ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Доброва Вікторія Євгеніївна

УДК 612.16

МЕТОДИ ТА ПРИЛАДИ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ ПУЛЬСАЦІЙ

АРТЕРІАЛЬНОГО ТИСКУ

Спеціальність: 05.11.17 - медичні прилади та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” (м. Харків) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук,

професор Колпаков Федір Федорович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

(м. Харків), професор кафедри

прийому, передачі та обробки сигналів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Піротті Євген Леонідович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерство освіти і науки України, професор кафедри вищої математики;

кандидат технічних наук Ляшенко Геннадій Анатолійович, Харківський військовий університет Міністерство оборони України, доцент кафедри №62.

Провідна установа: АТ Науково - дослідний інститут радіотехнічних вимірювань, Національне космічне агенство України, м. Харків.

Захист відбудеться "26" червня 2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої ради К 64.052.05 Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, пр.Леніна, 14, м.Харків, 61166

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки, пр.Леніна, 14, м.Харків, 61166

Автореферат розісланий " 24 " травня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прилади контролю параметрів пульсацій артеріального тиску (ПАТ) знаходять широке використання як самостійні вимірювальні пристрої, так і в комплексі полікардіографічних досліджень. Діагностична значущість та інформативна ємність сигналів ПАТ базується на постійному підвищенні вимог до точності їх реєстрації, передачі, перетворення та обробки. Актуальність цих задач зростає у зв'язку з жорсткими вимогами по спрощенню умов експлуатації та обслуговування приладів контролю параметрів ПАТ, а також по забезпеченню стандартизації цифрової обробки цих сигналів та створення можливості підключення їх до сучасних комп'ютерних систем.

Не дивлячись на те, що існує велика кількість теоретичних та експериментальных робіт М.М. Савицького, Л.Г. Терехової, О.О. Емана, Л.Т. Лазарашвілі, O.Frank, I. Bordley, Є.В. Сторчуна, І.М. Каєвіцера, Л.П. Прессмана, А.Д. Валтнеріса та інших вчених, які присвячені медичним пристроям контролю параметрів ПАТ та методам їх обробки, вимагають детального вивчення питання аналітичного дослідження динамічних властивостей та забезпечення лінійних характеристик перетворення (ХП) таких важливих функціональних блоків апаратури контролю параметрів ПАТ, як приймачі ПАТ (ППАТ), пневматичні тракти (ПТ) передачі сигналів ПАТ, вимірювальні перетворювачі пневмосигналів в електричні сигнали (ВП ПЕС), а також розробки цифрових методів визначення діагностичних ознак та параметрів ПАТ. Тому є актуальним вирішення питання розробки і створення нових високоточних приладів контролю параметрів ПАТ, а також методів спектральної обробки сигналів пульсових коливань, що дозволить підвищити вірогідність отриманої діагностичної інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень безпосередньо зв'язаний з держбюджетною науково - дослідницькою роботою "Розробка комп'ютерних технологій і апаратури сфігмометричної діагностики серцево-судинної системи людини", № ДР 0198U001602, яка затверджена Міністерством освіти і науки України та виконана на кафедрі прийому, передачі та обробки сигналів Національного аерокосмічного університету "ХАІ". Автор був відповідальним виконавцем цієї роботи.

Мета роботи - підвищення вірогідності контролю параметрів пульсових коливань шляхом створення нових приладів та методів обробки сигналів.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

·

· проаналізувати вплив пневмотрактів на викривлення пневмосигналів ПАТ та розробити пневмокомпенсаційний пневмотракт;

· підвищити стрімкість та зменшити нелінійність характеристики перетворення ВП ПЕС шляхом модифікації коливальної системи кварцового автогенераторного вимірювального перетворювача, який модулюється міжелектродним зазором (КАВП ММЗ);

· на основі спектрального аналізу сигналів розробити методи контролю традиційних параметрів ПАТ та виявити нові діагностичні показники.

Об'єкт дослідження: принципи та прилади контролю параметрів пульсових коливань.

Предмет дослідження: математичні моделі шкіряного покриву, який коливається, та пневматичних ППАТ, пневмоелектричні моделі ПТ, фізико-математичні моделі модифікованих коливальних систем КАВП ММЗ, спектральні методи виявлення традиційних та додаткових діагностичних параметрів, моделі ділянок артеріального русла.

