Статья посвящена разработке макета прибора для измерения артериального давления на основе фотоплетизмографии, а также проблемам, связанным с ней, и предложениям по их устранению.
Ключевые слова: измерение артериального давления, фотоплетизмография.
Измерение артериального давления является одним из основных первичных способов определение состояния человека. В настоящее время из- за тотальной автоматизации устройств, которые производят процесс измерения, данный метод первичного диагностирования могут использовать не только врачи, но и обычные люди. Использование большинства устройства не требует узкоспециализированных знаний, на подобие анатомии или электротехники. С учетом сказанного выше, можно попытаться сделать вывод о достижение максимального технического или методологического развития, но в действительности существуют факторы, которые могут привести не возможности в нужный момент провести измерение артериального давления.
Проблемой устройств для измерения артериального давления является их низкая степень портативности и продолжительность процесса измерения, то есть данная проблема является актуальной. Поэтому целью данной работы является разработка макета устройства способного избежать проблемы, связанные с портативностью и временем измерения.
- Основные проблемы измерения артериального давления
Существует два широко распространенных метода измерения артериального давления: метод Короткова и осциллометрический метод.
В обоих методах используются пневмосистемы, которые служат или для самого измерения или же являются частью методики измерения, как в случае с методом Короткова. Под пневмосистемой понимается манжета и компрессор. В автоматических анализаторах эти два компонента являются неотъемлемой частью друг друга в процессе измерения, то есть они выполняются функцию некого жгута для временной остановки пульсации в артерии. Само измерение осциллометрическим методом представляет собой наблюдение за изменением давления в манжете и последующим анализом данных, полученных в процессе измерения. Данные вид измерителей АД подвержен такому сильному влияющему фактору как неконтролируемые мышечные сокращения в процессе измерения. Данный фактор на прямую влияет на результат измерения, так как при сокращении мышц происходить повышение давления в манжете, которое в процессе измерения может быть воспринято как «осциллометрический пульс» и войти в расчеты. В случае с резкими всплесками давления в манжете, они могут быть не приняты в расчет из-за своей высокой амплитуды всплеска, но программная фильтрация всплесков низкой амплитуды может быть реализуема только с низкой эффективностью фильтрации.
Метод Короткова основан на аускультации, то есть на определение момента, в который появляется тон Короткова. Данные два метода используют манжету и компрессор в процессе измерения, в случае с методом Короткова для повышения давления воздуха в манжете может быть использован, если это не автоматический измеритель, а механический тонометр, то это нагнетатель, который часто называют «грушей». Но суть метода остается той же, но добавляются дополнительные факторы, которые не косвенно влияют на сам процесс определения, то есть появляется зависимость от степени восприимчивости звука, то есть напрямую связано с слуховыми способностями оператора в момент измерения [3].
Выше было приведено краткое описание методов определения артериального давления и факторов, влияющих на анализ данных.
Другой проблемой, связанной с измерением артериального давления, является не сам метод измерения, а оборудования нужное для метода измерения. Пневмосистема, в которую входит манжета и компрессор, является одним из основных блоков, влияющих на вес прибора. Компрессор, как устройство нагнетания в приборах может иметь разные конструкционные особенности, но в основе, отвечающей за вращение, лежит двигатель постоянного тока, как и у всех двигателей постоянного тока он имеет некоторые особенности использования. Самой главной особенностью данного двигателя является его ток потребления. В отличие от микросхем, которые могут работать от 3,3В или же от 5В, данные двигатели постоянного тока имеют питание 6В и потребление тока в 270мА. Данная особенность Подп. и дата является критичной в том случае если устройство должно быть партитивным. Конечно, можно установить воздушный насос 5В и потреблением 230мА, но уменьшение входной мощности ведет к более долгому нагнетанию в манжету воздуха, что может вызвать дискомфорт или же болезненные ощущения в процессе измерения, так как время сжатия манжетой руки увеличилось.
