МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ Типичный график изменения

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ

Типичный график изменения АД во времени на интервале одного цикла сердечного сокращения. На графике показаны параметры АД, подлежащие измерению.

К настоящему времени количество отличающихся методов измерения АД исчисляется многими десятками, если не сотнями, каждый год к ним добавляются в среднем около 30 новых технических решений. В наименованиях разнообразных методов измерения АД используется почти исключительно медицинская терминология. Отчасти это можно объяснить тем, что многие идеи измерения артериального давления чаще всего исходят от врачей. Таким образом, существующая классификация методов измерения АД не вписывается в общую классификацию методов измерения, нередко объединяя под одним названием методы, существенно различающиеся по потенциально достижимым метрологическим характеристикам. Следовательно, для сравнительной оценки метрологических характеристик существующих методов измерения артериального давления представляется важной их систематизация в терминах классической

Выделим признаки методов измерения АД: 1. наличие опорного канала в структуре реализующего устройства (основополагающий с метрологической точки зрения признак ) - с опорным каналом и без опорного канала. 2. связь АД с непосредственно измеряемой величиной - прямые и косвенные методы измерения 3. способ уравновешивания (относится только к методам измерения с использованием опорного канала) - методы измерения с развертывающим и следящим уравновешиванием.

На практике преобладающее применение нашли методы измерения АД с развертывающим уравновешиванием измеряемой величины. Таким образом, несмотря на огромное разнообразие известных к настоящему времени методов измерения АД, если принять во внимание наиболее существенные с метрологической точки зрения классификационные признаки, все они вписываются в три подкласса методов: 1. методы развертывающего уравновешивающего преобразования АД (с ОК); 2. методы следящего уравновешивающего преобразования АД (с ОК); 3. методы измерения АД без использования опорного канала.

1. Методы развертывающего уравновешивающего преобразования АД Непосредственное восприятие АД чувствительным элементом при использовании неинвазивных способов измерения невозможно. Поэтому почти единственно возможными являются методы уравновешивающего преобразования с использованием косвенных признаков компенсации АД внешним компенсирующим давлением. Причем внешнее компенсирующее давление воздействует на артерию через толщу мягких тканей. В подобных условиях получение сигнала рассогласования в виде разности измеряемого и компенсирующего давления принципиально невозможно (речь идет о неинвазивном измерении).

Принцип измерения по методу развертывающего уравновешивающего преобразования, реализуемый в большинстве современных медицинских тонометров поясняется графиком

Артерия подвергается сжатию внешним давлением Pк(t), начальное значение которого несколько превышает ожидаемое верхнее (систолическое) значение артериального давления Pа(t). Затем в процессе декомпрессии (обычно по линейному закону, но это не обязательно) фиксируются моменты t 1 и t 2 достижения компенсирующим внешним давлением значений верхнего Pав и нижнего Pан (диастолического) давлений. В эти моменты времени берутся отсчеты соответствующих значений внешнего давления. Разновидности рассматриваемого метода отличаются способом фиксации моментов равновесия.

В зависимости от способа фиксации равновесия принято различать три группы методов: • пальпаторные методы; • аускультативные методы; • осциллометрические методы. Рассмотрим последовательно каждую группу методов.

Методы, основанные на пальпации артерий. Рассматриваемый метод измерения параметров АД является одним из самых старых методов оценки параметров гемодинамики, применяемых анестезиологами до настоящего времени (один из первых приборов был предложен S. Basch в 1876 году). Метод основан на использовании окклюзионной манжеты, накладываемой на плечо, создании в ней давления воздуха, сжимающего артерию, и определении значения давления в характерные моменты изменения пульса, контролируемого на дистальном участке артерии (в простейшем случае путем пальпации) при плавной компрессии (декомпрессии) воздуха в манжетке. Давление, при котором исчезали пульсации артерии, принималось за систолическое. Фиксация диастолического давления производилась, когда наполнение пульса начинало «заметно снижаться либо когда возникало ощущение кажущегося ускорения пульса» . Обнаружение пульсаций давления крови на дистальном участке артерии может производиться одним из трех методов: • реографического, основанного на измерении изменений электрического сопротивления переменному току участка тканей, содержащего артериальный сосуд; • механического, реализуемого с помощью микрофона или датчика давления, накладываемого на пульсирующий участок кожи, например, в локтевой ямке; • оптического (фотоплетизмографического), реализуемого с помощью фотометрирования изменений оптической плотности тканей с артериальной кровью, например, при просвечивании ногтевой фаланги пальца руки.