Методи досліджень базуються на теорії тонких криволінійних оболонок, методах вирішення гіперболічних диференціальних рівнянь, теорії коливань, теорії моделювання, теорії перетворювань Лапласа, методах аналізу радіотехнічних приладів, теорії вимірів та похибок.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

·

· розроблені та проаналізовані електричні моделі простого та запропонованого пневмокомпенсаційного ПТ, які аналітично визначають їх динамічні характеристики;

· вперше запропоновані та проаналізовані коливальні системи КАВП ММЗ з допоміжним корегуючим елементом і одержані аналітичні залежності, які визначають їх параметри та ХП;

· розроблено і обґрунтовано цифровим моделюванням спектральний метод оперативного визначення контурно-часових діагностичних параметрів, а також на основі аналізу взаємозв'язку спектрів ПАТ артерій: сонної, скроневої, променевої та тильної артерії стопи вперше визначені передаточні характеристики ділянок артеріального русла та запропоновані їх моделі у вигляді фільтрів.

Практичне значення одержаних результатів:

·

· отримані при моделюванні ПТ аналітичні співвідношення дозволяють визначити параметри елементів ПТ, яким властиві малі динамічні викривлення, а запропонований компенсаційний ПТ зменшує на 10-40 дБ вплив артефактів руху та дихання;

·

·

Результати технічної експертизи в державному підприємстві Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування (акт № 23 від 16.03.01) та медичної експертизи експлуатації розробленого пристрою, спектрального оперативного методу визначення контурно-часових параметрів ПАТ та комп'ютерних моделей артеріального русла в умовах Дорожньої клінічної лікарні ст. Харків (акт № 4 від 20.03.01) підтверджують високу ефективність розроблених приладів та підвищення діагностичної достовірності отриманих параметрів ПАТ. Основні результати теоретичних досліджень також використані в учбовому процесі на кафедрах "Прийому, передачі та обробки сигналів" та "Безпеки життєдіяльності" Національного аерокосмічного університету "ХАІ" (акт № 3 від 21.03.01).

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Із робіт, які опубліковано у співавторстві, використовуються результати отримані особисто здобувачем. Так, у роботах 1,2 автору належить аналіз моделей ППАТ типу "воронка" та оклюзійна манжета, а також дослідження їх динамічних характеристик; у роботі 3 - розробка електричних моделей ПТ і аналіз його динамічних характеристик; у роботі 4 - аналітична модель модифікованої коливальної системи КАВП ММЗ та дослідження її ХП; у роботах 5,6 - алгоритми спектрального аналізу ПАТ, оцінки припустимої частоти дискретизації, частотного складу цих сигналів, а також здійснено комп'ютерне моделювання артеріального русла людини на базі спектрального аналізу ПАТ центральних і периферійних артерій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались, з наступним обговоренням на міжнародній науково-технічній конференції "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (м. Харків, ХДПУ,1998р.); науково-технічній конференції "Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии" (м. Харків, ХАІ, 1998р.); міжнародних науково-технічних конференціях "Приборостроение-98" (м. Євпаторія, 1998р.), "Приборостроение-99" (м. Ялта, 1999р.); міжнародній конференції FINSIG' 99 (Університет Оулу, м. Оулу, Фінляндія, 1999р.); VI-й та VII-й науково-технічних конференціях "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (м. Хмельницький, 1999, 2000 рр.); на ІІ міжнародній науково - технічній конференції "Метрология и измерительная техника" ("Метрология - 99") (м. Харків, ХДНДІМ, 1999р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 6 друкованих праць у наукових журналах і збірниках наукових праць, 8 публікацій у матеріалах і тезах конференцій, написано один звіт з дербюджетної НДР.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 231 сторінки, в обсяг якого входять: 102 рис. і 40 табл., в тому числі 75 рис. і 25 табл. на 56 окремих сторінках, 7 додатків на 24 сторінках, список використаних джерел, який вміщує 83 найменувань на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, відображено зв'язок її з науковими програмами, сформульована мета та задачі дослідження, визначені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, а також наведені відомості про апробацію результатів досліджень та кількість публікацій.

У першому розділі розглянута специфіка фізіологічних процесів формування сигналів ПАТ і показано, що до цього часу не існує математичної моделі, яка встановлює фізичний взаємозв'язок між внутрішньоартеріальним тиском та коливаннями шкіряного покриву.

Проведений аналіз існуючих вимірювальних перетворювачів ПАТ дозволив здійснити їх класифікацію і зробити такі висновки:

1.

2.

3.

