Завадостійке вимірювання артеріального тиску на основі кореляційно-спектральної обробки сигналів пульсу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 615.471.03:321.317.351

ЗАВАДОСТІЙКе ВИМІРЮВАННЯ артеріального тиску на основі кореляційно-спектральної обробки сигналів пульсу

Cпеціальність 05.11.17 - “Медичні прилади та системи”

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Зудов Олег Миколайович

Kиїв - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі теоретичних основ радіотехніки

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Шарпан Олег Борисович, доцент кафедри Теоретичних основ радіотехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти: д.т.н., проф. Злепко Сергій Макарович, завідувач кафедри проектування біомедичної апаратури, заст. директора з наукової роботи науково-навчального інституту медико-біологічного електронного приладобудування Вінницького державного технічного університету;

к.т.н., доц. Мельник Олександр Степанович, доцент кафедри фізичної і біомедичної електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”.

Захист відбудеться “17” червня 2002 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: Київ, пр. Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 4 ” травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зубчук В.І.



АНОТАЦІЯ

Зудов О. М. Завадостійке вимірювання артеріального тиску на основі кореляційно-спектральної обробки сигналів пульсу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - “Медичні прилади та системи”. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001. осцилометричний пульсовий спектральний вимірювання

Дисертацію присвячено питанням підвищення достовірності результатів вимірювання артеріального тиску крові. В дисертації розроблено принципи забезпечення завадостійкості непрямих вимірювань осцилометричним способом, що здійснюються в несприятливих умовах. Ці принципи передбачають введення опорного каналу реєстрації пульсового сигналу з подальшою спільною кореляційно-спектральною обробкою цього сигналу і основного сигналу, що реєструють на органі з компресійною манжетою. Знайдено критерії визначення параметрів артеріального тиску на основі такої обробки. Розроблено принципи побудови завадостійких систем вимірювання артеріального тиску.

Ключові слова: Артеріальний тиск крові, кореляційно-спектральний аналіз, пульсовий сигнал, завадостійкість.



SUMMARY

Zudov O.N. The jamproof the arterial blood pressure measurement based on the correlative and spectral pulse signals processing. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.11.17 - Medical devices and systems. - National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnical Institute”, Kyiv, 2001.

The dissertation is devoted to reliability increase of the arterial blood pressure measurement results. The jamproof improving principles of the indirect oscillometric measurements in unfavourable conditions are carried out. This principles provide the based channel of pulse signal including with following correlation and spectral processing this signal and main signal from the organ with compression cuff. The criteria used for determination of the arterial blood pressure parameters are found. The structures of jamproof blood pressure measurement systems are carried out.

Key words: arterial blood pressure, the correlation and spectral analysis, pulse signal, jamproof.



АННОТАЦИЯ

Зудов О.Н. Помехоустойчивое измерение артериального давления на основе корреляционно-спектральной обработки сигналов пульса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17. - "Медицинские приборы и системы". - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения достоверности результатов измерения артериального давления крови. Актуальность данной проблемы обусловлена существующей необходимостью измерять давление крови в неблагоприятных условиях, а именно: у тяжело больных, младенцев, в спортивной медицине во время тестовых физических нагрузок, во время суточного мониторинга, в опытах на животных и т. д.

В диссертации разработаны принципы улучшения помехоустойчивости непрямых измерений осциллометрическим способом, которые осуществляются в неблагоприятных условиях. Эти принципы предусматривают введение опорного канала регистрации пульсового сигнала, не искаженного действием компрессионной манжеты, с последующей совместной корреляционно-спектральной обработкой этого сигнала и основного сигнала, который регистрируется на органе, подверженном окклюзии. Помехоустойчивость обусловлена тем, что возникающие при измерении помехи не коррелированны с сигналом пульса, а также тем фактом, что помехи, в отличие от сигнала пульса, не являются квазипериодическими.

Найдены критерии определения параметров артериального давления на основе такой обработки. Такими критериями являются изменения корреляционных параметров сигналов пульса в зависимости от уровня декомпрессии. Основными корреляционными параметрами, которые используются для определения артериального давления, являются во временной области взаимная корреляционная функция основного и опорного сигналов пульса, а в частотной области - их взаимный спектр и функция когерентности.

