Автоматический измеритель артериального давления
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для автоматического измерения артериального давления при обследовании пациентов в профилактических медицинских учреждениях, в кабинетах функциональной диагностики, в операционных, отделениях реанимации и т.п. Измеритель артериального давления содержит воздушный компрессор, клапан ступенчатого сброса давления клапан сброса остаточного давления, датчик давления, пережимную манжету, усилитель электрических сигналов, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь, фильтр высоких частот, усилитель тахосигнала, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления, блок индикации, блок питания, цифроаналоговый преобразователь, управляемый усилитель сигнала объемного измерения давления, аналого-цифровой преобразователь. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения артериального давления и повышение помехозащищенности устройства за счет совместного использования сигналов объемного изменения давления, тахосигнала и его производной для фиксации конечной и начальной (базовых) точек пульсового импульса, отфильтровывания артефактов и коррекции дрейфа пульсовых импульсов на кривой объемного изменения давления. 3 ил.
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для автоматического измерения артериального давления при обследовании пациентов в профилактических медицинских учреждениях, в кабинетах функциональной диагностики, в операционных, отделениях реанимации и т.п.
Известен автоматический измеритель артериального давления (проспект фирмы “Моторола” 1997 г., модель AN 1571), содержащий датчик давления, фильтр высокой частоты (ФВЧ), усилитель тахосигнала, устройство управления процессом измерения и обработки сигнала, блок индикации, блок питания, а также компрессор накачки и манжету (на схеме не указаны).
Недостатком известного измерителя артериального давления является то, что используемый в устройстве метод измерения основан на анализе тахосигнала, который в большинстве случаев не обладает четко выраженными критериями для определения систолического и диастолического давлений, что приводит к значительным ошибкам при измерении указанных параметров.
Известен также автоматический измеритель артериального давления, описанный в патенте США №4796184 (А 61 В 5/02; 1989), наиболее близкий по технической сущности и выбранный в качестве прототипа. Автоматический измеритель артериального давления по патенту США содержит воздушный компрессор, электромагнитный пневматический клапан ступенчатого сброса давления, электромагнитный клапан ступенчатого сброса остаточного давления, преобразователь пневматических сигналов в электрические и пережимную измерительную манжету, связанные пневматически между собой через ресивер, а также аналоговую часть обработки электрического сигнала, состоящую из датчика давления, фильтра низкой частоты (ФНЧ), инструментального усилителя, активного ФНЧ и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который связывает аналоговую часть с цифровым устройством управления процессом обработки сигнала, в состав которого входят микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, входные/выходные порты, блок индикации и блок питания.
Измеритель артериального давления по патенту США №4796184 обеспечивает возможность измерения артериального давления в автоматическом режиме.
Проведенный заявителем сопоставительный анализ измерителя артериального давления фирмы “Моторола” и автоматического измерителя по патенту США №4796184 позволяет констатировать, что общими характерными недостатками указанных измерителей является невысокая точность измерения артериального давления, обусловленные, как указывалось выше, использованием для анализа только тахосигнала. Это и приводит к снижению точности измерения систолического и диастолического артериальных давлений.
Недостатком измерителя по патенту США является также его низкая помехозащищенность, обусловленная отсутствием анализа сигнала на наличие артефакта, что приводит к снижению помехозащищенности всего устройства, особенно во время движения пациента.
К существенным недостаткам автоматического измерителя по патенту США следует отнести и сложность схемной реализации цифровой части обработки электрического сигнала, что отрицательно сказывается на общей надежности аппарата.
Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения артериального давления и повышения помехозащищенности устройства за счет совместного использования сигналов объемного изменения давления, тахосигнала и его производной для фиксации конечной и начальной (базовых) точек пульсового импульса, отфильтровывания артефактов и коррекции дрейфа пульсовых импульсов на кривой объемного изменения давления. Задачей изобретения является также повышение надежности и упрощение схемной реализации цифровой части обработки электрического сигнала.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом.