У межах проведених досліджень доведено необхідність створення нових високоточних медичних приладів контролю параметрів ПАТ, а також методів спектральної обробки пульсограм, які дозволять підвищити вірогідність досліджень та отриманої діагностичної інформації.

У другому розділі cформульована та вирішена задача обґрунтування моделі руху елементу шкіряного покриву під дією зміни АТ як елементу тонкої криволінійної оболонки, що покриває тканини, які розміщені між цією ділянкою і артерією (рис.1а). На основі положень теорії коливань тонких пружних криволінійних оболонок рух елементу шкіряного покриву за умови, що його переміщення малі, описується в загальному вигляді системою із семи диференціальних рівнянь, які встановлюють взаємозв'язок між часовими та просторовими змінами проекцій вектора переміщень точки серединної поверхні елементу шкіряного покриву на напрямки орт (рис.1б), просторовими змінами поздовжніх і поперечних зусиль щодо напрямку нормалі і відповідної дотичної серединної поверхні та просторовими змінами скручувальних моментів у відповідних напрямках та згинаючого моменту в нормальній до поверхні площині, викликаних часовими змінами проекцій вектору АТ, який діє на ділянку артерії під цим елементом шкіряного покриву. Параметрами в цій системі виступають густина та товщина шкіри, коефіцієнти демпфірування підшкіряних м'язових та жирових тканин.

Шкіру під ППАТ типу "воронка" та оклюзійна манжета можна вважати оболонками з защемленим краєм, тоді крайові умови мають вигляд , а згідно безмоментної теорії вказана система із семи рівнянь зводиться до вигляду:

Для ППАТ типу "воронка" з радіусом можна вважати, що тоді , а з системи рівнянь (1), припускаючи, що коливання шкіри вісесиметричні, одержимо гіперболічне рівння. За крайовою умовою, використовуючи власні функції, розв'язання рівняння (3) шукаємо у вигляді та інтегруванням по в межах зводимо його до звичайного диференціального рівняння другого порядку, вирішуючи котре операторним методом та використовуючи функції Гріна, знаходимо імпульсну перехідну функцію (ІПФ) та комплексний коефіцієнт передачі "воронки" у вигляді.

Моделюючи підшкіряну тканину під "воронкою" в'язким середовищем, задаємо частоту коливань мембрани за методом Ламба і одержуємо коефіцієнт демпфірування ПАТ підшкіряними тканинами. Як видно з (4) - (6) залежить від радіусу "воронки", механічних параметрів шкіри (товщини, густини), густини підшкіряних тканин і від зусилля притискання ППАТ до шкіри. Для "воронки" з і для параметрів шкірита для зусилля притискання розраховані амплітудно - частотні характеристики (АЧХ) (рис.2), які показують, що значення резонансної частоти зростає при зменшенні товщини шкіри, а величина зменшується.

На основі виразів (4) - (6) отримана залежність оптимальних радіусів "воронки" від за умови, що , а також залежність . Підвищення потребує зменшення , так при =4...5,5мм. Підвищення в 2 рази веде до зростання в 1,5...2 рази та до зниження в 1,5...1,7 разів. Тому при використанні воронки треба збільшувати , але при цьому не допускати перетискання артерій. Для підвищення пропонується також використовувати "воронки", обтягнуті тонкими еластичними плівками з гуми або целулоїда. Так при товщині цих плівок 0,5 мм та силі натягу 2,5 H частота резонансу збільшується приблизно в 4 рази.

Запропоновано подати оклюзійну манжету як циліндричну камеру з радіусом , довжиною L та нерухомою зовнішньою стінкою, внутрішня оболонка якої має радіус і знаходиться під зовнішнім постійним тиском та здійснює вимушені коливання під дією ПАТ.

Для вісесиметричних коливань внутрішньої оболонки система (1) зводиться до лінійного гіперболічного рівняння.

Враховуючи початкові та крайові умови та використовуючи функції Гріна, розв'язане рівняння (7) та в результаті отримана ІПФ і комплексний коефіцієнт передачі внутрішньої оболонки оклюзійної манжети у вигляді.

На основі виразу (8) були розраховані АЧХ і ФЧХ оклюзійної манжети та досліджено вплив та на ці характеристики. Розрахунки проводилися для параметрів. Було виявлено, що дія внутрішньої оболонки манжети подібна дії фільтру нижніх частот. При , для отримані такі смуги пропускання: 165 Гц, 179 Гц, 193 Гц. При , для отримані смуги пропускання: 193; 165 Гц. Підвищення звужує смугу пропускання.

