СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОНУСА АРТЕРИАЛЬНЫХ СОСУДОВ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2024 года по МПК A61B5/225 

Область техники

Изобретение относится к физиологии медицины, а именно к диагностике состояния сердечно-сосудистой системы, и может быть использовано для определения патологий, связанных с нарушением тонуса сосудов артериальной системы человека.

Уровень техники

Известны способы определения сосудистого тонуса по оценке среднего давления, эластичности артерий, объемному пульсу и т.д. (см. Болезни сердца и сосудов/ Под ред. Е.И. Чазова. - М., 1992, т.1.; Инструментальные методы исследования сердечно-сосудистой системы /Под ред. Т.С. Виноградовой. - М., 1986; Руководство по физиологии. Физиология кровообращения. Физиология сердца. - М., 1980; Соловьев Г.М., Радзивил Г.Г. Кровопотеря и регуляция кровообращения в хирургии. - М., 1973).

Эти способы сложны, требуют большого количества разнообразных измерений, разнесенных во времени, требуют много времени для анализа полученных данных и оценки сосудистого тонуса и имеет низкую воспроизводимость из-за высокой вариабельности пульсовой волны.

Известен способ оценки тонуса сосудов артериального русла (см. патент РФ №2261039, МПК A61B 5/0205, опубл. 27.09.2005), который посредством осуществления синхронной регистрации периферической дифференциальной реограммы сосудов верхней конечности и фонокардиограммы. Выявляют точки начала второго тона фонокардиограммы и наиболее глубокую точку на реограмме. Определяют время между появлением этих точек. Оценку повышения тонуса сосудов артериального русла определяют по уменьшению времени распространения пульсовой волны.

Однако известный способ имеет низкую воспроизводимость из-за высокой вариабельности реограммы.

Известен способ определения сосудистого тонуса (Савицкий Н.Н. Биофизические основы кровообращения и методы изучения гемодинамики. - Л., 1974, Прессман Л.П. Клиническая сфигмография. - М., 1974) через определение скорости распространения пульсовой волны, которая является одним из показателей упруговязкого состояния сосудистых стенок.

Однако данный способ требует индивидуальной настройки и измерения индивидуальных параметров расположения нескольких датчиков на конечности человека.

Известен способ определения ударного объема сердца, включающий наложение токовых электродов на правое предплечье и на область левого плечевого сустава, наложение измерительных электродов на правый плечевой сустав и в области шестого межреберья слева по передней подмышечной линии, регистрацию реограммы и фонокардиограммы, определение базового сопротивления, определение времени между первым и вторым тонами сердца, массу тела, гемоглобин крови, амплитуду реографического комплекса и время ее достижения и по этим данным проводят вычисление ударного объема и оценки состояние тонуса сосудов артериального русла (см. патент РФ №2134534, МПК A61B 5/025, опуб. 20.08.1999).

Однако известный способ чрезвычайно трудоемкий, требует большого количества разнесенных по времени измерений и имеет низкую воспроизводимость из-за высокой вариабельности реограммы и фонокардиограммы.

Известен способ неинвазивного экспресс-контроля функционального состояния кровеносного сосуда (см. патент РФ №2141784, МПК A61B 5/025, опубл. 27.11.1999), включающий периодическую регистрацию частоты тонов Короткова с помощью фонокардиографа при использовании прибора для измерения артериального давления по методу Короткова и сравнения этой частоты в процессе диагностики, при этом с помощью численного значения частоты тонов Короткова определяют модуль упругости кровеносного сосуда.

Однако в данном способе присутствует влияние исследователя на конечный результат, а также не подтверждена зависимость частоты фонокардиограммы от тонуса артериальных сосудов.

Известен способ измерения микрососудистого тонуса по данным лазерной допплеровской флоуметрии, основанный на регистрации амплитуд низкочастотной составляющей ЛДФ-граммы (В.И. Козлов, Г.А. Азизов, О.А. Гурова, Ф.Б.Литвин. Лазерная допплеровская флоуметрия в оценке состояния и расстройств микроциркуляции крови. Методическое пособие для врачей, Москва, 2012. 32 с.).

Однако этот способ требует длительных измерений ЛДФ-граммы и зависит от психоэмоционального состояния пациента.

Наиболее близким к заявляемому является способ пульсовой диагностики сердечной деятельности (см. патент РФ №2296501, МПК A61B 5/02, опубл. 20.08.2006), основанный на анализе характера кривой пульса давления лучевой артерии путем преобразования этого пульса в электрический импульс, а затем вычисления параметров пульсовой волны давления, используя тонкую структуру этого электрического импульса.