Автоматический измеритель артериального давления, содержащий пневматически связанные между собой через ресивер воздушный компрессор, электромагнитный пневматический клапан ступенчатого сброса давления, электромагнитный клапан сброса остаточного давления, датчик давления и пережимную измерительную манжету, усилитель электрических сигналов, первый вход которого подключен к выходу датчика давления, а выход через фильтр низких частот - к первому входу первого аналого-цифрового преобразователя, и через фильтр высоких частот - к первому входу усилителя тахосигнала, выход которого подключен к первому входу второго аналого-цифрового преобразователя, при этом выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов, выход второго аналого-цифрового преобразователя - к второму входу устройства управления, многоразрядный выход которого подключен к многоразрядному входу блока индикации, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к первым входам воздушного компрессора, клапана ступенчатого сброса давления, клапана сброса остаточного давления и блок питания, выход которого подключен соответственно к второму входу усилителя электрических сигналов, к фильтру низких и высоких частот, вторым входам компрессора, клапана ступенчатого сброса давления, клапана сброса остаточного давления, первого и второго аналого-цифрового преобразователя, усилителя тахосигнала, четвертому входу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов и входу блока индикации, согласно настоящему изобретению снабжен управляемым усилителем сигнала объемного изменения давления, первый вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, второй вход через цифроаналоговый преобразователь - к четвертому выходу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов. Третий вход устройства управления процессом измерения и обработки сигналов через третий аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу управляемого усилителя сигнала объемного изменения давления, третий вход которого соединен с блоком питания, выход которого подключен соответственно к вторым входам цифроаналового преобразователя и третьего аналого-цифрового преобразователя.
Технический результат патентуемого изобретения заключается в увеличении точности и надежности измерения систолического, диастолического и среднего артериальных давлений, что позволяет повысить точность диагностики состояния пациента, особенно в сложных случаях заболеваний, таких, например, как гипертония, гипотония, ишемическая болезнь сердца и т.п. Техническим результатом патентуемого изобретения является упрощение цифровой части устройства, обеспечивающей обработку электрического сигнала, что позволяет существенно повысить надежность работы аппарата.
Сущность изобретения поясняется примером схемотехнической реализации автоматического измерителя артериального давления и чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - блок-схема измерителя;
фиг.2 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства управления 12;
фиг.3 - укрупненная блок схема алгоритма работы модуля измерения давления блока 12.
Автоматический измеритель артериального давления (фиг.1) содержит воздушный компрессор 1, клапан ступенчатого сброса давления 2, клапан сброса остаточного давления 3, датчик давления 4, пережимную манжету 5.
Воздушный компрессор 1, клапаны 2 и 3, датчик давления 4 и манжета 5 пневматически соединены между собой ресивером 18.
Выход датчика давления. 4. подключен к первому входу усилителя электрических сигналов 6, выход которого через фильтр низких частот 7 подключен к первому входу первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП-1) 8, выход которого соединен с первым входом устройства управления процессом измерения и обработки сигналов 12.
Выход усилителя электрических сигналов 6 через фильтр высоких частот 9 подключен к первому входу усилителя тахосигнала 10, выход которого через первый вход второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП-2) 11 подключен ко второму входу устройства управления 12. Многоразрядный выход устройства управления 12 подключен к много разрядному входу блока индикации 13, а его первый, второй, третий и четвертый выходы подключены соответственно к первым входам воздушного компрессора 1, клапана ступенчатого сброса давления 2, клапана сброса остаточного давления 3, первому входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 16, выход которого соединен со вторым входом управляемого усилителя сигнала объемного изменения давления 15, первый вход которого соединен с выходом фильтра низких частот 7, а выход через первый вход третьего аналого-цифрового преобразователя (АЦП-3) 17 подключен к третьему входу устройства управления 12.
