Компрессионный способ измерения физиологических показателей состояния организма и устройство для его осуществления
Изобретение относится к медицине и медицинской технике. Измеряют артериальное давление с компрессионно-декомпрессионным изменением давления в оборачивающей плечо манжете. При этом в декомпрессионный период привносят или исключают механическое влияние дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету. Вычисляют и анализируют проявление в спектре осциллометрического сигнала составляющих, отвечающих за пульсирующее кровенаполнение сосудов и дыхательных волн. Выделяют пики, частоты максимумов которых принадлежат диапазонам частот сердечных сокращений и дыхания и которые преимущественно имеют гармоники на соответствующих частотах. Определяют частоты выделенных пиков, являющиеся результатом измерения частоты сердечных сокращений и частоты дыхания. По структуре спектра осциллометрического сигнала характеризуют ответственные за проявление дыхания механизмы как суперпозицию действия независимых составляющих. Выделяют пики, соответствующие модулирующему действию на пульсирующее кровенаполнение сосудов дыхательных волн, непосредственному механическому действию внешних дыхательных движений грудной клетки на манжету. Для этого используют устройство, содержащее пневматически соединенные с манжетой и связанные между собой блок измерения артериального давления и систему получения спектра осциллометрического сигнала. При этом оно дополнено содержит фиксирующий пояс, обеспечивающий охват грудной клетки и руки с надетой на нее плечевой манжетой. Изобретение повышает достоверность результатов измерения, что достигается за счет контроля съема сигнала. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к медицине и медицинской технике, точнее к способам и устройствам для косвенных измерений физиологических показателей состояния организма, более точно к способам компрессионных измерений показателей артериального давления (АД) и дыхания, проявления и оценки дыхательной активности в разных тканях организма, а также для повышения достоверности результатов измерений. Изобретение можно использовать для диагностических целей, мониторинга состояния организма, а также контроля терапевтических мероприятий. Оно может применяться в различных ситуациях, включая кардиореспираторные исследования в клиниках, кабинетах функциональной диагностики, при обследованиях в режиме экспресс-диагностики, в чрезвычайных ситуациях, исследованиях профессиональных заболеваний, в спортивной медицине, в суточном мониторировании физиологических показателей и многих других медицинских исследованиях.
Известны способы измерения физиологических показателей: АД, частоты сердечных сокращений (ЧСС) и дыхания. Среди них известны косвенные методы измерения АД и ЧСС, которые основаны на регистрации осциллометрического сигнала во время компрессионных воздействий на кровеносные сосуды верхней конечности. Реализующее измерения устройство включает соответственным образом соединенные окклюзионную плечевую манжету, блок создания давления и блок управления, регистрации и обработки биосигналов. Однако известные компрессионные способы и измерители АД не проявляют влияние дыхательной активности на разные ткани, не определяют показатели дыхания и его влияние на пульсирующее кровенаполнение сосудов, что ограничивает функциональные возможности медицинских исследований. Недостатком также является проявление во время измерений артефактов, вызванных возможными движениями плеча с обернутой вокруг него пневматической манжетой. Из-за близкого расположения плеча и грудной клетки ее дыхательные экскурсии также могут создавать механические воздействия на манжету. Этот фактор строго не контролируют, несмотря на влияние на результат измерений.
Для получения данных о дыхании принято регистрировать пневмографический сигнал, по которому определяют временные параметры вдоха и выдоха и частоту дыхания. Пневмограмму регистрируют, например, посредством располагаемого на грудной клетке пояса отведения с установленным на поясе пневмографическим датчиком, и в результате обработки данных определяют показатели дыхания. Однако не анализируют проявление дыхательной активности в разных тканях организма.
При необходимости получения совместных данных о параметрах АД, ЧСС и дыхания известные способы и устройства используют одновременно. Объединение двух каналов измерения (АД и дыхания) и соответствующих устройств съема сигналов (манжеты и пояса отведения с датчиком пневмограммы) позволяет определять показатели АД и дыхания. Однако это усложняет эксплуатацию измерительного комплекса, из-за необходимости совместного снаряжения на теле устройств съема информации, внимания и контроля над ними со стороны медицинского персонала. В то же время не производится анализ влияния дыхательной активности на разные ткани организма.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является решение [1], обеспечивающее при компрессионном воздействии на кровеносные сосуды плеча измерение не только показателей АД и ЧСС, а также частоты дыхания (ЧД). В декомпрессионный период измерительной процедуры в течение нескольких циклов дыхания сохраняют постоянным уровень давления в манжете, в диапазоне между верхним и нижним значениями АД. На этой ступеньке регистрируют тоны Короткова, по огибающей амплитудных значений которых выделяют дыхательные волны и по ним определяют показатели дыхания. Устройство включает два канала регистрации сигналов и соответственно два первичных преобразователя физиологической информации. Это - измерительные каналы и соответствующие им датчики давления и тонов Короткова.
К недостатку компрессионного способа и устройства [1], являющихся прототипом, относится увеличение продолжительности времени измерений, по сравнению со стандартным циклом измерения АД окклюзионными методами. Это вызвано необходимостью регистрации нескольких циклов дыхания для повышения точности измерения его показателей. Вместе с удлинением общего времени обследования при этом также увеличивается продолжительность компрессионного воздействия, создающего дискомфортные болевые ощущения пациенту, а также влияние на его состояние и физиологические показатели. Другие недостатки решения [1] проявляются в ситуациях, когда тоны Короткова не прослушиваются, или при существенных изменениях АД во время измерений. Они являются источником возможных ошибок измерений не только показателей АД, но и дыхания. Кроме того, недостатком является отсутствие информации о влиянии дыхательной активности на разные ткани организма.
