Разработка и исследование датчиковой аппаратуры для системы автоматизированного мониторирования артериального давления

Актуальность темы

В Российской Федерации артериальная гипертензия (АГ) остается одной из самых актуальных медицинских проблем. Это связано и с чрезвычайно большой распространенностью заболевания — около 40% взрослого населения нашей страны страдает АГ (Арабидзе Г. Г., 1996; Манвелов Л. С. с соавт., 1998; Деев С. А., Вихирева О. В., 2001; Беленков Ю. Н., Чазова И. Е., 2003; Агеев Ф. Т., Арбалишвили Г. Н., 2003). Но АГ остается одной из самых актуальных медицинских проблем в России и в мире еще и потому, что именно она обусловливает высокую сердечно-сосудистую заболеваемость (ССЗ) и смертность.

Основным методом выявления АГ и оценки эффективности лечения продолжает оставаться традиционное определение артериального давления (АД) по методу, открытому в 1905 г. Н. С. Коротковым («клиническое АД»), представляющее, по образному выражению О. Магкла, «менее чем микроскопическую часть от тысяч значений этого показателя, характеризующих 24-часовой профиль артериального давления» [36]. Основные надежды на уточнение и дополнение традиционного метода связывают с суточным мониторированием АД (СМАД). Этот метод адаптирован к условиям свободно передвигающегося человека и позволяет получать информацию о сердечно-сосудистой системе пациента, как в стенах медицинских учреждений, так и условиях, максимально приближенных к естественным («типичных», «повседневных», «рабочих»). СМАД получает в последние годы все большее распространение в клинической практике для диагностики гипертонической болезни, артериальной гипотензии и для оценки эффективности и безопасности терапии, причем не только гипотензивной, но антиангинальной, антиаритмической и т. д. Прогностическая ценность СМАД проявляется в возможности предвидеть вероятность развития сердечно-сосудистых осложнений [77].

Неинвазивные приборы с встроенным микрокомпрессором и полностью автоматизированным процессом измерения АД появились в конце 1960;х годов. Практически все они воспроизводили алгоритм измерения АД по методу.

Короткова. В 1976 г. фирма «Criticon» создала и выпустила на рынок первый прикроватный автоматический монитор АД «Dinamap 825», успешно реализующий модифицированный осциллометрический метод Е.Магеу. В носимых суточных мониторах АД осциллометрический метод нашел применение с 80-х годов [31].

Появляются новые приборы для СМАД, измерение АД в которых основано на акустическом методе (по Короткову), или на осциллометрическом методе. Так, по данным А. Н. Рогозы выпускаемые мониторы для СМАД в трети случаев используют акустический, в трети — осциллометрический, а в трети — комбинацию двух методов [34].

Разработкой приборов для СМАД занимаются фирмы: Ульяновское конструкторское бюро приборостроения, Медиком, Компания Нео, ДМС Передовые Технологии, Инкарт, BpLab (Россия) — Spacelabs Healthcare (США) — Omron, AND, Nissei (Япония) — Shiller (Швейцария) — Meditech (Венгрия), и многие другие.

Основными проблемами, с которыми сталкиваются при разработке суточных мониторов артериального давления, являются:

1. Повышение точности измерения АД в условиях свободной двигательной активности пациента при всех внешних воздействующих факторах (вибрация, удары, температура). Одним из наиболее мощных дестабилизирующих факторов в процессе эксплуатации является температура и воздействия, вызванные двигательной активностью, поэтому решение вопросов компенсации погрешности, вызванной этими факторами позволяет уменьшить погрешность измерений в процессе эксплуатации до приемлемых значений. А от точности измерения АД напрямую зависит правильность постановки диагноза и адекватность назначаемого лечения.

2. Повышение чувствительности и избирательности для фиксации слабой пульсовой волны на фоне помех.

3. Снижение энергопотребления, для увеличения длительности непрерывного исследования.

4. Уменьшение габаритно-весовых характеристик для обеспечения комфорта пациента.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерения АД при суточном мониторировании, за счет повышения помехозащищенности канала восприятия пульсовой волны и разработки способов компенсации двигательной активности пациента в процессе мониторирования, а также разработки способов компенсации температурной погрешности в канале измерения давления для обеспечения требуемой точности измерения АД во всем температурном диапазоне эксплуатации.

