Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы

Предлагается метод неинвазивного измерения мгновенных значений давления крови на стенки кровеносных сосудов. Проанализированы методы повышения чувствительности измерения...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Бех, А.Д., Чернецкий, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2012
Назва видання:	Комп’ютерні засоби, мережі та системи
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46489
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 67-75. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-46489
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-464892013-07-01T03:29:06Z Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. Предлагается метод неинвазивного измерения мгновенных значений давления крови на стенки кровеносных сосудов. Проанализированы методы повышения чувствительности измерения Запропоновано метод неінвазивного вимірювання миттєвих значень тиску на стінки кровоносних судин. Проаналізовані методи підвищення чутливості вимірювання. The method of the measuring the dynamic parameters of the blood pressure on the vessel walls is offered. The methods of the increasing the sensitivity of measuring are analyzed. 2012 Article Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 67-75. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1817-9908 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46489 681.335 ru Комп’ютерні засоби, мережі та системи Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Предлагается метод неинвазивного измерения мгновенных значений давления крови на стенки кровеносных сосудов. Проанализированы методы повышения чувствительности измерения
format	Article
author	Бех, А.Д. Чернецкий, В.В.
spellingShingle	Бех, А.Д. Чернецкий, В.В. Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы Комп’ютерні засоби, мережі та системи
author_facet	Бех, А.Д. Чернецкий, В.В.
author_sort	Бех, А.Д.
title	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
title_short	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
title_full	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
title_fullStr	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
title_full_unstemmed	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
title_sort	измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46489
citation_txt	Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы / А.Д. Бех, В.В. Чернецкий // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2012. — № 11. — С. 67-75. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Комп’ютерні засоби, мережі та системи
work_keys_str_mv	AT behad izmereniedinamičeskihparametrovserdečnososudistojsistemy AT černeckijvv izmereniedinamičeskihparametrovserdečnososudistojsistemy
first_indexed	2025-07-04T05:50:01Z
last_indexed	2025-07-04T05:50:01Z
_version_	1836694322457608192
fulltext	Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 67 A. Bekh, V. Chernetsky THE MEASURING OF THE DYNAMIC PARAMETERS OF THE CARDIOVASCULAR SYSTEM The method of the measuring the dynamic parameters of the blood pressure on the vessel walls is of- fered. The methods of the increasing the sensitivity of measuring are ana- lyzed. Key words: cardiovascular system, subnoise signals, noise-supper- pressing filter. Запропоновано метод неінвазив- ного вимірювання миттєвих зна- чень тиску на стінки кровоносних судин. Проаналізовані методи підвищення чутливості вимірю- вання. Ключові слова: серцево-судинна система, підшумові сигнали, шу- моподавляючий фільтр. Предлагается метод неинвазив- ного измерения мгновенных значе- ний давления крови на стенки кро- веносных сосудов. Проанализиро- ваны методы повышения чувст- вительности измерения Ключевые слова: сердечно-сосу- дистая система, подшумо- вые сигналы, шумоподавляющий фильтр.  А.Д. Бех, В.В. Чернецкий, 2012 УДК 681.335 А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО- СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Сердечно-сосудистая система предназначена для выполнения транспортной функции дос- тавки крови к каждой клетке организма и обеспечивает пространственно-временную реализацию главных физических и физиоло- гических процессов в организме человека: - поддержание стабильности температуры; - взаимодействие частиц крови с атомами клеток организма; - обмен атомами между клетками организ- ма и внешней средой; - обеспечение двигательной системы орга- низма человека энергией. Эти процессы определяют жизнеобеспе- ченность организма человека. Существенным для человека является по- нимание физических процессов, происходя- щих в его сердечно-сосудистой системе. Не- обходимо, чтобы оно было