирования.