RU220737U1 - Прибор диагностический для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости - Google Patents

Abstract

Прибор диагностический для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости относится к области медицинской техники, а именно к устройствам функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека с использованием фотоплетизмографии (ФПГ), и предназначен для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, посредством неинвазивного измерения динамики артериального пульсового объема в концевой фаланге пальца, в ходе проведения окклюзионной пробы. Прибор диагностический для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, содержащий два оптических датчика, выполненных с возможностью размещения в каждом из них концевой фаланги пальца руки и включающих в себя оптический сенсорный блок, который содержит два источника света красного и инфракрасного диапазонов, установленные с возможностью облучения фаланги пальца и соединенные с источником тока, управляемым микропроцессором для поочередного подключения, и кремниевый фотоприемник, установленный с возможностью приема прошедшего сквозь ткани фаланги пальца света и подключенный к входу микропроцессора через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, усилитель напряжения, фильтр нижних частот, блок выборки и хранения и аналогово-цифровой преобразователь; манжету, через компрессор и источник питания компрессора подключенную к микропроцессору, управляемую микропроцессором через датчик давления и клапан; и микропроцессор, входами-выходами связанный с устройством памяти и выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами; при этом компрессор выполнен с возможностью создания необходимого давления в манжете для проведения окклюзии плечевой артерии за время менее одной секунды. Тем самым обеспечивается достоверность, простота, надежность оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости.

Description

Заявляемая полезная модель относится к области медицинской техники, а именно устройствам функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека с использованием фотоплетизмографии (ФПГ) и предназначена для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, посредством неинвазивного исследования динамики артериального пульсового объема в концевой фаланге пальца, в ходе проведения окклюзионной пробы.

В основе развития сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с атеросклерозом, находятся изменения, происходящие в артериальном русле. В связи с этим, в настоящее время отмечается возрастание интереса к оценке состояния артериальной стенки. Во многом это связано с важностью получения информации о состоянии эндотелия. Накопленные экспериментальные и клинические данные свидетельствуют о возможности использования данных о состоянии эндотелия для целей ранней диагностики сердечнососудистых заболеваний, и в первую очередь стенозирующего атеросклероза. Оценка состояния эндотелия позволяет выявлять лиц на самой ранней доклинической стадии атеросклероза, когда еще отсутствуют структурные нарушения артериальной стенки. Эти клинические данные позволили рассматривать состояние эндотелиальной функции в качестве показателя, интегрально оценивающего воздействие факторов риска на состояние артериальной стенки.

Для определения функции эндотелия используются различные методы. В последнее время большое внимание привлечено к простым неинвазивным методам, в основе которых заложена регистрация вазомоторного отклика в ходе выполнения окклюзионной пробы. При этом датчики, регистрирующие этот отклик, располагаются на концевой фаланге пальца руки. Результат теста оценивается по динамике амплитуды регистрируемого сигнала. Практически одновременно, с ростом внимания к оценке состояния эндотелия, появилась потребность оценивать ригидность или жесткость артериальной стенки. Этот интерес, во многом, связан с взаимным влиянием состояния эндотелия и его способности синтезировать оксид азота на ригидность артериальной стенки, но также возможностью развития дисфункции эндотелия, причиной которой является повышенная жесткость артерии.

Из существующего уровня техники известны устройства для оценки эндотелиальной функции, которые для этой цели применяют окклюзионную пробу.

В патенте на изобретение RU №2309668, А61В 5/0295, А61В 5/022, опубликовано 10.11.2007 раскрыт способ и устройство неинвазивного определения функции эндотелия и устройство для его осуществления.

В данном патенте для оценки состояния эндотелия используется окклюзионная проба, при этом давление в манжете, установленной на плече, создается ступенчато с шагом 5 мм.рт.ст. и длительностью каждого шага 5-10 секунд с одновременной регистрацией амплитуды фотоплетизмографического сигнала, датчиком, установленным на концевой фаланге пальца. Недостатком данного способа является длительная процедура проведения окклюзии (более двух минут), что вызывает переполнение кровью венозного русла, располагающегося ниже манжеты. В свою очередь, это приводит к увеличению гладкомышечного тонуса артерий, что оказывает существенное влияние на результаты проведенного теста.

В патенте США №6319205, Method and apparatus for the non-invasive detection of medical conditions by monitoring peripheral arterial tone, опубликовано 20.11.2001 раскрыт способ и устройство неинвазивного выявления заболеваний путем мониторинга тонуса периферических артерий.

