Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 51 УДК 681.3 АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ ОСЦИЛЛОМЕТРИИ Шевцов В.В.1, Шилько С.В.2, Борисенко М.В.1, Кузьминский Ю.Г.2 1 Белорусский университет транспорта, г. Гомель, Республика Беларусь 2 Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси г. Гомель, Республика Беларусь Изложены аппаратурные требования и предварительные результаты разработки спе- циализированного программно-аппаратного средства «СПАС» диагностики сердца и со- судов методом осциллометрии. Дана оценка возможностей реализации аппаратной ча- сти на базе микроконтроллера PIC16f870i/sp. (E-mail: shilko_mpri@mail.ru) Ключевые слова: биомеханическая диагностика, гемодинамика, осциллометрия, профиль пуль- сового давления, микроконтроллер. Введение В настоящее время в области здравоохра- нения, физкультуры и спорта активно разраба- тываются средства диагностики и мониторинга, телекоммуникаций, экспертных и других ин- формационных систем [1, 2]. Ввиду распро- страненности кардиозаболеваний населения, риска летальных исходов в спорте высших до- стижений, важности определения адаптацион- ных возможностей организма при первичном контроле трудоспособности и т. д. особенно актуальной является разработка приборного и программного обеспечения диагностики сердца и сосудов. При наличии большого ассортимен- та медицинских тонометров для регистрации основных параметров гемодинамики (артери- ального давления и частоты пульса) ощущается потребность в аппаратных средствах расши- ренной диагностики и мониторинга. Такие спе- циализированные тонометры востребованы для быстрого выявления кардиопатологий и функ- циональных расстройств сердечно-сосудистой системы при массовом обследовании (скринин- ге) населения. Они также могут стать важным компонентом адаптивных тренажеров и средств индивидуальной реабилитации для спортивных клубов и национальных команд в различных видах спорта. Авторами разрабатывается специализирован- ное программно-аппаратное средство «СПАС» [3], основой которого является биомеханическая модель системы кровообращения, реализован- ная в программном обеспечении «БИОДИС» [4]. Его достоинством является быстрое опре- деление большой группы параметров состояния сердца и сосудов, в том числе обобщенных по- казателей (индексов) гемодинамики, широко используемых в практике физической подго- товки и при оценке адаптационных возможно- стей спортсменов. Источником данных для расчета гемодинамических параметров являет- ся процедура осциллометрии. Целью настоящей публикации является изложение вопросов аппаратной реализации метода осциллометрии на примере специали- зированного программно-аппаратного средства «СПАС» в развитие работы авторов [5]. Метод осциллометрии и его аппаратная реа- лизация Метод осциллометрии, предложенный французским физиологом Мари в 1885 г. (ранее метода Короткова), не сразу нашел широкое при- менение, однако в настоящее время является наиболее используемым в автоматических тоно- метрах. Метод осциллометрии, описанный, в частности, в работах [6–8], заключается в том, что при размещении руки пациента в камере, в которой создано повышенное давление, возни- кают флуктуации этого давления, коррелирую- Средства измерений 52 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 щие по частоте и амплитуде с пульсовым давле- нием в артерии указанной конечности. Эти дав- ления соответствуют состоянию окклюзии (смы- канию стенок) артерии и, таким образом, могут быть использованы для регистрации артериаль- ного давления. В соответствии с методом осциллометрии, аппаратная часть разрабатываемого средства СПАС включает следующие функциональные блоки (рисунок 1). В блоке 1 источником пер- вичного сигнала является окклюзионная манжета, размещаемая на предплечье обследуемого. Руч- ным способом или при помощи микрокомпрес- сора полуавтоматического или автоматического тонометра в манжете создается давление, при котором происходит окклюзия (закрытие) арте- рии, необходимое для реализации процедуры ос- циллометрии. Для