Однако форма кривой пульса лучевой артерии, а стало быть и электрического импульса, зависит от многих индивидуальных факторов, таких как, например, систолический выброс, интенсивность кровотока, вязкость крови, состояние сосудистой стенки, соотношение предкапиллярного и посткапиллярного давления и др., которые используются для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы. Следовательно, указанный способ чрезвычайно трудоемкий, требует знания индивидуальных факторов и анализа кривой по многим участкам кривой пульса давления.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой изобретения является разработка воспроизводимого и удобного в применении способа оценки состояния тонуса сосудов артериального русла.

Техническим результатом способа является повышение воспроизводимости оценки тонуса сосудов артериального русла.

Для достижения указанного технического результата способ оценки тонуса артериальных сосудов человека включает использование окклюзионной манжеты, надеваемой на область периферической артериальной системы, нагнетании давления до значений, незначительно превышающих диастолическое, удержания созданного давление в области этих значений до прекращения его изменения, преобразование пульсовой волны давления в электрический сигнал с помощью пневматического датчика, регистрирование электрического сигнала в течение нескольких циклов сердечного сокращения, нормировки формы электрического сигнала по амплитуде и времени, выделении на диастолическом участке области дикротической волны, определении локального максимума производной на данном участке и ее знака, вычислении угла наклона производной в области локального максимума производной, усреднении значения угла наклона производной по количеству измеренных циклов сердечного сокращения, определении тонуса артериальных сосудов исходя из условия, что чем больше значение угла наклона производной, тем больше тонус артериальных сосудов. Также для определения тонуса артериальных сосудов проводят функциональную пробу, обеспечивающую изменение тонуса артериальных сосудов, определяют изменение значения угла наклона производной на дикротическом участке и ее знака, делают вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов, если фиксировалось изменение значения угла наклона производной, и вывод о недостаточном физиологическом тонусе артериальных сосудов, если значения угла наклона производной остались на прежнем уровне в пределах погрешности измерений угла наклона производной.

В предложенном способе на достоверном материале показано, что определение угла наклона производной на дикротическом участке и ее знака является достаточно надежным для оценки состояния тонуса сосудов артериального русла.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведен общий вид установки для оценки тонуса артериальных сосудов (для регистрации пульсовой волны).

На фиг. 2 – приведены сфигмограммы, регистрируемые с помощью пневмодатчика в вольтах.

На фиг. 3 – приведены сфигмограммы давления за несколько кардиоциклов.

На фиг. 4 – приведены нормированные сфигмограммы каждого кардиоцикла.

На фиг. 5 – рассчитанные по производные по фиг. 4. Точками выделены максимумы производной.

На фиг. 6 – приведены выделенные из фиг. 4 диастолические участки сфигмограммы.

На фиг. 7 – производные от диастолических участков сфигмограммы фиг. 6. Точками выделены максимумы производной на дикротической волне, по которым производится расчет угла наклона.

На фиг. 8, 9, 10 – приведены сфигмограммы обследуемых: в возрасте 23 лет (угол наклона 69,9 градусов), в возрасте 45 лет (угол наклона 14,6 градусов), в возрасте 63 лет (угол наклона -17,0 градусов) соответственно.

На фиг. 11 – приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 23 лет до функциональной пробы (угол наклона 9,1 градусов).

На фиг. 12 приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 23 лет после функциональной пробы (угол наклона -44,8 градусов).

На фиг. 13 – приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 59 лет до функциональной пробы (угол наклона -17,0 градусов).

На фиг. 14 – приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 59 лет после функциональной пробы (угол наклона -55,4 градусов).

На фиг. 15 – приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 82 лет с хронической артериальной гипертензией II стадии до функциональной пробы (угол наклона -20,3 градусов).

На фиг. 16 – приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 82 лет с хронической артериальной гипертензией II стадии после функциональной пробы (угол наклона -18,1 градусов).

Позициями на чертежах обозначены:

1 – лабораторная настольная станция «NI ELVIS»;

2 – аналого-цифровой преобразователь;

3 – ноутбук;

4 – резиновая груша;

5 – манометр;

6 – манжета со встроенным датчиком давления марки «MPX5050GP».

Осуществление изобретения

Способ осуществляют следующим образом.

