Принципы проектирования компьютеризованных диагностических комплексов для неинвазивной оценки параметров системы кровообращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРИЗОВАННЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КРОВООБРАЩЕНИЯ

К.т.н. Г.Г. Знайко, д.м.н. И.Д. Стулин, к.т.н. А.А. Швеин, В.Ю. Соловьев,

к.т.н. В.Е. Красовский, А.А.Робинзон

Аннотация

В статье анализируются принципы и подходы к проектированию диагностических рабочих станций, обеспечивающих неинвазивную оценку параметров гемодинамики на основе численного моделирования, а также интеграции ультразвуковых режимов с электрокардиографией и фотоплетизмографией.

неинвазивный гемодинамика моделирование электрокардиография

В настоящее время оценка параметров гемодинамики и мониторинга сердечно-сосудистой системы является обязательным условием современной интенсивной терапии, реаниматологии и анестезиологии, активно применяется в травматологии и неврологии. «Золотым» стандартом оценки системной гемодинамики (СГД) [1] принято считать инвазивные (т.е. кровавые) методы исследования, как обладающие наибольшей точностью и информативностью.

В данной статье ставится задача разработки таких технологий компьютеризованной диагностики кровообращения, которые обладают максимальной информативностью, являясь неинвазивными или минимально инвазивными, не требующих привлечения дополнительных специалистов, легко осваиваемых практическими врачами, легко интерпретируемых и недорогих. Все ведущие медицинские школы в мире имеют собственные стандарты мониторинга жизненно важных функций. К сожалению, в нашей стране подобный стандарт отсутствует, и в каждом конкретном регионе контроль функций осуществляется исходя из собственных возможностей и существенно разнится между ведущими столичными центрами и больницами, работающими на периферии.

Таким образом, на текущий момент существует сложная и актуальная задача по созданию приборов и комплексов для эффективной оценки параметров гемодинамики. На наш взгляд, решение данной задачи возможно на основе разработки современных компьютерных систем [2] для гемодинамической оценки, что может внести особый вклад в совершенствование неинвазивных методов исследования СГД.

Из всего перечня неинвазивных методик по регистрации физиологической информации и характеристик работы сердечно-сосудистой системы мы, следуя принципу «эффективности оценки», выделили следующие:

электрофизиологические методики - электрокардиография (ЭКГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), электромиография (ЭМГ), электроплетизмография (ЭПГ), реокардиография (РКГ), реоэнцефалография (РЭГ);

акустические методики - эхокардиография (ЭхоКГ), эхоэнцефалография (ЭхоЭГ), эхопульсография (ЭхоПГ), ультразвуковая допплерография в постоянно-волновом режиме (УЗДГ), ультразвуковая допплерография в импульсно-волновом режиме (ТКД), фонокардиография (ФКГ), осциллометрическое измерение артериального давления (АД);

оптические методики - фотоплетизмография (ФПГ), пульсоксиметрия (ПО) (SpO2 - метод пульсовой фотоплетизмографии и пульсовой оксиметрии).

Основные параметры системной гемодинамики

Основными параметрами, характеризующими системную гемодинамику [1], являются: системное артериальное давление, общее периферическое сопротивление сосудов, сердечный выброс, работа сердца, венозный возврат крови к сердцу, центральное венозное давление, объем циркулирующей крови к сердцу. Весь перечень параметров можно разделить на две группы: регистрируемые параметры (см. таблицу 1) и расчетные (производные) параметры (см. таблицу 2).

Таблица 1 - Регистрируемые показатели гемодинамики

Таблица 2 - Некоторые производные показатели гемодинамики

Большинство существующих средств измерения состояния системы кровообращения измеряют некоторые экстремальные значения параметров, в то время как проследить зависимость этих параметров от времени затруднительно. Систему измерений, когда измерения производятся только в моменты переходов «систола-диастола» и «диастола-систола», называют традиционной. К традиционной схеме относятся системы измерений, в которых на сердечном цикле измеряется одно единственное значение величины. Например, по традиционной системе измеряются ударные объемы желудочков, конечно-систолические и конечно-диастолические объемы желудочков.

Система измерений, когда измерения переменных производятся в произвольно заданные моменты времени внутри сердечного цикла, называется полной. Например, по полной схеме могут сниматься при помощи АЦП показания инвазивных датчиков давления. Возможна также комбинированная система измерений, когда часть переменных измеряется по традиционной схеме, а часть - по полной.