Автоматический измеритель артериального давления (АИАД) содержит блок питания 14, который подключен соответственно к блокам 1-3 и блокам 6-13 устройства. В качестве блока питания может быть использован стандартный импульсный блок питания, например, фирмы CHINFA ELECTRONICS.
Воздушный компрессор 1, клапаны 2 и 3, ресивер 18 и пережимная измерительная манжета 5 предназначены для осуществления компрессии плечевой артерии пациента (вплоть до полного пережатия) и последующей ступенчатой декомпрессии и аварийного сброса давления и могут быть реализованы на базе стандартных известных элементов (например, справочник-каталог фирмы “FARNELL”).
Датчик давления 4 осуществляет преобразование пневматических сигналов в электрические и может быть реализован, например на датчике давления MPX2050GP фирмы MOTOROLLA.
Усилитель электрических сигналов 6 датчика давления 5 построен по схеме инструментального усилителя, имеющего дифференциальный вход, и может быть реализован, например, на базе инструментального усилителя AD620 фирмы Analog Devices, а усилитель тахосигнала 10 осуществляет усиление дифференцированного электрического сигнала и может быть реализован, например, на операционном усилителе по схеме усилителя высокой частоты.
Фильтры низких 7 и высоких 9 частот обеспечивают фильтрацию соответственно высоких и низких частот электрического сигнала и выполнены по классической схеме RC-фильтра.
АЦП 8, 11 и 17 осуществляют преобразование аналогового сигнала в цифровую форму и могут быть реализованы, например, на базе микросхемы AD7887 фирмы Analog Devices, а ЦАП 16 предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговую форму и может быть выполнен, например, на базе микросхемы AD7887 фирмы Analog Devices.
Устройство управления процессом измерения и обработки сигналов 12 предназначено для управления пневматическими узлами устройства, обработки всех электрических сигналов и вычисления систолического и диастолического артериальных давлений. Устройство 12 включает модуль управления АИАД и модуль измерения давления. Может быть реализовано, например, в виде контроллера ATmega 128AI фирмы ATMEL. Укрупненная блок-схема работы устройства управления 12 приведена на фиг.2 и 3. Полное программное обеспечение работы устройства управления 12 и его схемная реализация содержится в технической документации заявителя (АФИН 941118.002)
В качестве блока индикации 13 могут быть использованы стандартные LCD экраны, а также 7-сегментные или матричные светодиодные индикаторы.
Управляемый усилитель сигналов объемного изменения давления 15 предназначен для усиления переменной составляющей сигнала, поступающего с датчика давления. Схемотехнически может быть реализован аналогично усилителю электрических сигналов 6.
Автоматический измеритель артериального давления (АИАД) работает следующим образом.
При включении АИАД осуществляется первичная установка устройства управления 12 (фиг.1) в исходное состояние (очистка ОЗУ, установка таймеров, установка клапанов 2 и 3 и компрессора 1 и т.д.). Затем устанавливается верхний предел давления накачки Рн в пережимной манжете 5 (например, по умолчанию Рн=190 мм рт.ст. и задается оператором) и дается команда на включение компрессора 1 и на начало накачки; клапаны 2 и 3 закрываются.
В ходе накачки осуществляется двойной контроль (тестирование) - величины Рн и времени момента начала накачки (tн). Возможны два варианта. Если текущее давление в манжете 5 (Рт) менее чем за заданное время - tз (tз = 20 с) достигло величины Рн, то эта ситуация рассматривается как штатная. Устройство управления 12 генерирует команду на прекращение накачки и на начало работы клапана ступенчатого сброса давления 3. Если Рт не достигает величины Рн в течение tз (т.е. tн>tз), тогда это рассматривается как нестандартная ситуация и устройство 12 дает команду на прекращение накачки, открывает клапаны 2 и 3 для сброса остаточного давления и высвечивает на блоке индикации сообщение “Неисправна пневмосистема”. АИАД прекращает работу до вмешательства оператора.