объективным, так как качество диагностики и лечения за- болеваний невозможно без истинного знания строения и функционирования органов и систем человека. Поэтому необходимо иметь точно измеренные главные динамические параметры сердечно-сосудистой системы. Существующее представление о процессах движения крови в сердечно-сосудистой сис- теме по цепи, начинающейся от желудочка сердца и заканчивающейся предсердием, субъективно. Достоверное представление движения кро- ви в сердечно-сосудистой системе может дать только эксперимент, заключающийся в прямом приборном измерении физических параметров потока крови в сосудах с ото- бражением этих параметров. Оптимальным А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 68 является неинвазивное измерение мгновенных значений давления крови на стенки сосудов в выбранной точке, расположенной вблизи от поверхности тела. Учитывая, что кровь – несжимаемая жидкость, существует возможность по из- меренному давлению точно вычислить скорость ее движения в артериальных и венозных сосудах. Для получения объективной информации о движении крови в сосудах необходимы прямые измерения параметров движения, а канал измере- ния и передачи информации должен обладать высокими эффективностью и бы- стродействием. Пропускная способность канала по Шеннону составляет  c 2 ш log 1 бит с P C F P        , (1) где F  полоса передаваемых частот; Рс  мощность передаваемого сигнала; Рш  мощность шума. В соответствии с формулой (1) электрический сигнал, который несет ин- формацию по проводному каналу с полосой передаваемых частот F и имеет мощность Pc, квантуется и измеряется или оценивается величиной мощности шума Pш. Если принять во внимание существование в информационном канале принципиально неустранимого шума, то чувствительность измерения информа- ции, равная минимальному измеряемому сигналу, определяется из условия c min ш log 0 P P  , (2) где c minP  минимальная мощность сигнала. Принимается c min шP P . Поскольку информационные каналы представляют собой электрические резистивные цепи, то неустранимым шумом является теп- ловой шум Найквиста: 2 c min c min 4P U R kTF  , (3) где c minU  минимальное напряжение сигнала на входе идеального квантовате- ля; k  постоянная Больцмана; T  абсолютная температура. Следовательно, чувствительность измерения, равная шагу квантования на- пряжения имеет вид: c min 4U kTFR . (4) Точность измерения аналоговых сигналов определяется количеством ин- формации, получаемой за одно измерение мгновенного значения напряжения Ui:  2 c min log битi i U N U  . (5) Приемлемые значения Ni лежат в диапазоне 10 16 бит. Учитывая, что верх- ний уровень измеряемого сигнала задан напряжением питания полупроводнико- ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 69 вых микросхем c max 5 ВU  , получим диапазон шума на выходе усилительного канала ш вых 5 мВ 15мкВU   . В качестве усилителей применяются операционные усилители, созданные для обработки акустических сигналов. Они характеризуются входной чувстви- тельностью или уровнем входного шума в полосе усиления не ниже 1мВ. Сле- довательно, для получения усилительного канала, работающего с минимальной точностью измерения, т. е. 10 двоичных разрядов, допустимый коэффициент усиления составляет всего лишь 5∙103. Нижний уровень чувствительности, опре- деляемый тепловыми шумами полупроводниковых усилителей в соответствии с (4), задает пропускную способность (1) усилительных каналов полупроводнико- вой электроники, поскольку количество информации в сигнале равно превыше- нию мощности сигнала по отношению к мощности теплового шума. Поэтому полупроводниковая техника обработки аналоговых сигналов способна измерять только сигналы, уровень которых находится над уровнем теплового шума. О серьезности задачи снижения уровня шума усилительных схем для повышения их чувствительности свидетельствует применение способа охлаждения до тем- пературы испарения жидкого азота. Способ охлаждения допустим в аппаратуре специального назначения, но неприемлем в технике широкого применения. Дру- гой известный способ снижения собственных шумов усилителей заключается в применении низкошумящих транзисторов. Способы повышения чувствительно- сти измерения аналоговых сигналов ограничиваются совершенствованием схем усиления сигналов. Наиболее высоким уровнем теплового шума обладают электронные усили- тели в инфрачастотном диапазоне частот, т. е. в спектре частот работы органов и систем человеческого организма: сердечно-сосудистой системы, системы дыха- ния и др. Поэтому для создания техники обработки инфрачастотных сигналов с целью достижения высокой чувствительности используется способ построения шумоподавляющих фильтров