регистрации давления служит емкостный датчик, включенный в цепь генерато- ра, формирующего последовательность сигналов для дальнейшего анализа. При изменении давле- ния в манжете изменяется емкость датчика и пропорционально частота задающего генератора. Данный способ получения первичной информа- ции применяется в большинстве приборов для измерения давления неинвазивным способом. К его достоинствам относятся низкая стоимость, возможность быстрого определения давления и высокая надежность. Недостатком является чув- ствительность к внешним помехам, что требует экранирования либо применения мостовых схем. При использовании указанных датчиков обычно декларируется погрешность измерения 3–5 мм рт. ст., что соответствует примерно 1 % от диапазона измерения давления 0–300 мм рт. ст. Как показано на рисунке 1, параметром выходного сигнала датчика является частота модуляции. При преобразовании сигнала на выходе блока формирования кодовой последо- вательности каждому значению частоты моду- ляции соответствует шестнадцатеричный код. Если давление в манжете отсутствует, сигнал характеризуется максимальной частотой fMM, которой соответствует код d16MM. При ненуле- вом давлении в манжете происходит уменьше- ние частоты сигнала датчика до fM0 с соответ- ствующим кодом d16M0. Преобразование сигнала в блоке 2 заключается в разбиении промежутка измерения tизм на раздельные временные интер- валы (рисунок 2), длительность которых зависит от параметров генератора и датчика. В данном случае оптимальная продолжительность, найденная в серии экспериментов, составила 2 мс. Частота сигнала датчика fу определяется числом импульсов на заданном участке Nи, ис- ходя из соотношения fу ~ Nи. блок обработки первичного сигнала блок формирования кодовой последовательности блок сопряжения с компьютером 1 2 3 fM M M0f d16MM 16M0d Рисунок 1 – Функциональные блоки аппаратной части «СПАС»: fMM, d16MM – частота сигнала датчика и соответ- ствующий ей шестнадцатеричный код при отсутствии давления в манжете; fM0, d16M0 – частота сигнала датчика и соответствующий ей шестнадцатеричный код при ненулевом давлении Uр.г. Uн.г. tизм t'изм t"изм t'''изм Uв 1 2 3 t' t'+t"0 Рисунок 2 – Последовательность сигналов во времени с разбиением промежутка измерения tизм на раздельные временные интервалы (Δtизм – длина временного интервала) бл обра первичного сигнала блок формирования кодовой после- довательности блок сопряжения с компьютером fММ fМО d16ММ d16МО Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 53 В связи с тем, что разрабатываемое диа- гностическое средство предназначено для ра- боты в режиме реального времени, важно оп- тимизировать его работу по критериям точ- ности и эффективности. Точность измерений повышается с увеличением длительности из- мерения, но при этом снижается результатив- ность, которая понимается как объем инфор- мации, пропорциональный числу измерений в единицу времени. При максимальной резуль- тативности, соответствующей периоду изме- рений 1/fген, где fген – частота генератора, точ- ность стремится к нулю (рисунок 3). ТочностьРезультативность tизм0 % Рисунок 3 – Соотношение результативности и точно- сти в зависимости от длительности измерений При изготовлении экспериментального образца прибора, в качестве основного ком- понента блока сопряжения, выполняющего функцию формирования числового массива для последовательного интерфейса, был вы- бран микроконтроллер PIC16f870i/sp исходя из его умеренной стоимости и наличия про- грамматора pickit2. Иные варианты, например, ARM – контроллеры типа TMS570LS3137 (Advanced RISC Machine), CPLD-матрицы и готовые приборные решения на базе NI Com- pact RIO (National Instruments) при повышен- ных характеристиках, имели либо более высо- кую цену, либо менее доступный програм- матор. В качестве входной информации исполь- зуются данные с входного генератора. Микро- контроллер с помощью внутренней програм- мы производит математическую обработку изменяющихся частотных параметров для по- лучения массива данных с целью формирова- ния пакетов