Методы, основанные на аускультации артерий. Первая реализация методов данной группы была предложена русским врачом Н. С. Коротковым в 1905 году. Метод Короткова основан на анализе характерных звуков, так называемых тонов Короткова, регистрируемых в простейшем случае с помощью фонендоскопа, в дистальном отрезке артерии, непосредственно у нижнего края окклюзионной манжеты при определенной величине давления воздуха в манжетке. По методу Короткова первоначально при измерении АД давление в манжете, охватывающей сосуд, увеличивают до полного прекращения кровотока (артериального пульса) в дистальной части руки. Затем включают плавную декомпрессию (стравливание воздуха из манжетки). В момент открытия артерии кровотоку начинают прослушиваться первые тоны. В этот момент давление крови на вершине артериальной пульсации становится чуть больше давления воздуха в манжете и артерия на короткое время “открывается”, порождая звуковые колебания. Давление в манжете, соответствующее появлению первых тонов, принимается в методе Короткова за значение систолического АД. Происхождение регистрируемых тонов может объяснить турбулентным движением крови по сжатому сосуду, а также неустойчивым поведением стенок после “открытия” сжатой артерии, приводящим к звуковым колебаниям характерного спектрального состава. При дальнейшей плавной декомпрессии (около 2 -3 мм рт. ст. на один удар пульса) характер звуковых тонов изменяется, они становятся глуше (их частотный спектр сдвигается в сторону более низких частот) и затем они исчезают. Считается, что момент приглушения или исчезновение тонов соответствует равенству давления воздуха в манжете минимальному динамическому давлению крови, то есть диастолической величине АД. Считается, что аускультативный метод Короткова обеспечивает наивысшую точность измерения АД, оцениваемую погрешностью не более 2 -3 мм рт. ст.

Осциллометрические методы. Основная идея методов состоит в том, что при прохождении крови во время систолы через сдавленный участок артерии в манжете возникают микропульсации давления воздуха, анализируя которые можно получить значения систолического, диастолического и среднего давления. Анализ осцилляций проводится с помощью специальных запатентованных алгоритмов. Для выявления изменений осцилляций, соответствующих значениям систолического, среднего, диастолического давления крови, анализируют разнообразные параметры осцилляций – амплитуду, форму, фазу. Существенно отличными являются методы анализа для двух конструктивных вариантов построения тонометров – с одной и двумя манжетами. В одноманжетных тонометрах анализируется амплитуда осцилляций, ее производные и амплитуда объемных расширений артерии в процессе компрессии (декомпрессии). В двухманжетных тонометрах анализируются соотношения фаз или амплитуд осцилляций манжетных давлений.

Подавляющее большинство промышленно выпускаемых автоматических цифровых тонометров реализует осциллометрический способ определения АД. На мировом рынке тонометров наиболее прочные позиции удерживают такие фирмы, как OMRON (Япония), Microlife (Швейцария), Nissey (Япония) и другие. Каждая из этих фирм выпускает до несколько десятков модификаций полуавтоматических и автоматических тонометров, отличающихся местом измерения (предплечье, запястье, фаланга указательного пальца), количеством дополнительных сервисных функций (память даты и результатов нескольких измерений, возможность печати результатов, автоматическое выключение, индикация состояния аккумуляторных батарей и т. д. ). В качестве примеров приведены внешний вид, основные характеристики и цена нескольких механических, полуавтоматических и автоматических тонометров фирмы Microlife.