Артериальное давление. Измерение АД является наиболее распространенным и самым простым методом контроля гемодинамики, однако при работе по данной методике следует помнить, что получаемая информация отражает состояние самой пассивной части кровообращения - состояние артерий, в то время как вены - самая активная часть кровообращения - выпадают из поля зрения. Динамическое измерение АД у тяжелобольных не дает представления о состоянии гемодинамики в целом, но несет объективную информацию о динамике патологического процесса. Следует помнить, что компенсаторные механизмы организма способны достаточно долго удерживать системное артериальное давление на уровне, близком к норме: снижение АД при шоковых состояниях всегда происходит уже после существенных патофизиологических сдвигов.

Применительно к артериальному давлению различают систолическое, диастолическое, пульсовое и среднее давления. Систолическое - возникает в артериях в период систолы левого желудочка сердца, диастолическое - в период его диастолы, разница между величиной систолического и диастолического давлений характеризует пульсовое давление (рис. 1.а). Выделяют также среднее давление - это результирующая всех переменных значений АД на протяжении сердечного цикла, вычисленная путем интегрирования кривой пульсового колебания давления во времени (рис. 1.б). Среднее давление представляет собой величину, которая была бы способна при отсутствии пульсовых колебаний давления крови дать такой же гемодинамический эффект, какой имеет место при естественном, колеблющемся движении крови. Среднее давление выражает энергию непрерывного движения крови.

Рис. 1. Систолическое (САД), диастолическое (ДАД), среднее (АДср), пульсовое (АДп = САД - ДАД) давление в сосудах

В практике клинических и физиологических исследований сложились и широко используются несколько методов измерения артериального давления в большом круге кровообращения. Различают прямые и непрямые методы измерения артериального давления.

Прямое измерение артериального давления (прямая манометрия) осуществляется непосредственно в сосуде, куда вводят заполненный изотоническим раствором катетер, передающий давление на внешний измерительный прибор или зонд с измерительным преобразователем на вводимом конце. В конечном итоге измеряемый сигнал подается на канал АЦП и далее попадает в компьютер. Основным недостатком прямых измерений является необходимость введения в кровяное русло элементов измерительного устройства, что требует строгого соблюдения правил асептики и существенно ограничивает возможность повторных измерений.

Непрямые методы основаны на измерении внешнего давления на сосуд (например, давления воздуха в манжете, наложенной на конечность), уравновешивающего давление внутри сосуда. Автоматическое неинвазивное определение артериального давления, несмотря на кажущуюся простоту задачи, до сих пор является проблемой, имеющиеся решения которой нельзя признать до конца удовлетворительными. Основным препятствием, возникающим при попытке использовать для мониторинга АД существующие автоматические измерители, является наличие у них окклюзионной манжеты.

Центральное венозное давление. Это по своей сути есть измерение давления в правом предсердии. В процессе работы с больными важны не столько абсолютные величины, сколько их динамика. Низкое ЦВД, как правило, указывает на несоответствие объема крови емкости сосудистого русла. Высокое ЦВД возможно при гиперволемии (избыточная трансфузия) и при несостоятельности сердца как насоса (острая или хроническая сердечная недостаточность). В первом варианте сердечный выброс будет повышен, во втором - снижен.

Измерение венозного давления также осуществляют прямым методом. Прибор для измерения венозного давления состоит из сообщающихся между собой: системы капельного внутривенного вливания жидкости, манометрической трубки и резинового шланга с инъекционной иглой на конце. Для разовых измерений систему капельного вливания не используют; ее подключают при необходимости непрерывной длительной флеботонометрии, в процессе которой из системы капельного вливания постоянно поступает жидкость в измерительную магистраль и из нее - в вену. Это исключает тромбирование иглы и создает возможность многочасового измерения венозного давления. Для измерения венозного давления применяют также электронные манометры (с их помощью возможно также измерение в правых отделах сердца и легочном стволе). Измерение центрального венозного давления осуществляется через тонкий полиэтиленовый катетер, который проводят в центральные вены через локтевую подкожную либо через подключичную вену. При длительных измерениях катетер остается присоединенным и может использоваться для взятия проб крови, введения лекарственных препаратов.

Частота сокращений. Величина, наиболее доступная для непосредственного измерения. Используется в процедуре идентификации в виде величины длительности сердечного цикла.

Таким образом, в подавляющем числе проводимых в настоящее время измерений показателей гемодинамики используются прямые инвазивные методы. Задача неинвазивного измерения параметров гемодинамики актуальна на сегодняшний день, т.к. таких методов в общепринятой мировой практике нет.

Принципы неинвазивного определения параметров гемодинамики

Данная задача относится к классу вычислительной физиологии, когда в медицине применяются сложные математические модели, описывающие конкретный физиологический процесс, а также прогнозирующие системы и алгоритмы; проводится численное моделирование различных физиологических процессов человеческого организма, таких как, гемодинамика, гематология, травматология и др.

