Неинвазивный способ определения параметров гемодинамики в биообъектах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано, например, для определения минутного объема кровообращения, ударного объема сердца, частоты сердечных сокращений и др. В качестве анализируемого сигнала, отражающего параметры гемодинамики, выбирают пульсовую волну давления. Регистрируют пульсограмму, например на мочке уха. Анализируют ряд параметров пульсовой волны с учетом параметра антропометрических данных (например, роста, размаха рук). Вычисляют минутный объем кровообращения и другие параметры гемодинамики по предложенным математическим формулам. Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего узлы измерения параметров, связанных с перемещением крови в биообъектах, узлы обработки этих параметров и процессор для определения параметров гемодинамики, взаимосвязанные в оригинальную блок-схему. Изобретение позволяет быстро и неинвазивно определять параметры гемодинамики, а также дает возможность обеспечить продолжительный непрерывный мониторинг значений исследуемых показателей. 2 с.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано, например, в качестве способа и устройства для определения минутного объема кровообращения и др.

Известен неинвазивный способ определения параметров, характеризующих процессы в биообъектах, включающий измерение параметров, взаимосвязанных с перемещением крови в биообъектах, и использование их для коррекции биоэнергоинформационного состояния человека [1].

Известно также устройство для осуществления этого способа, содержащее узлы контроля параметров, характеризующих функциональное состояние биообъекта, средства их анализа и воздействия на его основе на биоэнергоинформационное состояние человека [1].

Недостатком известных способа и устройства являются их узкая специализация и ограниченность применения.

Известен также неинвазивный способ определения параметров гемодинамики в биообъектах, включающий измерение параметра, взаимосвязанного с перемещением крови в биообъектах, и определение параметров гемодинамики на основе обработки этого параметра [2] и способ определения систолического объема сердца путем измерения площади сечения аорты, длительности изгнания крови из левого желудочка, длительности фаз асинхронного и изометрического сокращения левого желудочка сердца, длительности фазы быстрого изгнания крови из левого желудочка [3] - прототипы.

Известно также устройство для осуществления способа определения параметров гемодинамики в биообъектах, содержащее узлы измерения параметров, связанных с перемещением крови в биообъектах, узлы обработки этих параметров и процессор для определения параметров гемодинамики [2] - прототип.

Недостатком известных неинвазивных способов и устройств являются также относительно низкие их функциональные и технические характеристики, в том числе относительно большое время выполнения измерений параметров гемодинамики.

Решаемой технической задачей в соответствии с изобретением является расширение функциональных возможностей способа и устройства с достижением технического результата в отношении простоты использования и снижения травматичности метода, возможности обеспечить продолжительный непрерывный мониторинг значений исследуемых показателей гемодинамики, уменьшения длительности измерений и обеспечение возможности отслеживания динамики изменения исследуемых параметров.

В качестве кратких сведений, раскрывающих сущность изобретения, следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного способа определения параметров гемодинамики в биообъектах, включающего измерение параметра, взаимосвязанного с перемещением крови в биообъектах, и определение параметров гемодинамики на основе обработки этого параметра. Отличительные особенности заявленного способа заключаются в том, что в качестве анализируемого сигнала, отражающего параметры гемодинамики, выбирают пульсовую волну кровяного давления преимущественно в артериальной системе, регистрируя ее с артериолы мочки уха или сонной артерии. Сигнал пульсовой волны кровяного давления дифференцируют и измеряют максимальное значение полученной 1-й производной нарастающего фронта пульсовой волны и временной интервал t₁, от начала пульсовой волны давления до этого первого момента времени, а также амплитуду R₁, сигнала в данной точке. Затем отслеживают изменение 1-й производной, фиксируя все последующие минимумы производной в процессе ее изменения. Из всех зафиксированных минимумов выбирают минимум с наименьшим радиусом кривизны его вершины и временной интервал t₂ от начала пульсовой волны до этого второго момента времени, а также амплитуду R₂ сигнала во второй момент времени.