передачи в модуле USART (ис- пользована операционная система Ubuntu). При объединении расчетных промежутков формируется общая временная зависимость давления в манжете. Далее посредством ин- терфейсного преобразователя ft232bl система согласуется с персональным компьютером. Программное обеспечение персонального компьютера определяет прибор и считывает данные в последовательном коде. Для выбора оптимальной частоты генера- тора производилось тестирование датчика, применяемого в тонометрах типа Omron (Япо- ния) при варьировании частоты. Было уста- новлено, что при частоте около 1,5 МГц в АЧХ указанного датчика имеется резкий спад сопротивления, в результате чего генерация сигналов невозможна. Ограничение частотно- го диапазона снизу обусловлено тем, что при низкой частоте заметно снижается точность измерения. Для верхней и нижней границы давления экспериментально были найдены значения ча- стоты 1 МГц и 1,3 МГц соответственно; таким образом, ширина частотного диапазона соста- вила 0,3 МГц. Исходя из вышесказанного, бы- ла выбрана частота внешнего генератора fmm = 1,3 МГц. Длительность периода, определяемая соотношением Tk = 1/fген, составляет 770 нс. Следовательно, при длине измерительного ин- тервала 500 мс число счетных импульсов на всем измерительном диапазоне равно 650000 (фактическая точность будет меньше в 2 раза). Результат замеров усредняется, т.е. на фикси- рованном промежутке времени будет опреде- ляться среднее значение частоты следования импульсов. Как видно из рисунка 2, интервал между одиночными импульсами может изме- няться в течение цикла измерения, но при раз- ной длительности импульсов и равном их чис- ле на промежутках Δt' и Δt''' частота будет одинаковой, несмотря на отклонения во всем интервале измерений. Данные, полученные на измерительных интервалах, в минимальной степени влияют на проведение диагностики в целом ввиду малой длительности измерения. Осуществление обработки сигнала в микро- контроллере устанавливает весьма жесткие тре- бования к его техническим характеристикам. Учитывая относительно высокую частоту работы генератора, для микроконтроллера установлен режим работы с внешней частотой тактирования 20 МГц, что является предельным для данного типа микросхем. Работа микроконтроллера с пе- Средства измерений 54 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 риферийным устройством ПК осуществлено че- рез модуль универсальный синхронно-асин- хронного приемопередатчика USART. Алгоритм работы приемопередатчика за- ключается в следующем: приборный комплекс периодически посылает сигнал готовности на ПК, после запуска программной части ком- плекса производится формирование ответных сигналов со стороны ПК, после чего произво- дится синхронизация работы систем. Управле- ние запуском и контроль возлагается на ПК; все управление сводится к пересылке команд уп- равления прибором. Соответственно, работа с приборным комплексом в данном случае пре- дусматривает управление пользователем через ПК после согласования работы прибора и ком- пьютера, и дальнейшей передаче данных по USB-каналу в виде потока шестнадцатеричных данных. Данные формируются в массив про- граммной оболочкой и записываются в файл типа *.dat. Сформированный файл имеет относи- тельно небольшой размер и достаточный объ- ем данных для дальнейшего комплексного анализа состояния сердечно-сосудистой си- стемы. Из полученных данных формируется профиль пульсового давления (пульсовой вол- ны; рисунок 4), который в дальнейшем анали- зируется с помощью программного обеспече- ния комплекса «СПАС». На рисунке 5 показана экранная форма программного обеспечения средства «СПАС» с результатами анализа профиля пульсового давления, состоящая из нескольких полей. В поле «Аппроксимация» кривая 1 отображает изменение давления в манжете в интервале времени измерения; 2 – аппроксимирующая прямая. В поле «Данные тонометра» показано изменение давления в манжете в кардиоинтер- вале (периоде одного сокращения сердца) до процедуры сглаживания. В поле «Профиль» кривая 3 показывает изменение артериального давления во времени после процедур сглажи- вания и масштабирования, линия 4 состоит из отрезков, соединяющих ключевые точки кар- диоинтервала, соответствующие началу и кон- цу кардиоинтервала, а также систолическому максимуму. Полученные при диагностике гемодинами- ческие показатели интерпретируются с исполь- зованием базы данных комплекса «СПАС», в которой содержится информация об основных функциональных отклонениях и кардиопатоло- гиях. Рисунок 4 – Результаты измерения давления p при осциллометрии: 1 – давление в манжете; 2 – пульсовые колебания давления t, c p, мм.