Задача исследования заключается в разработке и исследовании датчика пульсовой волны, обеспечивающего необходимую чувствительность, помехозащищенность и точность восприятия в условиях двигательной активности пациента, разработке методов компенсации двигательной активности пациента в процессе мониторирования. Разработки способов компенсации температурной погрешности тензорезисторного датчика давления с учетом их нелинейности, для обеспечения требуемой точности во всем диапазоне рабочих температур.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка и исследование помехозащищенного датчика пульсовой волны.

2. Разработка способа компенсации погрешности датчика пульсовой волны, вызванной двигательной активностью пациента при проведении СМАД.

3. Разработка методики и проведение исследований по оценке эффективности компенсации погрешности измерения, вызванной двигательной активностью пациента при проведении СМАД.

4. Проведение анализа механизма возникновения и выбор способов компенсации температурной погрешности тензорезисторного датчика давления при стационарных температурных режимах эксплуатации.

5. Разработка схемных способов компенсации аддитивной температурной погрешности тензорезисторного датчика давления с учетом нелинейности температурной характеристики начального разбаланса датчика.

6. Разработка схемных способов компенсации мультипликативной температурной погрешности тензорезисторного датчика давления с учетом нелинейности температурной характеристики выходного сигнала.

7. Проведение исследований по оценке эффективности разработанных способов компенсации температурной погрешности.

Исходя из вышеизложенного, на защиту выносятся следующие положения.

1. Помехозащищенный датчик пульсовой волны обеспечивает возможность измерения артериального давления в нестационарных условиях.

2. Способ компенсации двигательной активности пациента позволяет обеспечить требуемую погрешность измерения АД свободно двигающегося человека, в процессе суточного мониторирования.

3. Способы компенсации аддитивной температурной погрешности тензорезисторного датчика давления с учетом нелинейности температурной характеристики позволяют минимизировать погрешность, возникающую в процессе суточного мониторирования АД.

4. Способы компенсации мультипликативной температурной погрешности тензорезисторного датчика давления с учетом нелинейности температурной характеристики позволяют минимизировать погрешность, возникающую в процессе суточного мониторирования АД.

Достоверность научных положений подтверждается результатами клинических испытаний и расчетным путем, а также на опыте внедрения и использования полученных научно-технических результатов.

Практическая ценность. Одним из результатов работы является создание помехозащищенного суточного монитора артериального давления ИАДА-ОЗУл на базе разработанного датчика пульсовой волны и программного обеспечения для анализа параметров СМАД.

Разработанные способы компенсации АТП и МТП позволяют уменьшить температурную погрешность в стационарном температурном режиме эксплуатации, даже при наличии нелинейности температурной характеристики и могут применяться в общепромышленных тензорезисторных датчиках.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 статья в научном журнале из перечня ВАК РФ, 5 материалов и тезисов докладов, 6 патентов на изобретение и 3 положительных решения, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на ежегодных научно-технических конференциях УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (Ульяновск, 2009 — 2011).

Разработанный при участии автора «Датчик пульсовой волны», удостоен золотой медали «34-го Международного салона изобретений» (Женева, Швейцария, 2006 г.).

Работа удостоена награды за победу в конкурсе научно-технического творчества молодежи на Молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (Ульяновск, 2010 г.).

Работа выставлялась на всероссийском конкурсе «Инженер года-2008» (Москва, 2008 г.), по результатам которого автор был удостоен Диплома лауреата по версии «Инженерное искусство молодых» в номинации «Медицинская техника» и сертификата «Профессионального инженера России».

Полученные научные и практические результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ, в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» и ООО «Нейрон» при разработке суточного монитора АД и «Системы дистанционного монито-рирования АД и ССЗ». Результаты исследования использованы в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (Госконтракт № 16.740.11.0379).

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и 13 приложений. Основная часть работы изложена на 159 листах машинописного текста и 70 листах приложений. Работа содержит 65 рисунков и 20 таблиц. Библиография включает 97 наименований.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. На основе анализа существующих способов и устройств измерения артериального давления, был реализован аускультативный способ на основе датчика пульсовой волны оригинальной конструкции. Исследования его выходных характеристик на технических и клинических испытаниях в составе разработанного суточного монитора артериального давления подтвердили повышенную помехозащищенность ДИВ, что позволило проводить измерение артериального давления в нестационарных условиях при проведении суточного мониториро-вания артериального давления.

2. По результатам исследования внешних воздействующих факторов в процессе суточного мониторирования артериального давления было установлено, что наибольший вклад в погрешность измерения артериального давления вносят помехи, вызванные двигательной активностью пациента. Разработанный способ и устройство компенсации данного типа помех позволил минимизировать дополнительную погрешность и обеспечить возможность измерения артериального давления свободно-двигающегося человека при условии отсутствия высокой двигательной активности.