BP 3 BT 0 -1 Память 2 x 14 измерений. Режим трёхкратного измерения по предплечью с возможностью вычисления оптимального результата. Цена $110

BP 3 BU 1 -5 Память 60 измерений по запястью. Встроенный дисплей даты и времени. Режим трёхкратного измерения с возможностью вычисления оптимального результата. Цена $110

BP 3 BA 0 Память результатов измерений по предплечью. Контроль состояния батарей. Функция искусственного интеллекта. Цена $69

BP 3 BE 0 -2 Память измерений по запястью. Расширенная индикация ошибок. Функция искусственного интеллекта. Цена $60

BP 2 BP 0 Память результатов измерений по предплечью. Контроль состояния батарей. Автоматическое отключение. Цена $55

BP 3 AG 1 -20 Высококачественный манометр. Металический стетоскоп. Мягкий футляр. Професиональная манжетка. Цена $20

2. Методы следящего уравновешивающего преобразования АД Метод следящего уравновешивающего преобразования АД пока не получил широкого применения. Запатентованы два варианта реализации этого метода – один за рубежом, автор Penaz J. , второй в России, автор Э. К. Шахов. Функциональная измерителя АД, предложенного Penaz J. , представлена на следующем слайде.

Функциональная измерителя АД, предложенного Penaz J

Пальцевая окклюзионная манжетка содержит фотоплетизмографический датчик, включающий излучатель, питаемый от источника, и фотоприемник, дающий сигнал, пропорциональный величине диаметра пальцевой артерии. Воздушная магистраль прибора, связанная с манжеткой, включает компрессор, клапан с пропорциональным управлением и датчик давления. В петле электромеханической обратной связи происходит формирование сигнала, пропорционального диаметру артерии, и напряжения, управляющего работой клапана. В результате, при пульсации сосуда, с увеличением просвета артерии давление в манжетке уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Таким образом, поддерживается номинальная величина просвета артерии, задаваемая микропроцессором. Давление воздуха в манжетке отслеживает колебания АД на протяжении сердечного цикла и после преобразования в электрический сигнал датчиком поступает на АЦП для обработки в микропроцессоре по осциллометрической методике.

Чтобы этот прием был понятен, напомним, что пульсации давления в манжетке обусловлены объемными расширениями артерии в процессе сердечных сокращений. В каждый данный момент амплитуда пульсаций давления в манжетке равна среднему значению давления в манжетке, умноженному на отношение объема части артерии, находящейся под манжетой, к объему манжеты. Манжета не растягивается, поэтому амплитуда пульсаций давления в манжете пропорциональна произведению среднего давления в манжете и амплитуды объемных расширений артерии. По мере повышения среднего давления в манжетке амплитуда объемных расширений артерии уменьшается, тем не менее, указанное произведение по мере повышения среднего давления в манжетке вначале возрастает, а затем начинает уменьшаться (когда среднее давление в манжетке превысит верхнее значение АД, пульсации артерии вообще прекращаются). Максимум амплитуды пульсаций давления имеет место при среднем давлении в манжетке, равном постоянной составляющей АД. Только в этом случае прибор показывает правильные значения АД.

На экран дисплея выводятся кривая давления и вычисленные значения параметров АД. В приборе предусмотрена периодическая калибровка по сигналу от микропроцессора, подаваемому на переключатель. При этом обратная связь размыкается и под действием напряжения калибровки осуществляется поиск размера сосуда, при котором пульсации давления достигают максимума. Для предотвращения искажений фотоплетизмографического сигнала палец с манжеткой при проведении процедур измерения АД необходимо надежно зафиксировать. При всех достоинствах измерителя АД Penaz, он не лишен одного существенного недостатка. Прибор отслеживает только динамическую составляющую АД. Дело в том, что по самому принципу, заложенному в основу функционирования прибора, система отслеживает только динамическую составляющую изменения объема артерии. Для получения полной картины изменения АД прибор нуждается, как указывалось, в периодической калибровке.

3. Методы измерения АД без использования опорного канала подразделяются по признаку связь АД с непосредственно измеряемой величиной. Такая связь может быть либо прямой (измеряется непосредственно АД), либо опосредованной (измеряется величина, функционально связанная с АД). Будем называть эти методы соответственно прямыми и косвенными.