на основе явления энергетического резонанса в электромагнитной системе магнетик-проводник [1]. В такой системе энергия магнитного поля магнетика преобразуется без остатка в энергию электрического поля проводника на частоте энергетического резонанса [2]. Добротность такого преобразователя близка к 104 , и поэтому он является практически идеальным низкочастотным полосовым фильтром. Его применение для измерения парамет- ров взаимодействия элементов организма человека обеспечивает выделение по- лезных сигналов, амплитуда которых значительно ниже уровня теплового шума и названных авторами подшумовыми информационными сигналами. Причем подавление шума в выходном сигнале преобразователя не затрагивает процесс усиления. Полоса пропускания фильтра равна Q F F 2 0 , (6) где 0F  частота резонанса; Q  добротность фильтра. А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 70 С учетом (6) энергетическая чувствительность усилительного канала QkTFPc 0min 2 , (7) а чувствительность усилительного канала по напряжению (4) равна QRkTFU c 00min 2 . (8) Добротность энергетических резонансных фильтров составляет 43 1010 Q . Поэтому операция пропускания выходных сигналов усилителей через полосовой фильтр, использующий явление энергетического резонанса, повышает их чувствительность и сдвигает ее в область подшумовых нановольт- ных сигналов [3]. Сердечно-сосудистая система выполняет транспортную функцию по дос- тавке частичек крови к каждой клетке организма. Качество транспортной функ- ции не зависит от места расположения клетки в организме и оценивается тем, что клетка на интервале времени между двумя толчками сердца взаимодейству- ет с одинаковым количеством частичек крови, омывающих клетку с одинаковым распределением скорости частичек на периоде пульсового ритма. Транспортная функция крови обеспечивает пространственно-временную реализацию в организме человека главных физических и физиологических про- цессов, определяющих жизнеспособность человека и его здоровье. Человек пы- тается сохранить жизнеспособность и здоровье, употребляя стимулирующие средства – лекарства. Объективной мерой их воздействия на человека должны быть только физические параметры главных физиологических процессов, изме- ряемые аппаратурой с достаточными чувствительностью и быстродействием. Интегральные параметры транспортной функции сердечно-сосудистой сис- темы известны. Пульс или частота выбрасывания порции крови из желудочка сердца в артерии равна примерно 1 Гц; масса порций, выбрасываемых с перио- дом 1 с, 6075 г.; объем крови, которая заполняет сердечно-сосудистую систему, 4,55 л. Ориентировочно считается, что сердце перекачивает через себя весь объем крови за 60 ударов. Продолжительность цикла движения крови по цепи, включающей желудочек, артерии, капилляры, вены и предсердие, составляет около одной минуты. Длина петли крови, которая зависит от расстояния между капиллярами и сердцем, ориентировочно колеблется от 10 см до 3 м. Следова- тельно, одна порция крови продвигается на расстояние от 1,7 мм до 5 см за пе- риод работы сердца 1 с. Это расстояние называется длиной пробега частицы крови за время, равное одному периоду работы сердца. С каждой клеткой за один период пульса взаимодействует множество частиц, которые проходят мимо нее с различной скоростью. Количество частиц, во множестве взаимодействую- щих с клетками за период работы сердца, постоянно. Количество частиц, кон- тактирующих с клеткой за малый интервал времени, пропорционально их ско- рости. Поэтому время контакта частицы с клеткой и количество частиц, контак- тирующих с клеткой на малом интервале времени, являются важнейшими пара- метрами взаимодействия потока крови с сосудистой системой. ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 71 Наиболее объективную информацию о работе сердечно-сосудистой системы можно получить только посредством прямых измерений взаимодействия частиц крови с клетками сосудов, расположенными вдоль сосуда на незначительном расстоянии по сравнению с длиной пробега частицы. Оптимальным является цифровое неинвазивное измерение мгновенных значений давления частиц крови на стенку сосуда. Поскольку кровь является несжимаемой жидкостью, можно с высокой точностью вычислить скорость движения частиц в точке наблюдения давления. В настоящее время о работе сердечно-сосудистой системы и параметрах движения крови судят по результатам косвенных измерений, получая только интегральные параметры работы. Существует значительное количество методик оценивания параметров движения крови в сердечно-сосудистой системе. Каждая из методик имеет собственные физические особенности, которые на специфиче- ском уровне реализуются при