Устройство измерения скорости пульсовой волны в аорте Российский патент 2021 года по МПК A61B5/285 A61B5/53 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностических целей в кардиологии.

При оценке риска развития заболеваний сердца и сосудов у пациентов наиболее перспективным представляется определение артериальной жесткости как интегрального показателя риска. В соответствии с современными представлениями [Согласованное мнение российских экспертов по оценке артериальной жесткости в клинической практике. Кардиоваскулярная терапия и профилактика, 2016; 15(2): 4–19] жесткость артериальной стенки, в особенности стенки аорты, определяется путем измерения скорости пульсовой волны (СПВ).

К настоящему времени разработано и применяется несколько видов приборов для определения скорости пульсовой волны.

В устройстве Complior (Colson, LesLilas, Франция) [http://www.complior.com/wp-content/medias/vitesse_en_email.pdf] используются механические датчики. Аортальная СПВ определяется на участке: сонная артерия - бедренная артерия.

В некоторых устройствах с использованием манжет (например, VaSera, Fukuda Denshi, Токио, Япония) [https://www.fukuda-denshi.ru/sistema-issledovaniya-sosudov-vasera-vs-1500n] последние накладываются на все 4 конечности, регистрируется время прохождения пульсовой волны от сердца к малоберцовой артерии, при этом используют микрофон, прикрепленный на груди. Однако система сложна, неустойчива к шумам и требует специальной подготовки обслуживающего персонала.

Известны также различные конструкции устройств измерения скорости пульсовой волны, описанные патентных источниках: в патентах RU на изобретения №2345709, №2393739, №2403861, №2523133, в патентах RU на полезные модели №122008, №137720, №148056.

В упомянутых устройствах не реализуется измерение чисто аортальной СПВ, рекомендуемое ведущими экспертами-кардиологами, например, [Laurent S, et al. Expert consensus document on arterial stiffness. Eur Heart J 2006; 27: 2588-605., 2013; Guidelines for the management of arterial hypertension. Eur Heart J 2013; 34 (28): 2159-219.]. Погрешность в оценке патологических изменений возникает за счет того, что часть измеряемого временного интервала приходится на артерии конечностей, которые имеют большую, чем аорта, плотность. Кроме того, качественная регистрация кривой волны давления на бедренной артерии вызывает затруднения у пациентов с ожирением, сахарным диабетом и заболеваниями периферических артерий.

Среди существующих аналогов наиболее перспективными являются устройства, определяющие СПВ с помощью реографической (импедансной) регистрации пульсовых волн с использованием тока низкой интенсивности (2-4 мА) и высокой частоты (50-100 кГц), преимуществами которых являются высокая чувствительность к изменениям кровенаполнения глубоко залегающих тканей тела, наличие серийно выпускаемых специализированных микросхем для измерения импеданса, пригодных для использования в реографических исследованиях, использование электродов малого размера и веса.

Примером реализации может служить устройство, предложенное Aria S. с соавторами [Aria S., Elfarri Y., Elvegård M. et al. Measuring Blood Pulse Wave Velocity with Bioimpedance in Different Age Groups. Sensors 2019, 19, 850], в котором СПВ определяется реографическим образом на дистанции между грудной клеткой и рукой.

Общим недостатком вышеперечисленных решений, кроме названных выше, является необходимость ручного измерения расстояния между датчиками при помощи мерной ленты и внесение результатов измерения в устройство обработки данных вручную, что снижает оперативность и достоверность измерений и может вносить дополнительные ошибки вследствие влияния человеческого фактора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения скорости пульсовой волны в аорте, описанное в патенте EP 3439538. Для преодоления недостатка, связанного с измерением расстояния вручную, определяют расстояние между двумя датчиками пульсовой волны автоматически путем подачи специального акустического сигнала излучателем, расположенным вблизи от импедансных (реографических) электродов одного датчика, и измерения с высокой точностью времени прохождения этого сигнала до микрофона, расположенного на втором датчике. Электроды датчиков пульсовой волны предпочтительно прикрепляют в области сердца, в частности, на дуге аорты и на внешней поверхности бедра пациента. Расстояние затем вычисляется, исходя из известной скорости звука в тканях тела (1540 м/с).

Недостатком данного устройства является наличие погрешности, связанной с различием скоростей звука в тканях разного состава, например, мышечной и жировой, и вызванной этим неопределенностью траекторий прохождения звуковой волны в теле.