При аналізі динамічних характеристик ПТ (рис.3а) згідно методу електричних аналогій складена електрична еквівалентна схема (рис.3 б).

Аналогом тиску в камері К1 з об'ємом ППАТ є напруга, а аналог тиску в камері К2 з об'ємом ВП ПЕС - напруга. Еквівалентами К1 і К2 є ємності. Аналогами різких переходів з камер К1 і К2 у штуцери з діаметрами та довжинами є опори. В якості аналога з'єднувальної трубки подано Т - образний ланцюг, який складається з елементів і двох опорів. Аналогами штуцерів є елементи.

На основі аналізу електричної моделі (рис.3б) отримано вираз для комплексного коефіцієнта передачі ПТ. Розрахунки АЧХ та ФЧХ ПТ, проведені з урахуванням відомих з технічної літератури залежностей значень елементів від параметрів елементів ПТ, дозволяють дати такі технічні рекомендації: необхідно використовувати з'єднувальні трубки діаметром 4 мм, довжиною до 500мм; штуцери повинні мати довжину 5...10мм та діаметр приблизно 2 мм; варіація об'ємів камер не впливає на динамічні викривлення сигналів ПАТ.

Для виключення викривлення пневмосигналів в ПТ запропоновано використовувати активні ППАТ, в яких пневмокамера "воронки" є одночасно камерою ВП ПЕС, який вмикається в схему автогенератора. Передача електричних сигналів здійснюється за допомогою каналу безпровідної або провідної телеметрії. За умови використання в активному ПАТ круглої металічної гофрованої мембрани отримано вираз для комплексного коефіцієнту передачі, на основі якого, використовуючи дані для мембрани типу Е з радіусом 17 мм, товщиною 70мкм, виконані розрахунки АЧХ для трьох типів пневмокамер з однаковою висотою 10 мм: циліндр з радіусом основи 8,5 мм, зрізаний конус та пласт сфери з 5мм. Як показують розрахунки, тип камери визначає резонансну частоту та коефіцієнт передачі, так для зрізаного конуса та пласта сфери резонансна частота (775 Гц) більш ніж в два рази вища ніж у циліндра (350 Гц), а коефіцієнт передачі менший у два рази.

Запропонована модель компенсаційного ПТ, у якому камера тиску ВП ПЕС розділена мембраною, на яку діє з однієї сторони мінливий тиск, а з другої - його постійна складова, одержана після фільтрації сигналу пневматичним ФНЧ. Таким чином, переміщення мембрани, яке модулює п'єзоелемент, пропорційне різниці тисків. Згідно методу пневмоелектричних аналогій розроблена еквівалентна електрична схема компенсаційного ПТ, в результаті аналізу якої отримано вираз для комплексного коефіцієнту передачі ПТ, розраховані АЧХ та зроблені такі практичні висновки: 1) для забезпечення фільтрації низькочастотних складових (0...0,03)Гц потрібно встановлювати такі конструктивні параметри фільтруючої камери та дроселя; 2) частота зрізу АЧХ ПТ та рівень подавлення низькочастотних компонент залежить від параметрів функціональних вузлів ПТ. Так для штуцерів і з'єднувальної трубки вдається подавити низькочастотні складові (до 0,03 Гц), обумовлені різними артефактами, на 10...60дБ.

У третьому розділі розглянуті питання побудови КАВП ММЗ, в коливальній системі (КС) яких використовуються кварцові резонатори (КР), які модулюються міжелектродним зазором.

Для лінеарізації ХП КАВП ММЗ вперше запропоновано в КС поставити типовий плоский КР з двома напилюваними електродами Е3 та Е2, який встановлено поверхневопаралельно у відношенні до мембрани, яка виконує роль третього електрода Е1 (рис.4а). Це дає додатковий ступінь свободи в формуванні виду ХП шляхом підключення корегуючої індуктивності між електродами Е1 та Е2. КР з мембраною - електродом і корегуючою індуктивністтю виконує роль коливальної системи, яка модулюється міжелектродним зазором з корегуючим елементом (КС ММЗ з КЕ), електрична еквівалентна схема якої показана на рис. 4,б з урахуванням малої величини омічного опору корегуючої індуктивності. На схемі динамічні параметри КР, його статична ємність, ємність модулюючого зазору , - діелектрична проникність середовища у зазорі (для повітря =1), S - площа перекривання електродів, ємність монтажу між електродами Е1 та Е3, міжвиткова ємність корегуючої індуктивності та ємність монтажу між електродами Е1 та Е2.