взаимодействии с кровотоком в сердечно- сосудистой системе человека: - в электрокардиографии измеряются электрические потенциалы в разных точках тела и их зависимость от времени, связанная с работой сердца как источ- ником давления, который вызывает движение крови в сосудах, используется для диагностики функционирования сердца и регистрирует изменения электриче- ских потенциалов во времени, связанные с работой сердца; - в тонометрии измеряется систолическое и диастолическое артериальное давление, частота пульса, наличие сбоев в ритме, формируются и определяются необходимые предостережения; - в плетизмографии выполняется последовательное измерение объемного пульса в разные фазы действия на организм исследуемого фактора, что позволя- ет оценивать потенциальные резервы организма и выбирать оптимальное дози- рование различных форм терапевтического действия. Процессы взаимодействия частиц крови с клетками организма составляют область объективного знания более обширную и существенную, чем знание фи- зических процессов в околоземном пространстве. Причина этого явления  от- сутствие теории взаимодействия между атомами в веществе, включая макромо- лекулы живого вещества. Познание процессов взаимодействия в веществе и поле раскрывает явление преобразования форм энергии электрического и магнитного полей в резонанс- ной электромагнитной системе магнетик-проводник. Явление преобразования форм энергии электромагнитных полей оказалось единым как для процессов взаимодействия в макро-, так и в микромире [4]. Нервная система человека работает с магнитными сигналами, которым не свойственны тепловые шумы. Поэтому она по чувствительности превосходит электронные системы измерения, в которых происходит усиление и обработка сигналов. Устранение взаимных перекрестных помех между сердечно- сосудистой и акустическими системами достигается разнесением механических и акустических процессов по частотному диапазону. Сердечно-сосудистая сис- тема работает в инфрачастотной области. Электронная аппаратура для усиления А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 72 и обработки инфрачастотных сигналов имеет более низкую чувствительность по сравнению с акустической вследствие высокого уровня тепловых шумов в элек- тронных усилителях в инфрачастотном диапазоне. Поэтому создание техники обработки инфрачастотных сигналов для достижения высокой чувствительности и быстродействия оказалось возможным только с помощью шумоподавляющих фильтров на основе явления энергетического резонанса в электромагнитной сис- теме магнетик  проводник [5]. Для измерения динамических параметров сердечно-сосудистой системы ис- пользуется устройство, состоящее из точечного фонендоскопа (Ф), цифрового микрофона (ЦМ), интерфейсного блока (ИБ) и персонального компьютера (ПК) (рис. 1). Цифровой микрофон содержит мембрану из магнитомягкого материала, которая расположена над одним чашкообразным ферритовым магнитопроводом, а второй чашкообразый ферритовый магнитопровод заглушен неподвижной мембраной. Акустический канал фонендоскопа нагружен на мембрану. В первой и второй чашке феррита расположены катушки индуктивности, вместе с двумя первичными обмотками трансформатора образующими мост, который питается гармоническим сигналом возбуждения магнитного поля в зазорах между ферри- том и мембраной. Выходная обмотка трансформатора нагружена на вход усили- теля с большим коэффициентом усиления. Между усилителем и узкополосным фильтром включен преобразователь выходного тока усилителя в магнитное по- ле, которое используется для преобразования амплитудно-модулированного сигнала в фазоразностный сигнал узкополосного фильтра. Выход фильтра одно- временного является выходом цифрового микрофона. Цифровые значения или отсчеты мгновенных значений давления поступают в компьютер. Фонендоскоп располагается над сосудом, циклограмму давления в котором нужно получить. Поток крови деформирует стенку сосуда, которая вместе с прилегающими к ней тканями служит мембраной фонендоскопа. Акустический сигнал передается по трубчатому звукопроводу на вход цифрового микрофона, который выдает в компьютер отсчеты акустического давления с частотой сигна- ла возбуждения микрофона. Акустическое давление на мембрану пропорцио- нально давлению частичек крови на стенку сосуда. Ф ЦМ ІБ ПК Кровеносный сосуд РИС. 1. Функциональная схема устройства измерения динамических параметров сердечно- сосудистой системы ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 73 Цифровые отсчеты процесса действия частиц крови на стенку сосуда зано- сятся в компьютер и отображаются в виде циклограммы  tP (рис. 2, а). Ком- пьютер в реальном масштабе времени производит цифровое интегрирование циклограммы  tP и отображает результат вычислений в виде циклограммы скорости  tV движения частиц крови относительно стенки сосуда (рис. 2, б). Данные измерения допускают параметризацию интенсивности процессов  tP и  tV по их продолжительности. На циклограмме давления отмечается макси- мальное давление mP , соответствующее максимальному давлению в желудочке, и максимальное воздействие клапана сердца ТP . РИС. 2. Цифровые циклограммы давления и скорости потока крови ( )kP t ( )kV t t t ea b c d at bt ct dt et mP TP a mV TV б А.