На основании этих измерений с учетом параметра L, для человека - роста, размаха рук и частоты сердечных сокращений H, определяют искомое значение параметров гемодинамики, минутный объем кровообращения α, и др., используя в общем случае для биоoбъектов с артериально-венозной системой кровообращения функциональную зависимость типа Достигаемый результат обеспечивают также с помощью способа, отличающегося тем, что непосредственно для человека измеряют в два произвольных момента времени отношение энергий пульсовой волны давления E₁ в первый момент времени t₁ и E₂ во второй момент времени t₂, интервал между которыми выбирают в зависимости от задаваемой точности измерений, и на основании полученных измерений определяют искомое значение параметров гемодинамики, например, минутный объем кровообращения α, и др., используя функциональную зависимость типа где k - экспериментальный коэффициент, выбираемый в зависимости от вида биообъекта, в пределах 0,1≅k≅10; A, B, C, m и n - экспериментальные коэффициенты, выбираемые в зависимости от вида биообъекта, в пределах 0≅ ≅ 1000; 0≅ ≅1000; 0≅ ≅1000, при условии одновременного неравенства нулю A, B и C; 0,1≅k≅10; 0≅m≅10; 0≅n≅12 при условии одновременного неравенства нулю m и n.

В качестве кратких сведений, раскрывающих сущность изобретения, следует отметить, что достигаемый технический результат обеспечивают с помощью предложенного устройства для осуществления способа определения параметров гемодинамики в биообъектах, содержащего узлы измерения параметров, связанных с перемещением крови в биообъектах, узлы обработки этих параметров, и процессор для определения параметров гемодинамики. Отличительные особенности устройства заключаются в том, что узел измерения параметров выполнен в виде блока съема пульсовой волны с биообъекта, выход которого соединен с первыми входами дифференцирующего блока, измерителя экстремумов пульсовой волны, измерителя амплитуды пульсовой волны и измерителя временных интервалов. Первый выход дифференцирующего блока соединен со входом измерителя экстремумов производной пульсовой волны, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом дифференцирующего блока. Второй выход дифференцирующего блока соединен со вторым входом измерителя амплитуды пульсовой волны, третий его выход соединен со вторым входом измерителя экстремумов пульсовой волны.

Первый выход измерителя экстремумов пульсовой волны соединен со вторым входом блока управления, а второй выход измерителя экстремумов пульсовой волны соединен с первым входом расчетного блока. Выход измерителя амплитуды пульсовой волны соединен со вторым входом расчетного блока, а выход измерителя временных интервалов соединен с третьим входом расчетного блока, выход которого соединен со входом индикаторного блока. При этом соотношение максимальной амплитуды Aш суммарных помех и минимальной амплитуды Aп пульсовой волны выбрано в пределах 1≅(Aш+Aп)/Aп≅1,1, а соотношение предельных измеряемых значений максимумов и минимумов производных пульсовой волны измерителя экстремумов 13 производной пульсовой волны выбрано в пределах 1<(Hx+Hy)/Hx<2.

При изложении сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения, целесообразно более детально описать предложенный способ. При описании способа нецелесообразно детально останавливаться на известных из опубликованных данных особенностях выполнения его операций, в частности, измерения параметра, взаимосвязанного с перемещением крови в биообъектах, и определения параметров гемодинамики на основе обработки этого параметра. Более детально целесообразно остановиться на следующей информации, которая отражает результаты исследований, позволивших разработать предложенные способ и устройство. Разработанная совокупность методов математического анализа пульсовых волн позволяет количественно оценивать параметры центральной гемодинамики (в частности, ударный и минутный объемы кровообращения) человека. Алгоритмы расчета основаны на математической модели, связывающей основные показатели центральной гемодинамики (например, ударный объем сердца) с параметрами, описывающими форму и динамику пульсовой волны артериального давления.