Перед проведением исследований пациента адаптируют к окружающей обстановке, например, посредством 10 минутного отдыха в положении сидя или лежа. Пациенту измеряют значение диастолического давления. Для определения тонуса артериальных сосудов пациенту надевают окклюзионную манжету 6 (фиг. 1) на периферические области конечностей человека, например, плечевую, лучевую или бедренную артерии. Манжета соединяется с датчиком воздушного давления посредством пневмоканала. В манжету нагнетается давление посредством механической ручной помпы 4 или электрического пневмонасоса до значений выше диастолического давления на величину не более 10 мм рт.ст. и фиксируют его. В связи с изменением кровоснабжения конечности, в частности, возникновении венозной окклюзии происходят небольшие изменения среднего давления, регистрируемого датчиком давления или встроенным манометром 5. В течение некоторого времени (менее минуты) прекращается изменение среднего давления в манжете. При уменьшении давления в манжете до значений меньших диастолического его увеличивают, удерживая давление в области этих значений до прекращения его изменения. Далее производят регистрацию пульсовой волны давления с помощью пневмодатчика в течение нескольких циклов сердечного сокращения (фиг. 2). При этом производят запись кривой пульсовой волны давления с датчика давления через аналого-цифровой преобразователь 2 в памяти цифрового устройств (компьютера) 3.

Производят нормировку пульсовой волны давления по амплитуде и времени (фиг. 4), выделяют на диастолическом участке область дикротической волны, совпадающей с областью ретроградной волны. Учитывая, что дикротическая волна формируется в результате появления волны обратного кровотока, участок с дикротической волной будет находится на диастоле, между систолическим максимумом пульсовой волны давления и областью появления антеградной волны. Далее определяют локальный максимум и угол наклона производной на данном участке и ее знак.

Для обработки и анализа зарегистрированного сигнала пульсовой волны был использован высокоуровневый язык программирования Python и среда разработки Jupiter Notebook. Для расчёта угла перегиба выполнялись следующие этапы:

1. Фильтрация исходного сигнала пульсовой волны на основе фильтра Баттерворта 3-го порядка. Нормировка сигнала в диапазоне значений [0, 1].

2. Определение значения сигнала в точках минимума и максимума (экстремумы сфигмограммы) каждого интервала на сфигмограмме. Точка максимума соответствует окончанию систолического участка. Минимум совпадает с завершением одного интервала и началом другого. Поиск экстремумов на сфигмограмме выполнялось с помощью библиотеки scipy.signal и функции argrelextrema(). Поиск точек экстремума позволяет выделить диастолический участок пульсовой волны, где находится дикротическая волна.

3. Следующим этапом является разделение пульсовой волны на интервалы, в которых находится одна пульсовая волна. Для каждой пульсовой волны выполняется расчёт 1-ой производной сфигмограммы (фиг. 5), которая позволяет выделить точку перегиба на дикротической волне. Расчёт производной выполняется с помощью библиотеки numpy и метода diff(). На графике 1-ой производной дикротической волны (фиг. 7) точка перегиба будет точкой экстремума (максимальным значением).

4. После нахождения численного значения (k) точки экстремума функцией argrelextrema() выполняется расчёт тангенса угла наклона касательной в этой точке по формуле α = arctg(k), где α – искомый угол перегиба в области дикротической волны. Расчёт выполняется для всех выделенных интервалов сфигмограммы. Далее рассчитывается среднее значение угла для всех интервалов.

Если в области дикротической волны формируется немотонность в виде пучности, то знак локального максимума и угла наклона производной на данном участке будет положительным, если в области дикротической волны формируется только нелинейность кривой волны давления, то знак локального максимума производной и угла наклона будет отрицательным.

Усредняют значения угла наклона производной по количеству измеренных циклов сердечного сокращения. Тонус артериальных сосудов определяют исходя из условия, что чем более выражен дикротический перегиб, тем больше тонус сосудов, т.е., чем больше значение угла наклона производной, тем больше тонус артериальных сосудов.

Однако кроме тонуса сосудов, связанного с возрастом человека или его психофизическом состоянием существует физиологический тонус гладких мышц сосудов. В норме физиологический тонус гладких мышц сосудов у молодого здорового организма обладает высокой резистивностью. Резистивность сосудов может уменьшаться вследствие различных заболеваний, либо вследствие патологических возрастных изменений. Как следствие может уменьшаться не только исходное значение резистивности сосудов, но и их реакция на функциональную пробу.

В предлагаемом способе также для определения тонуса артериальных сосудов (физиологического тонуса гладких мышц) проводят функциональную пробу, обеспечивающую изменение тонуса сосудов. Например, проводят тепловую пробу, гравитационную пробу или окклюзионную пробу. В процессе функциональной пробы при физиологической норме изменяется тонус артериальных сосудов. Определяют изменение значения локального максимума и угла наклона производной и делают вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов, если фиксировалось изменение значения угла наклона производной, и вывод о недостаточном физиологическом тонусе артериальных сосудов, если значение угла наклона производной осталось на прежних значениях в пределах погрешности измерений.