Целями изобретения являются:
- расширение функциональных возможностей способа измерения физиологических показателей при компрессионных воздействиях, достигаемое за счет определения дополнительных показателей и данных, отражающих состояние дыхания и его действие на пульсирующее кровенаполнение сосудов и другие ткани организма;
- получение дополнительной физиологической информации на основе данных, регистрируемых в процедуре измерения АД в стандартном цикле изменения давления в манжете;
- минимизация числа каналов и располагаемых на теле первичных преобразователей информации;
- повышение достоверности результатов измерения за счет создания контролируемых условий съема сигналов;
- получение данных о модулирующем влиянии дыхания на распространяемые в сосудистой системе пульсовые волны кровенаполнения в теле.
Указанная задача решается следующим образом.
Компрессионный способ измерения физиологических показателей включает измерение артериального давления в процедуре с компрессионно-декомпрессионным изменением давления в оборачивающей плечо манжете, которое проводят, контролируя условие съема регистрируемого в декомпрессионный период сигнала с осцилляциями давления в манжете, путем привнесения или исключения механического влияния дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету, вычисляют спектр осциллометрического сигнала, анализируют проявление в спектре составляющих, отвечающих за пульсирующее кровенаполнение сосудов и дыхательные волны, выделяя пики, частоты максимумов которых принадлежат диапазонам частот сердечных сокращений и дыхания, и которые преимущественно имеют гармоники на соответствующих частотах, определяют частоты выделенных пиков результатом измерения частоты сердечных сокращений и частоты дыхания и по структуре спектра осциллометрического сигнала характеризуют ответственные за проявление дыхания механизмы как суперпозицию действия независимых составляющих, выделяя пики, соответствующие модулирующему действию на пульсирующее кровенаполнение сосудов дыхательных волн, непосредственному механическому действию внешних дыхательных движений грудной клетки на манжету и действию внутренних дыхательных движений, передаваемых в объеме тела за счет сил натяжения в системе фасциальных тканей. Модулирующее действие дыхательных волн на пульсирующее кровенаполнение сосудов определяют как соответственно действие на несущий сигнал модулирующего сигнала и выделяют в спектре в виде пика, представляющего несущий сигнал и двух ответственных за модулирующий сигнал пиков, спутников, на нижней и верхней боковых частотах, относительно частоты максимума пика, несущего сигнала, и определяют коэффициентом амплитудной модуляции, равным удвоенному отношению амплитуд модулирующего и несущего сигналов.
При анализе проявлений дыхания в спектре осциллометрического сигнала, полученного из данных, регистрируемых в условиях, исключающих механическое действие дыхательных движений грудной клетки на манжету, выделяют пик, частота максимума которого соответствует частоте дыхания, за который отвечают объемные изменения тканей, вызванные изменением сил натяжения в системе взаимодействующих фасций, и выделяют пики, за которые отвечает модулирующее действие дыхательных волн в теле на пульсирующее кровенаполнение сосудов, которое характеризуют коэффициентом амплитудной модуляции как удвоенное отношение амплитуд модулирующего и модулируемого сигналов, соответственно на боковой частоте спутника и частоте несущего сигналов.
При анализе данных проявляют действие внешних дыхательных движений грудной клетки на манжету. Для контроля механического действия дыхательных движений грудной клетки на манжету используют фиксирующий пояс, охватывающий вместе грудную клетку и плечо с обернутой вокруг него манжетой, усиливая проявление в спектре осциллометрического сигнала выделение пика дыхательной составляющей, обусловленной непосредственным механическим действием дыхательных движений грудной клетки на манжету, по сравнению с действием пульсирующего кровенаполнения сосудов плеча.
Результат анализа спектра осциллометрического сигнала, в котором однозначно не проявляются составляющие пиков, ответственных за дыхательные волны и пульсирующее кровенаполнение сосудов, определяют как артефакт, который связывают с нарушением условий регистрации данных.
Компрессионный способ измерения физиологических показателей реализуется устройством, включающем в своем составе пневматически соединенные с манжетой и связанные между собой блок измерения АД и систему получения спектра осциллометрического сигнала, и фиксирующий пояс.
Блоком измерения АД реализуется осциллометрический способ измерения АД и представляются результаты измерения. При этом блоком измерения АД автоматически создается давление в манжете и в нем анализируются возникающие осцилляции давления в манжете, вызванные пульсирующим кровенаполнением сосудов и объемными изменениями окружающих тканей. Давление в манжете преобразуется в электрический сигнал и в цифровую форму, обрабатывается и результаты представляются в виде измеряемых показателей систолического и диастолического давления.
Манжетой осуществляется взаимодействие технических средств с сосудистой системой и другими тканями плечевого сегмента конечности. Посредством манжеты компрессионное давление передается на кровеносные сосуды, и воспринимаются осцилляции давления в манжете, вызванные зависимым от степени компрессии кровенаполнением сосудов и объемными изменениями окружающих тканей. Манжетой также воспринимаются внешние механические воздействия на нее движений грудной клетки.
Системой получения спектра осциллометрического сигнала регистрируют давление в манжете, из которого выделяют осцилляции давления и вычисляют частотный спектр осциллометрического сигнала, в структуре которого проявляют действие на манжету дыхательных движений грудной клетки, модулированное дыханием пульсирующее кровенаполнение сосудов и объемные изменения окружающих их тканей. В систему входят преобразователь давления, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, регистрации, обработки и представления информации. При этом преобразователь давления преобразует подаваемое на него давление в манжете в пропорциональный электрический сигнал. Аналого-цифровым преобразователем этот сигнал преобразуется в цифровую форму. На дисплее блока управления, регистрации обработки и представления информации визуализируются временная диаграмма изменения сигнала давления в манжете, регистрируемого в декомпрессионный период измерительного процесса, и вычисляемые осциллометрический сигнал и спектр осциллометрического сигнала. Посредством блока управления, регистрации, обработки и представления информации по зарегистрированным в ходе измерительной процедуры данным получают информацию о частоте сердечных сокращений, частоте дыхания и о характере влияния дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов и объемные изменения окружающих их тканей в теле.