В данном патенте для оценки эндотелиальной функции проводится окклюзионная проба с помощью манжеты, располагающейся на плече, при этом регистрация сигнала осуществляется осциллометрическими датчиками, установленными на фаланге пальцев. При этом для регистрации сигнала пульсовой волны в самом датчике создается давление 70 мм.рт.ст., что при проведении теста оказывает влияние на результаты. Также необходимо отметить, что данный тип датчиков имеет существенно более низкую чувствительность по сравнению с фотоплетизмографическими датчиками.

В патенте на полезную модель RU №118534, А61В 5/02, опубликовано 27.07.2012 раскрыто устройство для оценки артериальной функции, включающее средство для регистрации пульсовой волны, схему обработки и средство для оценки артериальной функции, представляющее собой контроллер, связанный с дисплеем для отображения результатов оценки, средство для регистрации пульсовой волны представляет собой оптический датчик, включающий инфракрасный светодиод и фотодетектор, светодиод и фотодетектор установлены в корпусе, выполненном в форме прищепки с возможностью крепления на концевой фаланге пальца обследуемого. Устройство позволяет провести контурный анализ пульсовой волны, определить вязкоэластичные свойства аорты и артерий. Однако оценить состояние микроциркуляторного русла с его помощью не представляется возможным.

В патенте США №7628758, Method and apparatus for determination of central aortic pressure, опубликовано 12.08.2009, раскрыт способ и устройство для определения центрального систолического давления в аорте.

В данном патенте регистрация пульсовой волны осуществляется с помощью аппланационного тонометра, располагающегося над местом проекции лучевой артерии на поверхность кожи запястья. При этом проведение теста требует наличия хорошо подготовленного оператора, так как ряд технических моментов при регистрации сигнала (точность расположения датчика над областью проекции лучевой артерии, усилие прижима датчика) могут оказать существенное влияние на результаты теста.

Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве аналога является устройство для комплексной оценки состояния артериального русла (патент RU №196882, А61В 5/1455, опубликовано 18.03.2020), включающее корпус, выполненный с возможностью размещения в нем концевой фаланги пальца руки, и размещенные в корпусе два источника света красного и инфракрасного диапазонов, установленные с возможностью облучения фаланги пальца и соединенные с источником тока, управляемым микропроцессором для поочередного подключения, кремниевый фотоприемник, установленный с возможностью приема отраженного или прошедшего сквозь ткани фаланги пальца света и подключенный к входу микропроцессора через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, усилитель напряжения, фильтр нижних частот, схему выборки и хранения и аналого-цифровой преобразователь, силиконовый нагревательный элемент с датчиком температуры, связанным с микропроцессором, при этом силиконовый нагревательный элемент связан с источником напряжения, управляемым микропроцессором, и расположен в месте контакта участка кожи концевой фаланги пальца с источниками света и фотоприемником, пневматическая камера с подключенным к микропроцессору датчиком давления, через клапан подключенная к микрокомпрессору, управляемому микропроцессором, микропроцессор, выходами-входами связанный с устройствами памяти, и выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами, и входами - с барометром и датчиком силы прижима, установленным на корпусе с возможностью контакта с фалангой пальца.

К недостаткам указанного устройства для комплексной оценки состояния артериального русла следует отнести: отсутствие возможности адекватного проведения окклюзионной пробы, заключающееся в невозможности быстрого надува манжеты (менее 1,0 секунды). В данном устройстве все процессы оценки эндотелиальной функции не зависят от подготовки оператора, проводящего тест, за исключением создания окклюзии плечевой артерии. Для этого предлагается использовать имеющийся у оператора тонометр и нагнетать давление до величины, превышающей систолическое давление на 50 мм.рт.ст. При этом скорость надува манжеты, установленной на плече испытуемого, не регламентируется, кроме указания на необходимость быстрого надува манжеты. При использовании груши ручного тонометра, для создания необходимого давления, до полного пережатия плечевой артерии, время надува колеблется от 10 до 20 секунд. Время надува зависит от размеров груши, состояния клапана и интенсивности ее сокращений рукой оператора.

Задача полезной модели сводится к созданию неинвазивного прибора диагностического для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, устраняющего недостатки известных устройств.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в минимизации влияния процедуры окклюзии на результаты теста оценки эндотелиальной функции.