Для теоретического обоснования найденных критериев в диссертационной работе была уточнена и дополнена электрическая модель гемодинамических процессов в кровеносных сосудах во время декомпрессии. Суть уточнений состоит в том, что рассматриваются как активные, так и реактивные составляющие гидродинамического сопротивления сосуда, а пульсовой сигнал представляется при этом как сумма гармонических составляющих. Кроме того, предлагается рассматривать параметры некоторой гипотетической электрической цепи, на входе которой действует опорный пульсовой сигнал, а на выходе - основной. Идентификация линейности такой цепи с помощью функции когерентности является основным критерием определения диастолического артериального давления. Основным критерием определения систолического давления является появление пульсаций в основном канале, коррелированных с сигналом опорного канала.

Разработаны принципы построения помехоустойчивых систем измерения артериального давления.

Для определения метрологических параметров систем измерения артериального давления без применения прямого инвазивного метода в качестве эталонного в диссертации были разработаны специальные методики. С использованием данных методик были определены параметры точности и помехоустойчивости разработанного экспериментального образца системы помехоустойчивого измерения артериального давления. Было также произведено экспериментальное сравнение метрологических показателей данной системы и серийных приборов для измерения артериального давления. Результаты сравнения продемонстрировали значительное превосходство в отношении помехоустойчивости разработанного образца при одинаковой точности измерений.

Ключевые слова: артериальное кровяное давление, модель гемодинамики, корреляционно-спектральная обработка, пульсовой сигнал, помехоустойчивость.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з найважливіших вимог сучасної медичної діагностики є висока достовірність результатів об'єктивних вимірювань. Це зокрема відноситься до вимірювань артеріального тиску (АТ), який є одним з найголовніших показників гемодинаміки, стану серцево-судинної системи і всього організму в цілому.

Достовірність вимірювання АТ залежить насамперед від завадостійкості методу, що використовується, до завад різної природи, нечутливості його до індивідуальних фізіологічних особливостей організму, а також від адекватності вибраної біофізичної моделі процесу вимірювань, якщо така використовується. Проте більшість розповсюджених методів і пристроїв вимірювання АТ не мають достатньої завадостійкості, що обмежує їх можливості, наприклад, для моніторингу, для слабких хворих, пацієнтів в стані шоку, немовлят тощо. Особливо важлива проблема завадостійкості при вимірюванні АТ під час фізичного навантаження. Крім того, в існуючих пристроях і системах вимірювання АТ найчастіше використовують емпіричні критерії визначення параметрів АТ. Таким чином, проблема достовірного вимірювання АТ на сучасному етапі не вирішена в достатній мірі і залишається актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дана робота є основною частиною НДР “Розробка та дослідження кореляційно-спектральних методів аналізу пульсових сигналів для створення медико-діагностичних систем нового покоління” № ДР 0100U000733, яка виконується на кафедрі ТОР НТУУ “КПІ“. Результати роботи було впроваджено у НДР “Вивчення ознак порушення адаптації у висококваліфікованих спортсменів із швидкісно-силовою направленістю тренувального процесу”, № ДР 0101U004936, яка виконується у Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту.

Метою роботи є розробка принципів підвищення достовірності результатів вимірювання АТ завдяки застосуванню завадостійкої обробки пульсових сигналів, встановлення достовірних критеріїв визначення АТ, які грунтуються на електричній моделі гідродинамічних процесів в кровоносних судинах, а також розробка на цій основі способів побудови завадостійких систем і пристроїв для вимірювання АТ.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі задачі:

1. Проведено критичний порівняльний аналіз існуючих методів і пристроїв для вимірювання АТ з визначенням невирішених проблем.

2. Обгрунтовано моделі кровоносної судини і гідродинамічних процесів в ній під час оклюзії. Запропоновані уточнення і доповнення відомих моделей, розвинуто їх для двоканальних систем реєстрації пульсових сигналів.

3. Обгрунтовано методи цифрової кореляційно-спектральної обробки пульсових сигналів, виходячи з вибраної моделі.

4. Знайдено і верифіковано нові завадостійкі критерії визначення параметрів АТ на основі аналізу динаміки кореляційних параметрів пульсових сигналів.

5. Розроблено принципи побудови нових систем вимірювання АТ, які містять опорний канал і використовують кореляційно-спектральну обробку сигналів пульсу для визначення параметрів тиску. Розроблено рекомендації щодо реєстрації і первинної аналогової обробки, а також алгоритми цифрової програмної обробки сигналів пульсу.