Фиксирующим поясом обеспечивают контроль условий проведения измерений путем общего охвата и фиксации положения плеча с обернутой вокруг него манжетой и грудной клетки. Пояс ограничивает возможные движения относительно друг друга верхней конечности и грудной клетки за счет чего, кроме повышения информативности, повышается достоверность результатов измерения. Для удобства и оперативности использования фиксирующего пояса он конструктивно может быть объединен с манжетой.
В результате проведенного компрессионным способом измерения определяются отражающие состояние организма (функций кровообращения и дыхания) физиологические показатели - систолическое и диастолическое давление, частота сердечных сокращений, частота дыхания, и определяется характер влияния дыхания на регистрируемый при измерении сигнал, или проявление артефактов, связанных с движением грудной клетки.
Другой особенностью компрессионного способа измерения физиологических показателей является использование спектра осциллометрического сигнала, в котором выделяются составляющие, связанные с волновыми изменениями давления в манжете, отражающими пульсирующее кровенаполнение сосудов и объемные изменения окружающих их тканей, вследствие дыхательных волн. Получение данных в результате анализа спектра расширяет функциональные возможности исследований, представляя состояние жизненно важных функциональных систем кровообращения и дыхания и их взаимодействие.
Еще особенностью компрессионного способа измерения физиологических показателей является то, что расширение номенклатуры измеряемых показателей не увеличивает продолжительность времени измерений и компрессирующих воздействий на кровеносные сосуды, по сравнению с продолжительностью измерения АД стандартным осциллометрическим способом.
К особенностям способа относится создание контролируемых условий при измерении за счет использования фиксирующего пояса.
Пятой особенностью компрессионного способа является его осуществление с использованием в роли первичного преобразователя лишь одной манжеты, в которой регистрируется давление воздуха.
Шестая отличительная особенность компрессионного способа измерения физиологических показателей состоит в том, что регистрация данных для обработки производится, например, в декомпрессионный период измерения АД.
Седьмая отличительная особенность компрессионного способа измерения физиологических показателей состоит в том, что выявляются артефакты, связанные с нарушением условий регистрации сигнала давления в манжете.
Патентными исследованиями не выявлено технических решений с признаками, сходными по признакам, отличающим заявляемое решение от прототипа. Поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Сущность изобретения поясняется приведенными чертежами.
На фиг.1-3 - варианты исполнения устройства для измерения физиологических показателей. На фиг.4 и 5 - варианты расположения фиксирующего пояса, охватывающего грудную клетку и руку с плечевой манжетой. На фиг.6 и 7 - временные диаграммы и соответствующие им спектры осциллометрического сигнала, полученные при измерении артериального давления в декомпрессионный период изменения давления в манжете, соответственно в условиях, привносящих механическое действие дыхательных движений грудной клетки на манжету, и в условиях, исключающих механическое действие дыхательных движений грудной клетки на манжету. На фиг.8 и 9 - временные диаграммы и соответствующие им спектры осциллометрического сигнала, полученные при измерении артериального давления в декомпрессионный период изменения давления в манжете, в функциональных пробах, в условиях, исключающих механическое действие дыхательных движений грудной клетки на манжету.
Исполненное в вариантах фиг.1, или фиг.2, или фиг.3 устройство для компрессионных измерений физиологических показателей содержит пневматически соединенный с манжетой 2 и связанные между собой блок 1 измерения АД и систему 3 получения спектра осциллометрического сигнала, и фиксирующий пояс 4.
Блок 1 измерения АД обеспечивает автоматическое создание компрессионно-декомпрессионного цикла изменения давления в манжете, регистрацию и определение при этом, по осциллометрическому сигналу, показателей систолического и диастолического давления. Блок 1 измерения АД может быть автономным и функционировать независимо от остальных электронных блоков устройства (фиг.1).
Блок 1 в устройстве может быть соединен с блоком 7 управления, регистрации, обработки и представления информации и работать под его управлением (фиг.2 и 3).
Манжета 2 обеспечивает создание компрессионного давления на кровеносные сосуды и регистрацию возникающих во время декомпрессии осцилляций давления в манжете, связанных с пульсациями кровенаполнения сосудов. Манжетой 2, при условии совместного охвата фиксирующим поясом 4 плеча с манжетой 2 и грудной клетки, также воспринимаются внешние механические воздействия, создаваемые дыхательными и другими движениями грудной клетки.
Система 3 получения спектра осциллометрического сигнала содержит преобразователь 5 давления, электрически связанный с аналого-цифровым преобразователем 6, соединенным с блоком 7 управления, регистрации, обработки и представления информации. Давление воздуха в манжете 2 посредством преобразователя 5 давления преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. В качестве преобразователя 5 давления используется независимый от блока 1 преобразователь давления (фиг.1 или 2) или преобразователь давления, входящий в состав блока 1 измерения АД (фиг.3). В любом из этих вариантов электрический выход преобразователя 5 давления соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6.
Аналого-цифровой преобразователь 6 предназначен для преобразования аналоговых электрических сигналов, поступающих на него от преобразователя 5 давления, в цифровой код, передаваемый на вход блока 7 управления, регистрации, обработки и представления информации.