Вторым недостатком уменьшая входной мощности является снижение максимального давления нагнетания. То есть для соблюдения стабильной выходной мощности компрессора необходимо решить проблему падения напряжения. Для решения данных проблем требуется соблюдение определённых правил при конструирование печатной платы. Сам процесс управление воздушных насосом включает в себя использование транзисторов большей мощности, что приведет к удорожанию прибора, в случае же остановки двигателя требуется установить RCD-снаббер, который нужен для предотвращения вероятного выхода из строя транзистора. RCD-снаббер является неким обходным путем для индуктивности в обмотке двигателя, то есть при запирание транзистора индуктивность двигателя не снижается сразу до 0, а наоборот возникает высокое напряжение пропорциональное индуктивности, то есть происходит выброс, которому если не дать дополнительный путь он выведет из строя данный силовой транзистор. Данная причина не является последней в списке, она является достаточно важным аргументом в пользу нашего устройства. Из-за высокого потребления тока компрессором и всей системы, требуется большая емкость батареи, что в конечном итоге приведет к увеличению веса устройства и как вследствие понижается портативность. Средний вес компрессора равен 60 грамм, что не является большим показателем, но в совокупности эти значения сильно влияют на портативность, а данные устройства должны быть максимально портативными.
- Фотоплетизмография в современной практике
В настоящее время в странах, где активно развивается наука и распускает свои ветви технологический прогресс, повышенный интерес наблюдается к методам неинвазивного исследования кровеносной системы и внутренних органов человеческого организма. Методы изучения, которые затрагивают новые направления, заключают в себе получение максимального количества информации неинвазивным путем. На сегодняшний день создано большое количество диагностических приборов, ведется разработка множества устройств, позволяющих проводить исследование сердечно-сосудистой системы и получать важную информацию. Все больший успех набирают технологии, внедряемые в мобильные устройства, которые позволяют следить за своим здоровьем, их компактность и многозадачность кардинально продвигают развитие данной инфраструктуры. Одним из таких устройств является фотоплетизмограф, его применение и специфика использования позволяют найти способ к созданию более компактной версии данного приспособления. Фотоплетизмография — это один из методов диагностики состояния сердечно-сосудистой системы. Этот метод базируется на исследовании процесса поглощения света, проходящего через сосуды человека с пульсирующей кровью. Обычно диагностические приборы снимают фотоплетизмограмму на ухе человека или пальце руки. Используется для мониторинга пациентов, определения частоты сердечных сокращений, величины интенсивности пульсации кровотока. Применяется также для неинвазивной оценки количества кислорода в крови, для чего используют специальные приборы, пульсоксиметры. Фотоплетизмография позволяет оценить работу самого сердца и состояние сосудов, что является важным диагностическим фактором при лечении и контроле состояния пациентов. Частота пульсовой волны отражает работу сердца, а ее форма, величина пиков и их соотношение дает информацию о состоянии стенок сосудов. Большинство фотоплетизмографических датчиков использует в качестве источника света инфракрасный светодиод и соответствующий фотоприемник. В то же время, для технических нужд в настоящее время часто используют широкополосные фотоприемники. Одно из таких применений — это датчики окружающего света, используемые в смартфонах для подстройки яркости экрана в соответствии с интенсивностью окружающего света. Кроме того, появились мощные и экономичные источники белого света (лазерные светодиоды). Они достаточно дешевы и удобны в использовании, к тому же фотоприемники часто снабжают аналогоцифровым преобразователем, расположенным в одном корпусе со светодиодом и позволяющим передавать уже цифровой сигнал, а не аналоговый, что существенно снижает требования к экранированию от внешних помех.
- Выбор метода измерения давления
Для решения проблем, возникающих при измерение артериального давления, мы произвели выбор метода измерений. Метод с помощью, которого мы будет измерять артериальное давление основан фотоплетизмографии и методе Рива-Роччи. Используя данный метод мы избавляемся от проблем связных с определением момента начала аускультации, так же мы сокращаем время измерения, что положительно сказывается на пациенте, так же мы увеличиваем портативность устройства за счет уменьшения компонентов поддерживающих пневматическую систему.
Метод, который мы будем реализовывать в теории будет иметь следующею методику проведения.
Человек, надев напульсник на безымянный палец правой руки (левой) должен сидеть около 20 секунд в расслабленном состояние. По пришествию этого времени, человек, который является оператором, должен будет запустить устройство. После запуска устройства произойдет автоматическая калибровка амплитуды пульсовой волны. В дальнейшем ему будет предложен вариант выбора измерения АД и измерения пульса. После выбора пункта измерения АД, оператор должен будет взяться за рукоять устройства и смотря на экран начать процесс измерения. То есть оператор нажмет носиком устройства на область над артерией на определенной время, а точнее это время не будет превышать 3 секунды. В момент нажатия на артерии пульсометр использующий метод фотоплетизмографии будет регистрировать резкое падение интенсивности крови заполнения, если вуалировать данные, которые мы будем получать в момент нажатия то мы увидим плато, то есть отсутствие пульса, как показано на рисунке 1. После прохождения 3 секунд оператор должен будет убрать устройство от области над артерией.