6. Розроблено нові методики експериментальної оцінки точності і достовірності вимірювання АТ, що змінюється в часі, без застосування інвазивних методів як еталонних.

8. Здійснено оцінку достовірності і точності систем, що грунтуються на запропонованих методах, шляхом проведення математичного моделювання, експериментальних випробувань. Створено експериментальний зразок системи завадостійкого вимірювання АТ та здійснено дослідження її точності і достовірності; проведено її порівняння з існуючими вимірювачами АТ в умовах завад і артефактів.

Об'єктом дослідження є вимірювання АТ. Предметом дослідження є забезпечення достовірності результатів вимірювання в умовах завад і артефактів.

В основу досліджень покладені методи кореляційно-спектрального аналізу пульсових сигналів. Для здійснення кореляційно-спектральної обробки запропоновано введення у вимірювальну систему тракту опорного каналу сигналу пульсу. Для встановлення критеріїв визначення параметрів АТ використано методи математичного моделювання сигналів за допомогою ЕОМ. Обробку результатів експериментальних досліджень здійснено з використанням методів математичної статистики.

В роботі захищаються такі нові наукові положення:

1. Уточнена електрична модель гідродинамічних процесів в кровоносній судині, що підлягає оклюзії, для чого вперше запропоновано розглядати в частотній області параметри гіпотетичного електричного кола, що моделює спотворення сигналів пульсу.

2. На основі цієї моделі обгрунтований характер відмінностей АТ в різних точках судинного русла; на основі аналізу цих відмінностей, зокрема, встановлені нові діагностичні можливості вимірювання АТ в дрібних судинах.

3. Запропонований принципово новий підхід до проведення процедури вимірювання АТ для підвищення достовірності його результатів. Введено другий (опорний) канал реєстрації пульсового сигналу із здійсненням кількісного порівняння з ним основного сигналу методами кореляційно-спектральної обробки.

4. Обгрунтовано методи більш повного використання діагностичної інформації, що закладена в біологічних сигналах. Це досягається шляхом їх кореляційно-спектральнї обробки з подальшим аналізом динаміки кореляційних параметрів (на відміну від поширеного аналізу окремих параметрів сигналів або виявлення характерних особливостей їх форми).

5. Висунуті і експериментально підтверджені гіпотези щодо критеріїв оцінки параметрів АТ, підвищена достовірність яких обумовлена, по-перше, завадостійкістю кореляційно-спектральних методів обробки сигналів і, по-друге, тим, що вони грунтуються на чітко визначеній біофізичній моделі.

6. На основі даних методів обробки сигналів пульсу і висунутих критеріїв розроблений новий спосіб вимірювання АТ і принципи побудови систем, що його реалізують, які мають вищу завадостійкість до завад і артефактів в порівнянні з відомими способами і пристроями.

7. Розроблені нові методики експериментальної оцінки точності і завадостійкості вимірювачів АТ без застосування прямого інвазивного методу як еталонного.

Практична цінність отриманих результатів полягає у наступному.

Розроблено принципи побудови нових систем і пристроїв вимірювання АТ підвищеної достовірності і алгоритми завадостійкої обробки пульсових сигналів в них. Створений на основі проведених досліджень експериментальний зразок системи вимірювання АТ пройшов іспити в нормальних умовах і в екстремальних умовах під час ергометричної проби на ергометрі “тредміл” (біжуча доріжка) в Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту, вперше продемонструвавши працездатність в умовах рухової активності потужністю більше 400 Вт (Протокол №2 від 30.01.2001 р.). Експериментальний зразок було впроваджено в процес підготовки спортсменів Національних збірних України (Акт впровадження від 30.04.2001 р.).

З використанням створеного зразка і програмного забезпечення виявлено перевагу стосовно достовірності результатів розробленого способу вимірювання АТ порівняно з існуючими, особливо в неідеальних умовах. Ця перевага полягає насамперед у збереженні клінічно необхідної точності (не гірше 5 %) із ймовірністю 0,9 при тривалості артефактів 1 секунда і з ймовірністю не менше 0,75 при тривалості артефактів 5 секунд.

Розроблені методи підвищення достовірності результатів вимірювання АТ мають практичну цінність для створення медико-діагностичної апаратури достовірного і довготривалого необтяжливого моніторингу АТ. Запропоновані методи аналізу є універсальними до природи пульсових сигналів (реографічні, плетизмографічні, сфігмографічні), а також по відношенню до біологічних органів, на яких вони реєструються (артерії кінцівок, пальців, хвостові артерії тварин тощо).