Из глобальных моделей сердечно-сосудистой системы наиболее адекватны реальности в настоящее время динамические модели пульсирующих течений несжимаемой жидкости в системе растяжимых трубок, позволяющие учитывать изменения как в пределах однократного сердечного и дыхательного циклов, так и на более длительных временных периодах (кругооборот веществ по всей артериально-венозной системе в пределах 30 с, времена насыщения в пределах до 10 мин и др.).

В качестве базовой модели можно применить квазиодномерную гидравлическую модель нестационарного движения несжимаемой жидкости в деформируемом кровеносном сосуде переменного сечения, обобщенной на случай иерархической ветвящейся системы кровеносных сосудов фрактальной (самоподобной) структуры. Тогда можно привести решение для численного моделирования средних за кардиоцикл значений параметров гемодинамики (так называемые, стационарные решения системы уравнений гемодинамики) [3]:

(1)

где: - среднее за кардиоцикл (индекс s) значение скорости кровотока по каждому из сосудов -того поколения в иерархической ветвящейся системе кровеносных сосудов, м/сек;

- средняя площадь поперечного сечения сосуда -того поколения, м2;

- средний диаметр сосуда -того поколения, м;

- среднее за кардиоцикл (индекс s) значение давления в сосуде -того поколения, мм.рт.ст., кг/(м•сек2), Па;

- средняя плотность крови в сосуде -того поколения, кг/м3;

= Qk = const - объемный поток крови через сосуд -того поколения, м3/c;

= const - измеряемая при «калибровке» прибора константа, м2/с2. По своей размерности и смыслу она эквивалентна скорости распространения пульсовой волны в крупных кровеносных сосудах -того поколения (см. далее по тексту).

Первое уравнение в системе отражает закон сохранения объема в случае несжимаемой жидкости, а второе - уравнение Бернулли, следующее из уравнения импульса для стационарных течений невязкой жидкости.

Таким образом, для неинвазивного измерения и мониторинга АД, ЦВД и других параметров гемодинамики необходимо применить методику для одновременного измерения средней за кардиоцикл скорости кровотока по сосуду -того поколения () и среднего диаметра сосуда -того поколения (). Прибор, позволяющий провести данные измерения, должен быть предварительно прокалиброван для определения констант и . Подставляя все параметры в систему уравнений, можно вычислить - среднее за кардиоцикл значение давления в сосуде -того поколения. Например, для определения ЦВД в качестве сосуда -того поколения можно взять: Подключичную Вену, Бедренную Вену, Внутреннюю Яремную Вену, Внешнюю Яремную Вену и пр. Очевидно, что по каждому из данных сосудов будут установлены свои значения и . Предлагаемый подход позволит существенно повысить достоверность результатов численного моделирования.

Среди методик, перечисленных в самом начале, для измерения и несомненными лидерами являются акустические методы, реализуемые ультразвуковыми диагностическими приборами. Среди таких приборов есть универсальные сканеры, например, с цветовым допплеровским картированием, позволяющие сразу определить требуемые параметры и , однако их стоимость все еще высока. В качестве «эффективной» альтернативы мы предлагаем использовать модифицированный одномерный режим, в котором происходит одновременная регистрация пульсаций мягкой и мышечной ткани во времени (ЭхоПГ в М-режиме - см. рис. 2), и допплеровское измерение скорости потока крови в выбранном измерительном объеме (ТКД). Режим Эхо ПГ позволяет измерить просвет сосуда, т.е. определить величину , а режим ТКД - измерить в выбранном сосуде.

Рис. 2. Принцип получения ультразвукового изображения в различных режимах исследования (схема): а - М-режим, б - режим допплеровского исследования. ЛЖ и ПЖ - левый и правый желудочки, ЛП и ПП - левое и правое предсердия, МЖП - межжелудочковая перегородка, МК и ТК - митральный и трехстворчатый клапаны, ЗСЛЖ - задняя стенка ЛЖ, Ао - аорта, Е и А - пики диастолического наполнения

Следующее предложение позволяет обойтись без предварительной калибровки прибора, требующей применения прямых инвазивных методов (катетеризация сосудов). В основе данного предложения лежит исследование возможности использования тех или иных функциональных зависимостей, которые могли бы связывать величину АД с каким-либо физиологическим параметром, регистрируемым неинвазивно. В качестве такого параметра выбрана скорость распространения пульсовой волны.

Скорость распространения механических колебаний в какой-либо среде зависит от упругих свойств этой среды. В частности, скорость распространения пульсовой волны (СРПВ) по артерии зависит от упругости ее стенки.