Рис. 1. Корреляция пульсовой волны от степени нажатия
Через 10 секунд после прекращения измерения, устройство произведет анализ полученных данных и выведет значения артериального давления на экран. И после будет дан выбор дальнейших действий, то есть произвести еще одно измерение АД или же произвести измерение пульса.
- Основные компоненты системы
Для реализации проекта был использован AVR микроконтроллер Atmega328P. Данный МК принадлежит семейству AVR и является 8 битным CMOS микроконтроллером с низким уровнем потреблением энергии.
В качества аналого-цифрового преобразователя (АЦП) используется HX711, предназначенный для весовых весов и промышленных систем управления для непосредственного взаимодействия с мостовым датчиком.
Решающим фактором выбора был фактор питания, у данного АЦП имеется встроенный регулятор питания для тензодатчика и аналоговый источник питания АЦП, что позволяет избежать нагромождениями схемы каскадами отвечающих за регулирование питания.
В качестве датчика был выбран Easy Pulse Plugin — это датчик импульсов с открытым исходным кодом, основанный на принципе фотоплетизмографии (PPG), который является неинвазивным методом измерения сердечно-сосудистой пульсовой волны путем обнаружения изменений объема крови в кровеносных сосудах, близких к коже. Этот датчик применяет принцип PPG к кончику пальца, используя инфракрасный светодиод (IR-LED) и фотоприемник. Easy Pulse Plugin предоставляет все необходимые приборы и усиление на борту для повторного получения, отфильтрованного сердечно-сосудистого импульсного сигнала с выхода фотоприемника, обеспечивая чистую и отфильтрованную форму сигнала. Датчик Easy Pulse и совместим с платформами микроконтроллеров 3.3V, так и с 5.0V. В данном случае это микроконтроллер Atmega328P.
- Карманное устройства измерения АД
5.1 Описание конструкции прибора
Макет карманного устройства для определения давления в своей задумке подразумевает очень высокую портативность, то есть размеры данного устройства должны быть максимально минимизированы. В процессе миниатюризации устройство не должно потерять и другие условия удобства использования и поэтому оно должно удовлетворять условия эргономичности и предельно допустимой массы, которые могут позволить оператору удобно держать и использовать его одной рукой.
Корпус данного устройства состоит из 2 частей: основной и крышки, как показано на рисунке 2. Крышка представлена на рисунке 3.
Рис. 2. Устройство в сборке
1– место для крепления болтами; 2 — разъемы для переключателей;
3– вырез для дисплея
Под номером 2 указаны отверстия для кнопок переключения, то есть блок управления устройства. Вырез в корпусе под номером 3 нужен для средства отображения информации в виде дисплея.
В сборке данное устройство имеет Г-образную форму, данная форма устройства обусловлена принципом применения его в процессе измерения артериального давления.
Крепежной деталью данного устройства является крышка, данная часть корпуса имеет толщину стенок 0,3 мм. В процессе изменения оператору придется удерживать данную часть корпуса с большим усилием, связи с этим ребра корпуса были скруглены и материал был выбран, способный выдержать нагрузку.
Корпус устройства изготовлен из многослойного ABS пластика. Материал был подран специально так, чтобы в процессе измерения он не нанес никакого вреда оператору и позволял исправно выполнять процесс измерения, то есть данный пластик имеет низкую степень токсичности и высокую долговечность при условии отсутствия прямых солнечных лучей. Материал так же имеет стойкость к щелочным средствам, теплостойкость 103 градуса по Цельсию.