Одержано вираз в поліноміальній формі для повного опору КС ММЗ з КЕ, на основі якого записано характеристичне рівняння, в результаті його рішення отримано вираз для частоти послідовного резонансу у вигляді

Для типових значень параметрів КР АТ - зрізу та декількох значень корегуючої індуктивності були розраховані ХП КС ММЗ з КЕ (рис.5) як функції.

Аналіз цих характеристик показав, що існує оптимальне значення корегуючої індуктивності при якому ХП стає лінійною.

Одержано також вирази для опору на частоті послідовного резонансу (ESR), для добротності Q та частоти паралельного резонансу КС ММЗ з КЕ, та розраховані залежності, в результаті аналізу яких встановлено, що існує критичний зазор, при досягненні якого Q стрімко зменшується, а ESR зростає на частоті основного послідовного резонансу, що обумовлено рівністю частоти резонансу модулюючого коливального контуру та .

Встановлено аналітичний вираз для критичного зазору.

На відміну від широко відомої КС ММЗ без корекції розроблена КС ММЗ з КЕ дозволяє одержати лінійну залежність частоти основного послідовного резонансу від зазору, причому стрімкість ХП базової КС ММЗ без КЕ у діапазоні менша в 2... 22 рази.

Згідно цього підходу розглянуто електричну схему та побудовано математичну модель ємнісно-трьохточечного КАВП ММЗ з КЕ для стаціонарного режиму, внаслідок аналізу якої одержано залежність нормованого відхилення частоти генерації від початкового значення від зазору у вигляді.

Розрахунки, приведені для КАВП ММЗ з типовим КР АТ- зрізу показують, що при ХП лінійна та її крутість перевищує в (5...8) разів крутість ХП КАВП ММЗ без корегуючої індуктивності, в той же час нелінійність ХП зменшується більш ніж в 10 разів в діапазоні , який є сприйнятливим для використання в ВП ПЕС.

Проведені також дослідження КС ММЗ з КЕ, де як КЕ використано другий допоміжний КР, частота послідовного резонансу якого знаходиться поблизу частоти основного КР ММЗ. Одержано вираз для повного опору двохрезонаторної КС ММЗ в нормованому вигляді, потім виконано розрахунки для типових КР АТ-зрізу, внаслідок яких встановлена залежність нормованного значення частот послідовного резонансу від модулюючого зазору. Аналіз цих залежностей показує, що ці функції мають чітко нелінійний характер, а їх крутість значно менша ніж у КС ММЗ без КЕ, тому двохрезонаторні КС ММЗ недоцільно використовувати в апаратурі контролю ПАТ.

Представлено та проаналізовано також модель диференціальних КС ММЗ з урахуванням можливої технологічної непаралельності площини мембрани відносно площин двох ПЕ, які встановлені по обидва боки від мембрани. Одержано залежність різниці частот послідовного резонансу першого та другого КР від модулюючого приросту зазору та від паразитного відхилення цього зазору. Проведені для типових КР АТ - зрізу розрахунки показують, що в ідеальній моделі диференціальних КС ММЗ крутість ХП зростає в 1,5...2 рази , а її нелінійність зменшується порівняно з однотактним КС ММЗ, але в реальних умовах, навіть при невеликих кутах нахилу (біля 24) площини мембрани відносно її бажаного положення, крутість ХП збільшується, а нелінійність доходить до (7...12)%. При заданому технічними умовами коефіцієнті нелінійності приблизно 3% можна допустити кутове відхилення 8. У той же час крутість ХП диференціальних КС ММЗ без КЕ нижча, ніж у однотактних КС ММЗ з КЕ. Враховуючи все це, можна зробити висновок, що з усіх проаналізованих схем побудови ВП ПАТ найбільш придатними за своїми технічними характеристиками є КАВП на базі КС ММЗ з КЕ.

У четвертому розділі проведено дослідження спектральних властивостей сигналів ПАТ, впливу частоти дискретизації на викривлення їх форми, внаслідок яких рекомендовано встановлювати і враховувати спектральні складові пульсових коливань до 40Гц.