Блок 7 управления, регистрации, обработки и представления информации обеспечивает управление, сбор цифровых данных, поступающих с выхода аналого-цифрового преобразователя 6, обработку и представление информации. При работе по схемам, изображенным фиг.2 и 3, блок 7 обеспечивает также взаимодействие с блоком 1 измерения АД. В блоке 7 визуально представляются регистрируемые сигналы давления в манжете 2, производится накопление данных, обработка зарегистрированной информации и представление спектра осциллометрического сигнала. В качестве блока 7 управления, регистрации, обработки и представления информации используются разные варианты известных технических решений, например устройство на основе микропроцессорного контроллера, или персональный компьютер. Для целей исследования и отработки методик в практическом применении предпочтителен персональный компьютер. При этом блок 1 измерения АД, например модуль «OEM-NIBP» (Микролюкс, Челябинск), при работе по схемам фиг.2 и 3, сопрягается с компьютером и под управлением соответствующей установленной программы обеспечивает измерения АД.
Фиксирующий пояс 4 предназначен для общего охвата плеча с манжетой и грудной клетки. Им создают условия, контролирующие воздействия на манжету дыхательных и других движений грудной клетки. За счет прижатия к грудной клетке пояс 4 ограничивает движения плеча. Это создает условия съема сигналов, в которых контролируют расположение и механическое взаимодействие плеча с грудной клеткой.
Компрессионный способ измерения физиологических показателей осуществляют следующим образом.
Собирают пневмоэлетрическую схему в соответствии с фиг.1, или 2, или 3. Плечо пациента оборачивают пневматической манжетой 2. При необходимости фиксирующим поясом 4 охватывают грудную клетку и плечо с обернутой вокруг него манжетой, используя один из вариантов фиксации положения плеча (фиг.4 или 5). За счет общего охвата и создания механической связи между плечом и грудной клеткой обеспечивается контроль условия над действием дыхательных движений грудной клетки на манжету.
Подают команду измерить АД. При работе с устройством по схеме фиг.1 это осуществляют подачей команды непосредственно на блок 1. При работе с устройством по схемам фиг.2 или 3 команду подают от персонального компьютера. В исполнении поступившей команды блоком 1 измерения АД производится компрессионно-декомпрессионный измерительный цикл изменения давления в манжете 2. Блоком 1 по программе, реализующей алгоритм осциллометрического метода измерения АД, осуществляется автоматическое управление давлением в манжете 2. В период декомпрессии в регистрируемом сигнале давления в манжете проявляется пульсирующее кровенаполнение сосудов плечевого сегмента конечности, представляющее осциллометрический сигнал. При этом амплитуда осцилляции зависит от уровня давления в манжете, действующего на просвет кровеносных сосудов, расположенных в области подманжетного пространства, и отражает изменение амплитуды пульсаций кровенаполнения сосудов. При обработке регистрируемых данных в блоке 1 выделяется «колокол» огибающей амплитуд пульсаций, по которому определяются показатели АД. В конце измерения АД по команде от блока 1 давление в манжете 2 автоматически сбрасывается. Блок 1 измерения АД приходит в исходное состояние готовности к проведению нового измерения. При работе с устройством (фиг.1) измеренные показатели систолического и диастолического давления отображаются на цифровом табло блока 1. При работе с устройством по схемам фиг.2 или 3 измеренные показатели отображаются в интерфейсном окне программы измерения АД, установленной на персональном компьютере.
В декомпрессионный период измерительного процесса параллельно с работой блока 1 измерения АД в системе 3 получения спектра осциллометрического сигнала, посредством преобразователя 5 давления, аналого-цифрового преобразователя 6 и блока 7 управления, регистрации, обработки и представления информации, также регистрируется давление в манжете. В этом сигнале проявляется результирующее действие нескольких составляющих в суперпозиции независимых механических взаимодействий тканей тела и манжеты. К ним относится результат работы блока 1 измерения АД, создающего спадающее давление в манжете, пульсирующее кровенаполнение сосудов, низкочастотные объемные изменения окружающих кровеносные сосуды тканей и дыхательные и другие движения грудной клетки.
В измерениях, проводимых без фиксирующего пояса 4, руку и плечо пациента располагают таким образом, что манжета не соприкасается с грудной клеткой. На манжету при этом не передаются движения грудной клетки. Для этого пациент специально инструктируется, чтобы исключить во время измерений механическое действие грудной клетки на манжету. Работа всех блоков устройства производится так же, как и при измерениях с использованием фиксирующего пояса 4. Однако в регистрируемом сигнале давления в манжете исключено проявление непосредственных механических воздействий на нее, связанных с дыхательными и другими внешними движениями грудной клетки.
Программное обеспечение регистрации сигналов давления и сбор данных строится на компьютерной программе управления, регистрации и обработки, например «Power graph» (программный продукт фирмы «L-card»). Программа предназначена для обслуживания подключенных к персональному компьютеру устройств ввода-вывода.
В блоке 7 в декомпрессионный период изменения давления в манжете включается регистрация спадающего осциллирующего давления в манжете. С остановкой регистрирующей записи сбор данных завершается. Это производят при давлении ниже диастолического, но до автоматического сброса давления в манжете блоком 1 измерения АД. Так исключается регистрация данных, в которых могут присутствовать броски давления в манжете, связанные с переходными процессами из-за технических особенностей управления созданием давления в манжете.
Полученные при регистрации данные о давлении в манжете программно обрабатывают, используя функцию дифференцирования, в результате чего получают осциллометрический сигнал. Затем средствами спектроанализатора программы «Power graph», методом быстрого преобразования Фурье, автоматически вычисляют спектр.
В рассчитанном спектре анализируют положение частот максимумов пиков, за которые отвечают квазипериодические составляющие сигнала давления в манжете 2. Эти пики проявляются как низкочастотные и высокочастотные составляющие осциллометрического сигнала. Высокочастотные составляющие связаны с пульсирующим кровенаполнением сосудов. Низкочастотные составляющие, в частности, связаны с дыханием. В зависимости от условий проведения измерений дыхание в спектре может проявляться с разной степенью выраженности независимых составляющих. Одним из них является модулирующий фактор дыхания, действующий на АД и пульсирующее кровенаполнение сосудов в грудной полости [2]. Вдох связывается с уменьшением АД, а выдох с повышением АД, а дыхательные волны при этом считаются проявлением волн второго порядка. Дыхательные волны в теле также участвуют в создании другой независимой составляющей в суперпозиции с первой, в виде объемных изменений тканей в теле, создаваемых за счет изменений при дыхании сил натяжения в системе взаимосвязанных фасций [3]. Третья независимая составляющая в суперпозиции может проявляться из-за одновременного внешнего механического действия непосредственно на манжету дыхательных и других движений грудной клетки.
