Датчик артериального давления тонометр
Одним из интересных профилей применения современного МК, безусловно, является медицина. Спектр приборов здесь достаточно широк, начиная от простых термометров, где можно применить простой STM8L с ЖК экраном, заканчивая навороченными кардио-мониторами, измерителями ЭКГ, холтерами с возможностями дистанционного сбора и отправки информации по эйзернет или беспроводно с коек пациентов прямо в кабинет глав-врачу. Сегодня мы поговорим о возможности применения МК STM32 при неинвазивном измерении артериального давления осциллометрическим методом. Всех заинтересованных прошу под кат.
Введение
Сегодня «золотым стандартом» измерения артериального давления принято считать метод «тонов Н.С. Короткова», признанный Всемирной Организацией Здравоохранения. Однако не следует забывать, что это косвенный метод измерения кровяного давления. Безусловно, измерение АД происходит с некоторой погрешностью, определяемой упругостью стенок артерии и мягких тканей, амплитудой и формой пульсовой волны и другими факторами, индивидуальными для каждого человека. Если отказаться от округлений и точно использовать цену деления манометра, то мы увидим разницу между соседними измерениями и при пользовании механическим прибором. Считывание показаний манометра на слух также выполняется с некоторой ошибкой, зависящей от индивидуальных особенностей человека — быстроты реакции, наличия навыков и т. д. В итоге погрешность ручных тонометров складывается из трёх составляющих: самого метода, точности манометра и ошибки определения момента считывания показаний. Реально её величина может составлять до 15 мм рт. ст.! На результаты измерений влияет также скорость нагнетания воздуха в манжету, скорость стравливания и величина давления, создаваемого в манжете. Если прибавить ещё и естественные колебания артериального давления, то разница между двумя соседними измерениями может быть ещё большей.
Электронный тонометр, в принципе, должен был быть лишен всех этих недостатков, т.к. измерение тонов происходит с помощью самой-же манжеты, а обработка осуществляется с помощью ряда запатентованных алгоритмов и методик. Однако, практика показывает, что в ряде случаев электронный тонометр дает устойчивое расхождение с показаниями ручного тонометра. Как следствие — на сегодняшний день у людей сложилось стойкое мнение — «электронные тонометры врут — лучше врача со ртутным измерителем давления никто не измерит!» Опыты показали, что большая погрешность измерения вызвана исключительно неумением рядового обывателя пользоваться данным прибором, а именно, правильно одевать манжету. Правильно одетая манжета — залог получения хорошей огибающей тонов Короткова и успешного нахождения характерных точек на огибающей.
Где копать
Литературы по методике нахождения АД по огибающей тонов в интернете достаточно много [1], [2], [3], [4], [5]. У Freescale есть даже хороший appnote, где популярно описано, как измерять тоны Короткова в манжете. Но! Как именно анализировать полученную огибающую — информации практически нигде нет. Каждый производитель тонометров лепит по-своему, хотя общая методика просматривается четко. Достаточно зайти на freepatentsonline.com и набрать в поиске non invasive blood pressure, и Вы получите достаточно информации чтобы написать заготовку тонометра. Но! Дальше-хуже. Экстрасистолы, артефакты, и другие страшные слова встают на пути к точным результатам осциллометрии…
Сборка измерительного стенда
Если желание собрать свой тонометр всё-же не отпало, то приступим.
… У нас было две манжеты, горстка операционных усилителей, несколько датчиков давления, пара клапанов и микроконтроллер. Единственное что вызывало у меня опасение — это MEMS датчики давления. Я знал, что рано или поздно мы перейдем и на эту дрянь…
Что потребуется для измерителя АД:
1) Плата с МК STM32F1xx (подойдёт STM32 VL Discovery с STM32F100RBT6 на борту);
2) Датчик давления MPXV5050GP (модель взята из Freescale BPM Application Note, в Вашем случае м.б. другая модель);
3) Интегральный ОУ LM358 (LM324) (лучше, конечно, взять рейл-ту-рейловый);
4) Какой-нибудь индикатор — на чем показывать давление (если нет индикатора — можно смотреть результаты в watch при отладке);
5) Помпа с моторчиком от китайского тонометра или груша от бабушкиного тонометра;
6) Если все-таки Вы взяли помпу с моторчиком из тонометра, Вам также понадобится клапан медленного стравливания из того же тонометра;
7) Аварийный клапан (по вкусу — нужен для быстрого стравливания остатков воздуха в манжете после проведения измерения);
8) Манжета тонометрическая;
9) SD карточка с картоприемником (или microSD с адаптером, к которому не жалко подпаяться).