Таким образом, прибор диагностический для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости содержащий два оптических датчика, выполненных с возможностью размещения в каждом из них концевой фаланги пальца руки, и включающих в себя оптический сенсорный блок, который содержит два источника света красного и инфракрасного диапазонов, установленные с возможностью облучения фаланги пальца и соединенные с источником тока, управляемым микропроцессором для поочередного подключения, и кремниевый фотоприемник, установленный с возможностью приема прошедшего сквозь ткани фаланги пальца света и подключенный к входу микропроцессора через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, усилитель напряжения, фильтр нижних частот, блок выборки и хранения и аналогово-цифровой преобразователь; манжету через компрессор и источник питания компрессора подключенную к микропроцессору, управляемую микропроцессором через датчик давления и клапан; и микропроцессор, входами-выходами связанный с устройством памяти, и выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами; при этом компрессор выполнен с возможностью создания давления в манжете для проведения окклюзии плечевой артерии за время менее одной секунды.

Полезная модель иллюстрируется с использованием фигур чертежей, на которых:

фиг. 1 - структурная схема прибора;

фиг. 2 - вариант выполнения прибора;

фиг. 3 - схема расположения датчика прибора диагностического для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости;

фиг. 4 - схема кровоснабжения кисти руки;

фиг. 5 - схема расположения оптического датчика на концевой фаланге пальца руки;

фиг. 6 - схема формирования сигнала оптическим сенсором;

фиг. 7 - исходный ФПГ сигнал, зарегистрированный с концевой фаланги пальца;

фиг. 8 - пример результатов оценки эндотелиальной функции (функция эндотелия сохранена);

фиг. 9 - пример результатов оценки эндотелиальной функции (функция эндотелия нарушена).

На фиг. 1, 2 приняты следующие обозначения:

1 - источник света инфракрасного диапазона (инфракрасный светодиод);

2 - источник света красного диапазона (красный светодиод);

3 - кремниевый фотоприемник;

4 - манжета;

5 - источник питания компрессора;

6 - преобразователь ток напряжение;

7 - усилитель напряжения;

8 - фильтр нижних частот;

9 - блок выборки и хранения;

10 - аналого-цифровой преобразователь;

11 - микропроцессор;

12 - управляемый источник тока;

13 - компрессор;

14 - клапан;

15 - датчик давления;

16 - память большой емкости для накопления данных перед обработкой;

17 - проводной интерфейс для связи с внешними устройствами (USB);

18 - беспроводной интерфейс для связи с внешними устройствами (Bluetooth);

19 - оптический датчик.

Прибор конструктивно представляет собой корпус, в виде жесткой конструкции к которому подсоединены с помощью соединительных кабелей: два оптических датчика 19, манжета 4 и источник питания компрессора 5 (фиг. 2.). Оптический датчик 19 выполнен с возможностью размещения в нем концевой фаланги пальца руки. Корпус оптического датчика 19 выполнен в виде жесткой конструкции и включает: оптический сенсорный блок, содержащий источники света 1, 2 и кремниевый фотоприемник 3 (фиг. 1). Оптический сенсорный блок выполнен таким образом, что он позволяет регистрировать фотоплетизмографический (ФПГ) сигнал, прошедший сквозь ткани фаланги пальца руки. Это достигается за счет расположения источников света и кремниевого фотоприемника.

Источники света 1, 2 представляют собой источники красного и инфракрасного диапазонов - светодиоды - красный и инфракрасный 940 нм, оба источника установлены с возможностью облучения фаланги пальца и соединены с источником тока 12, управляемым микропроцессором 11 для поочередного их подключения. Управляемый источник тока 12 задает необходимые величины тока для питания светодиодов.

Кремниевый фотоприемник 3 установлен с возможностью приема света и подключен к входу микропроцессора 11 через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение 6, усилитель напряжения 7, фильтр нижних частот 8, блок выборки и хранения 9 и аналого-цифровой преобразователь 10. Создаваемый кремниевым фотоприемником 3 ток преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток-напряжение 6. После чего происходит усиление сигнала с помощью усилителя напряжения 7. Фильтр нижних частот 8 определяет необходимую для анализа сигнала полосу частот от 0 до 30 Гц. Блок выборки и хранения 9 подготавливает аналоговый сигнал для преобразования в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя 10. Обработка сигналов осуществляется в микропроцессоре 11.

Манжета 4 через компрессор 13 и источник питания компрессора 5, подключена к микропроцессору 11 и управляется микропроцессором 11 через датчик давления 15 и клапан 14. Датчик давления 15 измеряет давление внутри манжеты. Компрессор 13 служит для накачивания манжеты 4 и поддержания в ней давления в зависимости от показаний датчика давления 15.