Задачей заявляемого изобретения является снижение погрешности измерения расстояния между датчиками, влияющей на точность и достоверность результатов измерения СПВ, отражающейся на точности диагностики.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройстве измерения скорости пульсовой волны в аорте, содержащем: блок обработки данных; датчики пульсовой волны – верхний и нижний, каждый из которых содержит реографические электроды, соединенные с входами преобразователя биоимпеданса в цифровой формат, выходы которых соединены с входными портами блока обработки данных; средство измерения расстояния между датчиками пульсовой волны, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к входному порту блока обработки данных, и источник стабилизированного опорного напряжения; средство измерения расстояния между датчиками выполнено в виде раздвижной вертикально ориентированной вдоль туловища измерительной рейки, на которой расположен потенциометр, включающий движок и резистивный элемент, при этом измерительная рейка имеет неподвижную и скользящую по ней подвижную части, на подвижной части расположен движок потенциометра, электрически соединенный со входом АЦП, выход которого соединен с входным портом блока обработки данных, и диэлектрическая пластина для крепления реографических электродов верхнего датчика, а на неподвижной части измерительной рейки расположен резистивный элемент, выводы которого соединены с источником стабилизированного опорного напряжения; реографические электроды нижнего датчика выполнены на поясе с возможностью размещения их в зоне поясничного отдела туловища сзади, при этом пояс соединен с неподвижной частью измерительной рейки без возможности вертикального сдвига.

Кроме того заявляется устройство, в котором наряду с вышеописанными признаками, движок потенциометра представляет собой металлический шарик, прижимаемой металлической пружиной, помещенными в глухом канале, выполненном внутри подвижной части измерительной рейки и ориентированный перпендикулярно протяженности измерительной рейки.

Технический результат

Преимуществами заявляемого устройства перед прототипом является повышение точности и достоверности результатов за счет использования средства измерения расстояния между датчиками пульсовой волны, преобразующего величину расстояния в цифровой сигнал. Средство измерения расстояния выполнено оригинальным образом, сводящим к минимуму погрешности, не учитываемые в предшествующих разработках и патентах. Введение в устройство измерения пульсовой волны новых конструктивных элементов, впервые решающих задачу сведения влияния погрешностей разного рода и названных выше неконтролируемых факторов к минимуму, позволяет повысить уровень заявляемой разработки - устройства за счет повышения точности и достоверности измерений и, тем самым, диагностики. Этот конструктивный прием в виде введения специально разработанного потенциометра в узел измерения расстояния между электродами датчиков, включающий определенный набор деталей (см. раздел «Сущность изобретения»), успешно решает проблему обхода возникающих погрешностей (см. недостатки прототипа и аналогов).

Заявляемое устройство для измерения скорости пульсовой волны в аорте поясняется с помощью графических материалов, на которых изображено следующее:

на Фиг.1 - функциональная схема;

на Фиг. 2 - вариант конструкции измерительной рейки для определения расстояния между датчиками;

на Фиг. 3 - схема размещения датчиков на туловище пациента;

на Фиг. 4 - пример графического расчета скорости пульсовой волны.

Позициями 1-19 обозначены:

1 - реографические электроды верхнего датчика;

2 - реографические электроды нижнего датчика;

3 - преобразователь биоимпеданса верхнего датчика;

4 - преобразователь биоимпеданса нижнего датчика;

5 - блок обработки данных (БО);

6 - двунаправленные входные порты БО;

7 - измерительная рейка;

8 - потенциометр;

9 - резистивный элемент потенциометра;

10 - источник стабилизированного опорного напряжения;

11 - движок потенциометра;

12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

13 - входной порт блока обработки данных;

14 - неподвижная часть измерительной рейки 7;

15- подвижная часть измерительной рейки 7;

16 - диэлектрическая пластина;

17 - нижний пояс;

18 - металлический шарик;

19 – металлическая пружина;

Ao thor – реограмма корня аорты;

Ao abd – реограмма брюшного отдела аорты.

Устройство для измерения скорости пульсовой волны в аорте содержит два датчика пульсовой волны – верхний и нижний, причем верхний датчик состоит из реографических электродов 1 с преобразователем биоимпеданса 3, а нижний датчик состоит из реографических электродов 2 и преобразователя биоимпеданса 4. Преобразователи биоимпеданса 3,4 могут быть реализованы, например, на основе микросхем AD1533 с соответствующими цепями питания и управления. Датчики пульсовой волны подключены к блоку обработки данных (БО) 5 через входной порт 6, например, по интерфейсу I2C. В качестве БО 5 может быть использован микрокомпьютер, например, марки Raspberry Pi. Заявляемое устройство содержит средство измерения расстояния между датчиками пульсовой волны, представляющее собой измерительную рейку 7 с размещенным в ней потенциометром 8 с резистивным элементом 9. Крайние выводы резистивного элемента 9 потенциометра 8, размещенного в измерительной рейке 7, подключены к выводам источника стабилизированного опорного напряжения 10, а движок 11 потенциометра 8 электрически соединен со входом АЦП 12 , выход которого подключен к соответствующему входному порту 13 БО 5, который имеет USB-интерфейс для подключения к персональному компьютеру и может содержать модуль беспроводной передачи информации по протоколам Bluetooth или Wi-Fi.