В крупных кровеносных сосудах -того поколения скорость распространения пульсовой волны ( [м2/сек2]) определяется по формуле Моенса-Кортевега:

, (2)

где: модуль упругости сосуда -того поколения, кг/(м•сек2),

толщина его стенки, м;

средняя плотность крови в сосуде -того поколения, кг/м3;

средний диаметр сосуда -того поколения, м.

Таким образом, выясняется смысл константы в формуле (1), которая эквивалентна скорости распространения пульсовой волны [6]. Соответственно, процедура «калибровки» прибора представляет собой процедуру измерения этой скорости.

В качестве такой процедуры можно предложить следующую методику. Известно, что при неизмененных упруго-вязких свойствах сосуда СРПВ определяется величиной напряжения в нем при взаимодействии с АД. Это свойство использовано для разработки метода безманжетного непрерывного контроля АД. Метод основан на практически линейной зависимости СРПВ от АД в физиологическом диапазоне значений давления. На практике измеряют время распространения пульсовой волны (ВРПВ), определяемое как интервал между пульсовыми волнами, регистрируемыми в разных точках артериальной системы [4], или как интервал между ЭКГ-сигналом и пульсовой волной в точке, удаленной от сердца [5]. Так, например, в [5] описан выполненный в микроисполнении прибор, состоящий из фотоэлектрического датчика пульсовой волны, располагаемого на запястье, блока ЭКГ, блока давления, таймера, дисплея и источника питания. Давление определяется по величине интервала между зубцом R ЭКГ и какой-либо устойчивой точкой на кривой пульсовой волны исходя из соотношения:

(3),

где: - среднее за кардиоцикл (индекс s) значение давления в сосуде -того поколения, мм.рт.ст., кг/(м•сек2), Па;

- среднее за кардиоцикл (индекс s) время распространения пульсовой волны в сосуде -того поколения (ВРПВ), с.

Расчетная формула построена на допущении, что в норме среднему давлению 100 мм.рт.ст. соответствует ВРПВ = 0,2 с. Такая градуировка прибора является условной и предназначена для удобства потребителя, поскольку в большинстве случаев требуется знать не абсолютное значение АД, а его динамику. При необходимости прибор может быть калиброван под конкретного пациента.

При отсутствии другой измеряющей аппаратуры возможно использование параметров АД и ЧСС для определения ударного объема сердца (УО), минутного объема кровотока (МОК), общего периферического сосудистого сопротивления (ОПСС) расчетным методом по формуле J. Starr [4]:

УО [мл] = 100 + (АДп /2) - (0,6 * ДАД) - (0,6 * В), где В возраст [лет];

МОК = УО * ЧСС;

ОПСС [дин/с * см-5] = САД * 79980 / МОК [мл/мин].

Выводы

Объединяя ультразвуковые режимы с ЭКГ каналом и фотоплетизмографом, можно создать рабочую станцию, обеспечивающую неинвазивную оценку параметров гемодинамики. Подобная интеграция всех режимов в одном приборе не встречается на нашем рынке и поэтому обладает уникальностью. Возможность неинвазивного определения АД разными путями в одном приборе позволяет повысить точность проводимых измерений. Предлагаемая методика направлена на дальнейшее развитие и практическое применение инновационных технологий проектирования многофункциональных приборов и комплексов медицинской диагностики, разрабатываемых ИНЭУМ в кооперации с кафедрой нервных болезней Московского государственного стоматологического университета [2].

Литература

1. Системная гемодинамика. http://meduniver.com/Medical/Physiology/358.html

2. Прохоров Н.Л., Олейников А.Я., Знайко Г.Г., Красовский В.Е., Стулин И.Д., Швеин А.А.. Иннновационные технологии в проектировании медицинских диагностических комплексов // Вопросы радиоэлектроники. - Серия ЭВТ, вып. 2. - 2008.

3. Компьютерные модели и прогресс медицины (серия «Кибернетика: неограниченные возможности и возможные ограничения») - М.: Наука, 2001.

4. Jozon М. М. М. Procese de mesure de la pression arterelle par voie exteme Brevet dinvention 2 523 432 // France industr Bull Off Propnete ?1983. ?N 38.? P. 19.

5. Carruthers E. M. Cardiovascular monitors United Kingdom Pat Application 2 058 355 A GB (Publ. by the Patent Office L. 1981. ?P. 4).

6. Малиновский Е.Л.. Учебно-методическое пособие по использованию пальцевой фотоплетизмографии. http://www.tokranmed.ru/metod/fpg.htm

Размещено на Allbest.ru