Впровадження у навчальний процес. Результати даної роботи використовуються на радіотехнічному факультеті НТУУ “КПІ” у навчальних курсах “Медичні електронні пристрої та системи” та “Сенсори у медичній апаратурі”.

Апробація. Основні положення і результати даної роботи доповідались і обговорювались на ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі“ (ЖІТІ, м. Житомир, 1999 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, компютерної інженерії та підготовки спеціалістів” (ДУ “Львівська політехніка”, м. Львів-Славсько, 2000 р.), ХХ та ХХІ Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблем физической и биомедицинской лектроники” (НТУУ “КПІ”, м. Київ, 2000, 2001 рр).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 8 статей [1-8]. Розроблений спосіб вимірювання АТ захищений Патентом України [9].

Особистий внесок автора в роботі [3] полягає у висуванні гіпотез і участь у їх експериментальній перевірці; в роботах [4, 9] - участі в формуванні ідеї і розробці способу вимірювання АТ, пошуку і дослідженні критеріїв визначення параметрів тиску; в роботах [6, 7] - у розробці дослідного макету, алгоритмів програмного забезпечення системи і дослідженні її можливостей; в роботі [8] - в участі у проведенні експериментів і обробці отриманих даних.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та двох додатків. Робота містить 168 сторінок, 60 рисунків, 8 таблиць. Список використаних літературних джерел містить 101 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито загальний стан проблеми вимірювання АТ. Викладено головну мету роботи, задачі, що вирішено для її досягнення, нові наукові положення. Визначено практичну цінність результатів роботи. Надано відомості про апробацію результатів, публікації у наукових виданнях, впровадження результатів дисертації.

У першому розділі проведено критичний порівняльний аналіз існуючих методів, пристроїв і систем для вимірювання АТ. Встановлено, що жоден з непрямих методів вимірювання АТ не забезпечує задовільну точність і достовірність результатів, особливо у несприятливих умовах (наявність патологій, фізіологічних особливостей організму, присутність завад, рухових та інших артефактів тощо); більшість існуючих методів не мають чіткого теоретичного обгрунтування критеріїв визначення параметрів АТ. Отже, необхідно розробити принципи підвищення достовірності вимірювання АТ.

У другому розділі викладено основні ідеї і принципи, на яких грунтується досягнення підвищеної завадостійкості вимірювань АТ. Обгрунтовано необхідність введення у вимірювальну систему опорного каналу реєстрації сигналів пульсу і застосування їх кореляційно-спектральної обробки. Розроблено варіанти практичної реалізації таких систем.

Кровоносна судина має комплексний гідродинамічний опір, який може бути змодельований електричним колом.

Для зручного опису процесів під час оклюзії запропоновано використовувати модель у вигляді гіпотетичного кола, на вході якого діє основний пульсовий сигнал, що реєструється давачем дистально від манжети, а на виході - опорний пульсовий сигнал. Таке коло є лінійним за відсутності оклюзії. Комплексний коефіцієнт передачі всього гіпотетичного кола буде дорівнювати відношенню коефіцієнтів передачі таких кіл:

^,

де S₁(j), S₂(j) і U(j) - комплексні спектри сигналів S₁ , S₂ і U_вх .

Очевидно, що лінійність еквівалентних кіл трактів проходження основного і опорного каналу є необхідною і достатньою умовою лінійності гіпотетичного кола.

Визначення моменту часу, коли тиск в манжеті стає меншим за діастолічний АТ (t_d), зводиться до ідентифікації лінійності описаного кола.

Оцінку лінійності кола можна здійснювати:

а) за допомогою відношення комплексних спектрів сигналів на його вході і виході, яке за умови лінійності має зміст його комплексної частотної характеристики K(j);

б) використовуючи функцію когерентності сигналів S1 і S2.

Висунуто гіпотези щодо завадостійких критеріїв визначення АТ, які засновані на вибраній моделі і використовують аналіз динаміки кореляційно-спектральних параметрів пульсових сигналів:

1. В процесі декомпресії з появою пульсацій сигналу основного каналу він набуває кореляційного зв'язку із сигналом опорного каналу, який далі зростає (момент визначення систолічного тиску t_s - рис. 2).

2. Коли рівень оклюзії стає таким, що судина перестає схлопуватись, зв'язок між сигналами стає лінійним (момент визначення діастолічного тиску t_d - рис. 2).

