CC BY
2
УДК 61. 616-71
МОДЕЛЬ ПЕРЕДАЧИ ДАВЛЕНИЯ АРТЕРИИ НА ГИДРОМАЖЕТУ ДЛЯ БЕСКОЭФФИЦИЕНТНОЙ ОЦЕНКИ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
Геращенко М.С., Астафьев А.Н., Волкова Н.А.
ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет»,
г. Липецк, Россия
a. n. astafyev@gmail. com
Резюме: Предложена модель, позволяющая реализовать бескоэффициентный алгоритм оценки значений артериального давления, для гидроманжетной технологии, формирования осцилляций, позволяющий повысить точность оценки параметров артериального давления. Рассмотрены недостатки существующих устройств измерения артериального давления, приводящие к погрешностям измерений. В настоящем исследовании предлагается новый метод оценки показателей артериального давления на основе адаптивного порогового алгоритма, основанного на анализе изменений площади просвета артерии в фазе диастолы.
Ключевые слова: артериальное давление; осциллометрия; кривая декомпрессии манжеты; алгоритм максимальной амплитуды; адаптивный пороговый алгоритм; гидроманжетная технология.
Для цитирования: Геращенко М.С., Астафьев А.Н., Волкова Н.А. Модель передачи давления артерии на гидромажету для бескоэффициентной оценки артериального давления // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 3 (63). С. 28-34.
A MODEL OF ARTERIAL PRESSURE TRANSFER TO A HYDRO MASSAGE FOR NON-EFFICIENT ASSESSMENT OF BLOOD PRESSURE
Gerashchenko M.S., Astafyev A.N., Volkova N.A.
Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia a. n. [email protected]
Abstract: A model is proposed that makes it possible to implement a non-efficient algorithm for estimating blood pressure values, for hydrojet technology, the formation of oscillations, which allows to increase the accuracy of estimating blood pressure parameters. The disadvantages of existing blood pressure measuring devices leading to measurement errors are considered. This study proposes a new method for assessing blood pressure indicators based on an adaptive threshold algorithm based on the analysis of changes in the area of the artery lumen in the diastole phase.
Keywords: arterial pressure; oscillometry; cuff decompression curve; maximum amplitude algorithm; adaptive threshold algorithm; hydrojet technology.
For citation: Gerashchenko M.S., Astafyev A.N., Volkova N.A. A model of arterial pressure transfer to a hydro massage for non-efficient assessment of blood pressure. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2024. T. 16. No. 3 (63). P. 28-34.
Введение (Introduction)
Регулярный мониторинг артериального давления (АД) практически необходим для всех категорий населения. Он позволяет контролировать и своевременно выявлять значения и изменения артериального давления, связанного повседневной деятельностью и с сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ), такими как гипертония и гипотония [1]. Неточные измерения АД могут привести к серьезным последствиям, поскольку применяемые по результатам измерений меры, должны адекватно отвечать состоянию
здоровья. Критичной считается погрешность измерения, превышающая 5 мм.рт.ст. Наиболее точные измерения проводят с помощью инвазивных методов, требующих применения сложного оборудования в условиях стационара. Неинвазивные измерения АД являются альтернативным вариантом, позволяющим пациентам проводить оценку в домашних условиях. Самыми распространенными методами неинвазивной оценки АД являются аускультативный и осциллометрический методы. Этим методам свойственна погрешность, обусловленная анатомическими особенностями пациентов. Одним их варианотов ее снижения является увеличение амплитуды осцилляций. Переход от воздуха к жидкости позволяет на порядок увеличить их амплитуду и соотношение сигнал-шум. Качественная форма осцилляций позволяет на основе построения модели передачи давления от артерии к манжете использовать пороговые значения пульсовых волн для расчета значений артериального давления. Предложенная методика позволяет отказаться от эмпирических коэффициентов, значения которых носят индивидуальный характер, хависящий от анатомических особенностей пациентов.
Цель исследования - разработать алгоритм бескоэффициентной оценки значений артериального давления для гидроманжетной технологии формирования осцилляций.
