Усилитель сфигмографического сигнала для определения скорости распространения пульсовой волны

Усилитель сфигмографического сигнала для определения скорости распространения пульсовой волны

Методы изучения ССС человека

Разработка графических методов исследования пульса была начата в середине прошлого столетия, когда появились первые сфигмографы.

Внедрение в физиологию физико-математического анализа позволили успешно изучать распространение волн давления, биомеханику кровообращения, сосудистый тонус и многое другое.

До последнего времени системы такого обследования ССС строились преимущественно на основе вариационно-статистического и спектрального анализа кардиоинтервалограммы, получаемой с помощью метода электрокардиографии (ЭКГ) (например, такие известные системы, как “Анкар”, “Инкарт”, “Holter for Windows” и др.). Однако, используемый в таких системах и способах метод ЭКГ, несмотря на его высокую информативность при изучении динамики электрического возбуждения сердца и широкую применяемость при проведении спектрального анализа вариабельности сердечного ритма, не может в достаточной мере оценивать кардиогемодинамику, сократительные свойства миокарда и состояние сосудистого тонуса. В то же время у больных очень часто функциональные нарушения, происходящие в миокарде и кровеносных сосудах, предшествуют изменениям, выявляемым с помощью ЭКГ.

Поэтому широкое распространение получил метод ультразвуковой эхокардиографии, - метод исследования сердца при помощи импульсного ультразвука. Этот метод основан на регистрации ультразвуковых волн, отражённых на границе структур сердца, имеющих различную плотность. Он позволяет проводить неинвазивную оценку ряда важных кардио- и гемодинамических характеристик ССС. С помощью эхокардиографии определяют объёмы частей сердца, толщину стенок и массу его мышечных слоев, ударный объём и некоторые другие показатели кровообращения. Сочетание методов эхокардиографии и сканирования (ультразвуковое сканирование) позволяет получать последовательное изображение структур сердца, отражающее их динамику во время систолы и диастолы. Тем не менее, использование этого метода требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, высокой квалификации оператора и значительного времени обследования, что снижает его значимость как метода получения экспресс-информации.

Дальнейший прогресс в этом направлении был связан с созданием специализированных систем анализа ССС, в основе которых лежит регистрация амплитудно-временных параметров пульсовых волн в виде электрических сигналов, возникающих в результате преобразования специальными датчиками механических сигналов от колеблющихся под воздействием волны пульсового давления стенок артерий - сфигмография или от изменяющихся под воздействием пульсирующего притока крови объемов тканей - плетизмография. Промежуточным вариантом, объединяющим эти методы (СФГ с плетизмографией) является метод объемной сфигмографии (ОСФГ). Однако, объемные методы имеют ограничения, связанные с тем, что регистрируемый сигнал отражает пульсовые изменения и артериального, и капиллярного, и венозного кровенаполнения тканей, по-разному изменяющих их объем, что ведет к потере ряда существенных деталей на графике и усложняет интерпретацию результатов.

В последние годы появилась возможность использования генераторных (индукционных и пьезоэлектрических) датчиков для непосредственной регистрации дифференциальных сфигмограмм или, иными словами, - артериальных пьезопульсограмм (АП) с пульсирующего участка тела над артерией. Это существенно расширило возможности неинвазивного изучения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека.

Сходными по своей сущности способами являются два метода, первый из которых использует датчик для регистрации ОСФГ с последующим математическим дифференцированием пульсовых кривых. Как было сказано выше, данный способ имеет ограничения такие как постоянная составляющая, включающая мышечные и другие ткани, что приводит к демпфированию сигнала, сглаживанию или, наоборот, усложнению контура графика кардиоцикла и к потере ряда существенных деталей на регистрируемой кривой. Дифференцирование такой пульсограммы облегчает процедуру временного анализа графика по «кодирующим» точкам, но не повышает точность и информативность обследования, что в дальнейшем приводит к неопределенности в оценке состояния ССС.

Другой метод (“SphygmoCor”) основан на использовании пьезоэлектрических датчиков, но анализ производится путем интегрирования «исходной» дифференциальной кривой. Это также может вносить дополнительные неточности в результат обследования, а ограниченное число регистрируемых кардиоциклов не позволяет анализировать воздействие регуляторных систем организма на состояние ССС.