Рисунок 1 — Схема пневмотракта для измерения АД
Давайте попытаемся разобраться в том, что мы сейчас только-что собрали. Пневмо-схема очень простая. Помпа служит для накачки манжеты, после чего воздух начинает медленно стравливаться нерегулируемым клапаном с очень маленьким отверстием. При этом следует учесть, что аварийный клапан должен быть закрыт — иначе Вы ничего не накачаете! По завершению измерения давления, можно открыть аварийный клапан и быстро стравить остаточное давление в манжете.
Далее необходимо собрать электрическую схему для управления нашим пневмотрактом. Схема состоит из узла выделения тонов Короткова, узла управления помпой и узла управления клапаном аварийного стравливания. Схемы управления помпой и клапаном очень простые и состоят, фактически из одного NPN транзистора (каждая), которые управляются логическим уровнем микроконтроллера (… любой GPIO). Остановимся поподробнее на схеме выделения тонов по Короткову. Схема реализована на ОУ общего применения LM358, и представляет собой усилитель с полосовым фильтром. Задача данного каскада изолировать постоянную составляющую и выделить т.н. тоны Короткова — пульсации крови в артерии при сокращении сердечной мышцы. Т.о. на аналоговые входы микроконтроллера подаются сигналы непосредственно с аналогового датчика давления и сигнал, выделенный ОУ. Подведём итог: сигнал с датчика давления состоит из «биений» и постоянной составляющей давления в манжете. Т.о. на первый канал АЦП МК мы подаем медленно стравливаемое давление в манжете, операционным усилителем вылавливаем переменную составляющую тонов Короткова и подаем их на другой канал АЦП МК.
Рисунок 2 — Электрическая принципиальная схема измерительной части и управления
На рисунках 3 и 4 приведены осциллограммы на выходах, непосредственно с датчика давления (Рис.3) и на выходе выделяющего ОУ (Рис.4). На рисунке 4 стрелочками показаны «характерные» точки на огибающей тонов Короткова. SBP — Systollic Blood Pressure — Систолическое АД (верхнее давление), MBP — Mean Blood Pressure — среднее давление в артерии, DBP — Dyastollic Blood Pressure — Диастоллическое АД (нижнее давление). О том, как найти эти точки, а значит, определить АД речь пойдёт позже.
Рисунок 3 — Напряжение на выходе датчика давления (цикл накачки воздуха, цикл стравливания)
Рисунок 4 — Напряжение на выходе ОУ. Выделенные тоны по Короткову
Подведём итог. Мы собрали пневмотракт, изготовили электронику для его обслуживания. В следующей части мы поговорим о том, как подключить к этому всему МК с дисплеем и SD картой и начать «слушать» предплечье. Результатом должны стать данные на SD карте, которые мы визуализируем в Excel и попытаемся обработать с помощью простейших алгоритмов расчёта АД.
Рисунок 5 — Данные с датчиков, записанные на SD карту в ходе измерения
На рисунке 5 видно:
— в данном варианте реализации, стравливание у меня ступенчатое;
— тоны Короткова (пулсации давления в манжете) записываюся полностью.
— на лету вычисляется максимальная амплитуда тонов Короткова.