Микропроцессор 11 служит для управления работой прибора и обработки, полученной от кремниевого фотоприемника 3 информации. Входами-выходами он связан с устройством памяти 16, выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами 17, 18. Один из интерфейсов 17, 18 служит для подключения монитора (не входит в состав устройства).

Микропроцессор 11 запрограммирован для управления работой прибора и поддержания параметров его работы, а также для определения влияния процедуры окклюзии на результаты оценки эндотелиальной функции.

Прибор (фиг. 2) используется следующим образом: к разъемам корпуса прибора диагностического для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, подключаются: два оптических датчика 19, которые затем устанавливаются на концевые фаланги указательных пальцев обеих рук, источник питания компрессора 5 и манжета 4. Установлено, что преимущественное кровоснабжение посредством лучевой артерии имеют большой, указательный и средний палец руки (фиг. 3, 4). Это важно отметить, так как проводилось сравнительное исследование временных и амплитудных характеристик пульсовых волн, зарегистрированных с области проекции лучевой артерии и с концевой фаланги указательного пальца. После чего на компьютере запускается программное обеспечение «AngioCode Professional». Выбирается тест «Окклюзионная проба» и включается процедура «Запись».

Корпус оптических датчиков 19 выполнен в виде прищепки (фиг. 3), что обеспечивает необходимое усилие прижима светодиода и фотодиода к тканям пальца, при этом инфракрасный светодиод 1 (фиг. 1) облучает ткани концевой фаланги пальца, кремниевый фотоприемник 3 осуществляет регистрацию светового сигнала, проходящего через ткани пальца, фиг. 5. Регистрируемый оптический сигнал состоит из постоянной составляющей (DC), величина которой определяется пигментами кожи, костью, венозной и не пульсирующей артериальной кровью. Переменная составляющая (АС) или непосредственно пульсовая волна модулируется деятельностью сердца. Схема формирования составляющих оптического сигнала представлена на фиг. 6. При этом оптическая плотность имеет максимальное значение во время систолы.

Далее сигнал с кремниевого фотоприемника 3 поступает на преобразователь ток напряжение 6, усиливается усилителем напряжения 7, обрабатывается в блоке выборки и хранения 9, преобразуется в цифровую форму в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) 10 и поступает на микропроцессор 11.

На фиг. 7 представлен исходный ФПГ сигнал, который регистрируется устройством. Схематически представлены 12 пульсовых волн, которые отражают механическую систолу левого желудочка сердца, а также можно видеть изменение амплитуд пульсовых волн, которое определяется дыхательными актами. Пульсовая волна объема состоит из двух составляющих: ранней и поздней систолических волн. Ранняя систолическая волна определяется непосредственно механической систолой левого желудочка сердца и связана с поступлением артериальной крови в область расположения оптического сенсора.

Полученные результаты обрабатываются в микропроцессоре 11 (фиг. 1): с помощью программы «AngioCode Professional» по полученному через АЦП 10 сигналу, несущему информацию об амплитуде пульсовой волны до и после проведения окклюзии. Для выполнения окклюзии компрессор 13 с большой скоростью создает давление в манжете 4. Манжета 4 полностью перекрывает плечевую артерию за время менее 1 секунды.

Увеличение скорости надува манжеты 4 при проведении окклюзионного теста не является самоцелью. Для понимания возможного влияния низкой скорости надува манжеты на результаты оценки эндотелиальной функции необходимо рассмотреть феномен веноартериального рефлекса.

Коротко его можно описать следующим образом: в нормальной ситуации артериальный приток крови к тканям равен венозному оттоку. При наложении ненадутой манжеты на плечо испытуемого величина кровотока в плечевой артерии может колебаться от 60 мл/мин до 100 мл/мин (в среднем 80 мл/мин и около 1 мл/сек). При частоте сердечных колебаний 60 сокращений в минуту, каждое сердечное сокращение доставляет 1-2 мл крови к тканям руки. Артериальное давление в руке равно 135/80 мм.рт.ст., а венозное давление в положении сидя не превышает 10 мм. водного ст., т.е. на несколько порядков ниже артериального давления. При увеличении давления в манжете выше венозного давления, артериальная кровь поступает к тканям, расположенным ниже манжеты, а венозная кровь не в состоянии оттекать и венозное давление начинает повышаться. Организм отвечает на эту ситуацию следующим образом - он начинает повышать тонус артериальных сосудов и тем самым пытается уменьшить переполнение тканей кровью. Это и называется веноартериальным рефлексом.

Увеличение тонуса артериальных сосудов, расположенных ниже манжеты, установленной на плече испытуемого, прямо влияет на результаты окклюзионной пробы.