Анализ проявления дыхания в спектре проводят, учитывая принципы суперпозиции и модуляции. Согласно принципу суперпозиции, результирующий эффект от независимых действий представляет собой сумму эффектов, вызываемых этими действиями в отдельности. Принцип модуляции несущего сигнала состоит в том, что результирующий эффект в спектре проявляется в виде трех пиков, соответственно на несущей частоте и на нижней и верхней боковых частотах двух спутников [4]. Значения нижней и верхней боковых частот пиков, спутников, равны соответственно разнице и сумме частоты модулируемого, несущего сигнала, и частоты модулирующего сигнала, а именно дыхательных волн, действующих в грудной клетке на пульсирующее кровенаполнение, как на несущий сигнал. По спектру осциллометрического сигнала, в котором проявляется модулирующее действие дыхательных волн на пульсирующее кровенаполнение сосудов, определяют коэффициент модуляции Км, равный удвоенному отношению значений максимумов пиков, представляющих модулирующий и несущий сигналы. В спектре осциллометрического сигнала, в котором имеются пики в диапазонах изменения частот быстро- и медленноволновых изменений давления в манжете и преимущественно выделяются гармоники этих пиков, эти частоты определяют как показатели частоты сердечных сокращений и дыхания.
Применение компрессионного способа измерения физиологических показателей иллюстрируется примерами 1-4: в варианте использования фиксирующего пояса, охватывающего грудную клетку и руку (пример 1); в варианте, исключающем непосредственное влияние механического действия дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету (пример 2); при функциональных пробах (примеры 3 и 4). В экспериментах использованы функциональная дыхательная проба с задержкой дыхания и с использованием физической нагрузки 10 приседаний за 10 с, создающей учащение частоты сердечных сокращений, частоты дыхания и повышение АД.
Данные о обследуемом.
Мужчина (А-ев), возраст 27 лет, практически здоров, вес 70 кг, рост 175 см, нормотоник. Данные, полученные независимыми методами, до проведения исследований: АД 115/76 мм рт. ст.; ЧСС 52 уд./мин; ЧД 14 дых./мин. В исследованиях компрессионным способом измерения физиологических показателей состояния организма пациент находился в спокойном состоянии в положении сидя, мышцы не напряжены.
Данные об устройстве для осуществления компрессионного способа измерения физиологических показателей.
Все измерения проводились по схеме фиг.2 с использованием манжеты «Eclipse, Pediatrtic, range 16-22cm» (продукция фирмы SunTech). Ширина манжеты, определяющая ширину зоны компрессионного воздействия на ткани плечевого сегмента конечности 11 см. В качестве блока 1 измерения АД использован модуль «OEM-NIBP» неинвазивных измерений АД (фирма «Микролюкс», г.Челябинск), снабженный выводом для связи с персональным компьютером через USB-порт. В персональном компьютере установлена программа измерения АД модулем «OEM-NIBP». В данном случае персональный компьютер (notebook IBM ThinkPad) использован в качестве блока 7 управления, регистрации, обработки и представления информации. В системе 3 получения спектра осциллометрического сигнала в качестве преобразователя 5 давления использован преобразователь давления 26PC05SMT (производство фирмы "Honeywell"). В роли аналого-цифрового преобразователя 6 использован производимый фирмой "L-Card" модуль Е14-440, обеспечивающий 16-разрядное аналого-цифровое преобразование входных сигналов и передачу данных на персональный компьютер по линии связи через USB-порт компьютера. Частота опроса регистрируемого модулем сигнала давления в манжете устанавливалась в программе 200 Гц.
Регистрируемые сигналы давления в манжете отображались на мониторе компьютера вместе с результатами обработки данных. Для этого использовались средства компьютерной программы «Power graph».
Пример 1. Измерение физиологических показателей с контролем условия съема сигнала давления в манжете путем привнесения влияния дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету за счет охватывающего грудную клетку и руку фиксирующего пояса. В качестве фиксирующего пояса использован ремень шириной 8 см.
После запуска установленной в персональном компьютере программы измерения АД модулем «OEM-NIBP» автоматически производился компрессионно-декомпрессионный цикл изменения давления в манжете. В интерфейсном окне этой программы индицировались численные значения текущего уровня давления в манжете. В период декомпрессии воздуха в манжете, при уровне 170±3 мм рт. ст., запускали программу регистрирующей записи сигналов давления в манжете «Power Graph». В интерфейсном окне программы на экране монитора наблюдали соответствующие изменения регистрируемого сигнала давления в манжете. При давлении 50±3 мм рт. ст., еще до окончания измерения АД, но ниже диастолического давления (приблизительно на сороковой секунде записи) остановили регистрацию. На верхней диаграмме фиг.6 показано зарегистрированное давление в манжете. По оси Х - оцифрованные отметки текущего времени, в секундах (с), от начала регистрации. По оси Y - отметки давления в манжете, мм рт. ст. На диаграмме давления в манжете имеется спадающая кривая с наложением осциллирующей компоненты. При завершении измерения АД модулем «OEM-NIBP» давление в манжете автоматически было сброшено и в интерфейсном окне программы измерения АД были выведены цифровые значения измеренного систолического и диастолического давления: 108/74 мм рт. ст. Зарегистрированные данные сигнала давления в манжете обрабатывали средствами программы «Power Graph». После выполнения функции дифференцирования получен осциллометрический сигнал, содержащий осцилляции давления в манжете (фиг.6, средняя диаграмма). Цена одного деления по оси Х- 1с. По оси Y - относительные единицы. В осциллограмме явно проявляется периодический характер дыхательных волн, которые связаны с механическим действием дыхательных движений грудной клетки на манжету. На кривой также присутствуют осцилляции, связанные с пульсирующим кровенаполнением сосудов. По данным о осциллометрическом сигнале вычислен его спектр, представленный в интерфейсном окне программы спектрального анализа этой программы (фиг.6, нижняя диаграмма). По оси У - оцифрованные отметки значений спектральной плотности мощности осциллометрического сигнала, усл. ед., по оси Х - отметки частоты, Гц. Вычисления проведены программой "Power graph" по алгоритму быстрого преобразования Фурье с разрешением 16384 точки и с использованием спектрального окна Блэкмана.