Пример практической реализации.

Общий вид установки для регистрации пульсовой волны приведен на фиг. 1. В состав программно-аппаратного комплекса входят: настольная рабочая станция «NI ELVIS» («National Instruments», США); аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в составе «DAQmx» («National Instruments», США) устройства, предназначенного для связи «NI ELVIS» и компьютера; манжета; резиновая груша; манометр; датчик давления «MPX5050GP» («Freescale Semiconductor», США); персональный компьютер или ноутбук, комплект программного обеспечения «LabView 8.5» («National Instruments», США).

С помощью этой установки проводится оценка тонуса артериальных сосудов, путем регистрации пульсовой волны давления пневматическим датчиком, закрепленным на макетной плате прибора NI ELVIS и подключенным к окклюзионной манжете. При проведении измерений окклюзионная манжета накладывалась на область плеча обследуемого. После фиксации манжеты на выбранной периферической области конечностей человека производилось нагнетание давления в манжету до значений от 0 до 10 мм рт. ст. выше диастолического давления, удерживалось давление в пределах этих значений до прекращения его изменения и производилась запись пульсовой волны в течение нескольких периодов сердечного цикла в пределах длительности 10-15 секунд. Выбор значений нагнетаемого давления от 0 до 10 мм рт. ст. выше диастолического давления был обусловлен тем, что форма пульсовой волны давления в этих пределах изменялась незначительно, в пределах погрешности измерений и не превышала 10%. С ростом давления в манжете форма пульсовой волны модифицировалась из-за влияния внешнего давления манжеты на форму пульсовой волны.

После получения записи пульсовых волн давления в течение нескольких циклов сердечного сокращения проводилась их математическая обработка, включающая в себя нормирование пульсовых волн по амплитуде и времени, выделение на диастолическом участке области дикротической волны, вычисление локального максимума производной по времени и ее знака, вычисление угла наклона производной на данном участке и его знака. После усреднения значения угла наклона производной по количеству измеренных циклов сердечного сокращения определяли тонус артериальных сосудов исходя из условия, что чем больше значение угла наклона производной, тем больше тонус артериальных сосудов.

Замечено, что в зависимости от возраста испытуемых, можно наблюдать принципиально различные формы пульсовой волны, а, следовательно, и различные значения угла наклона производной. На сфигмограммах молодого обследуемого в возрасте 23 лет (фиг. 8) наблюдается ярко выраженная область дикротической волны, свидетельствующая о высоком тонусе артериальных сосудов.

Для обследуемого в возрасте 45 лет, сосудистая система которого уже несет в себе возрастные изменения, а артериальные сосуды имеют более высокую жесткость и меньшую эластичность, наблюдается совершенно другая форма пульсовой волны (фиг. 9). На сфигмограмме пульсовой волны в области дикротической волны наблюдается уже не ярко выраженный минимум, а небольшой перегиб, но значение угла наклона производной еще остается положительным.

Для обследуемого в возрасте 63 лет, сосудистая система которого имеет еще более высокую жесткость и меньшую эластичность, наблюдается отрицательный наклон в области дикротической волны (фиг. 10). На сфигмограмме пульсовой волны в области дикротической волны наблюдается небольшой перегиб, при этом значение угла наклона производной отрицательное.

Как известно, в молодом возрасте сосуды обладают большой эластичностью и малой жесткостью. После проведения функциональной окклюзионной пробы, обеспечивающей изменение тонуса артериальных сосудов, на сфигмограмме (фиг. 11, 12), полученной для молодого обследуемого в возрасте 23 лет наблюдается изменение значения угла наклона производной дикротической волны на величину 53,9 градуса. При этом значение угла наклона производной дикротической волны, вычисленное по производной от формы пульсовой волны давления по времени в рассматриваемой области, изменилось на противоположное. На основе значительного изменения значения угла наклона производной делается вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов.

После проведения функциональной окклюзионной пробы, обеспечивающей изменение тонуса артериальных сосудов, на сфигмограмме (фиг. 13, 14), полученной для пожилого обследуемого в возрасте 59 лет наблюдается изменение значения локального максимума производной дикротического перегиба на величину 38,4 градуса. Хотя начальное значение локального максимума производной дикротической волны было меньше, чем у молодого обследуемого, но величина изменения значения угла наклона производной осталась также высокой, при этом делается вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов у возрастного обследуемого.

