Современные информационные технологии/ 2. Вычислительная
техника и программирование
д.м.н. Ступин В.А., д.м.н. Силина Е.В., Фомин К.Г., Конев В.Н.
ГБОУ ВПО
РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, г. Москва
ГБОУ ВПО
Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, г. Москва
ООО
«Новилаб Мобайл», г. Москва
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва
Разработка устройства для персонального суточного
мониторинга артериального давления с функцией дистанционной передачи данных
Введение. По данным Всемирной
Организации Здравоохранения к 2025 году более 1,6 млрд. человек планеты будут
страдать артериальной гипертензией (АГ), вклад которой в прогрессирование
заболеваний мозга и сердца колеблется от 60 до 95% [5]. При этом более 10%
населения планеты относятся к группам риска по АГ и должны постоянно принимать
лекарственные средства. В РФ 40% взрослого населения страдают АГ, при этом
эффективное лечение АГ в разных регионах не превышает 17% [],
поскольку прием нескольких даже эффективных лекарственных средств при
отсутствии постоянного контроля за артериальным давлением (АД) не позволяют
добиться хороших результатов, получаемых при проведении скрининговых и
специальных исследований.
Важно отметить, что АГ в изолированной виде встречается крайне редко,
например, у пациентов с инсультом в России АГ единственным фактором риска была
лишь у 3%, в то время как у 97% пациентов с инсультом выявлена сосудистая
коморбидность, приведшая у 45,3% из них к инвалидности еще до развития инсульта [6]. В рекомендациях Европейского общества кардиологов подчеркивается, что
диагностика и лечение АГ должны определяться с позиции суммарного риска [2]. Поэтому контроль только АГ без
учета других физиологических параметром малоэффективен.
Кроме того, известно, что даже в норме уровень АД не является константой,
меняясь в обе стороны у каждого человека под действием комплекса
физиологических механизмов, включая адаптивные изменения сердечного выброса,
периферического сопротивления сосудов и объема циркулирующей крови. Определена
механистический роль артериальных барорецепторов с отрицательной обратной
связью в регуляции суточного уровня АД [1].
Другими механизмами с отрицательной обратной связью являются
ренин-ангиотензиновая система, почечное давление, натрийурез. Такие
определяющие эффекторы АД как частота сердечных сокращений (ЧСС), сердечный
выброс, активность симпатического нерва, сосудистая реактивность различаются в
зависимости от возраста, пола, положения тела и физической активности [4].
В данной связи, применяющиеся в настоящее время для персонального
мониторинга наружные устройства, построенные на принципе тонометра Короткова,
позволяющие обеспечивать лишь эпизодический контроль, осуществляемый в
большинстве случаев по инициативе пациента в случае появления клинических
признаков высокого АД, не могут быть эффективны. Возможности используемых
сегодня в практической медицине устройств для суточного мониторирования АД
(СМАД) крайне ограничены, поскольку не являются персональными, назначаются
лимитированному числу пациентов в основном в условиях стационара на период до
24 часов и не способны обеспечить обратную связь в режиме реального времени с
лечащим врачом.
Технологичным путем
решения этой глобальной проблемы может стать создание устройства для
постоянного дистанционного мониторинга АД у людей, относящихся к группам риска
по развитию опасных социально-значимых сердечно-сосудистых осложнений, что и
явилось основанием для проведения настоящей работы.
Цель: разработка устройства для
суточного мониторинга артериального давления с функцией дистанционной передачи данных.
Материалы. Разработано
устройство для непрерывного мониторирования АД осциллометрическим методом со
ступенчатым стравливанием и сохранением записей давления в манжете в диапазоне
50-280 мм.рт.ст. (систолическое АД) и 20-200 мм.рт.ст. (диастолическое АД) в
двух режимах: самоконтроль (ручной запуск по нажатию на кнопку) и СМАД (по
заданному плану и по нажатию на кнопку). Устройство также определяет частоту
пульса в диапазоне 40-200 уд/мин. Размеры манжеты соответствуют ГОСТ Р51959.1
(от детской средней (охват руки 16 – 24 см) до взрослой большой (охват руки 32
– 42 см). Система аварийной защиты по IEC 80601-2-30 обеспечивает сброс давления в манжете при возникновении опасных
ситуаций (например, при превышении давления в манжете свыше 300 мм.рт.ст.).
