ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 6, 2013
УДК 616.471.03:616.12-008.1
© 2013 г. Петухов С.В., Явелов И.С., Рочагов А.В.
ВОПРОСЫ КАРДИОПУЛЬСОГРАФИИ В БИОМЕХАНИКЕ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
Статья посвящена достижениям в области медицинской инженерии по созданию новых методических подходов и технических средств диагностики сердечнососудистой системы на основе биомеханических характеристик пульсации артериальных кровеносных сосудов. Приведены данные о возможностях нового поколения аппаратуры для сфигмографии высокого разрешения на основе специальных волоконно-оптических датчиков. Благодаря оригинальной конструкции и алгоритмам обработки сигнала удается надежно и с минимальным уровнем шума получать информацию о структуре пульсовых волн давления в артериях конечностей для целей медицинской диагностики и контроля функционального состояния человека-оператора в системах человек-машина. Освещается опыт использования устройств и алгоритмов обработки информации, обсуждаются дальнейшие перспективы данного направления работ.
Задачи современного машиноведения включат в себя обеспечение надежности систем "человек—машина" на основе контроля функционального состояния человека-оператора как ответственного звена управления, а также на основе профессионального отбора кандидатов в операторы с учетом профессиональных заболеваний и пр. При этом особое внимание уделяется состоянию сердечно-сосудистой системы. Среди большого количества методов исследования сердечно-сосудистых заболеваний одним из распространенных и современных методов является сфигмография, в основе которой лежит получение сигнала, отражающего изменение пульсовой волны давления в сосуде неинвазивным способом. Развитие сфигмографии связано с совершенствованием датчиков пульсовой волны и методов ее обработки, а также с изменением представлений о гемодинамике и свойствах сердечно-сосудистой системы.
В настоящей статье описывается отечественная аппаратура, созданная в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) на основе волоконно-оптических датчиков-зондов в связи с задачами обеспечения надежности систем "человек—машина" и развития медицинской инженерии. Аппаратура ИМАШ предназначена для исследования пульсовых волн и механосигналов сердца, является результатом более чем тридцатилетней работы коллектива по внедрению данного направления сенсорной техники [1—3].
Новый метод регистрации пульсовой волны и вибросигналов сердца основан на применении волоконно-оптических амплитудных преобразователей с параметрически надежными жгутами волокон. Принцип измерения колебаний артериальной стенки — механический, потому этот метод измерения относится к механопульсогра-фии. С помощью колеблющейся металлической мембраны или консоли модулируется световой поток волоконно-оптического преобразователя и через оптоэлектронный блок и аналого-цифровой преобразователь сигналы поступают в компьютер [3, 4, 5].
4
5 а
13
I
к-
12
15
16
Рис. 1
На рис. 1, а, б представлены миниатюрные волоконно-оптические датчики, позволяющие неинвазивным методом получить сигнал неискаженной пульсовой волны. Частотные характеристики по полосе пропускания такого датчика соответствуют диапазону 0—200 Гц, а вторичного тракта — 0,3—20 Гц. Высокое пространственное разрешение обусловлено достаточной чувствительностью датчика и локальностью измерения пульсаций (диаметр пелота у датчика равен 3 мм).
Принцип работы датчиков основан на модуляции светового потока за счет движения чувствительных механических элементов (мишеней) относительно торца световодов синхронно с колебаниями сосудистой стенки.
По конструктивному исполнению датчики отличаются геометрией чувствительного механического элемента, конфигурацией измерительной оси и способом крепления датчика. Датчик мембранного типа с осевым расположением световодов (рис. 1, а) в качестве чувствительного элемента имеет закрепленную в корпусе 1 металлическую мембрану 2, к которой прикреплен пелот 3, примыкающий к колеблющейся артерии. С внутренней стороны мембраны с помощью компаунда 5 закреплен волоконно-оптический коллектор 4, регистрирующий с помощью светового потока колебания мембраны. Датчик имеет вытянутый в осевом направлении конструктив без поворота измерительной оси, он позиционируется и удерживается рукой.
Чтобы обеспечить возможность ставить одновременно второй датчик пульсовой волны (это необходимо при исследовании скорости распространения пульсовой волны), была разработана более удобная конструкция консольного типа с радиальным расположением световодов (рис. 1, б), в которой возможно крепление датчика с помощью гибкого или жесткого элемента (браслета) без удержания рукой. Здесь чувствительным элементом является консоль 6, зажатая нижней крышкой 7. В середине консоли закреплен пелот 11, а на окончании консоли 8 расположено зеркало-мишень 9. В корпусе 10 закреплен волоконно-оптический коллектор 12. Верхняя крышка датчика имеет выступ, удобный для позиционирования и крепления датчика в браслете или резиновом манжете. Благодаря консоли измерительная ось поворачивается на 90° и световоды имеют радиальный выход. Пелот колеблется относительно корпуса вместе с артериальной стенкой, к которой прижат датчик. Колебания передаются зеркалу, которое движется на удаление от торца световодов, поэтому сигнал пульсовой волны имеет обратный знак по отношению к датчику предыдущей конструкции. В остальном сигналы датчиков совпадают.