Для оцінки діагностичних можливостей спектрального аналізу були зареєстровані імпульси ПАТ у групи здорових людей чисельністю 30 чоловік (21-30 років) та проведена їх обробка методом віконних виборок. Далі були зроблені спектральний аналіз як повного імпульсу ПАТ, так і п'яти віконних виборок за допомогою швидкого перетворення Фур'є та статистична обробка значень спектральної густини потужності (СГП) на 12 гармоніках. Внаслідок цього визначені середні значення СГП та довірчі інтервали, які накривають істинні значення СГП з імовірністю Р=0,95. Проведене якісне та кількісне порівняння цих СГП та СГП імпульсів ПАТ хворих людей з діагнозами: вроджений аортальний стеноз та аортально - мітральний порок, показало можливість діагностики цих захворювань з високим ступенем вірогідності, в той час, як традиційні контурно-часові методики не дозволяють виявити їх цілком певно. Використання методики віконних виборок підвищує діагностичну значущість спектрального аналізу та вірогідність вияву захворювання "вроджений аортальний стеноз".

З метою адаптації традиційного контурно - часового методу до сучасних можливостей цифрової обробки сигналів було вирішено задачу визначення діагностичних параметрів імпульсу ПАТ за його спектральними характеристиками. Для чого отримана система нелінійних трансцендентних рівнян,рішення якої здійснювалось чисельним методом за допомогою програмного забезпечення, разробленого на базі пакету MATLAB. Якісне та кількісне порівняння результатів оцінки діагностичних контурно - часових параметрів, отриманих традиційним та запропонованим методом, показало, що максимальна відносна розбіжність між ними не перевищує 10%. Отже запропонований спектральний метод оцінки діагностичних параметрів може використовуватися в сучасних приладах контролю параметрів ПАТ, а також може включатися в методичний арсенал полікардіографічних комплексів.

Проведено аналіз взаємозв'язку спектрів імпульсів ПАТ сонної, скроневої, променевої та тильної артерії стопи, в результаті якого визначені АЧХ та ФЧХ ділянок артеріального русла, розроблені моделі у вигляді поліноміального та цифрового фільтрів (рис.6), та запропоновано нову систему діагностичних параметрів у вигляді коефіцієнтів характеристик цих фільтрів (табл.1, табл.2).

Шляхом цифрового моделювання проходження тестових ім-пульсів сонної артерії вздовж ділянок арте-рії, які пред-ставлені вказа-ними фільт-рами, отримані вихідні ім-пульси ПАТ. Порівння іх з експеремен-тально зняти-ми сигналами, показує, що використання моделі цифро-вого фільтру (ЦФ) при дослідженні центральних ділянок арте-ріального русла (сонна - скронева) забезпечує більш високу точність, в той час, як для периферійних ділянок (сонна - променева, сонна - тильна артерія стопи), краще використовувати поліноміальну модель.

У п'ятому розділі представлені та обґрунтовані схеми експериментальних стендів та основних вузлів апаратури контролю ПАТ, методики експериментальних досліджень та основні експериментальні результати.

За допомогою вимірювача параметрів резонаторів (ИПР-35) виконані досліди фізичної моделі КС ММЗ з КЕ, в якій використано типовий КР АТ-зрізу з параметрами. При цьому роль зазору відігравали десять конденсаторів з ємностями, що відповідає . Були отримані залежності частоти основного послідовного резонансу від або від при таких значеннях. Характер поведінки одержаних експериментальних залежностей повністю відповідає теоретичним дослідам. Розраховані теоретичні залежності - та експериментальні характеристики зображені на рис.7, аналіз яких показує, що розбіжність між ними складає не більш ніж 1...1,5%.

Виконані також дослідження КАВП ММЗ з КЕ, зібраного по схемі ємносної трьохточки. Проводилось по 20 вимірів частоти для одного значення протягом 39с з інтервалами між вимірами в 1с. Кожна вибірка в 20 вимірів оброблялась статистично, внаслідок одержано середнє значення частоти генерації, середнє квадратичне відхилення частоти для кожної вибірки та коефіцієнт варіації частоти. Отримано залежності для чотирьох значень = при відхиленнях . Характер залежностей повністю підтверджує висновки, зроблені на основі теоретичних розрахунків у розділі 3. При коливання в КАВП ММЗ зривались тому, що різко падала добротність КС ММЗ з КЕ. На базі експериментальних досліджень було розраховано розрізнювальну здатність, значення якої для двох початкових зазорів приведені в табл.3. Видно, що розрізнювальна здатність КАВП ММЗ з КЕ при оптимальному значенні в 1,5...1,7 разів більша ніж в КАВП ММЗ без КЕ.