Почему именно ступенчатое стравливание? Дело в том, что при ступенчатом стравливании мы получаем кучу бонусов по измерению. Например, мы можем измерять два тона за одну ступень значения давления в манжете, т.о. фильтруя экстра систолы. Либо, при проблемности полученной огибающей, докачать до интересующего нас участка и померить тоны на нем повторно. Это уже фитча кардиомониторов. Можно вообще реализовать измерение на восходящем участке давления в манжете (накачке):
1) Закрыть клапан;
2) Сделать донакачку на 50 единиц;
3) Померить тоны Короткова;
4) На пункт 2, пока не промеряем всю огибающую, иначе на пункт 5;
5) Произвести вычисления SBP, DBP, исходя из параметров огибающей
6) Вывести результат.
Рисунок 6 — Результат вычисления значений SBP и DBP
Пояснения к рисунку 6:
1) Ряд 1 — сигнал непосредственно с датчика давления — уровень давления в манжете (фаза медленного стравливания);
2) Ряд 2 — Рассчитанное Систолическое значение АД;
3) Ряд 3 — Рассчитанное Диастолическое значение АД;
4) Ряд 4 — Огибающая тонов Короткова ( не сами тоны, а значения амплитуд пиков).
В ходе многочисленных экспериментов (которые длятся и по сей день) выяснилось, что вычисление значения пика тона Короткова является ключевым во всём цикле измерения АД. Чем лучше измеришь огибающую — тем точнее узнаешь значение АД.
Приведу немного видеороликов, поясняющих весь процесс. На всех видео фигурирует прибор, к которому подключен разрабатываемый тонометр — «симулятор человека с заданным артериальным давлением». Давление можно выбирать из пресетов. Затем прибор имитирует сердцебиения (тоны Короткова), а тонометр измеряет огибающую. На втором видео (Part 2) я прогнал тонометр по всем основным режимам симулятора. При гипертонии алгоритм делает донакачку, всё как положено! На третьем видео (Part 3) представлен цикл измерения на реальном человеке (на мне).
Видео 1 — Симулятор пациента, тоны Короткова на осциллографе
Видео 2 — Прогон тонометра по всем пределам АД на симуляторе
Видео 3 — Измерение АД на человеке
Литература:
[1] Oscillometric blood pressure monitor and method employing non-uniform pressure decrementing steps. (US Patent № US5170795);
[2] Determination of oscillometric blood pressure by linear approximation. (US Patent № US5577508);
[3] Method and apparatus for measuring blood pressure by the oscillometric technique. (US Patent № US6719703);
[4] Oscillometric determination of blood pressure. (US Patent № US6893403);
[5] Oscillometric determination of blood pressure. (US Patent № US7311669).
Источник
Будучи молодым, мало кто задумывается о здоровье: регулярную профилактику не проходит почти никто, бережно хранят свой организм тоже немногие. О здоровье мы вспоминаем в основном лишь тогда, когда тело начинает давать сбои. Возможно, это одна из причин, по которой в нашей стране такая низкая продолжительность жизни, особенно среди мужчин, причем лидируют среди причин смертности уже давно заболевания сердечно-сосудистой системы. Самое страшное, что такие заболевания, как, например, артериальная гипертония, могут протекать скрытно, подтачивая организм в течение многих лет и плавно подводя его к печальному итогу в виде инфаркта или инсульта.
Мы не будем сейчас рассуждать о необходимости вести здоровый образ жизни, о правильном питании, здоровом сне и многих других очевидных способах избежать преждевременного ухода в мир иной, тем более что болезни сердечно-сосудистой системы бывают и врождённые. Зато мы скажем несколько слов о важности контроля за своим состоянием, для чего и предназначено весьма необычное устройство, которое попало к нам в тестовую лабораторию. Это профессиональный прибор для суточного мониторинга артериального давления BPro, разработанный сингапурской компанией HealthSTATS и распространяемый в России компанией ООО «ДиаПарк», специализирующейся на поставках медицинского оборудования.