В полученном спектре плотности мощности (Power) осциллометрического сигнала выделяются два пика, максимумы частот которых лежат соответственно в диапазоне возможных частот сердечных сокращений (отметка 1, на частоте 0,83 Гц, соответствующая 50 ударам в минуту), и в диапазоне возможной частоты дыхания (отметка 2, на частоте 0,29 Гц, соответствующая 17,4 дыханиям в минуту). Кроме того, выделенные в спектре отметками 3 и 4 пики с максимумами на частотах 1,67 Гц и 0,6 Гц являются вторыми частотными гармониками соответственно пиков 1 и 2. Поэтому частота максимума пика 1 является частотой пульсирующего кровенаполнения сосудов и соответствует частоте сердечных сокращений. Она соответствует и предварительно определенной в независимом исследовании частоте пульса 52±3 уд/мин. Низкочастотный пик спектра осциллометрического сигнала с максимумом на частоте 0,29 Гц является проявлением медленных волновых процессов, связанных, в частности, с воздействием дыхательных движений грудной клетки на манжету. Пик 1 не имеет свойственных модулируемому сигналу, с различием на 0,29 Гц нижней и верхней боковых частот, спутников. Это свидетельствует об отсутствии проявления модулирующего влияния дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов в области подманжетного пространства из-за созданных условий съема сигнала давления в манжете. В то же время за счет использования фиксирующего пояса амплитуда пика на частоте 0,29 Гц более чем в два раза превосходит мощность на частоте 0,89 Гц. Это связано с более мощным проявлением действия дыхательных движений грудной клетки на манжету, по сравнению с действием пульсирующего кровенаполнения сосудов и объемных изменений окружающих тканей на манжету. Таким образом, в результате измерений получены данные о физиологических показателях: АД (108/74 мм рт. ст.), ЧСС (50 ударов в минуту), ЧД (17,4 дыхания в минуту). Кроме того, по спектру определено проявление дыхания в регистрируемом сигнале осцилляции как действие дыхательных движений грудной клетки на манжету, что соответствует условию проведения исследования.
Пример 2. Измерение физиологических показателей с контролем условия съема сигналов давления в манжете путем исключения влияния дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету. Фиксирующий пояс в исследовании не использован. Как и в примере 1, на верхней диаграмме (фиг.7) показано зарегистрированное давление в манжете в декомпрессионный период измерения артериального давления (в диапазоне 170-50 мм рт.ст.). Результат измерения АД: 121/77 мм рт.ст. На фиг.7 (средняя диаграмма) - осциллометрический сигнал с осцилляциями давления в манжете, в котором превалируют высокочастотные пульсации и проявляется низкочастотная огибающая. В вычисленном спектре (фиг.7, нижняя диаграмма) соответственно выделяются высокочастотный и низкочастотный пики 1 и 2 (с максимумом на частоте 1,01 Гц, соответствующей 60,6 ударам в минуту, и с максимумом на частоте 0,18 Гц, соответствующей 11 дыханиям в минуту). Частоты выделенных пиков принадлежат диапазонам частот сердечных сокращений и дыхания. Пики 1 и 2 в спектре имеют гармонические повторения (соответственно пики 3 и 9 -вторая и третья гармоники пика 1, на частотах 2,03 Гц и 3,04 Гц, пик 4 -вторая гармоника пика 2, на частоте 0,37 Гц). Таким образом, частота максимума пика 1 определяется, как частота пульсирующего кровенаполнения сосудов, соответствующая частоте сердечных сокращений, частота пика 2 соответствует частоте дыхания. При анализе проявлений дыхания по спектру осциллометрического сигнала также выделяются пики 5 и 6, являющиеся нижней и верхней боковыми частотами, спутниками пика 1, и пики 7 и 8 нижней и верхней боковыми частотами, спутниками пика 3 (отметка пика 5 - на частоте 0,85 Гц, пика 6 - на частоте 1,18 Гц, пика 7 - на частоте 1,87 Гц и пика 8 - на частоте 2,21 Гц). Таким образом, триада пиков на частотах с отметками 1, 5 и 6 повторяется в частотной области второй гармоники пика 1 (на частотах с отметками 3, 7 и 8). Одинаково сдвинутые по частоте, приблизительно на 0,18 Гц, нижняя и верхняя боковые частоты, спутники пиков 1 и 3, соответствует проявлению модулирующего действия дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов. Удвоенное отношение амплитуд пиков 5 и 1 представляется коэффициентом амплитудной модуляции КM≈0,26. Присутствие пиков 2 и 4 в спектре является проявлением независимой дыхательной составляющей в суперпозиции с проявлением модулирующего действия дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов. Оно объясняется объемными изменениями тканей в теле, создаваемыми за счет изменений при дыхании сил натяжения в системе взаимосвязанных фасций. Таким образом, в результате проведенных измерений и анализа получены данные о физиологических показателях: АД (121/77 мм рт. ст.), ЧСС (60,6 ударов в минуту) и ЧД (11 дыханий в минуту). По спектру осциллометрического сигнала определен характер действия и проявления дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов и объемные изменения тканей в теле, создаваемые за счет изменений при дыхании сил натяжения в системе взаимосвязанных фасций. А именно, в спектре осциллометрического сигнала осцилляций давления в манжете содержатся две независимые составляющие: модулированное низкочастотными дыхательными волнами в объеме тела пульсирующее кровенаполнение сосудов с коэффициентом амплитудной модуляции КM≈0,26 и, кроме того, проявляются объемные изменения тканей с частотой, равной частоте дыхания.