3. Пульсові сигнали на відміну від завад є квазіперіодичними, що дозволяє підвищити завадостійкість їх обробки, розглядаючи часові кореляційні параметри на інтервалах, кратних періоду пульсу, а спектральні - на частотах, кратних частоті пульсу.

За допомогою вибраної моделі також пояснено характер відмінностей АТ в різних точках судинного русла (рис. 4). Визначено нові діагностичні можливості вимірювання АТ в дрібних судинах, які полягають в наступному. Якщо розглядати відмінності окремо середнього і пульсового АТ (а не систолічного і діастолічного) в дрібних і великих судинах, то можливо визначити, співвідношення параметрів R_a, L_a та R_п , які залежать від гемодинамічних параметрів.

У третьому розділі викладено методи досліджень.

Оскільки застосування інвазивних методів як еталонних в лабораторних умовах неможливе, було розроблено спеціальну методику для оцінки і порівняння точностей вимірювачів АТ. Ця методика базується на спільному аналізі статистичних рядів, що складено із різниць значень АТ, які отримано при одночасних вимірюваннях двома пристроями (_іАВ) , а також із різниць значень, які отримано в суміжних вимірюваннях кожним пристроєм окремо (_іА та _іВ ). Невідомі дисперсії ²_А, ²_В, які характеризують точності пристроїв А і В, а також дисперсію, що обумовлена варіаціями АТ в часі ²_Р , можна знайти, розв'язавши систему:

2²_А + ²_р = D[_A],

2²_В + ²_р = D[_В],

²_А + ²_В = D[_AB],

звідки

²_А = 0,5 ( D[_AB] + (D[_A] - D[_B])/2),

²_В = 0,5 ( D[_AB] - (D[_A] - D[_B])/2) .

Розроблено також спеціальну методику оцінки достовірності систем вимірювання АТ в умовах завад без застосування інвазивних методів як еталонних. Сутність її полягає в тому, що в серії вимірювань кожне друге супроводжується навмисне створеними завадами і артефактами, а решта проводиться в нормальних умовах. За результатами нормальних вимірювань будується довірчий інтервал і підраховується процент попадання в нього результатів вимірювань в умовах завад.

У четвертому розділі розкрито принципи і критерії визначення АТ на основі аналізу кореляційно-спектральних параметрів сигналів пульсу. Такими параметрами є взаємна і автокореляційна функції основного і опорного сигналів, дійсна і уявна частини їх взаємного спектра, функція когерентності, а також комплексний коефіцієнт передачі гіпотетичного кола-моделі.

Визначено завадостійкість кожного параметра до завад і артефактів різної природи. Розроблено способи вагової віконної обробки сигналів і обгрунтовано її необхідність. Отримано співвідношення для оптимального вибору швидкості декомпресії і ширини часових вікон для завадостійкої обробки пульсових сигналів в частотній області:

p = p_o m / (2 + k m),

де р - відношення сигнал/завада при використанні вагової обробки;

р_о - відношення сигнал/завада без використання вагової обробки;

m - довжина часового вікна в періодах пульсу;

k - коефіцієнт аритмії.

Для дуже сильної аритмії (k>20%) розширення часового вікна не дає ефективного виграшу у відношенні сигнал/шум внаслідок сильного “розмиття” спектра сигналу пульсу. В цьому випадку доцільно використовувати для визначення АТ кореляційні параметри в часовій області. Оцінити необхідне значення р можна із співвідношення:



^,

де - необхідне значення функції когерентності.

З іншого боку, невизначеність в часі положень характерних моментів t_sys і t_dias призводить до пропорційної похибки у визначенні АТ. Тому збільшення тривалості часових вікон обмежене зверху заданою граничною похибкою вимірювання тиску. Точність можна збільшити, уповільнивши декомпресію.

Алгоритм вимірювального циклу повинен включати в себе попереднє визначення ступеня аритмії і співвідношення сигнал/шум, яке зручно оцінювати під час повної оклюзії, коли в основному каналі пульсовий сигнал відсутній.

У пятому розділі описано структуру і алгоритм роботи розробленого дослідного зразка вимірювальної системи. Викладено результати теоретичної і експериментальної оцінки точності і достовірності вимірювання АТ на основі завадостійкої обробки сигналів пульсу.