Научная и практическая значимость заключается в реализации методики, пороговых измерения и анализе изменений площади просвета артерии в фазе диастолы.
Материалы и методы (Materials and methods).
Осциллометрический метод оценки АД на основе гидроманжетной технологии
Осциллометрический метод удобен и прост в реализации, позволяет проводить самостоятельный контроль АД. Несомненным преимуществом метода является сниженное влияние внешних шумов по сравнению с аускультативным методом [2]. Автоматизированные осциллометрические устройства измеряют АД неинвазивно. Осциллометрический метод основан на регистрации и обработке значений колебаний давления внутри окклюзионной манжеты. Технологии формирования осцилляций при использовании в качестве рабочей среды воздуха и жидкости однотипны. Закачивание жидкости в манжету создает избыточное давление. При снижении давления регистрируемый сигнал представляет кривую декомпрессии манжеты (КДМ). На рисунке 1 представлен пример КДМ для гидроманжеты. По оси Х отложены отсчеты 512 значений в секунду. По оси У значения давления в манжете в мм.рт.ст. В начальный момент декомпрессии наблюдаются незначительные колебания амплитуды осцилляций. По мере снижения давления амплитуда осцилляций возрастает и достигает максимального значения в момент, соответствующий срединному значению между давлениями СД и ДД. При дальнейшей декомпрессии амплитуда осцилляций снижается. Значение давления, соответствующее значению максимальной амплитуды осцилляций, является определяющим для осциллометрических методов.
Рис. 1 - Кривая давления в гидроманжете при Fig. 1 - Pressure curve in a hydraulic jet during декомпрессии decompression
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Осцилляции давления в манжете, формируются вследствие изменения объема участка артерии при прохождении пульсовой волны. Они наблюдаются в процессе
29
декомпрессии манжеты при изменении давления от уровня супрасистолического АД (ССАД) до уровня субдиастолического АД (СДАД). ССАД характеризует максимальное давление манжеты, необходимое для полного закрытия просвета сосуда под манжетой. СДАД характеризует минимальное давление манжеты, при котором регистрируются колебания осцилляции. Применение гидроманжетной технологии позволяет значительно увеличить амплитуду осцилляций регистрируемого сигнала по сравнению с воздушной окклюзионной манжетой [3, 4]. На рисунке 1 можно видеть, что максимальная амплитуда осцилляций для гидроманжеты составляет 15 мм.рт.ст. Значения амплитуды осцилляций при воздушной компрессионной манжете составляют 1.5 мм.рт.ст. С учетом предела допустимой погрешности при измерении давления в манжете ± 3 мм.рт.ст. погрешность оценки осцилляций для гидроманжетной технологии составляет 20%, а для воздушной манжеты 200%. Снижение погрешности оценки амплитуды осцилляций на порядок создает предпосылки для повышения точности оценки значений АД на основе применяемых в настоящее время алгоритмов обработки сигнала в осциллометрических методах.
Результаты и обсуждение (Results and discussions)
Погрешности неивазивных измерений АД
Точность неинвазивных измерений АД является чрезвычайно важным фактором. Даже при использовании самых точных автоматизированных устройств необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на точность измерения. Несоответствие размера манжеты анатомическим особенностям пациента является наиболее распространенным источником ошибок. Согласно ГОСТ 31515.1 - 2012 (Европейским стандартам EN1060) ширина манжеты должна составлять не менее 40%, а длина не менее 80% от окружности руки, измеренной на участке максимального диаметра. Неправильное положение пациента во время измерения является еще одним фактором, который влияет на возникновение ошибок. Более того, повышенный шум или низкие температуры окружающей среды могут увеличить показатели АД, а даже незначительные движения пациента во время измерения могут создать артефакты на КДМ и вызвать ошибки в результатах. В период измерения всегда присутствуют небольшие колебания АД и являются неизбежным источником ошибок. В течение суток значения показателей АД могут изменяться на величину до 20 мм.рт.ст., а во время измерения можно наблюдать колебания до 2 мм.рт.ст. Это означает, что даже при привлечении опытных медицинских работников в условиях стационара при использовании самых точных устройств измерения АД невозможно избавиться от ошибки до 2 мм.рт.ст. Все перечисленные причины приводят к неточным записям КДМ и становятся более значительными в совокупности с ошибками, возникающими в результате применения алгоритмов оценки АД, которые и преобразуют КДМ в показатели АД.