У межах виконаних теоретичних (розділи 2 - 4) і експериментальних досліджень розроблено вимірювальний канал ПАТ, до складу якого входять: конусоподібна пластикова "воронка" або стандартна медична оклюзійна манжета, ПТ у вигляді гумової трубки довжиною з внутрішнім діаметром , аналоговий пульсометричний канал (АПК); шістнадцяти-канальний аналого-цифровий перетворювач (АЦП) і контролер, які конструктивно виконані на одній платі; комп'ютер (ПОЕМ) з дісплеєм та принтером (рис.8).

АПК складається з КАВП ММЗ, буферного підсилювача, частотного детектора, полосно-пропускаючого фільтра та нормуючого підсилювача. За допомогою цього АПК були проведені записи ПАТ, які використовувались в розділі 4 для спектральних досліджень.

Запропонована також багатоканальна система пульсометричних досліджень (БКСПД), до складу якої входять чотири вищеозначених АПК, сфігмоманометр (СФМ), електрокардіографічний (ЕКГ) підсилювач "Cardio-6", 16-ти канальний АЦП, ПЕОМ. За допомогою БКСПД здійснювався запис ПАТ п'яти артерій: сонної, скроневої, променевої, тильної артерії стопи (АПК 1-АПК4), об'ємної ПАТ плечової артерії (СФМ). Крім того, проводився вимір АТ (СФМ) та реєстрація ЕКГ сигналу ("Cardio-6"). БКСПД спрощує виміри швидкості пульсової хвилі, полікардіографічні дослідження і дозволяє здійснити моделювання судинної системи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розширенні функціональних можливостей приладів контролю пульсових коливань та підвищенні вірогідності діагностики та вирішується шляхом розробки нового класу вимірювальних перетворювачів і методів обробки пульсограм.

·

· Методом пневмоелектричних аналогій визначено електричний аналог ПТ, виконані розрахунки впливу довжини та діаметру з'єднувальних трубок на полосу пропускання ПТ; запропоновано ППАТ активного типу та проведено його дослідження, а також вперше обґрунтовано можливість зменшення впливу артефактів за допомогою аналогового пневмофільтру та запропоновано компенсаційний ПТ.

· Запропонована модифікована КС ММЗ з КЕ, побудована її аналітична модель, здобуті вирази для оцінки оптимального значення КЕ, яка забезпечує лінійність ХП та перевищення крутості ХП КС ММЗ без корекції в 2 - 22 рази. Вірогідність теоретичних результатів підтверджена експериментальними, розходження між якими у діапазоні зазорів

· Аналіз двохрезонаторної КС ММЗ, в якій другий КР включено паралельно зазору, та диференціальних КС ММЗ показав, що вони поступаються за своїми технічними, конструктивними та технологічними характеристиками запропонованій КС ММЗ з КЕ.

· На базі спектрального аналізу запропоновано методику оцінки спектрів ПАТ, яка дозволяє підвищити вірогідність діагностики захворювань: вроджений аортальний стеноз та аортально мітральний порок; розроблено спектральний метод оперативного визначення контурно - часових діагностичних параметрів ПАТ, оцінка адекватності якого показала його спроможність спростити практику виміру традиційних показників.

· Вперше запропонована модель ділянок артеріального русла у вигляді поліноміального та цифрового фільтрів. Шляхом цифрового моделювання проходження тестових імпульсів ПАТ сонної артерії через ці фльтри та порівнянням отриманих сигналів з експериментально зареєстрованими на відповідних артеріях встановлена їх вірогідність. Виявлена нова система діагностичних параметрів у вигляді коефіцієнтів цих фільтрів.

· Розроблено експериментальні стенди для досліджень КС ММЗ з КЕ і КАВП ММЗ з КЕ та практично реалізовано вимірювальний канал ПАТ з ПРД ММЗ, а також БКСПД, експериментальні дослідження яких підтвердили слушність вибраної концепції побудови приладів контролю параметрів ПАТ, що визначає доцільність впровадження її в клінічну практику.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

Доброва В.Є. Методи та прилади контролю параметрів пульсацій артеріального тиску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - медичні прилади та системи. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення достовірності контролю пульсацій артеріального тиску (ПАТ) шляхом створення нових приладів та методів обробки цих сигналів. У роботі запропоновано модель руху елементів шкіряного покриву під дією ПАТ, на базі її розглянуті динамічні характеристики приймачів ПАТ типу "воронка" та оклюзійна манжета.