3. Разработана методика оценки точности монитора в процессе СМАД. Клиническая апробация разработанного способа компенсации, подтвердила его эффективность при компенсации помех вызванных легкой физической нагрузкой (ходьба) и передвижением в наземном транспорте (см. таблицу 1).

4. Анализ внешних воздействующих факторов, воздействующих на тензорези-сторный датчик давления, измеряющий давление в пневмоманжете, показал, что наиболее критичным для датчиков данного типа является изменение температуры в процессе эксплуатации. Проведены исследования характера температурных погрешностей тензорезисторного датчика давления и анализ механизма их возникновения. Исследования выявили наличие нелинейности температурной характеристики, что потребовало разработки соответствующих способов компенсации, учитывающих данную нелинейность.

5. На основе патентно-аналитического обзора были разработаны 2 схемных способа компенсации аддитивной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики тензорезисторного датчика в стационарном температурном режиме эксплуатации. Оценка их эффективности подтвердила возможность полной компенсации аддитивной температурной погрешности даже при наличии нелинейности температурной характеристики (см. таблицу 1).

6. Для обеспечения компенсации мультипликативной составляющей температурной погрешности были разрботаны 4 способа компенсации мультипликативной температурной погрешности с учетом нелинейности температурной характеристики тензорезисторного датчика в стационарном температурном режиме эксплуатации. Проведена оценка их эффективности, подтвердившая высокую точность компенсации (см. таблицу 1), ограниченную только точностью изготовления компенсационных элементов и измерения физических параметров мостовой схемы тензорезисторного датчика.

Все задачи диссертационного исследования решены в полном объеме.

Способ и устройство компенсации двигательной активности пациента Ходьба, легкая физическая нагрузка Транспорт.

САД/ДАД САД/ДАД.

Стандартное отклонение, а без компенсации, мм рт. ст. 9,15/12,15 15,85/16,33.

Стандартное отклонение, а со схемой компенсации, мм рт. ст. 5,23/6,33 7,22/7,80.

Разработанный способ и устройство позволяет осуществлять компенсацию двигательной активности пациента следующих типов: ходьба, передвижение в наземном транспорте, легкая физическая нагрузка, не затрагивающая мышцы, находящиеся под пневмоманжетой (бицепсы, трицепсы). Полученные стандартные отклонения, а не превысили допустимое значение по протоколу ААМУАШ! адоп = 8 мм рт. ст.

Способы компенсации аддитивной температурной погрешности Температурная чувствительность.

60 °C -40 °С.

Без учета нелинейности =-1,98−10~41/°С я- =-2-ю~91/°с.

Прямой, с учетом нелинейности =-4,м о411/°с = -3,25−10~б1/°С.

Косвенный, с учетом нелинейности =-1,04−10″ 11 1/°С =3,86−1071/°С.

Разработанные способы обеспечивают высокую точность компенсации АТП с учетом нелинейности температурной характеристики (максимальная аддитивная температурная чувствительность датчика составила =-3,25−10″ 6 1/°С, что соответствует 3,25% от допустимого значения =±1 -10~41/°С) и ограничены только точностью определения параметров схемы и изготовления компенсационных элементов.

Способы компенсации мультипликативной температурной погрешности Температурная чувствительность.

60 °C -40 °С.

Без учета нелинейности К = о 1/°с = -0,98 • 10″ 41/°С.

1. Яа+11д по вх. цепи Ян > 500 кОм = о 1/°с Б+к1 = 01/°С.

2. Ка+Яшпо вх. цепи Ян> 500 кОм ^ =-3,45−10″ 7 1/°С = 4,87−10~61/°С.

3. Яа по вых. цепи Я&bdquo-<2 кОм ?? = -7,89−10~71/°С ^ =6,79−10″ б1/°С.

4. Яа+Ядпо вых. цепи Я&bdquo-< 2 кОм я- =о1/°с К = 01/°С.

5. Яа+Яшпо вых. цепиЯ&bdquo-<2 кОм ?? =-5,10-Ю-8 1/°С = 9,65−10″ 71/°С.

Разработанные способы обеспечивают высокую точность компенсации МТП с учетом нелинейности температурной характеристики (максимальная мультипликативная температурная чувствительность датчика составила ^ = 6,79−10″ 6 1/°С, что соответствует 6,79% от допустимого значения 1−10−41/°С) и ограничены только точностью определения параметров схемы и изготовления компенсационных элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.