Осциллометрический сигнал извлекается из КДМ посредством применения различных операций, таких как удаление тренда и фильтрация. Амплитуда осциллометрических пульсаций в течение периода декомпрессии манжеты сначала постепенно возрастает до максимального значения и далее уменьшается. Для оценки значений систолического АД, диастолического АД и среднего АД на основе анализа осциллометрического сигнала могут применяться различные алгоритмы [5]. Алгоритм максимальной амплитуды (MAA) является самым распространенным в осциллометрических устройствах оценки АД. В основе работы алгоритма МАА лежит оценка значений систолического АД и диастолического АД исходя из значения максимальной амплитуды огибающей осциллометрического сигнала. При этом за основу принимаются две эмпирические константы, являющиеся систолическим и диастолическим коэффициентами. Но эмпирические коэффициенты не являются постоянными величинами, они зависят от индивидуальных особенностей пациентов. На рисунке 2 показано схематическое представление передачи давления крови, распространяющейся по артерии, на датчик давления в манжете.
На рисунке 2 приняты обозначения: Ра - давление крови в артерии, распространяющееся через ткани руки, Рс - давление, регистрируемое в манжете, Рр -внешнее нагнетаемое давление, Pt - давление на поверхности руки, Рт - давление на внутренней поверхности манжеты, распространяющееся от тканей руки в компрессионную манжету. Такая модель передачи давления является справедливой для устройств оценки АД, основанных на применении компрессионных манжет. Согласно модели, КДМ, регистрируемая датчиком давления манжеты, является совокупностью давления среды в манжете, которое зависит от процесса компрессии/декомпресии от внешнего источника давления и давления на внутренней поверхности манжеты, которое пропорционально изменению объема участка артерии, находящегося под манжетой.
Рис. 2 - Модель передачи давления крови в Fig. 2 - Model of blood pressure transfer in the артерии на манжету через ткани предплечья artery to the cuff through the tissues of the forearm
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Большинство существующих моделей приравнивают значение давления крови значению давления на поверхности тканей руки, не учитывая те индивидуальные изменения, которые происходят в зависимости от свойств тканей, через которые распространяется давление [6,7]. Таким образом, существует зависимость
Pt = k-Pa, (1)
где - коэффициент преобразования, зависящий от свойств тканей, окружающих артерию.
Давление на поверхности руки не может быть зарегистрировано датчиком манжеты без искажения, так как на него оказывают влияние свойства материала внутренней стенки манжеты, а также свойства среды внутри манжеты. Поэтому
(2)
где - коэффициент преобразования, зависящий от свойств материала внутренней стенки манжеты и свойств среды внутри манжеты.
Тогда выражение для изменения давления, регистрируемого внутри манжеты, будет иметь вид
dP dP dP
U1 с _ 1-11 m 1-11 p dt dt dt
Рассмотрение постоянных отношений для всех пациентов является основной проблемой МАА, которая значительно влияет на точность оценки АД. Для решения этой проблемы предлагается использовать бескоэффициентные алгоритмы, поскольку они не принимают никаких эмпирических констант для оценки АД, таким образом, позволяют учесть индивидуальные особенности каждого пациента.
Адаптивный пороговый алгоритм
Бескоэффициентные алгоритмы оценки АД - это комплексные методы, которые оценивают АД на основе зарегистрированной КДМ без принятия каких-либо эмпирических соотношений. В настоящем исследовании предлагается новый метод оценки показателей АД на основе адаптивного порогового алгоритма (ПАА). Оригинальный метод оценки АД основан на анализе изменений площади просвета артерии в фазе диастолы.