⇡#Немного теории
Что мерить
Показатель артериального, или, как его ещё называют, кровяного давления характеризует, насколько органы нашего организма хорошо (или плохо) снабжаются кислородом и питательными веществами. Этот факт, скорее всего, известен даже тем, кто регулярно прогуливал в школе уроки биологии. Но фиксируются всегда два значения давления — и о причинах этого обычно многим неизвестно, хотя ничего сложного в этом тоже нет. Различают систолическое и диастолическое артериальное давление. Первое регистрируется в момент сердечного сокращения и выталкивания крови в артерии — это максимальное значение. Второе фиксируется во время расслабления сердечной мышцы — минимальное значение. В народе эти показатели называют проще: «верхнее» и «нижнее» давление. Измеряется артериальное давление, как правило, в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).
Типовая пульсовая волна: суперпозиция прямой и отраженной пульсовых волн при нормальной эластичности артерий
Значения показателей систолического и диастолического давления образуют собой экстремумы так называемой пульсовой волны. Для врача-кардиолога важно не только знать цифры, но и иметь возможность анализировать форму пульсовой волны и скорость её распространения. Помимо прямой составляющей в пульсовой волне присутствует ещё и отражённая, выражающаяся обычно в характерном скачке, добавке, которая при здоровых и эластичных сосудах появляется на спаде пульсовой волны (давление аугментации). Есть и другие важные для специалистов характеристики, но углубляться в курс «кардиология для чайников» мы не будем и перейдём к способам и средствам измерения артериального давления.
Чем и как мерить
Типичный бытовой осциллометрический тонометр с плечевой манжетой
Самый простой прибор для измерения давления есть почти в каждом доме. А если и нет, качественный электронный тонометр сегодня можно приобрести в любой аптеке. Данный аппарат предназначен для однократного или регулярного использования, но это не средство постоянного контроля. Бытовой тонометр измеряет давление так называемым осциллометрическим методом, который, в свою очередь, представляет собой развитие аускультативного метода, предложенного в далёком 1905 году русским хирургом Н. С. Коротковым. Аускультативный метод считается эталоном среди неинвазивной группы методов, не требующих непосредственного ввода зонда в артерию. На основе этого метода созданы и громоздкие суточные системы давления — да, необходимо сутки ходить с манжетой на руке, постоянно поправлять контролирующий прибор и время от времени замирать, когда в манжету начинается подача воздуха. Удовольствие, прямо скажем, невеликое.
Инвазивный же способ по понятным причинам возможен лишь в стационаре, при хирургическом вмешательстве со всеми вытекающими отсюда сложностями. Он тоже позволяет вести непрерывный график зависимости давления от времени, благодаря чему можно поставить точный диагноз пациенту и назначить правильное лечение. Неинвазивные методы использовались, конечно, тоже, но до недавнего времени не отличались повышенной точностью измерения.
Монитор артериального давления BPro создан, чтобы изменить ситуацию: он использует неинвазивный метод, который ещё меньше обременяет пользователя, но при этом по точности приближается к инвазивному. Запатентованная компанией HealthSTATS технология получила название Evidence-Based Blood Pressure (EVBP), которое подчёркивает тот факт, что в данном случае измеряется фактическое давление в артерии.
Принципиальная схема работы тонометра с технологией EVBP
В основе технологии EVBP лежит метод аппланационной тонометрии, суть которого предельно проста. Высокочувствительный датчик в виде полусферы давит на лучевую артерию руки в районе запястья и фиксирует значения пульса и артериального давления. Корпус датчика связан ремешком и информационным кабелем с основным блоком устройства, фиксирующим информацию в памяти и выводящим текущие значения на дисплей. Само устройство похоже на спортивные часы – довольно крупные, но не мешающие пользователю в его повседневной жизни. Правильно надетый, датчик надёжно фиксируется на запястье, не затрудняя венозный отток крови и не сдавливая жизненно важный срединный нерв. Ну и, конечно, никаких манжет, давления на руку и прочего дискомфорта.