Для неинвазивной регистрации пульсовой волны используется оптический метод, предполагающий, что оптическая прозрачность тканей тела обратно пропорциональна мгновенному объему заполняющей их крови. Обсуждаемые методы измерения жизненно важных параметров организма неинвазивны и легко переносятся пациентами. Методы не требуют громоздкой аппаратуры, специальных знаний от медицинского персонала и пригодны для длительного непрерывного мониторинга, в том числе у детей любого возраста.

Целесообразно детально остановиться на существенных отличительных особенностях реализации операций предложенного способа, заключающихся в том, что в качестве анализируемого сигнала, отражающего параметры гемодинамики, выбирают пульсовую волну давления преимущественно в артериальной системе биообъекта, например, снимая ее с артериолы мочки уха. Специальных требований к устройствам для съема пульсовой волны и к другим устройствам для реализации нижеописанных операций при этом не предъявляется. Дифференцируют сигнал пульсовой волны давления и измеряют максимальное значение (фиг.1) полученной 1-й производной нарастающего фронта пульсовой волны и временной интервал t₁, от начала пульсовой волны давления до этого первого момента времени, а также амплитуду R₁, сигнала в данной точке. Затем отслеживают изменение 1-й производной, фиксируя все последующие минимумы производной в процессе ее изменения. Из всех зафиксированных минимумов выбирают минимум с наименьшим радиусом кривизны его вершины и временной интервал t₂ от начала пульсовой волны до этого второго момента времени, а также амплитуду R₂ сигнала во второй момент времени. На основании этих измерений с учетом параметра L антропометрических данных - роста, размаха рук и частоты сердечных сокращений H определяют искомое значение параметров гемодинамики, например, минутный объем кровообращения α, и др. , используя в общем случае для биообъектов с артериально-венозной системой кровообращения функциональную зависимость типа Испрашивание в первом обобщающем пункте формулы изобретения притязания, содержащего аналитическое выражение в виде общих функций от конкретных аргументов, обусловлено тем, что специалист средней квалификации, получив информацию о том, какой из параметров гемодинамики, от каких аргументов зависит, без труда установит вид функциональной зависимости, тем более что вид аналитической зависимости не определяет охранноспособность признака, равно как и методики получения конкретного вида функциональной зависимости. Это очевидно из нижеприведенных вариантов функциональных зависимостей - для теплокровных биообъектов с распределением аргументов по двум функциональным зависимостям общего вида и одного из вариантов конкретного вида этих функциональных зависимостей непосредственно для человека. Только такое изложение в формуле изобретения испрашиваемых притязаний может обеспечить заявителю полноценный объем патентной защиты предложенных объектов.

Достигаемый результат обеспечивают также тем, что непосредственно для человека измеряют в два произвольных момента времени отношение энергий пульсовой волны давления E₁ в первый момент времени t₁ и E₂ во второй момент времени t₂, интервал между которыми выбирают в зависимости от задаваемой точности измерений, и на основании полученных измерений определяют искомое значение параметров гемодинамики, например, минутный объем кровообращения α и др., используя функциональную зависимость типа где A, B, C, m, n и k - экспериментальные коэффициенты, выбираемые в зависимости от вида биообъекта, в пределах 0≅ ≅1000; 0≅ ≅1000; 0≅ ≅1000 при условии одновременного неравенства нулю A, B и C; 0,1≅k≅10; 0≅m≅10; 0≅n≅12 при условии одновременного неравенства нулю m и n. Размерность коэффициентов A и B - "см^3-k" с учетом размерности параметров L - "см", C - "мин·см^3-k".

В качестве иллюстрации конкретных значений параметров A, B, C, m, n и k, например для минутного объема кровообращения при съеме с мочки уха

целесообразно привести соответственно следующие значения: A=-0,022; B= 0,065; C=0,031; m=2; n=4; k=1,5 (табл.1).

В качестве иллюстрации конкретных значений параметров A, B, C, m, n и k, например для минутного объема кровообращения при съеме с пальца руки целесообразно привести соответственно следующие значения: A=-0,122; B=0,166; C= 0,031; m= 1,5; n=3; k=1,5 (табл.2).