При достижении величины давления выше систолического, приток артериальной крови прекращается, а значит венозное давление перестает расти.

Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: сокращение времени надува манжеты до момента окклюзии приводит к снижению венозного давления, а, следовательно, выраженности веноартериального рефлекса. В свою очередь, это минимизирует влияние процедуры окклюзии на тонус артериальных сосудов, а значит на результаты теста оценки эндотелиальной функции.

Результаты окклюзионной пробы отображаются на дисплее, который в процессе использования прибора подключен к микропроцессору И через один из интерфейсов 17, 18 (фиг. 8, 9).

На фиг. 8 представлен протокол теста, выполненный у здорового испытуемого 28 лет. В верхней части рисунка можно видеть динамику сигнала, зарегистрированного с указательного пальца правой руки (канал 1), которую можно разбить на три участка: исходный сигнал до окклюзии, отсутствие сигнала во время окклюзии, сигнал после окклюзии. Запись в канале 2 отражает поведение сигнала, зарегистрированного с указательного пальца левой руки - он представляет собой контрольный сигнал с руки, где не выполнялась окклюзия. Через 90 секунд после выполнения окклюзионной пробы на правой руке, можно наблюдать существенный прирост амплитуды сигнала. Величина амплитуды сигнала, по сравнению с исходной амплитудой выросла в 3,9 раза. На противоположной руке также произошло увеличение амплитуды сигнала. Прирост амплитуды сигнала связан с продукцией монооксида азота, продуцируемого эндотелиальными клетками в ходе развития реактивной гиперемии, возникающей в ответ на окклюзию. После восстановления кровотока в окклюдированной конечности происходит резкое увеличение скорости потока крови. Текущая по артериям с большой скоростью кровь увеличивает напряжение Сдвига на эндотелиальные клетки, что приводит к локальной активации синтеза монооксида азота. В свою очередь, монооксид азота при взаимодействии с гладкими мышцами артериальной стенки приводит к увеличению просвета сосуда. Прирост амплитуды сигнала после проведения окклюзионной пробы определяется снижением гладкомышечного тонуса мелких резистивных артерий, находящихся в месте установки оптического датчика 19 (фиг. 2). Программа прибора при расчете индекса окклюзии учитывает величину сигнала с руки, где не выполнялась окклюзия и определяет окончательный результат теста с поправкой на эту величину. Индекс окклюзии по амплитуде у данного испытуемого составил 2,1. Значение этого индекса свидетельствует о сохраненной функции эндотелия, которое должно превышать пороговое значение равное 2.

Для сравнения, на фиг. 9 представлен протокол теста, выполненный у здорового испытуемого 29 лет. Индекс окклюзии по амплитуде у данного испытуемого составил 1,3, что свидетельствует о нарушении функции эндотелия.

Представленная полезная модель имеет следующие преимущества:

1. Быстрый надув манжеты существенно снижает болевые ощущения во время проведения окклюзии.

2. Обеспечивает высокую точность и достоверность оценки состояния сердечнососудистой системы, в том числе эндотелиальной функции, жесткости артериальной стенки, а также величины центрального артериального давления.

3. Может быть использована для целей ранней, диагностики сердечнососудистых заболеваний, и в первую очередь различных проявлений стенозирующего атеросклероза.

4. Имеет простую конструкцию, является удобным в использовании, не требует присутствия медицинского персонала, возможно использование в домашних условиях.

Claims (1)

1. Прибор диагностический для оценки эндотелиальной функции периферических артерий и артериальной жесткости, содержащий два оптических датчика, выполненных с возможностью размещения в каждом из них концевой фаланги пальца руки и включающих в себя оптический сенсорный блок, который содержит два источника света красного и инфракрасного диапазонов, установленные с возможностью облучения фаланги пальца и соединенные с источником тока, управляемым микропроцессором для поочередного подключения, и кремниевый фотоприемник, установленный с возможностью приема прошедшего сквозь ткани фаланги пальца света и подключенный к входу микропроцессора через последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, усилитель напряжения, фильтр нижних частот, блок выборки и хранения и аналогово-цифровой преобразователь; манжету, через компрессор и источник питания компрессора подключенную к микропроцессору, управляемую микропроцессором через датчик давления и клапан; и микропроцессор, входами-выходами связанный с устройством памяти и выходами - с проводным и беспроводным интерфейсами; при этом компрессор выполнен с возможностью создания необходимого давления в манжете для проведения окклюзии плечевой артерии за время менее одной секунды.

Images