Также проводилось определение тонуса сосудов у пациента с хронической артериальной гипертензией II стадии в возрасте 82 лет. На фиг. 15, 16 приведены сфигмограммы обследуемого в возрасте 82 лет с хронической артериальной гипертензией II стадии до и после функциональной пробы. Приведенные результаты определения изменения значения угла наклона производной в области дикротической волны свидетельствуют о незначительном его изменении (на величину 2,2 градуса, что составляет менее 5% от возможных значений этого угла 180 градусов), что свидетельствует о недостаточном физиологическом тонусе артериальных сосудов.

Следует отметить достоинство способа, заключающееся в его повышенной устойчивости к естественным колебаниям тонуса сосудов. Как известно на тонус сосудов влияют не только различные заболевания такие, как стенокардия, атеросклероз, хроническая артериальная гипертензия, хроническая венозная недостаточность нижних конечностей и другие. На тонус сосудов влияет глубина дыхания и психоэмоциональное состояние пациента. При проведении регистрации пульсовой волны такими методами, как фотоплетизмография, реография, лазерная допплеровская флоуметрия, импедансометрия и аналогичными, наблюдается большая вариабельность зарегистрированной формы пульсовой волны от одного кардиоцикла к другому. В предлагаемом способе, использование окклюзионной манжеты с давлением выше диастолического приводит к появлению венозной окклюзии, которая блокирует чувствительность пульсовой волны давления к глубине дыхания и психоэмоциональному состоянию пациента, поскольку это влияние наибольшим образом идет через систему венозного кровообращения. Сравнительный анализ зарегистрированных пульсовых волн этими методами показал значительное превосходство предлагаемого метода по воспроизводимости.

Предлагаемый способ диагностики лишен указанных недостатков, так как он обеспечивает диагностику состояния тонуса артериальных сосудов по выделенному участку диастолы пульсовой волны давления, обладает устойчивостью к естественной вариабельности сосудистого тонуса.

Изобретение относится к медицине, а именно к ангиологии и сердечно-сосудистой хирургии, и может быть использовано для оценки тонуса артериальных сосудов человека. На область периферической артериальной системы конечности человека надевают окклюзионную манжету и нагнетают в ней давление до значений от 0 до 10 мм рт.ст. выше диастолического давления. Осуществляют преобразование пульсовой волны давления в электрический сигнал с помощью пневматического датчика, регистрируют электрический сигнал в течение в течение 10-15 сек. Нормируют форму электрического сигнала по амплитуде и времени, разделяют пульсовые волны на интервалы, в каждом интервале выделяют на диастолическом участке область дикротической волны, определяют локальный максимум производной на данном участке и ее знак, вычисляют угол наклона производной в области локального максимума производной, усредняют значения угла наклона производной по количеству измеренных циклов сердечного сокращения. Проводят функциональную пробу, затем определяют изменение значения угла наклона производной на дикротическом участке и ее знака. При изменении значения угла наклона производной делают вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов. При сохранении угла наклона производной на прежнем уровне в пределах погрешности измерений угла наклона производной делают вывод о недостаточном физиологическом тонусе артериальных сосудов. Способ позволяет повысить точность оценки тонуса артериальных сосудов человека за счет снижения вариабельности регистрируемой формы пульсовой волны. 16 ил.

Способ оценки тонуса артериальных сосудов человека, заключающийся в анализе формы пульсовой волны артериального давления путем его преобразования в электрический сигнал, отличающийся тем, что для формирования пульсовой волны артериального давления на область периферической артериальной системы конечности человека надевают окклюзионную манжету, нагнетают в ней давление до значений от 0 до 10 мм рт.ст. выше диастолического давления, удерживают созданное давление в области этих значений до прекращения его изменения, преобразование пульсовой волны давления в электрический сигнал осуществляют с помощью пневматического датчика, регистрируют электрический сигнал в течение 10-15 сек, нормируют форму электрического сигнала по амплитуде и времени, разделяют пульсовые волны на интервалы, в которых находится одна пульсовая волна, в каждом интервале выделяют на диастолическом участке область дикротической волны, определяют локальный максимум производной на данном участке и ее знак, вычисляют угол наклона производной в области локального максимума производной, усредняют значения угла наклона производной по количеству измеренных циклов сердечного сокращения, проводят функциональную пробу, обеспечивающую изменение тонуса артериальных сосудов, определяют изменение значения угла наклона производной на дикротическом участке и ее знака, при изменении значения угла наклона производной делают вывод о нормальном физиологическом тонусе артериальных сосудов, а при сохранении угла наклона производной на прежнем уровне в пределах погрешности измерений угла наклона производной делают вывод о недостаточном физиологическом тонусе артериальных сосудов.