Анализ современного состояния проблемы пульсовой диагностики ССС привел к выводу о предпочтительности и перспективности использования пьезоэлектрических датчиков для непосредственной регистрации дифференциальных сфигмограмм с пульсирующего участка тела над артерией. Эта возможность появилась в последние годы в связи с промышленным созданием малогабаритных и высокочувствительных пьезоэлектрических преобразователей с широкой полосой рабочих частот и высокой собственной резонансной частотой (более 2000 Гц). Такие датчики принадлежат к числу наиболее точных и позволяют преобразовывать механические воздействия на датчик непосредственно в аналоговый электрический сигнал, который может быть зарегистрирован графически в виде кривой скорости изменения силы воздействия. Развитие вычислительной техники открыло возможность преодоления трудностей, возникающих при количественной обработке и анализе больших массивов получаемой пульсометрической информации. Стало возможным проведение непрерывного мониторинга изменений амплитудно-временных параметров пульсограммы, получение расчетных данных практически в реальном масштабе времени, а также быстрое выполнение сложных математических преобразований для выявления периодических составляющих в колебаниях амплитудно-временных параметров пульсовых кривых с целью оценки значимости их вклада в обеспечение необходимой кардиогемодинамики.

Описание метода пульсометрической оценки

Для индикации возникновения прогностического фактора риска развития сердечно-сосудистых заболеваний и его количественной оценки используют измерение скорости распространения пульсовой волны АД по аорте и крупным магистральным артериям, а также определение прироста ПАД (ΔРР) в виде относительной величины - индекса аугментации AIx. С этой целью в настоящее время применяют пульсометрические методы, большей частью использующие различные типы плетизмографических датчиков. С помощью этих датчиков неинвазивно регистрируют сигнал, отражающий пульсирующее изменение объема тканей, прилегающих к датчику, обусловленное в основном пульсовым изменением объема артериальной крови притекающей в эту ткань (объемная сфигмография, ОСфГ). Метод ОСфГ получил широкое распространение при гемодинамических исследованиях и в клинике. Однако следует отметить, что регистрируемый при этом сигнал отражает также колебания капиллярного и венозного кровенаполнения тканей, по-разному изменяющих объем последних, и включает в себя дополнительную объемную составляющую, обусловленную костями, кожей, мышечными и другими структурными компонентами тканей. Все эти компоненты сглаживают контур регистрируемого с помощью метода ОСфГ графика пульсовой волны давления крови, по сравнению с графиком пульсовой волны, регистрируемым в аорте и крупных артериях. Это ограничивает точность и, следовательно, информативность метода ОСфГ при анализе структуры пульсовых волн, особенно при оценке параметров центральной гемодинамики. Пьезодатчики непосредственно преобразовывают локальные механические толчки пульсирующей артерии в электрический сигнал, который может быть зарегистрирован графически в виде кривой скорости пульсового изменения АД крови в прилегающей к датчику артерии.

Графическое изображение артериальной пьезопульсограммы и расчет кодирующих точек

Двухканальный артериальный пьезопульсометр «АПП-2», изготовлен в ООО «ВАСА-ПУЛЬС» (г. Санкт-Петербург) на основе запатентованной разработки (Патент РФ на изобретение № 2268639). Аппаратную базу метода составляют пьезокерамический датчик и адаптер-преобразователь, осуществляющий интерфейс между датчиком и IBM-совместимым компьютером. Программное обеспечение «WinPulse» визуализирует локальные пульсовые изменения АД в виде артериальной пьезопульсограммы и осуществляет непрерывную запись, преобразование, математическую обработку и отображение получаемых результатов на мониторе. Пьезопульсограмма графически отражает скорость изменения АД на разных этапах сердечного цикла в течение всего периода обследования и представляет каждый цикл сердечной деятельности в виде волнообразного контура с характерными перегибами. Это позволяет с высокой точностью и статистически оцениваемой достоверностью анализировать амплитудно-временные параметры такого графика на основе специально разработанных устойчивых компьютерных алгоритмов выделения «кодирующих» (расчетных) точек. Пьезопульсограмма представляет собой первую производную графика зависимости изменения пульсового АД от времени, что определяет математически однозначное расположение точки «А» как точки начала анакротической фазы изгнания крови, соответствующей моменту открытия аортального клапана (Рис.1). В этой точке АД = АДД (диастолическое артериальное давление) и первая производная равна нулю, что позволяет провести через эту точку горизонтальную изолинию, определяющую площадь под и/или над кривой графика, и отражающую прирост или уменьшение давления крови в артерии при прохождении пульсовой волны, обусловленной выбросом ударного объема крови из левого желудочка.