Кроме непосредственно точек экстремума монитор BPro измеряет и записывает ещё ряд так называемых гемодинамических показателей, которые специализированное программное обеспечение анализирует и выводит на экран компьютера в виде графиков и отдельных значений. Вообще, для BPro предусмотрено два программных продукта: BPro SOFT и A-PULSE CASP. Первый — это базовый комплекс, который предназначен для обработки всех гемодинамических характеристик, измеряемых прибором: артериального давления, частоты сердечных сокращений, среднего артериального давления и пульсового давления. Программа в автоматическом режиме строит таблицы и графики результатов измерений, выделяет средние и крайние значения, осуществляет систематизацию данных о пациенте. Специалисту остаётся лишь провести анализ полученных и визуализированных при помощи BPro SOFT данных и сделать выводы.
Работа с программным комплексом A-PULSE CASP
Программный комплекс A-PULSE CASP служит для расширенного анализа пульсовой волны, центрального аортального систолического давления, радиального аугментационного индекса, о котором мы говорили выше, и других гемодинамических показателей. Если с помощью BPro SOFT данные можно анализировать лишь после проведения соответствующих измерений, то A-PULSE CASP позволяет выводить на экран компьютера график пульсовой волны непосредственно в режиме реального времени. Мы специалистами в кардиологии не являемся от слова «совсем», а потому нам на тестирование вместе с монитором BPro был предложен более простой программный комплекс BPro SOFT.
В целом, по словам разработчиков, монитор BPro с технологией EVBP имеет четыре основных клинических преимущества:
- диагностика гипертонической болезни;
- контроль эффективности антигипертензивной терапии;
- возможность прогнозирования острых нарушений кровообращения (инсульты, инфаркты);
- возможность прогнозирования осложнений артериальной гипертензии при беременности.
Проведённые независимые испытания прибора в сравнении с амбулаторным мониторингом инвазивным методом показали, что отклонения значений, измеренных с помощью BPro, минимальны (лишь несколько миллиметров ртутного столба) и вряд ли могут как-либо повлиять на общую картину заболевания и принятие тех или иных решений по проведению лечения. Ну а гарантией качества и точности измерений служит тот факт, что устройство соответствует целому ряду различных общепризнанных нормативных документов, длинный перечень которых можно найти в официальной таблице технических характеристик.
Этот факт, как и другие преимущества технологии EVBP, позволяет говорить о мониторе BPro как о профессиональном инструменте, который помогает практикующим врачам ставить точный диагноз своим пациентам и назначать соответствующее лечение на основе анализа получаемых графиков суточного мониторинга артериального давления.
Профессиональные устройства в нашу тестовую лабораторию заглядывают нечасто. Мы привыкли иметь дело с устройствами SOHO-сегмента, но BPro – это нечто большее. Так что не будем более углубляться в скучную теорию и скорее перейдём к занимательной практике.
⇡#Технические характеристики
| Суточный монитор артериального давления BPro (HealthSTATS) T6200 | |
|---|---|
| Измерение артериального давления | |
| Метод измерения | Модифицированная аппланационная тонометрия |
| Анатомическая область для измерения АД | Запястье правой или левой руки (лучевая артерия) |
| Параметры, показываемые на дисплее | Систолическое артериальное давление Диастолическое артериальное давление Частота сердечных сокращений в минуту |
| Метод калибровки | Осциллометрический |
| Время измерения (ABPM), с | 8 |
| Измерение АД в диапазоне, мм рт. ст. | От 40 до 280 |
| Измерение ЧСС в диапазоне, ударов в минуту | От 30 до 180 |
| Точность измерений частоты сердечных сокращений, % | ± 3 |
| Интервал измерений, мин | 15 |
| Длительность отбора данных при измерении, с | 8 |
| Общие характеристики | |
| Дисплей | ЖК, 20-15 мм, 2-строчный |
| Память | 96 функциональных блоков памяти |
| Интерфейс подключения к ПК | USB |
| Питание | Литиевая батарея CR 2032, 3 В |
| Ресурс работы элемента питания | Не менее двадцати 24-часовых сеансов |
| ОС | Windows XP Pro, Windows 7 (Home Basic, Home Premium, Professional, Ultimate) |
| Габариты, мм | 44 × 51 × 19 |
| Масса, г | 50 (с элементом питания) |
| Цена, руб. (без ПО / с ПО BProSOft / с ПО A-PULSE CASP) | 63 000 / 96 000 / 680 000 |
⇡#Комплект поставки
Упаковка и комплект поставки
Устройство поставляется в небольшой картонной коробке с русскоязычными надписями. Внутри кроме самого монитора мы нашли внушительный комплект аксессуаров:
- USB-кабель для передачи данных на ПК;
- четыре кожаных ремешка, различных по длине;
- инструмент для замены ремешков;
- три специальных пластыря для точного позиционирования датчика на запястье;
- три манжеты на запястье;
- компакт-диск с документацией;
- компакт-диск с программным комплексом BPro SOFT;
- печатное руководство пользователя на русском языке.