В качестве иллюстрации конкретных значений параметров A, B, C, m, n и k, например для минутного объема кровообращения при съеме с уха собаки целесообразно привести соответственно следующие значения: A=-0,151; B=0,091; C= 0,041; m=3; n=5; k=1,4 (табл.3).

Более полная информация о результатах измерений параметров гемодинамики в клинических условиях приведена в прилагаемых к описанию протоколах.

При описании устройства для осуществления способа нецелесообразно детально останавливаться на известных из опубликованных данных его конструктивных особенностях, в частности, узлов измерения параметров, связанных с перемещением крови в биообъектах, узлов обработки этих параметров, и процессора для определения параметров гемодинамики.

Детально целесообразно остановиться только на отличительных существенных конструктивных особенностях предложенного устройства, заключающихся в том, что узел измерения параметров выполнен в виде блока 1 (фиг.2) съема пульсовой волны с биообъекта, выход 2 которого соединен с первыми входами 3, 4, 5, 6 соответственно дифференцирующего блока 7, измерителя 8 экстремумов амплитуды пульсовой волны, измерителя 9 амплитуды пульсовой волны и измерителя 10 временных интервалов. Первый выход 11 дифференцирующего блока 7 соединен со входом 12 измерителя 13 экстремумов производной пульсовой волны, выход 14 которого соединен с первым 15 входом блока 16 управления, первый выход 17 которого соединен со вторым входом 18 дифференцирующего блока 7. Второй выход 19 блока управления 16 соединен со вторым входом 20 измерителя амплитуды пульсовой волны 9, третий выход 21 блока управления 16 соединен со вторым входом 22 измерителя 8 экстремумов амплитуды пульсовой волны, а четвертый выход 23 блока управления 16 соединен со вторым входом 24 измерителя 10 временных интервалов.

Первый выход 25 измерителя 8 экстремумов амплитуды пульсовой волны соединен со вторым входом 26 блока управления 16, а второй выход 27 измерителя 8 экстремумов амплитуды пульсовой волны соединен с первым входом 28 расчетного блока 29. Выход 30 измерителя 9 амплитуды пульсовой волны соединен со вторым входом 31 расчетного блока 29, а выход 32 измерителя 10 временных интервалов соединен с третьим входом 33 расчетного блока 29, выход 34 которого соединен со входом 35 индикаторного блока 36. При этом соотношение максимальной амплитуды Аш суммарных помех и минимальной амплитуды Ап пульсовой волны выбрано в пределах 1≅(Аш+Ап)/Ап≅1,2, а соотношение предельных измеряемых значений максимумов и минимумов производных пульсовой волны измерителя экстремумов 13 производной пульсовой волны выбрано в пределах 1≅(Hx+Hy)/Hx≅2.

Использование предложенных способа и устройства позволяет снизить травматичность исследований, обеспечить продолжительный непрерывный мониторинг значений исследуемых показателей гемодинамики, обеспечить повышенную точность отслеживания динамики исследуемых параметров.

Соответствие критерию "промышленная применимость" заявленных объектов доказывается как широким использованием различных способов и устройств для определения параметров гемодинамики, так и отсутствием в заявленных притязаниях каких-либо практически трудно реализуемых признаков.

Указанные отличия дают основание сделать вывод о новизне данного технического решения, а совокупность испрашиваемых притязаний - о его изобретательском уровне, что доказывается также вышеприведенным детальным описанием заявленных объектов.

Кроме указанного выше технического результата практическое осуществление заявленных объектов позволяет существенно расширить возможности его использования применительно, например, к различным биообъектам, например животным, и существенно усилить лечебный и/или оздоровительный эффект.