Рис. 3. Крышка устройства
4 — отверстия с резьбой; 5 — вырез для переключателя питания;
6 — вырез разъёма Mini Jack блока определения пульса
С учетом вышеперечисленных данный материал был выбран для создания прототипа прибора. В последующем данный материал будет заменен из-за появления фактора в виде акрилонитрила. Как было сказано, ABS не является токсичным материалом, но при условии отсутствия взаимодействуя с спиртосодержащими веществами, а также при ограничении нагрева поверхности пластика свыше 90 градусов. Акрилонитрил вступает в действие с ДНК тканей и данный процесс считается необратимым и поэтому данное вещество относиться к классу высоко опасных. Частицы материала так же несут опасность так как их размеры столь малы, что могут проникать в организм через повреждённую кожу. При нагреве ABS пластика выделается ядовитый газ. Если опираться на исследование, которое определяло степень влияние данного газа, то после взаимодействия газа с человеком, форменные элементы в крови человека подвергаются угнетению. Общий анализ крови показал, что гемоглобин в крови пострадавшего был понижен, так же был понижен уровень эритроцитов и лейкоцитов в крови.
В условиях данного мира невозможно исключить взаимодействие спирта с пластиком, поэтому для серийного производства будет использован пластик вида TECANYL MT (PPE) его изготовителем является компания Ensinger Special Polymers.
5.2 Принцип работы устройства
Макет карманного устройства для измерения артериального давления собран на базе микроконтроллера Atmega328P с использованием внешнего АЦП HX711 и отдельного блока измерения пульсовой волны Easy Pulse. Структурная схема измерителя артериального давления представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Структурная схема измерителя артериального давления
Принцип работы устройства заключается в следующем, после подачи питания в цепь, выполняется определённый набор команд, заложенный в память микроконтроллера, которые выведут информацию о дальнейших возможных действиях на дисплей. Блок управления позволяет производить выбор дальнейших действий, в техническом исполнение он представляет собой два переключателя, один контакт каждого переключателя подключены к цифровым выводам микроконтроллера, другой подсоединен к GND. Тензодатчик имеет 4 вывода E+, E-, S+, S-, данные выводы подключены к внешнему АЦП HX711 следующим образом S+ и S- подключены к входам АЦП, E+ к аналоговому источнику питания, E- к GND, после поступления сигнала с датчика на выводы АЦП, преобразованный сигнал отправляется в микроконтроллер. АЦП HX711 подключен к МК.
Блок для измерения пульса имеет 3 контакта, являясь подключенным к входу микроконтроллера, питанию +5В и GND.
Данные с блока Easy Pulse и HX711 регистрируются в процессе измерения параллельно друг другу, тем самых создавая 2 параллельных массива данных с измерениями в каждый момент времени.
После выполнения измерения данные выводятся на дисплей. Данный дисплей подключается к МК через шину I2C.
- Недостатки созданного макета и способы их устранения
Одной главных проблем данного устройства для измерения артериального давления является сложность определения точки нажатия на артерию. Так как методика измерения включается себя присутствие человека как операторы, мы невольно столкнёмся с тем, что оператор будет влиять на результат если не косвенно, то целиком и полностью. Проблемы которые могут возникнуть у оператора можно разделить на две группы, одна из них связана с невозможность найти оптимальную точку нажатия, даже следуя методике определения, а вторая группа связана с степенью нажатия на артерию, то есть если ее не пережать ее хотя на 2 секунды, то правильность работы алгоритма может быть нарушена, то есть в случае если нажатие происходило не с достаточной степенью, то мы можем не получить результат, так как мы не сможем получить плато пульсовой волны, которые нам помогает определить систолическое давление. При появлении плато, мы считаем, что артерия полностью пережата и вследствие чего начинается процесс измерения, то есть значения с тензодатчика и пульсометра записываются в систему, тем самым участвуют в алгоритме обработки. После того как мы получаем плато, устройство сигнализирует о том, что можно медленно понижать степень нажатия на артерию и в тот момент, когда значение на фотоплетизмографе покажет, что на плато появился всплеск интенсивности кровенаполнения, мы смотрим на значения тензодатчика и считаем его систолическим давлением. Так как данный метод, является только гипотезой и основан на методе Рива Роччи, мы можем с большей уверенностью полагать что значения систолического давления коллерируют с значениями тензодатчика, чем значения диастолического давления. В случае если оператор совершает ошибку, связанную с непопаданием по артерии и недостаточной степени нажатия, мы не получим результаты систолического давления, которое необходимо, что бы мы могли провести расчеты диастолического давления и компенсировать недостаток точности определения диастолического давления.