В наш комплект поставки, предназначенный для тестирования, входили три дополнительных пластыря. В остальном комплектация была штатная. Надо отметить, что монитор BPro может поставляться как отдельно, без ПО, так и с одним из программных комплексов: BPro SOFT или A-PULSE CASP. Стоимость в каждом случае будет отличаться — для варианта с A-PULSE CASP на порядок.
⇡#Внешний вид
| | |
Внешний вид монитора BPro | ||
| | |
Органы управления | ||
Внешне устройство сильно напоминает обычные спортивные часы или пульсометр для ношения на запястье. Отличает его лишь крупный датчик на ремешке. Конечно, к офисному костюму или строгому платью такой аксессуар вряд ли подойдёт, но в целом выглядит устройство привлекательно и современно. Корпус выполнен из пластика, а дисплей обрамлён крупным металлическим кольцом. Также из металла изготовлены и четыре основные кнопки управления, сильно выступающие над корпусом. А вот пятая кнопка, размещённая под кольцом, пластиковая. Нижняя часть корпуса закрыта мягкой накладкой то ли из резины, то ли из силикона — в любом случае она рассчитана на плотное прилегание монитора к запястью. Также здесь расположен отсек для литиевой батареи питания CR2032.
| | |
Датчик и ремешок | ||
Датчик размещён в пластиковом корпусе с выступающей частью в виде полусферы и закреплён на мониторе синтетическим ремешком довольно хитрой конструкции. Она в ограниченном диапазоне позволяет датчику перемещаться относительно монитора. С другой стороны к датчику крепится один из кожаных ремешков с липучкой, крепление у них точно такое же, какое и у большинства наручных часов, – ось с подпружиненными штифтами.
| | |
Ремешки и инструмент для их замены | ||
Вот только далеко не с каждыми даже очень дорогими часами в комплекте можно увидеть специальный инструмент для замены. Здесь он есть, причём выполненный из металла, да ещё с двумя сменными насадками разных размеров. Впрочем, логика производителя в данном случае совершенно ясна: если наручные часы – это вещь сугубо индивидуальная, а ремешок на них настраивается один-два раза в жизни, то монитор BPro может даваться пациентам лишь на время проведения обследования, а потому подбирать ремешки придётся каждый раз заново. Сами ремешки предназначены для ношения монитора на запястье окружностью от 130 до 210 мм — для ребёнка монитор не подойдёт, что и указано в руководстве пользователя.
| | |
USB-кабель для подключения к ПК | ||
По бокам монитора размещены трёхконтактный разъём и небольшой пластиковый уступ для подключения и надёжной фиксации USB-кабеля с пластиковой рамкой. Выглядит солидно, но, честно говоря, было бы привычнее видеть у такого устройства более традиционный и простой способ подключения: например, при помощи интерфейсов MiniUSB или MicroUSB. Всё равно ведь устройство имеет относительно низкую степень защиты от влаги — IPX2.
В целом спортивный дизайн устройства производит приятное впечатление, да и качество изготовления BPro находится на очень высоком уровне. Кнопки не шатаются, хотя и немного тугие, а материалы корпуса, датчика и ремешков приятны на ощупь.
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Источник