Список литературы
1. RU N 94024145, A1 (АО "Все для ПК), 27.08.96
2. RU N 94009471, A1 (Лузянин А.Г. и др.), 10.11.96
3. SU N 827025, A1 (Лаборатория гемобионики Воронежского водоканала), 07.05.81.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров гемодинамики, включающий измерение параметра, взаимосвязанного с перемещением крови, и определение параметров гемодинамики на основе обработки этого параметра, отличающийся тем, что в качестве анализируемого сигнала, отражающего параметры гемодинамики, выбирают пульсовую волну давления, преимущественно в артериальной системе, дифференцируют сигнал пульсовой волны давления и измеряют максимальное значение полученной 1-й производной нарастающего фронта пульсовой волны и временной интервал t₁ от начала пульсовой волны давления до этого первого момента времени, а также амплитуду R₁ сигнала в данной точке, затем отслеживают изменение 1-й производной, фиксируя все последующие минимумы производной в процессе ее изменения, и из всех зафиксированных минимумов выбирают минимум с наименьшим радиусом кривизны его вершины и временной интервал t₂ от начала пульсовой волны до этого второго момента времени, а также амплитуду R₂ сигнала во второй момент времени и на основании этих измерений с учетом параметра L антропометрических данных и частоты сердечных сокращений H определяют искомое значение параметров гемодинамики, минутный объем кровообращения α и др., используя в общем случае для биообъектов с артериально-венозной системой кровообращения функциональную зависимость типа

а непосредственно для человека измеряют в два произвольных момента времени отношение энергий пульсовой волны давления E₁ в первый момент времени t₁ и E₂ во второй момент времени t₂ (функционально связанных с R₁, R₂, t₁, t₂ ), интервал между которыми выбирают в зависимости от задаваемой точности измерений, и на основании полученных измерений определяют искомое значение параметров гемодинамики, минутный объем кровообращения α и др., используя функциональную зависимость типа

где k - экспериментальный коэффициент, выбираемый в пределах 0,1 ≅ k ≅ 10;
A, B, C, m и n - экспериментальные коэффициенты, выбираемые в пределах 0 ≅ ≅ 1000, 0 ≅ ≅ 1000,0 ≅ ≅ 1000 при условии одновременного неравенства нулю A, B и C; 0 ≅ m ≅ 10,0 ≅ n ≅ 12 при условии одновременного неравенства нулю m и n, размерность коэффициентов A и B - "cм^3-k" с учетом размерностей параметров L - "см", C - "мин · см^3-k".

2. Устройство для определения параметров гемодинамики в биообъектах, содержащее узлы измерения параметров, связанных с перемещением крови в биообъектах, узлы обработки этих параметров и процессор для определения параметров гемодинамики, отличающееся тем, что узел измерения параметров выполнен в виде блока съема пульсовой волны с биообъекта, выход которого соединен с первыми входами дифференцирующего блока, измерителя экстремумов пульсовой волны, измерителя амплитуды пульсовой волны и измерителя временных интервалов, первый выход дифференцирующего блока соединен со входом измерителя экстремумов производной пульсовой волны, выход которого соединен с первым входом блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом дифференцирующего блока, второй его выход соединен со вторым входом измерителя амплитуды пульсовой волны, третий его выход соединен со вторым входом измерителя экстремумов пульсовой волны, первый выход измерителя экстремумов пульсовой волны соединен со вторым входом блока управления, второй выход измерителя экстремумов пульсовой волны соединен с первым входом расчетного блока, выход измерителя амплитуды пульсовой волны соединен со вторым входом расчетного блока, выход измерителя временных интервалов соединен с третьим входом расчетного блока, выход которого соединен со входом индикаторного блока, при этом соотношение максимальной амплитуды Аш суммарных помех и минимальной амплитуды Ап пульсовой волны выбрано в пределах 1 ≅ (Аш + Ап)/Ап ≅ 1,2, а соотношение предельных измеряемых значений максимумов и минимумов производных пульсовой волны измерителя экстремумов 13 производной пульсовой волны выбрано в пределах 1< (Нх + Ну)/Нх <2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3