Для підтвердження достовірності знайдених критеріїв проведено ряд контрольних вимірювань АТ в нормальних умовах різними пристроями одночасно із дослідним зразком. Середні значення різниці між результатами вимірювань, що отримано в серії з понад 100 експериментів для осіб віком від 20 до 55 років в різних фізіологічних станах, складають для систолічного тиску 1,070,57 мм рт.ст., для діастолічного тиску - 0,670,71 мм рт.ст. Такі значення задовольняють вимогам загальноприйнятого американського стандарту для точності вимірювачів АТ.

Також здійснено теоретичну оцінку потенційної точності системи за допомогою аналізу окремих складових загальної похибки вимірювання. Знайдено залежність загальної похибки від швидкості декомпресії. Відносна похибка визначення АТ при швидкості декомпресії 4 мм рт.ст./с складає 4 % для значення тиску 120 мм рт.ст. і 5 % для значення тиску 80 мм рт.ст. Такі параметри цілком задовольняють клінічним вимогам. Результати теоретичної і експериментальної оцінок точності добре узгоджуються між собою.

Здійснено оцінку завадостійкості визначення АТ за допомогою розроблених методів. Для широкосмугового шуму граничне значення сигнал / завада, при якому достовірність визначення АТ не зменшується, дорівнює 12дБ. Потенційну завадостійкість по відношенню до нестаціонарних артефактів кількісно оцінено у вигляді залежності імовірності правильного вимірювання від тривалості завади - рис. 5. Оцінку завадостійкості здійснено за допомогою математичного моделювання завад.

За допомогою спеціально розробленої методики проведено експериментальне порівняння достовірностей результатів вимірювання АТ розробленою системою і серійних пристроїв в навмисне створених несприятливих умовах.

Підтверджено працездатність системи в умовах фізичного навантаження потужністю до 475 Вт, в яких вимірювання АТ неможливе жодним з існуючих вимірювачів АТ.

У висновках викладено основні результати дисертаційної роботи, розкрито їх наукову і практичну цінність. Підтверджено досягнення поставленої мети, оцінено повноту вирішення задач.

У додатках подано протоколи досліджень експериментального зразка системи завадостійкого вимірювання АТ, документи про впровадження результатів роботи у практику підготовки спортсменів Національних збірних України і у навчальний процес.



ВИСНОВКИ

В роботі обгрунтовані і доведені наступні положення.

1. Жоден з існуючих методів і пристроїв для вимірювання АТ не забезпечує достовірних результатів в умовах завад і артефактів. Разом з тим потреба у таких вимірюваннях існує у спортивній медицині, для моніторингу АТ, для вимірювання АТ у дітей, у тяжко хворих, у дослідах на тваринах, а також для підвищення достовірності вимірювань у повсякденній медичній практиці.

2. Найбільш перспективними з точки зору підвищення достовірності є оклюзійні осцилометричні методи вимірювання АТ, серед яких найбільш простим в реалізації є фотоплетизмографічний метод.

3. Забезпечення достовірності результатів вимірювання АТ досягається завдяки, по-перше, обгрунтуванню критеріїв визначення систолічного і особливо діастолічного рівнів тиску, виходячи з конкретної біофізичної моделі гідродинамічних процесів в артерії, що підлягає оклюзії; і, по-друге, застосуванню завадостійкої обробки пульсових сигналів.

4. Найбільш зручною моделлю гемодинаміки під час оклюзії є модель електричних аналогій гідродинамічних параметрів кровоносної судини в умовах оклюзії. В роботі запропоновані уточнення і доповнення до електричної моделі артерії під час оклюзії. Доведена необхідність розгляду параметрів цієї моделі і сигналів пульсу в спектральній області для обгрунтування критеріїв визначення АТ. Валідність моделі та адекватність запропонованих доповнень і уточнень підтверджуються узгодженістю результатів математичного моделювання пульсових сигналів в умовах декомпресії та експериментальних досліджень. В роботі вперше було застосовано саме електричну модель для теоретичного пояснення відмінностей АТ в різних точках судинного русла; на основі цього виявлено нові діагностичні можливості вимірювання АТ в дрібних судинах.

5. Для завадостійкої обробки пульсових сигналів доцільно застосовувати апарат кореляційно-спектрального аналізу. Тому необхідно вводити у систему вимірювання АТ другий опорний канал пульсового сигналу. Такий сигнал реєструється з біологічного органу, що не знаходиться під впливом оклюзії. Він є когерентним до основного пульсового сигналу, що реєструється дистально від компресійної манжети.