Решением данной проблемы является увеличение площади нажатия, а также возможная автоматизация нажатия, в случае если необходимо, чтобы устройство проводило измерение артериального давления в автоматическом порядке у пациентов в реанимации. В случаем если мы увеличиваем площадь нажатия на артерию, мы уменьшаем вероятность не попадания по артерии оператором, а так же если мы автоматизируем устройство для измерения АД, то мы сможем вписать шаговый двигатель в алгоритм, давая ему указания в степени нажатия и силе, которые мы будем получать анализируя данные с тензодатчика, а так же мы сможем минимизировать время измерения, так как плавность хода шагового двигателя поможет избежать такой проблемы как дребезг или скачкообразное увеличение значения тензодатчика, а так же на фотоплетизмографе, что положительно скажется на определение результата.
Также проблемой является чувствительность фотоплетизмографа. Данная проблема возникает в случае если оператор недостаточно плотно прикладывает пульсометр к пальцу и в момент когда происходит измерение, попадают лучи света, которые искажают правдивые значения кровенаполнения капилляров, что ведет к неправильному процессу измерения, за счёт того, что алгоритм обработки, не заточен на определение такой помехи.
Данная проблема может быть решена 2 способами. Первый способ решения, является заключается в создание более плотного резинового кожуха для пульсометра, за счёт которого будет достигаться плотное закрытие потенциальных отверстий для прохождения света, тем самым мы минимизируем данную помеху. Вторым способом решения является установка фотодиода на сам резиновый кожух и последующее измерение степени освещенности окружающего пространства, и в случае, если появляется повышение интенсивности света на фотодиоде и на графике кровенаполнения капилляров, мы сможем настроить алгоритм вычленяем данной неверной составляющей из полученных результатов.
Также проблемой является низкая производительность микроконтроллера Atmega328t. У данного контролёра НННН памяти, а так же НННН оперативной памяти, количества которого не хватает для поддержания алгоритма в полной мере, из за чего алгоритму приходиться делать некие упущения в точности определения. Также из за того, что тактовая частота равна 16МГц и количество оперативной памяти сильно ограничено, мы не можем в полной мере реализовать считывание показаний с датчиков, что проводит на с к тому, что мы имеем не вместо 10 считывай за определённое количества времени с тензодатчика датчика, фотоплетизмографа и фотодиода и шагового двигателя, мы будем иметь 2 считывания с тензодатчика, фотоплетизмографа и светодиода и шагового двигателя.
Если объединить все выше сказанное и пробовать сделать структурную смеху устройства для измерения артериального давления, то мы получим то, что представлено на рисунке 5.
Рис. 5. Структурная схема автоматического устройства для измерения артериального давления
Заключение
В процессе выполнения данной работы мы проанализировали методы измерения артериального давления с определением их преимуществ и недостатков, возникающих в процессе измерения АД, а также технические особенности устройств, которые производят измерение АД. Объединив всю полученную информацию, мы смогли выполнить все поставленные цели.
Результатом данной работы является разработанный макет карманного устройства для измерения артериального, который отвечает всем заявленным требованиями и поставленным задачам.
Литература:
- Ю. Г. Поморова, А. А. Кондыкова «Вариации связи скорости распространения пульсовой волны и артериального давления».
- А. Н. Рогоза, Е. В. Ощепкова: «Современные неинвазивные методы измерения артериального давления для диагностики артериальной гипертонии и оценки эффективности лечения».
- А. Н. Рогоза: «Методы неинвазивного измерения артериального давления».
- Абросимова О. В., Тычков А. Ю.: «Обзор устройств и методов регистрации артериального давления. Разработка макета манжеты с автоматическим запястным контуром».
- Агаджанян Н. А. Физиология человека / Н. А. Агаджанян, Л. З. Тель, В. И.
- Занько Н. Г. Физиология человека. Методы исследования функций организма: лабораторный практикум / Н. Г. Занько. — СПб.: СПбГЛТА, 2003.
- Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физиология человека» / сост.: Е. А. Нургалеева, Н. Н. Красногорская, Д. А. Еникеев. — Уфа, 2002.
- Чащин А. В., Попечителев Е. П.: «Реализация компрессионно-осциллометрического метода измерения артериального давления в комплексном исследовании состояния организма».
- Физиология человека: в 3 т. / под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. — М.: Мир, 1996.
- Авилова Н. В. Конструирование электронной аппаратуры: Учебное пособие /Н. В. Авилова, Ю. Н. Иванов, В. М. Морозов, А. В. Литвин — Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, — 2008. — 116 с