Д. БЕХ, В.В. ЧЕРНЕЦКИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 74 На циклограмме скорости находят максимальную скорость частиц mV и скорость торможения частиц крови ТV . Период работы сердца разделяется на 5 фаз: a, b, c, d, e. В первой фазе a происходит сжатие мышц желудочка. Идет процесс освобождения желудочка от крови и ее перекачивание в сосуды. Фор- мируется фронт нарастания скорости потока крови во всех сосудах как несжи- маемой жидкости. В начале фазы b в сосудах устанавливается максимальная скорость потока. Фаза c начинается со срабатывания выходного клапана желу- дочка. Начинается активное торможение потока крови, при котором скорость потока уменьшается более чем вдвое к концу фазы с. Фаза активного торможе- ния сменяется фазой d пассивного торможения за счет сопротивления капилля- ров движущемуся по инерции потоку крови. После установления нулевой ско- рости в капиллярах в конце фазы d начинается фаза e. Она равна длительности процесса метаболизма. Сердце выполнило свою транспортную функцию. Система параметров, служащих для диагностики работы сердечно- сосудистой системы, имеет следующую структуру. Физической величиной, об- разующей систему измеряемых и вычисляемых параметров, является давление или сила, приведенная к единице площади. Силовое взаимодействие атомов все- го лишь четырех химических элементов (водорода, углерода, азота и кислорода) определяет существование, функционирование и развитие живого организма. Нарушение процессов силового взаимодействия сокращает жизненный цикл и качество его функционирования. Поэтому о здоровье человека появляется воз- можность судить по пространственно-временным параметрам силовых процес- сов. Неинвазивный акустический способ получения цифровой информации ха- рактеризуется требуемым пространственным разрешением и быстродействием при измерении силовых процессов. Для точного измерения силовых параметров mP и ТP имеет определяющее значение высокая цифровая чувствительность измерения силы, определяемая количеством уровней квантования ее интенсив- ности, а для точности отображения динамики процесса – частота его дискрети- зации (1 кГц). К временным параметрам процесса относятся интервалы времени τa , τb , τc , τd , τe . Высокая чувствительность и временное разрешение дают возмож- ность получить точные значения измеряемых и вычисляемых параметров mP , ТP , mV и ТV , которые исчерпывающим образом дают возможность судить о физических процессах 15. Длительность фазовых интервалов служит цифровой мерой качества физио- логических процессов. Поэтому появляется возможность достоверной диагно- стики работы сердечно-сосудистой системы по величине отклонений фазовых интервалов от нормы. Благодаря цифровому измерению фазовых интервалов исключается влияние индивидуальных процессов на качество диагностики. Измерительная система поддерживается проблемно-ориентированным ма- тематическим обеспечением, которое составляет первый уровень компьютерных ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2012, № 11 75 диагностических систем. Их развитие может идти как в традиционном направ- лении – направлении опыта применения в медицине, так и в индивидуальном, ориентированном на пользователей персональных компьютеров. 1. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Волновая модель вихретоковых контуров в металлах // УСиМ.  1996.  № 1/2. – С. 17  22. 2. Патент № 5630 (Украина). Способ измерения электропроводности вещества / Бех А.Д., В.В. Чернецкий, В.И. Майко. Опубл. 2003, бюл. № 5. 3. Бех О.Д., Чернецький В.В., Єлшанський В.В. Високочутливе вимірювання амплітуди ан- тенного сигналу // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2003.  № 2. – С. 63  71. 4. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Концепция основ физической информатики // УСиМ. – 2001.  № 1. – С. 3  5. 5. Бех А.Д., Чернецкий В.В. Аппаратные методы повышения чувствительности электромаг- нитных усилителей напряжения // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2008.  № 7. – С. 95  100. Получено 28.11.2011

Измерение динамических параметров сердечно-сосудистой системы

Репозитарії

Схожі ресурси