Рис. 3 - Осциллометрический сигнал импульсов Fig.3 - Oscillometric signal of blood pressure pulses артериального давления с приблизительными with approximate time intervals временными интервалами
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
31
ПАА анализирует осциллометрический сигнал при среднем АД и оценивает отношение амплитуды осциллометрического сигнала в период систолы к величине дикротического зубца. Несмотря на то, что оценка АД заключается в определении значений систолического АД и диастолического АД, именно среднее АД характеризует движение крови по сосудистой системе от артерий к артериолам, капиллярам, венулам, венам и обратно к сердцу. Среднее АД является функцией амплитуды и длительности импульсов АД (рисунок 3). Среднее АД в больших системных артериях и в аорте практически не отличаются ввиду схожего сопротивления потока крови в крупных артериях, поэтому плечевая артерия используется для измерения АД. Среднее АД приблизительно постоянно, но может изменяться из-за изменчивости АД в течение суток. Среднее АД является функцией частоты сердечных сокращений, скорости кровотока из больших артерий в сторону небольших артерий и артериол и податливости артериальной стенки. На основе анализа временных интервалов систолы и диастолы, а также с учетом частоты сердечных сокращений, среднее АД в ПАА вычисляется на основе выражения (4).
MAP = ДАД + (0,33 + 0,0012 ЧСС) ■ (САД - ДАД). (4)
где MAP - среднее АД, а остальные обозначения соответствуют значениям величин на рисунке 3.
Общая структура ПАА представлена на рисунке 4.
Рис.4 - Адаптивный пороговый алгоритм Fig. 4 - Adaptive threshold algorithm
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Регистрация КДМ выполняется на основе гидроманжетной технологии, которая позволяет значительно улучшить качество осциллометрического сигнала. Пороговое значение определяется как специфический параметр осциллометрического сигнала, заданный амплитудой при среднем АД. Пороговое значение оценивается исходя из формулы 4. Отношение амплитуды систолы к дикротическому зубцу определяется поимпульсно, начиная с ССАД, и каждое полученное значение сравнивается с пороговым. Пороговые значения отличается у пациентов с различной ЧСС, поэтому он называется динамическим пороговым значением.
Заключение (Conclusions)
Существующие автоматизированные устройства оценки показателей АД на основе неинвазивных методов подвержены большому количеству источников возникновения ошибок измерений [7-9], которые, в совокупности с высокими погрешностями алгоритмов обработки зарегистрированных сигналов, не могут обеспечить достоверную оценку АД для каждого пациента. Применение бескоэффициентного алгоритма анализа осциллометрического сигнала, зарегистрированного с применением гидроманжетной технологии, позволит повысить точность оценки параметров АД. Применение гидроманжетной технологии при регистрации осциллометрического сигнала позволяет значительно улучшить качество регистрируемой КДМ, снизить трудоемкость предварительной обработки сигнала, значительно сократить время подготовки данных для анализа. Использование адаптивного порогового алгоритма анализа осциллометрического сигнала позволяет учитывать индивидуальные особенности каждого пациента.
Это исследование ведется в рамках финансирования Российским научным фондом, по гранту на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по соглашению № 24-25-00404 от 29.12.2023 г.
Литература
1. Глобальный доклад о гипертонии: тихий убийца, глобальный кризис общественного здравоохранения. Всемирный день здоровья, Организация ВОЗ (2013).
2. W. W. Nichols, M. F. O'Rourke, and C. Vlachopoulos, "McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles," London, UK: Hodder Arnold Publishers, 6th ed., 2011.
3. Геращенко М.С. Тонометр Геращенко // Патент на полезную модель №: 104437. - 2011. URL: http://bankpatentov.ru/node/78436 (дата обращения 7.05.2014);
4. Геращенко С.М., Геращенко М.С., Геращенко С.И. Разработка гидроманжетного прибора для мониторинга гемодинамических параметров // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2016. № 4. С.101-107.
5. S. Chen, V. Z. Groza, M. Bolic, and H. R. Dajani, "Assessment of algorithms for oscillometric blood pressure measurement," IEEE Int. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC'09), (Singapore), pp. 1763-1767, May 2009.