в
2
Рис. 2
Кроме пульсовых волн, несущих информацию о потоке крови, для целей неотложной кардиодиагностики традиционно применяется фонендоскоп и стетоскоп, с помощью которых врачи прослушивают акустические отклики, сопровождающие работу сердца и легких. В результате научно-исследовательских работ был предложен волоконно-оптический фонендоскоп (оптофон-фонендоскоп), представленный в разрезе на рис. 1, в, в основе которого лежат мембранные датчики с пленочной мембраной: 13 — чашечка фонендоскопа, 14 — гибкий шланг, 15 — мембранный корпус, 16 — защитный кожух, 17 — защитная капсула, 18 — волоконно-оптический зонд. Высокая чувствительность оптофонов позволяет применять их для регистрации динамических процессов и низкочастотных акустических волн (инфразвука). В частности, были зарегистрированы низкочастотные колебания воздуха в чашечке фонендоскопа, расположенного на поверхности грудной клетки человека в области вибраций, создаваемых сердечной мышцей. Таким образом, оптофон-фонендоскоп обладает широкой полосой пропускания сигналов и может применяться как в зоне инфразвука (заменяя апекс-кардиограф), так и в зоне звука, являясь фонокардиографом.
На основе описанных датчиков кардиомеханосигналов был создан ряд мобильных приборов с условным названием "Пульс" [1, 3]. Основные его модификации адресованы практическим врачам: кардиологам и терапевтам. Прибор "Пульс" за длительную историю своего развития прошел значительную эволюцию, следуя за развитием компьютерной техники.
На рис. 2 показан один из последних вариантов прибора "Пульс", обеспечивающий четырехканальный съем информации с развязкой через и^В-разъем на компьютер. Он имеет два оптоэлектронных канала для датчиков пульсовой волны или фонендоскопа, один канал ЭКГ (отведение рука-рука) и один канал — кнопка для запуска прибора на запись результатов в файл рукой пациента, благодаря чему руки врача свободны для установки датчиков. Большим достоинством прибора является возможность одновременного многоканального съема кардиоинформации с изучением сигналов в разных регионах кровотока, а также возможность исследования скорости пульсовой волны. Программный продукт, сопровождающий анализатор "Пульс", достаточно проработан, чтобы создать врачу удобную базу данных, напоминающую привычную регистрационную систему, куда заносятся входные данные пациента, анамнез, назначения и т.д. Далее выбирается конфигурация многоканального обследования с учетом типа требуемых датчиков и проводится съемка с первоначальным мониторингом, а за-
тем с записью в файл и последующей обработкой сигналов. Данные выдаются после расстановки реперов на пульсовых волнах, оптофонендограмме и ЭКГ и расчета характеристик в табличном виде. Для трактовки результатов обследования в программе подшиты шаблонные сигналы, позволяющие оператору использовать полученные ранее наработки. Завершается обследование вычислением интегральных характеристик, связанных с расчетом всего ряда записанных кардиоциклов. Сюда входит вариабельность и результаты реперного анализа пульсовых волн. После этого формируется отчет с записью на принтер.
В программе использованы возможности современных информационных интернет-технологий для дистанционной передачи отчета и всей регистратуры данных с помощью формирования ИТМЬ-страниц на центральный консультативный пункт. Возможности нового поколения аппаратуры позволяют говорить о сфигмографии высокого разрешения [4, 5], в которой благодаря оригинальной конструкции датчиков и алгоритмам обработки сигнала удается надежно с минимальным уровнем шума получать информацию о тонкой структуре пульсовых волн давления в артериях конечностей. Возможно проведение (в автоматическом режиме) детального контурного анализа пульсовых волн в артериальных сосудах, в том числе и при длительном мониторинге. На клинических примерах была показана перспективность использования новых автоматически рассчитываемых индексов пульсовых волн, характеризующих тонус периферических сосудов. Это открывает возможность для совершенствования методов оперативного получения диагностической информации о состоянии сердца и сосудов пациента, в том числе о тонусе как магистральных, так и периферических артерий. Образец двух-канальной съемки приведен на рис. 3 (расстановка маркеров на сигналах).
Наработки, полученные на приборе "Пульс", позволяют на основе многоканальной регистрации рассматривать взаимосвязь периферийных пульсовых волн и центральных, например с лучевой и сонной артерий (рис. 4). Здесь показаны в одном масштабе времени пульсовые волны пациента (мужчина 60 лет со статусом гипертоник 1 степени). Х
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.