Настоятельная необходимость в безманжетных средствах для мониторного неинвазивного контроля АД стимулирует непрекращающиеся попытки поиска новых косвенных методов. В основе опытных разработок этого направления лежат исследования возможностей использования тех или иных функциональных зависимостей, которые могли бы связывать величину АД с каким-либо физиологическим параметром, регистрируемым неинвазивно. К настоящему времени сделаны попытки использовать следующие параметры или явления: 1. амплитуду пульсовых волн давления, регистрируемых на поверхности кожного покрова в зоне выхода артерии на поверхность; 2. скорость кровотока в артерии; 3. явление кавитации в жидкости под действием ультразвука; 4. скорость распространения пульсовой волны.

Примером прямого метода измерения является исторически впервые реализованный инвазивный метод, известный как метод Oxford. Этот метод подразумевает прямое измерение артериального давления путем установки катетера в артерию (обычно в лучевую, бедренную, тыла стопы, плечевую). Катетер должен быть соединен со стерильной магистралью, заполненной стерильным физиологическим раствором, которая подключена к монитору. Пациенты с инвазивным мониторингом требуют более внимательного наблюдения из-за опасности развития тяжелого кровотечения в случае отсоединения магистрали. Этот метод в основном используется у критических больных. Основная область применения - кардиохирургия. В клиникофизиологических экспериментах применяется суточное инвазивное мониторирование АД. Игла, введенная в артерию, промывается гепаринизированным солевым раствором с помощью микроинфузатора, а сигнал датчика давления непрерывно регистрируется. Преимуществом этой системы является то, что давление измеряется постоянно, отображается форма волны (график давление - время). Однако инвазивность методики, риск развития сосудистых осложнений ограничивают область применения прямого метода измерений. Чаще всего катетерные измерения используются в интраоперационном мониторинге и в кардиореанимации.

Первая разновидность косвенного метода (измерение амплитуды пульсовых волн давления, регистрируемых на поверхности кожного покрова в зоне выхода артерии на поверхность) впервые описана Pressman и Newgard в 1963 г. и предполагает частичное сдавливание поверхностно залегающих артерий конечности (например, на запястье) и регистрацию с помощью встроенных в окклюзионный браслет тензодатчиков бокового давления, передаваемого на них через стенку сосуда. При этом мгновенное значение регистрируемых колебаний становится пропорциональным величине АД. Данный метод еще называют методом тонометрии. Хотя тонометричсский метод предусматривает внешнее воздействие, образуемое, как правило, с помощью манжетки, это по существу безманжетный метод, поскольку манжетка здесь используется не для окклюзирования артерии. Тонометры нуждаются в предварительной калибровке, так компенсирующее воздействие прикладывается не только к артерии, но также к окружающей ткани (за счет потери части давления в мягких тканях конечности давление, развиваемое манжетой, и давление, воспринимаемое артерией, имеют разные, хотя и незначительно, значения). Большим недостатком тонометрирования является высокая "критичность" к точности расположения тонометрического датчика по отношению к артерии, в связи с чем, использование его требует профессионального навыка.

Вторая разновидность косвенного метода предполагает измерение скорости кровотока в артерии. Скорость кровотока может быть определена с помощью ультразвуковой локации. Сделана попытка связать этот параметр с величиной АД и на основе этого осуществить непрерывную безманжетную регистрацию АД. Способ заключается в предварительном установлении для пациента, у которого предстоит мониторировать давление, соотношения между АД и скоростью кровотока в определенной артерии путем одновременного измерения этих двух параметров в покое и при различных уровнях физической нагрузки. При этом давление измеряют обычным способом, а скорость кровотока - ультразвуковым допплеровским датчиком. В дальнейшем измерения АД производятся путем непрерывного определения скорости кровотока на основе предварительно полученного соотношения. Прибор имеет портативное исполнение и предназначен для наблюдения за АД в условиях свободного поведения пациента. Сложность установки и надежного фиксирования датчика, а также градуировки исключает использование описанной процедуры в широких масштабах.