В случае штатной ситуации, т.е. когда Рн достигает заданного значения за tн<tз, после прекращения накачки и начала ступенчатого стравливания воздуха из пережимной манжеты 5 с помощью клапана 2 начинается собственно процесс “Измерения давления”. Электрический сигнал с датчика давления 4 поступает на усилитель 6, а затем через ФНЧ 7 на АЦП 8. Этот сигнал абсолютного значения давления в пережимной манжете 5 запоминается в устройстве управления 12 и в дальнейшем служит для определения величин систолического(SIS), диастолического(DIА) и среднего давлений у исследуемого пациента.
Одновременно сигнал после ФНЧ 7 поступает на управляемый усилитель 15 и через ФВЧ 9 на усилитель тахосигнала 10. Управляемый усилитель 15 осуществляет аналоговое выделение переменной составляющей сигнала давления (сигнала объемного изменения давления) за счет компенсации постоянной составляющей сигнала на втором входе усилителя 15. Аналоговый компенсирующий сигнал, поступающий на второй вход усилителя 15, вырабатывается в цифровом виде устройством управления 12 и преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 16. На первый вход усилителя 10 поступает сигнал с выхода ФВЧ 9, т.е. дифференцированный сигнал давления в пневматической манжете (тахосигнал), который после усиления и оцифровки с помощью второго АЦП 11 подается в устройство управления 12.
Таким образом, из исходного сигнала формируются в цифровом виде три типа сигнала: сигнал абсолютного давления в пережимной манжете 5, сигнал объемных изменений давления в манжете и тахосигнал, которые поступают в устройство управления процессом измерения и обработки сигналов 12 для расчета фактических значений SIS, DIA давлений (и ряда других параметров) у исследуемого пациента.
Алгоритм работы модуля “Измерения давления” блока управления 12 представлен на фиг.3.
После инициализации устройства управления 12 и перед процессом накачки манжеты 5 (описано выше) осуществляется проверка базового (нулевого) уровня тахосигнала и вычисленное значение запоминается. Затем после завершения процесса накачки начинается ступенчатое стравливание воздуха из манжеты 5 и собственно процесс анализа поступающих сигналов с целью вычисления значений SIS, DIA. Описанные ниже операции реализуются на каждой из ступеней стравливания.
Тахосигнал и его производная используются в АИАД для четкого определения наличия и фазы пульсовых импульсов на сигнале объемных изменений давления. Для уверенного и точного определения амплитуды пульсовых импульсов необходимо зафиксировать на одной ступени хотя бы два таких импульса. Для этого на первом шаге производится корректировка порога захвата, который формируется на основании анализа предыдущих измерений или устанавливается по умолчанию в начале работы измерителя. Факт наличия пульсового импульса и его фаза определяются на основании анализа суммарного тахосигнала и его производной с соответствующими весами.
Так происходит обнаружение двух однотипных пульсовых импульсов с одновременным анализом артефактов. В результате анализа возможны два варианта развития. Два “одинаковых” пульсовых импульсов на одной ступени давления обнаружены за время менее 6 с - штатная ситуация; процесс анализа сигналов продолжается. За время 6 с два “одинаковых” пульсовых сигнала не удалось обнаружить - нештатная ситуация; следует команда включения клапана ступенчатого стравливания 2, т.е. переход на следующую ступень давления в манжете.
Рассмотрим штатную ситуацию. После обнаружения двух “одинаковых” импульсов в суммарном сигнале “извлекают” из буфера сигнал объемного изменения давления и по моменту, определяемому по суммарному сигналу, определяют начало и конец (базовые точки) пульсовой волны на кривой объемных изменений давления. В связи с тем, что давление в манжете даже в отсутствие импульсов в течение одной ступени изменяется (переходный процесс, перераспределение давления в системе и т.д.), то важным этапом является коррекция дрейфа пульсовых импульсов для уточнения базовых точек и последующее вычисление их амплитуд. Для повышения надежности обнаружения пульсовых импульсов и точности вычисления их амплитуд (с целью снижения вероятности принять артефакт за пульсовой импульс) производится дополнительный анализ артефактов по параметрам формы пульсовой волны, т.е. используется имеющаяся в нашем распоряжении априорная информация о форме пульсовых импульсов.