Измерительная рейка 7 выполнена в виде раздвижной конструкции, вертикально ориентированной вдоль туловища на его передней стороне, имеет неподвижную часть 14, выполненную из диэлектрического материала, по которой перемещается подвижная часть 15 измерительной рейки 7, на которой размещена пластина 16 - держатель реографических электродов 1 верхнего датчика. Указанная подвижная часть 15 измерительной рейки 7 имеет возможность перемещения относительно неподвижной части 14 как вверх, так и вниз, выдвигаясь на необходимую длину для расположения реографических электродов 1 верхнего датчика в позиции, соответствующей регистрации максимального сигнала начального отдела аорты. Таким образом, учитываются индивидуальные особенности различных пациентов, имеющих разную длину туловища. Реографические электроды 2 нижнего датчика выполнены на поясе 17 с возможностью размещения их в зоне поясничного отдела туловища сзади, при этом пояс соединен с неподвижной частью 14 измерительной рейки 7 без возможности вертикального сдвига.

На подвижной части 15 измерительной рейки 7, примерно на середине длины, имеется глухое отверстие цилиндрической формы – канал, расположенный перпендикулярно длине измерительной рейки и с выходом на ее боковую поверхность, в котором размещается движок, состоящий из металлического шарика 18 с металлической пружиной 19, один конец которой фиксирован на дне отверстия, а другой - удерживает металлический шарик 18 с возможностью его вращения. Сила прижатия металлической пружины 19 выбрана такой, что позволяет подвижной части 15 перемещаться вверх и вниз с возможностью фиксации в выбранном положении. Металлическая пружина 19 электрически соединена гибким проводом со входом АЦП 12. Резистивный элемент 9, расположенный на неподвижной части 14 измерительной рейки 7 выполнен из материала с большим удельным электрическим сопротивлением, например, нихрома. Электрические выводы резистивного элемента 9, расположенные на его концах, соединены с выводами источника 10 стабилизированного опорного напряжения. Металлический шарик 18 прижат металлической пружиной 19 к резистивному элементу 9, что обеспечивает надежный электрический контакт между ними с возможностью взаимного перемещения. При сдвиге подвижной части 15 измерительной рейки 7 относительно ее неподвижной части 14 металлический шарик 18 движется по резистивному элементу 9, вследствие чего напряжение на движке относительно нижнего вывода резистивного элемента 9 изменяется пропорционально расстоянию между реографическими электродами 1 и 2.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На туловище исследуемого накладываются реографические электроды 1 и 2. Электроды 1 верхнего датчика размещаются на уровне II межреберья симметрично относительно вертикальной осевой линии грудины (Фиг. 3а).

Реографические электроды 2 нижнего датчика, закрепленные на поясе, располагают на туловище сзади на пояснице примерно на уровне IV поясничного позвонка. Такое расположение электродов связано с тем, что на передней поверхности туловища на этом уровне не регистрируется пульсовой сигнал аорты по анатомическим причинам. Электроды располагаются симметрично слева и справа от позвоночника на расстоянии 10-15 см друг от друга (Фиг. 3б).

После включения электропитания устройства величина электрического напряжения на движке 11 поступает через АЦП 12 и входной порт 13 в БО 5, который, работая по программе, разработанной специально для заявляемого устройства и заявляемой одновременно с данным изобретением, преобразует его в величину расстояния между датчиками, получая таким образом первый параметр для вычисления СПВ. Затем БО 5 инициализирует измерительные преобразователи биоимпеданса 3 и 4, записывая в их управляющие регистры начальные параметры, и начинает прием оцифрованных значений биоимпеданса, поступающих с упомянутых преобразователей. После получения достаточного объема информации БО 5 программным способом производит выделение пульсовых сигналов и определяет время пробега пульсовой волны от верхнего датчика на корне аорты до нижнего датчика на брюшной аорте, что дает второй параметр для подсчета СПВ.

На Фиг.4 представлено графическое отображение этого процесса. Результаты вычисления могут быть переданы по кабелю USB или через адаптер Bluetooth на персональный компьютер (смартфон, планшет) со специальным приложением для визуализации полученного результата и его сохранения.