6. Завадостійкість визначення АТ за результатами кореляційно-спектральної обробки основного і опорного пульсових сигналів грунтується на двох основних положеннях: по-перше, пульсові сигнали в двох каналах корельовані між собою і одночасно не корельовані із сигналами завад; по-друге, пульсові сигнали мають квазіперіодичну структуру, якої не мають сигнали завад. Основними видами завад, які зустрічаються в процесі вимірювання АТ, є шуми тракту реєстрації, електричні наводки, фізіологічні і рухові артефакти. Основними кореляційно-спектральними параметрами, які лежать в основі критеріїв визначення АТ, є взаємна кореляційна функція і взаємний спектр сигналів основного і опорного каналів, їх функція когерентності, а також коефіцієнт передачі гіпотетичної системи-моделі. В роботі досліджено завадостійкість кожного критерію по відношенню до кожного з видів завад. Розроблено також методи оптимальної обробки пульсових сигналів і вибір оптимальної швидкості декомпресії.

7. Оскільки застосування прямого метода вимірювання АТ як еталонного в лабораторних умовах неможливе, було розроблено і обгрунтовано спеціальні методики визначення точності і достовірності системи, які грунтуються на методах статистичної обробки результатів серій вимірювань, здійснених одночасно двома пристроями.

8. Встановлено, що розроблена система завадостійкого вимірювання АТ не поступається за точністю існуючим пристроям, при цьому вона має значну перевагу над ними в завадостійкості. Дана система забезпечує точність не гіршу за 5 %, в умовах артефактів, рівень яких робить існуючі пристрої непрацездатними.

9. Створений на основі проведених досліджень експериментальний зразок системи вимірювання АТ пройшов іспити в нормальних умовах і в екстремальних умовах завад і артефактів під час ергометричної проби на ергометрі “тредміл” (біжуча доріжка) в Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту, вперше продемонструвавши працездатність в умовах рухової активності потужністю до 475 Вт.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зудов О.М. Кореляційно-спектральна обробка пульсових сигналів для підвищення достовірності вимірювання АТ // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 2000. - №387. - С.90-93.

2. Зудов О.М. Оцінка точності неінвазійних вимірювачів АТ // лектроника и связь. - 2000. - №8. - Т.1. - С. 76-77.

3. Зудов О.М., Шарпан О.Б. Застосування електричної моделі гемодинамічної системи для оцінки співвідношення тиску крові в пальцевій та плечовій артеріях // лектроника и связь. - 2000. - №8. - Т.1. - С. 78-79.

4. Зудов О.М., Шарпан О.Б. Перешкодостійкий кореляційний спосіб вимірювання тиску крові // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2000. - № 5.- С. 5-7.

5. Зудов О.М. Методи боротьби із завадами і артефактами у фотоплетизмографії // Вісник радіотехнічного факультету НТУУ “КПІ”. - Вип. 32. - К.: РТФ, 1998 - С. 98-100.

6. Зудов О.Н., Шарпан О.Б. Диагностические возможности спектрального анализа пульсовой волн (плетизмограмм) // Матеріали ІV наук.-практ. конф. “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”. - Житомир: ЖІТІ, 1999. - С. 148-152.

7. Зудов О.Н., Шарпан О.Б. Телеметрическая система фотоплетизмографии // Український журнал медичної техніки і технології. -1998. - №4. - C. 115-116.

8. Шарпан О.Б., Ященко А.Г., Зудов О.М., Магльована Н.І., Самуйленко В.Є. Завадостійке неінвазивне вимірювання АТ під час ергометричної проби // лектроника и связь. - 2001. №10 - С. 15-16.

9. Патент України UA 35393 А, МПК 6 А61В 5/00. Спосіб вимірювання кров'яного тиску / О.М. Зудов, О.Б. Шарпан. - № 99 105 444; Заявл. 05.10.1999; Опубл. 15.03.2000, Бюл. №2. - 6 с.

10. Zudov O. The correlatіon and spectral pulse signals processing for relіabіlіty increase of the arterial blood pressure measurement results // Proceedings of Іnternatіonal Conference on modern problem of telecommunіcatіons, computer science and engіneerіng traіnіng “TCSET'2000”. - Lvіv-Slavsko, February 14-19, 2000. - P.160-161.

Размещено на Allbest.ru