Рис. 1

С помощью данного метода оценивается широкий спектр кардиогемодинамических показателей, характеризующих функциональное состояние ССС и характер ее регуляции вегетативной (автономной) нервной системой. В данной работе анализировали динамику параметров и производных показателей усредненных пульсовых волн АД: пульсового артериального давления крови (ПАД или PP [мм рт. ст.]), которое определяли интегрированием по площади, покрываемой ординатами между точками «А» и «С», если площадь CG ≤ 0, или между точками «А» и «G», если площадь CG>0; максимальной скорости прироста ПАД - VmaxРР [мм рт. ст.], отражающей эффективность выполнения сокращающимся миокардом левого желудочка насосной функции (определяется ординатой точки абсолютного верхнего систолического экстремума - «В»); дикротического индекса - DIx [%], отражающего упругий тонус стенок сосудов артериального русла, формирующий, в частности, ПСС, который оценивается как отношение величины ускоренного дикротического прироста АД в начале диастолы - ΔАPDa (определяется интегрированием по площади, покрываемой ординатами между точкой нижнего экстремума на графике кардиоцикла - «D», соответствующей моменту закрытия аортального клапана, и точкой «F» верхнего диастолического экстремума этого графика, соответствующей максимальной скорости прироста дикротического АД крови) к величине ускоренного анакротического прироста ПАД - ΔPPa (определяется интегрированием по площади, покрываемой ординатами между точкой «A» и точкой «B», соответствующей моменту достижения VmaxРР), т.е. DIx = ΔАPDa •100/ΔPPa [%],а также индекса аугментации - AIx = ΔPP•100/PP [%], где ΔPP - прирост ПАД, который определяется интегрированием по площади, покрываемой ординатами между точками «C» и «G», если площадь CG>0.

Определяется также длительность задержки возвращения отраженной волны пульсового артериального давления (ОВПАД) относительно исходной систолической пульсовой волны АД - TRS. Эта величина оценивается как временной интервал между гомологичными точками на графике кардиоцикла - моментом достижения максимальной скорости прироста пульсового АД за счет ОВПАД (tH; точка «H») и более ранним моментом достижения VmaxРР на этом же графике (tB; точка «В») - TRS= tH-tB [мc].

Пульсограмма записывается на жестком диске персонального компьютера в виде файла для последующей обработки. Вычисление амплитудно-временных характеристик регистрируемого сигнала, содержащих информацию о динамике пульсовых изменений АД крови, дополняется процедурой калибровки сигнала в привычных и удобных при сравнительных исследованиях единицах измерения АД - мм рт. ст. Поскольку пульсовое артериальное давление образуется в результате выброса ударного объема крови (УОК) в аорту, величина ПАД пропорциональна УОК и может быть оценена путем измерения давления крови с помощью сфигмоманометра. С этой целью компьютерная регистрация сигнала на выбранном начальном участке стационарной пульсограммы сопровождается измерением средних величин АДС и АДД с помощью стандартного автоматического сфигмоманометра, внесение этих величин в компьютер и автоматическим вычислением соответствующих значений ПАД. Соотнося эту измеренную в мм рт. ст. величину ПАД со средней величиной ПАД, вычисленной в этот же период в условных единицах компьютерной «оцифровки» путем интегрирования по соответствующим площадям графика кардиоциклов (ограниченным ординатами точек «AС» или «AG» при выявлении аугментации ПАД на графиках кардиоциклов в случае, если интеграл площади «CG» > 0), определяется калибровочный коэффициент пропорциональности, с помощью которого единицы «оцифровки» автоматически пересчитывается и выражается АД в мм рт. ст. Все кардиогемодинамические показатели вычисляются с помощью программы “WinPulse”, использующей стандартные формулы статистической обработки результатов.

Расчет усилителя сфигмографического сигнала для определения скорости распространения пульсовой волны

В отведениях используется пьезокерамические датчики ЗП-1, которые непосредственно преобразовывают локальные механические толчки пульсирующей артерии в электрический сигнал (прямой пьезоэффект).

Амплитудные и частотные параметры:

Диапазон частот в гармоническом спектре: 0 - 40 Гц;

Амплитуда: 0.3 - 5.0 мВ.

Необходимый коэффициент усиления при регистрации: К=103.

Для получения результирующего сигнала порядка 1 В необходимо усилить входной сигнал в 103 раз. Для этого используют дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления К1=10, который обеспечивает подавление синфазных помех и выделение полезного сигнала, и неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления: К2=100. Полная схема усилителя сфигмографического сигнала представлена на рисунке 2.

Расчет неинвертирующего усилителя:

R5=1 кОМ, R6=100 кОм

С1=1/(2*π*fн* R6) = 40 нФ= (R6/ R5)+1=100

Суммарный коэффициент усиления: К= К1* К2=10*100=1000

Рис. 2. Полная схема усилителя сфигмографического сигнала

Список литературы:

. Кузовлев Ф.Н. Анализ состояний радиальных пульсов как метод диагностики, 2007.

. Парин В.В., Баевский Р.М., Волков Ю.Н., Газенко О.Г. Космическая кардиология. Л.: Медицина, 1967.

3. Karvonen M.J. Physical activity and health // Finish sports exercise med.-1983.-Vol.3

4. С.В. Божокин. Математическое описание сердечного ритма. - СПб.: Издательство Политехнического университета, 2005. - 80 с.