рт.ст 2 1 Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 55 Рисунок 5 – Результаты анализа результатов осциллометрии при использовании программного обеспечения комплекса средства «СПАС». Поле «Аппроксимация»: 1 – изменение давления в манжете; 2 – аппроксимирую- щая прямая. Поле «Профиль»: 3 – изменение артериального давления в кардиоинтервале после процедур сгла- живания и масштабирования, 4 – отрезки, соединяющие ключевые точки кардиоинтервала Заключение Показано, что метод осциллометрии, реализо- ванный на базе микроконтроллера PIC16f870i/sp, позволяет получить важную гемодинамическую характеристику в виде профиля пульсовой волны. Биомеханический анализ и сопоставление ука- занного профиля с данными, соответствующими распространенным функциональным отклонениям и кардиопатологиям, обеспечивает раннюю и неинва- зивную диагностику состояния сердца и сосудов при оценке адаптационных возможностей спортс- менов и оптимизации режима спортивных трениро- вок, а также при первичном контроле трудоспособ- ности. Список использованных источников 1. Фокин, В.А. Системный подход к интеграль- ной оценке состояния биосистем // Совре- менные методы представления и обработки биомедицинской информации / В.А. Фокин ; под ред. Ю.В. Кистенева, Я.С. Пеккера. – Томск : Изд-во ТПУ, 2004. – С. 51–123. 2. Яблучанский, Н.К. Основы практического при- менения неинвазивной технологии исследова- ния регуляторных систем человека / Н.К. Яблу- чанский, А.В. Мартыненко, А.С. Исаева. – Харьков : Основа, 2000. – 88 с. 3. Шилько, С.В. Биомеханика – кардиологии: сделано в Беларуси / С.В. Шилько // Наука и инновации. – 2012.– № 2.– С. 22–23. 4. Свид. №166 от 05.05.2010 о регистрации ком- пьютерной программы БИОДИС V2.2 / Ю.Г. Кузьминский, С.В. Шилько // Заявка С20100043 от 23.04.2010 // Реестр зарег. комп. программ / Нац. цэнтр iнтэлектуал. улас- насцi. – 2010. 5. Шилько, С.В. Программно-аппаратный ком- плекс для мониторинга сердечно-сосудистой системы на основе тонометрии / С.В. Шиль- ко, В.В. Шевцов // Приборы и методы изме- рений. – 2011. – № 2(3). – С. 53–60. 6. Дегтярев, В.А. Возможности комплексного ис- следования системы кровообращения у насе- ления методом объемной компрессионной ос- циллометрии / В.А. Дегтярев // Российские ме- дицинские вести. – 2003. – № 4. – С. 18–28. 7. Иванов, С.Ю. Точность измерения артериаль- ного давления по тонам Короткова в сравнении с осциллометрическим методом / С.Ю. Иванов, Н.И. Лившиц // Вестник аритмологии.– 2005. – № 40. – С. 55–58. 8. Парашин, В.Б. Технико-метрологические ас- пекты измерения артериального давления ос- циллометрическим методом / В.Б. Парашин, М.Н. Симоненко // Медицинская техника.– 2010. – № 1. – С. 22–26. Аппроксимация p, мм рт. ст. Данные тонометра p, мм рт. ст. м м рт . ст . 3 4 1 2 p, мм рт. ст. Профиль t, c t, c t, c Средства измерений 56 Приборы и методы измерений, № 2 (5), 2012 Shevtsov V.V., Shilko S.V., Borisenko M.V., Kuzminsky Yu.G. Apparatus realization of biomechanical diagnostics of cardiovascular system based on oscillometry The apparatus requirements and preliminary results of development of special program and apparatus system «SPAS» for heart and blood vessels diagnostics by oscillometry method have been described. The estimation of apparatus realization using PIC16f870i/sp controller have been given. Key words: biomechanical diagnostics, hemodynamics, oscillometry, pulse wave profile, microcontroller. Поступила в редакцию 03.10.2012.