Если артефакты обнаружены, то возвращаемся к началу анализа и продолжаем искать два одинаковых импульса при условии, что время поиска менее 6 с.
Если артефакт не обнаружен, то анализ сигнала очередной ступени давления заканчивают, включают клапан ступенчатого стравливания 2. Строится график обнаруженных пульсовых импульсов всех предыдущих ступеней (от каждой ступени берется полусумма от двух обнаруженных пульсовых импульсов) и формируется огибающая серии импульсов с последующей аппроксимацией кусочно-гладкой кривой - построение “колокола”. Производится предварительный анализ “колокола” на возможность завершения измерений, т.е. на наличие минимально необходимого количества точек огибающей для вычисления артериального давления.
Если анализ “колокола” показывает, что количество точек недостаточно, то осуществляется обсчет следующей ступени. Одновременно определяется необходимость изменения величины накачки Рн. Обычно Рн определяют как предыдущее значение систолического давления данного пациента плюс 30-40 мм рт.ст. или задают “по умолчанию” при первом измерении.
Если анализ колокола показывает, что количество точек достаточно для вычисления SIS, DIA и среднего давлений, то устройство управления 12 приступает к их расчету и выдаче результатов на блок индикации 13 (устройство визуализации). Величина абсолютного давления в момент, соответствующий моде (максимуму) построенного “колокола”, принимается за величину среднего артериального давления. Величина абсолютного давления, соответствующая уровню примерно 0,5 от максимальной амплитуды (в сторону больших значений давления) принимается за систолическое артериальное давление, а уровню примерно 0,75 от максимальной амплитуды (в сторону меньших давлений) - за величину диастолического артериального давления.
На этом процесс измерения заканчивается.
Формула изобретения
Автоматический измеритель артериального давления, содержащий пневматически связанные между собой через ресивер воздушный компрессор, электромагнитный пневматический клапан ступенчатого сброса давления, электромагнитный клапан сброса остаточного давления, датчик давления и пережимную измерительную манжету, усилитель электрических сигналов, первый вход которого подключен к выходу датчика давления, а выход через фильтр низких частот – к первому входу первого аналого-цифрового преобразователя и через фильтр высоких частот – к первому входу усилителя тахосигнала, выход которого подключен к первому входу второго аналого-цифрового преобразователя, при этом выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов, выход второго аналого-цифрового преобразователя – ко второму входу устройства управления, многоразрядный выход которого подключен к многоразрядному входу блока индикации, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к первым входам воздушного компрессора, клапана ступенчатого сброса давления, клапана сброса остаточного давления и блок питания, выход которого подключен соответственно к второму входу усилителя электрических сигналов, к фильтру низких и высоких частот, вторым входам компрессора, клапана ступенчатого сброса давления, клапана сброса остаточного давления, первого и второго аналого-цифрового преобразователя, усилителя тахосигнала, четвертому входу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов и входу блока индикации, отличающийся тем, что измеритель артериального давления снабжен управляемым усилителем сигнала объемного изменения давления, первый вход которого подключен к выходу фильтра низких частот, второй вход через цифроаналоговый преобразователь – к четвертому выходу устройства управления процессом измерения и обработки сигналов, третий вход которого через третий аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу управляемого усилителя сигнала объемного изменения давления, третий вход которого соединен с блоком питания, выход которого подключен соответственно к вторым входам цифроаналогового преобразователя и третьего аналого-цифрового преобразователя.
РИСУНКИ