Третья разновидность косвенного метода основана на явлении кавитации в жидкости под действием ультразвука. Кавитация в крови, например в левом желудочке сердца, возникает под воздействием ультразвуковой волны большой мощности. При условии постоянства других параметров жидкости (температуры, концентрации газа в ней) образование ядер кавитации зависит от величины абсолютного давления в этой жидкости, называемого критическим давлением. При воздействии ультразвуковой волны на кровь это давление складывается из давления ультразвука, давления крови и атмосферного давления. Зная параметры ультразвуковой волны, величину атмосферного давления, а также критическое давление для заданной жидкости, можно определить давление в ней. Возникновение кавитации регистрируется также с помощью ультразвука, но с частотой на порядок выше той, которая используется для возбуждения кавитации. Для этого область измерения зондируют ультразвуковым пучком, который начинает сильно отражаться от ядер кавитации при их возникновении, когда давление в зоне измерения становится равным критическому. Для уменьшения мощности возбуждающего излучения и, следовательно, для уменьшения повреждающего действия ультразвука на элементы крови предлагается предварительно насыщать кровь инертным газом, например гелием, что значительно уменьшает величину критического давления. Из-за сложности методики и аппаратуры данный метод также не имеет перспективы широкого применения в клинических и тем более бытовых условиях.

Четвертая разновидность косвенного метода измерения АД основана на измерении скорости 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 - от упругости ее стенки. При неизмененных упруговязких 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, или как интервал между ЭКГ-сигналом и пульсовой волной в точке, удаленной от сердца. Так, например, 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 P=20/T, где Р - среднее давление мм рт. ст. ; Т - ВРПВ с. Расчетная формула построена на допущении что в норме среднему давлению 100 мм рт. соответствует ВРПВ 0, 2 с. Такая градуировка прибора является условной и предназначена для удобства потребителя, поскольку в ряде случаев требуется знать не абсолютное значение АД, а его динамику. Разумеется, если необходимо измерять абсолютное значение АД, прибор должен быть калиброван под конкретного пациента, что является его основным недостатком.

Сравнительный анализ методов измерения АД Столбцы таблицы соответствуют шести методам измерения АД, получившим практическое применение в клинической практике. Строки соответствуют наиболее существенным параметрам и характеристикам методов измерения АД. На пересечениях строк и столбцов указаны оценки в виде того или иного количества плюсов (достоинства методов) и минусов (недостатки методов). Наивысшему показателю достоинства соответствует оценка в виде двух плюсов, самому низкому показателю – оценка в виде двух минусов.

Из проведенного анализа современного состояния методов и средств измерения АД можно сделать следующие выводы. Осциллометрические методы в группе методов развертывающего уравновешивания более предпочтительны для создания автоматических приборов по сравнению с аускультативными. Но пока они уступают аускультативным по точности. Поэтому представляется важной проблема создания математической модели системы «компрессионная камера – мягкие ткани конечности – артерия» с целью выделения наиболее информативных признаков фиксации систолического и диастолического значений АД. Перспективность тонометрического метода диктует актуальность поиска путей устранения его основных недостатков – критичности к позиционированию датчика давления относительно артерии и ко всем отрицательным факторам, сопровождающим реальный процесс измерения и приводящим к изменению условий измерения относительно тех, при которых осуществлялась градуировка тонометра. В связи с широким внедрением микропроцессоров при создании средств измерения АД важной задачей также является поиск эффективных алгоритмов цифровой обработки сигналов с целью повышения точности фиксации моментов равновесия при реализации методов развертывающего уравновешивания и введения поправок на изменение условий измерения при реализации тонометрических методов.

Временные диаграммы измерения АД осциллометрическим способом

Возможный алгоритм вычислений, позволяющий получить значения АД

Алгоритм основан на сравнении производной амплитуды пульсаций с заданными порогами (положительным и отрицательным). Значения давления в манжете, соответствующие выходу производной за пределы, зоны, ограниченной этими порогами, записывается в память МК.

Принципиальная схема цифрового измерителя АД, реализующего осциллометрический способ

Схема алгоритма программы, управляющей измеретелем АД