Досліджено динамічні характеристики пневмотракту передачі ПАТ, розроблено активний приймач та компенсаційний пневмотракт. Запропоновано модифіковану коливальну систему з кварцовим резонатором, модульованим міжелектродним зазором та корегуючим елементом, здобуто аналітичні вирази, які визначають її параметри, оптимальне значення корегуючого елементу, що лінеаризує характеристику перетворення.

Вперше запропоновано спектральний метод визначення контурно-часових діагностичних параметрів та розроблено модель ділянок артеріального русла у вигляді поліноміальних і цифрових фільтрів. З урахуванням проведених досліджень розроблені та практично реалізовані вимірювальний канал ПАТ і багатоканальна система пульсометричних дослідженнь.

Ключові слова: пульсації артеріального тиску, приймач пульсових коливань, пневмотракт, кварцовий резонатор, міжелектродний зазор, спектральний аналіз.

Доброва В.Е. Методы и приборы контроля параметров пульсаций артериального давления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - медицинские приборы и системы. - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения достоверности контроля пульсаций артериального давления (ПАД) путем создания новых приборов и методов обработки этих сигналов. В работе предложена обобщенная модель движения элемента кожного покрова под действием ПАД в виде колебаний тонкой криволинейной оболочки с учетом демпфирующего влияния подкожных жировых и мышечных тканей, на базе ее аналитически рассмотрены динамические характеристики приемников ПАД типа "воронка" и окклюзионная манжета.

Методом пневмоэлектрических аналогий исследованы динамические характеристики пневмотракта передачи ПАД, определено влияние длины и диаметра соединительных трубок на полосу пропускания пневмотракта и разработан активный приемник ПАД, в котором "воронка" и камера давления ИП ПАД объединены, а передача электрического сигнала к электронным блокам осуществляется с помощью кабельных или беспроводных телеметрических линий. Обоснована возможность уменьшения влияния артефактов микроперемещений путем установки аналогового пневмофильтра нижних частот в камере давления пьезорезонансного датчика давления, модулируемого межэлектродным зазором, и реализации дифференциального воздействия на его мембрану; определена пневмоэлектрическая модель этого компенсационного пневмотракта и динамические характеристики.

Предложена модифицированная колебательная система с кварцевым резонатором, модулируемым межэлектродным зазором (КС ММЗ) и корректирующей индуктивностью, включенной параллельно зазору, и построена ее аналитическая модель, получены аналитические выражения для оценки параметров данной КС ММЗ, оптимального значения корректирующей индуктивности, при которой обеспечивается линейность характеристики преобразования, а её крутизна превышает в 2...22 раз крутизну характеристики преобразования КС ММЗ без коррекции. Определено значение критического зазора, при котором наступает разрыв характеристики преобразования из-за резкого уменьшения добротности, и вычислены границы "пораженной" зоны. Проведен анализ кварцевого автогенераторного измерительного преобразователя с модифицированной КС ММЗ, собранного по схеме емкостной трехточки, выведены аналитические выражения, определяющие характеристику преобразования и позволяющие вычислить оптимальные значения корректирующего индуктивного элемента. Достоверность полученных результатов моделирования модифицированной КС ММЗ и кварцевого автогенераторного измерительного преобразователя подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными автором с плоским резонатором АТ - среза с 10004896 Гц.

Анализ двухрезонаторной КС ММЗ, в которой роль корректирующего элемента выполняет второй резонатор, и дифференциальной КС ММЗ показал, что они уступают по своим техническим характеристикам модифицированной КС ММЗ с корректирующей индуктивностью.

С помощью спектрального анализа десяти импульсов ПАД сонной артерии, зарегистрированных у здоровых людей (21-30 лет), и статистической обработки получены усредненные спектральные плотности мощности и доверительные интервалы, накрывающие истинное значение измеряемой спектральные плотности мощности с вероятностью Р=0,95 полного импульса ПАД и его пяти оконных выборок. Проведенная оценка выпадения из доверительного интервала амплитуд первых двенадцати гармоник больных пациентов подтвердила возможность диагностики с высокой степенью достоверности таких заболеваний как врожденный аортальный стеноз и аортально - митральный порок при анализе полного импульса ПАД, в то время как с помощью традиционного контурно - временного метода выявить эти заболевания не удается. Применение метода оконных выборок повышает достоверность выявления заболевания врожденный аортальный стеноз.

Впервые предложен спектральный метод определения традиционных контурно-временных