Пример 3. Измерение физиологических показателей с проведением функциональной пробы задержки дыхания. Как и в примерах 1 и 2, на верхней диаграмме (фиг.8) приводится зарегистрированное давление в манжете в декомпрессионный период (в диапазоне 160-66 мм рт. ст.) измерения артериального давления. Запись сделана в условиях, исключающих действие дыхательных движений грудной клетки на манжету. Фиксирующий пояс в исследовании не использован. Результат измерения АД: 130/94 мм рт. ст. На фиг.8 (средняя диаграмма) - осциллометрический сигнал, в котором явно выделяются высокочастотные осцилляции, и не выраженные непериодические низкочастотные изменения огибающей. Соответственно, в вычисленном спектре (фиг.8, нижняя диаграмма) выделяется высокочастотный пик 1 (с максимумом на частоте 0,95 Гц, соответствующей 57 ударам в минуту) и две его гармоники (пик 2, с максимумом на частоте 1,93 Гц, и пик 3, с максимумом на частоте 2,82 Гц). Частота максимума пика 1 принадлежит диапазону частот сердечных сокращений. Таким образом, частота пика 1 определяется, как частота сердечных сокращений. В спектре отсутствуют составляющие, которые могли бы отвечать за проявление периодического дыхания. К тому же пик 1 не имеет нижней и верхней боковых частот, спутников, свойственных проявлению модулированного сигнала. Такая структура спектра соответствует отсутствию дыхания и дыхательных волн в регистрируемом сигнале. Таким образом, в результате измерений получены данные о физиологических показателях: АД (130/94 мм рт. ст.) и ЧСС (57 ударов в минуту). Кроме того, по спектру осциллометрического сигнала определено полное отсутствие дыхания и исключение его влияния на ткани организма, что соответствует созданным условиям проведения исследования.
Пример 4. Измерение физиологических показателей после физической нагрузки 10 приседаний за 10 с. Как и в примерах 2 и 3, на верхней диаграмме (фиг.9) представлено зарегистрированное давление в манжете (в диапазоне 163-60 мм рт. ст.) в декомпрессионный период измерения артериального давления. Данные получены в условиях, исключающих действие дыхательных движений грудной клетки на манжету. Фиксирующий пояс в исследовании не использован. Результат измерения АД: 131/80 мм рт. ст. На фиг.9 (средняя диаграмма) - осциллометрический сигнал, в котором имеются высокочастотные пульсации с проявляемой низкочастотной огибающей. Соответственно, в вычисленном спектре (фиг.8, нижняя диаграмма) выделяются высокочастотный и низкочастотный пики 1 и 2 (с максимумом амплитуды на частоте 1,46 Гц, соответствующей 88 ударам в минуту, и с максимумом амплитуды на частоте 0,23 Гц, соответствующей 14 дыханиям в минуту). Эти частоты соответствуют диапазонам частот сердечных сокращений и дыхания после физической нагрузки. В спектре выделяются вторая и третья гармоники пика 1 (соответственно пик 3 с максимумом на частоте 2,91 Гц и пик 4 с максимумом на частоте 4,35 Гц). Таким образом, частота максимума пика 1 определяется как частота сердечных сокращений. Пик 2 в спектре не представлен гармониками на соответствующих частотах. В тоже время у пика 1 имеется две слабо выраженные нижняя и верхняя боковые частоты, спутники (пик 5 и пик 6). Частоты максимумов этих пиков отличаются от частоты максимума пика 1 на 0,23 Гц, соответствующего значению частоты выделенного максимума пика 2. Поэтому частота максимума пика 2 определяется как частота дыхания и существует соответственно слабая (с коэффициентом амплитудной модуляции КM≈0,04) дыхательная модуляция пульсового кровенаполнения тканей в суперпозиции с объемным изменением тканей в теле организма. Низкочастотные объемные изменения тканей в области подманжетного пространства могут передаваться по системе взаимосвязанных фасций от расположенных в области внутренних органов, в виде дыхательных волн, и действуют на манжету независимо от пульсирующего кровенаполнения. Таким образом, в результате измерений получены данные о физиологических показателях: АД (131/80 мм рт. ст.), ЧСС (88 ударов в минуту), ЧД (14 дыханий в минуту). Кроме того, по спектру осциллометрического сигнала определен характер проявления и действия дыхания на пульсирующее кровенаполнение сосудов и окружающих тканей. А именно, осциллометрический сигнал осцилляции давления в манжете модулирован низкочастотными дыхательными волнами с коэффициентом амплитудной модуляции КM≈0,04, и независимо от пульсирующего кровенаполнения дыхательные волны передаются по системе взаимосвязанных фасций, действуя на манжету.