6. David Ayo Abolarin "Non-invasive Estimation of Blood Pressure using Harmonic Components of Oscillometric Pulses"A Thesis Presented to Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Masters of Applied Science (MASc.) Ottawa, Canada, 2016.
7. Ларюшин А.И., Хизбуллин Р.Н. Оптико -электронные приборы и биодозиметрический контроль в медицине: монография. -Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2018. -248 с. ISBN 978-5-89873515.
8.Методы и системы неинвазивной оценки состояния сосудистого русла: диссертация ... доктора технических наук: 2.2.12. / Хизбуллин Роберт Накибович; [ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»]. - Казань, 2022. - 352 с. : ил.
9. Markuleva, M., Gerashchenko, M., Gerashchenko, S., Khizbullin, R., Ivshin, I. /The Hemodynamic Parameters Values Prediction on the Non-Invasive Hydrocuff Technology Basis with a Neural Network Applying//Sensors, 2022, 22(11), 4229.
Авторы публикации
Геращенко Михаил Сергеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры медицинской кибернетики и информатики Пензенского государственного университета, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8512-6865. Email: yurii-59@mail. ru.
Астафьев Андрей Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры физики и биомедицинской техники Липецкого государственного технического университета, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6801-2441. Email: a.n.astafyev@gmail. com.
Волкова Наталья Алексеевна - инженер, Пензенского государственного университета Email: [email protected].
References
1.Global report on hypertension: the silent killer, a global health crisis. World Health Day, WHO
(2013).
2. W. W. Nichols, M. F. O'Rourke, and C. Vlachopoulos, "McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental and Clinical Principles," London, UK: Hodder Arnold Publishers, 6th ed. 2011.
3. Gerashchenko M.S. Tonometer Gerashchenko // Patent for utility model №:104437. - 2011. URL: http://bankpatentov.ru/node/78436 (date of publication 7.05.2014);
4.Gerashchenko S.M., Gerashchenko M.S., Gerashchenko S.I. Development of hydromanget device for monitoring hemodynamic parameters // Measurement. Monitoring. Control. Control. 2016. № 4. С.101-107.
5.S. Chen, V. Z. Groza, M. Bolic, and H. R. Dajani, "Assessment of algorithms for oscillometric blood pressure measurement," IEEE Int. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC'09), (Singapore), pp. 1763-1767, May 2009.
6.David Ayo Abolarin, "Non-invasive Estimation of Blood Pressure using Harmonic Components of Oscillometric Pulses"A thesis presented to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Applied Science (MASc.) Ottawa, Canada, 2016.
7.Laryushin A.I., Hizbullin R.N. Optoelectronic devices and biodosimetric control in medicine: monograph. -Kazan: Kazan. gos. energ. un-, 2018. -248 с. ISBN 978-5-89873-515.
8.Methods and systems of non-invasive assessment of the state of the vascular channel: dissertation ... Doctor of technical sciences: 2.2.12. / Hizbullin Robert Nakibovich; [FGBOU VO "Penza State University"]. - Kazan, 2022. - 352 с. : ill.
9. Markuleva, M., Gerashchenko, M., Gerashchenko, S., Khizbullin, R., Ivshin, I. /The Hemodynamic Parameters Values Prediction on the Basis of Non-Invasive Hydrocuff Technology with a Neural Network Applying//Sensors, 2022, 22(11), 4229.
Authors of the publication Mikhail S. Gerashchenko - Associate Professor of the Department of Medical Cybernetics and Informatics, Medical Institute of Penza State University, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8512-6865. Email: yurii-59@mail. ru.
Andrey N. Astafyev - Associate Professor of the Department of Physics and Biomedical Engineering of Lipetsk State Technical University, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6801-2441.Email: [email protected].
Natalia A. Volkova - Lipetsk State Technical University, Lipetsk, Russia ,Email: [email protected].
Шифр научной специальности: 2.2.14 Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Получено 15.08.2024 г.
Отредактировано 27.09.2024 г.
Принято 01.09.2024 г.