Пример

Исследуемый Н.,50 лет, жалобы на плохую переносимость физической нагрузки, одышку при подъеме на 3 этаж.

Средство для измерения расстояния между датчиками, состоящее из двух фиксирующих эластичных поясов, соединенных с неподвижной частью измерительной рейки, помещали на тело исследуемого в следующей последовательности. Вначале реографические электроды верхнего датчика размещали в точках оптимальной регистрации пульсового сигнала корня аорты на уровне II межреберья. Далее с помощью двух эластичных поясов (верхний - под мышками, нижний - на талии, на уровне IV поясничного позвонка) измерительную рейку закрепляли спереди на туловище пациента. При этом подвижная часть измерительной рейки была выдвинута на необходимое для работы расстояние. На нижнем поясе на расстоянии 10 см друг от друга слева и справа от позвоночника были размещены два нижних реографических электрода.

После включения устройства для измерения скорости пульсовой волны в аорте БО производил получение сигналов с двух реографических датчиков и средства измерения расстояния, затем обрабатывал полученную информацию, в результате чего было определено расстояние между электродами (L), измерен интервал времени между появлением пульса в корне аорты и пульса в брюшной аорте (Т) и после вычисления результаты переданы через адаптер Bluetooth на дисплей смартфона: L= 0,4 м, Т= 0,03 сек, СПВ = 12 м/сек. В процессе измерения на дисплее отображалось графическое представление усредненных за несколько циклов пульсовых сигналов для визуального контроля качества регистрации.

Трактовка результатов наблюдения: нормальной считается величина СПВ не более 8 м/сек. У данного пациента имеется заметное превышение этого показателя, что может свидетельствовать о выраженном склеротическом процессе в аорте. Пациенту рекомендовано углубленное исследование кардиологом.

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам измерения скорости пульсовой волны в аорте. Устройство содержит: блок обработки данных; верхний и нижний датчики пульсовой волны; средство измерения расстояния между датчиками пульсовой волны; аналого-цифровой преобразователь и источник стабилизированного опорного напряжения. Каждый из датчиков содержит реографические электроды, соединенные с входами преобразователя биоимпеданса в цифровой формат, выход которого соединен с входным портом блока обработки данных. Аналого-цифровой преобразователь подключен к входному порту блока обработки данных. Средство измерения расстояния между датчиками выполнено в виде раздвижной вертикально ориентированной вдоль туловища измерительной рейки, на которой расположен потенциометр, включающий движок и резистивный элемент. Измерительная рейка имеет неподвижную и скользящую по ней подвижную по ней части. На подвижной части расположен движок потенциометра, электрически соединенный со входом аналого-цифрового преобразователя, и диэлектрическая пластина для крепления реографических электродов верхнего датчика. На неподвижной части измерительной рейки расположен резистивный элемент, выводы которого соединены с источником стабилизированного опорного напряжения. Реографические электроды нижнего датчика выполнены на поясе с возможностью размещения их в зоне поясничного отдела туловища сзади. Пояс соединен с неподвижной частью измерительной рейки без возможности вертикального сдвига. Достигается повышение точности и достоверности результатов измерения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство измерения скорости пульсовой волны в аорте, содержащее: блок обработки данных; датчики пульсовой волны - верхний и нижний, каждый из которых содержит реографические электроды, соединенные с входами преобразователя биоимпеданса в цифровой формат, выход которого соединен с входным портом блока обработки данных; средство измерения расстояния между датчиками пульсовой волны, отличающееся тем, что оно содержит аналого-цифровой преобразователь, подключенный к входному порту блока обработки данных, и источник стабилизированного опорного напряжения; средство измерения расстояния между датчиками выполнено в виде раздвижной вертикально ориентированной вдоль туловища измерительной рейки, на которой расположен потенциометр, включающий движок и резистивный элемент, при этом измерительная рейка имеет неподвижную и скользящую по ней подвижную по ней части, на подвижной части расположен движок потенциометра, электрически соединенный со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входным портом блока обработки данных, и диэлектрическая пластина для крепления реографических электродов верхнего датчика, а на неподвижной части измерительной рейки расположен резистивный элемент, выводы которого соединены с источником стабилизированного опорного напряжения; реографические электроды нижнего датчика выполнены на поясе с возможностью размещения их в зоне поясничного отдела туловища сзади, при этом пояс соединен с неподвижной частью измерительной рейки без возможности вертикального сдвига.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что движок потенциометра представляет собой металлический шарик, прижимаемый металлической пружиной, помещенный в глухом канале, выполненном внутри подвижной части измерительной рейки и ориентированном перпендикулярно протяженности измерительной рейки.