Описание примеров 1-4 осуществления компрессионного способа измерения физиологических показателей демонстрирует возможности его реализации в разных контролируемых условиях исследований: с использованием фиксирующего пояса, охватывающего грудную клетку и руку; в варианте, исключающем непосредственное влияние механического действия дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету; в функциональных пробах с задержкой дыхания и с использованием физической нагрузки, изменяющих состояние организма. Во всех случаях осуществление компрессионного способа измерения физиологических показателей обеспечивает измерение показателей систолического и диастолического давления осциллометрическим методом и получение спектра осциллометрического сигнала, по которому определяются показатели частоты сердечных сокращений и частоты дыхания. Спектр позволяет анализировать в разной степени выраженные проявления ответственных пиков, в зависимости от условий проведения исследований, отражающих разные проявления дыхания, которые составляют суперпозицию независимых действий: модулирующего действия дыхания на АД и пульсирующее кровенаполнение сосудов, возникающее в грудной полости; действие объемных изменений тканей в теле, создаваемых за счет изменений при дыхании сил натяжения в системе взаимосвязанных фасций; внешнего механического действия непосредственно на манжету дыхательных и других движений грудной клетки. Процедура измерения АД осциллометрическим методом и контроль влияния артефактов движений грудной клетки на манжету с получением и обработкой спектра осциллометрического сигнала расширяют функциональные возможности способа, повышают достоверность результатов измерения и могут использоваться в исследовании состояния организма.
Источники информации
1. Устройство для определения физиологических показателей человека. - Изобретение СССР. АС № 1657143, 1991. МПК5 A61В 5/0205, №4633174; заявл. 22.02.91; опубл. 23.06.91, Бюл. №23. - 8 с.
2. Физиология человека. Кровь. Кровообращение. Дыхание. Под ред. Р.Шмидта и Г.Тевса. М.: Мир, т.3. 1986.
3. Ю.С.Беленький. Фасция, ее топография и прикладное значение с точки зрения анатома, хирурга и остеопата / Санкт-Петербург, 2007 г.
4. А.А.Харкевич. Спектры и анализ / Государственное издательство технико-теоретической литературы, M., 1952 г.
1. Компрессионный способ измерения физиологических показателей, включающий измерение артериального давления в процедуре с компрессионно-декомпрессионным изменением давления в оборачивающей плечо манжете, отличающийся тем, что измерение проводят, контролируя условие съема регистрируемого в декомпрессионный период сигнала с осцилляциями давления в манжете, путем привнесения, или исключения механического влияния дыхательных движений грудной клетки на плечевую манжету, вычисляют спектр осциллометрического сигнала, анализируют проявление в спектре составляющих, отвечающих за пульсирующее кровенаполнение сосудов и дыхательных волн, выделяя пики, частоты максимумов которых принадлежат диапазонам частот сердечных сокращений и дыхания, и которые, преимущественно, имеют гармоники на соответствующих частотах, определяют частоты выделенных пиков результатом измерения частоты сердечных сокращений и частоты дыхания, и по структуре спектра осциллометрического сигнала характеризуют ответственные за проявление дыхания механизмы, как суперпозицию действия независимых составляющих, выделяя пики, соответствующие модулирующему действию на пульсирующее кровенаполнение сосудов дыхательных волн, непосредственному механическому действию внешних дыхательных движений грудной клетки на манжету, создаваемому при дыхательных движениях грудной клетки и действию дыхательных движений, передаваемых в объеме тела за счет сил натяжения в системе фасциальных тканей.
2. Компрессионный способ измерения физиологических показателей состояния организма по п.1, отличающийся тем, что модулирующее действие на пульсирующее кровенаполнение сосудов дыхательных волн определяют, как соответственно действие на несущий сигнал модулирующего сигнала, и выделяют в спектре в виде пика, представляющего несущий сигнал и двух ответственных за модулирующий сигнал пиков, спутников, на нижней и верхней боковых частотах, относительно частоты максимума пика несущего сигнала, и определяют коэффициентом отражающим амплитудную модуляцию, например, равным удвоенному отношению амплитуд модулирующего и несущего сигналов.
3. Компрессионный способ измерения физиологических показателей состояния организма по п.1, отличающийся тем, что при анализе проявлений дыхания в спектре осциллометрического сигнала, полученного из данных, регистрируемых в условиях, исключающих механическое действие дыхательных движений грудной клетки на манжету, выделяют пик, частота максимума которого соответствует частоте дыхания, за который отвечают объемные изменения тканей, вызванные изменением сил натяжения в системе взаимодействующих фасций, и выделяют пики, за которые отвечает модулирующее действие дыхательных волн в теле на пульсирующее кровенаполнение сосудов, которое характеризуют коэффициентом, отражающим амплитудную модуляцию, например, как удвоенное отношение амплитуд модулирующего и модулируемого сигналов, соответственно на боковой частоте спутника и частоте несущего сигналов.
4. Компрессионный способ измерения физиологических показателей состояния организма по п.1, отличающийся тем, что для контроля механического действия внешних дыхательных движений грудной клетки на манжету используют фиксирующий пояс, охватывающий вместе грудную клетку и плечо с обернутой вокруг него манжетой, усиливая проявление в спектре осциллометрического сигнала дыхательной составляющей, обусловленной непосредственным механическим действием дыхательных движений грудной клетки на манжету, по сравнению с действием пульсирующего кровенаполнения сосудов плеча.
5. Компрессионный способ измерения физиологических показателей состояния организма по п.1, отличающийся тем, что результат анализа спектра осциллометрического сигнала, в котором однозначно не проявляются составляющие пиков, ответственных за дыхательные волны и пульсирующее кровенаполнение сосудов, определяют как артефакт, который связывают с нарушением условий регистрации данных.
6. Устройство для осуществления компрессионного способа измерения физиологических показателей по п.1 содержит пневматически соединенные с манжетой и связанные между собой блок измерения артериального давления и систему получения спектра осциллометрического сигнала.
7. Устройство для осуществления компрессионного способа измерения физиологических показателей по п.6, отличающееся тем, что дополнено фиксирующим поясом, обеспечивающим охват грудной клетки и руки, с надетой на нее плечевой манжетой.