Длительность цикла измерений составляет не более 3 мин, максимальная
длительность цикла измерения - 180 секунд. Кроме того, предусмотрена система
регистрации положения тела и активности пациента по сигналам с двухосевого
акселеометра. Объем энергонезависимой памяти позволяет осуществить не менее 96
результатов измерений (вместе с записями давления в манжете и данными
активности). Энергопитание устройства от 2 никель-металлогидридных
аккумуляторов размера AA позволяет, согласно
проведенным исследованиям, осуществить непрерывное СМАД пациента в течении 24-х
часов, в результате проведенных исследований. В настоящее время масса прибора
составляет 500 г, планируется уменьшение габаритов да 100х70х30 мм, а веса
устройства до 200 г (без элементов питания). Передача данных осуществляется
посредством Bluetooth и USB.
Результаты. В отличие от традиционного (оффлайнового) прибора
СМАД разрабатываемый прибор обеспечивает передачу в центр обработки данных
(ЦОД) результатов измерения в режиме реального времени. Это дает возможность
врачу-консультанту при возникновении опасных изменений АД вмешаться, не
дожидаясь завершения мониторирования. В случае отсутствия мобильной связи
устройство накапливает данные (используя внутреннюю энергонезависимую память) с
последующей их передачей при появлении связи. Объем энергонезависимой памяти
обеспечивает хранение результатов.
Передача данных
осуществима посредством промежуточного звена, которым может быть либо
трансмиттер на основе сотового телефона или смартфона, обеспечивающий
дальнейшую передачу данных через мобильный Интернет или Wi-Fi
(подключение прибора к смартфону обычно производится через Bluetooth), либо
специализированный концентратор, обеспечивающий дальнейшую передачу данных в
Интернет через Wi-Fi или кабельное соединение.
Современные модули GSM имеют энергопотребление, сопоставимое с
энергопотреблением суточного монитора АД. Однако, оценочные расчеты показали,
что в зоне уверенного приема сотовой связи, при использовании встроенного
модуля GSM потребляемая при
мониторировании энергия увеличится примерно в 1,5 раза. Это приводит к
необходимости увеличить число элементов питания с 2 до 3, и соответственно
увеличить габариты и массу. Кроме того, нахождения в зоне неуверенного приема
расход энергии тоже значительно выше и плохо поддается прогнозированию.
Поэтому, учитывая технические риски при использовании непосредственной связи
прибора с центра обработки данных (ЦОД) по каналу GSM, было принято решение вернуться к структуре с
промежуточным трансмиттером на основе смартфона.
Структурная схема
измерительного блока представляет собой набор модулей обеспечивающих получение
артериального давления у пациента в двух режимах непрерывного в течении суток с
заданным набором настроек и разового для точечного измерения АД с дистанционной
передачей данных в режиме реального времени в центр обработки данных для
последующего анализа. Часть функций реализуется во встроенном программном
обеспечении прибора (рис.1).
Рисунок 1. Структурная схема измерительного блока
В состав прибора входят:
1) Рабочая система регулирования давления, в которую входят процессор, клапан,
датчик давления. Эта система обеспечивает процесс измерения артериального
давления. 2) Аварийная система регулирования давления, которая обеспечивает
безопасность пациента в соответствии с требованиями стандарта IEC 80601-2-30, не допуская чрезмерного сдавливания
конечности во время измерения. Аварийная система содержит дополнительный датчик
давления, дополнительный клапан и отдельный “аварийный” процессор, поэтому она
не зависит от рабочей системы регулирования давления. При обнаружении нарушений
в функционировании рабочей системы управления давлением, аварийный процессор
обеспечивает быстрый сброс давления в манжете до безопасного уровня и блокирует
рабочую систему. 3) Канал регистрации положения и
активности по 2-м осям. 4) Твердотельная энергонезависимая память,
обеспечивающая хранение результатов измерения, а также зарегистрированных
фрагментов давления в манжете. 5) Дисплей. 6) 2-кнопочная клавиатура. 7) Схема
управления питанием. В ее функции входят преобразование и стабилизация
напряжения от основного источника питания, контроль за уровнем напряжения
питания. На мощные потребители (компрессор, клапана) питание подается только во
время измерения АД. 8) Интерфейсы USB и Bluetooth.
Для
основного процессора выбран 32-разрядный микроконтроллер STM32F103
(ST Microelectronics), для процессора
аварийного канала - 16-разрядный микроконтроллер MSP430F1232
(Texas Instruments). В качестве
энергонезависимой памяти было принято решение использовать стандартную карту Micro SD, а для интерфейса USB - микросхему адаптера USB-UART FT232R производства Future Technology Devices International (FTDI), имеющую драйвера под множество операционных
систем, включая Windows, Linux и Android. Это позволяет снизить
трудозатраты при разработке устройства и, что особенно ценно, является
доступным для пациента.
Перед началом
мониторирования производится инициализация
(программирование) монитора АД на отработку заданного плана
исследования. Этот план может включать интервалы между измерениями днем и
ночью, границы дня и ночи, режимы измерения. Первое
измерение давления после инициализации монитора производится при нажатии кнопки
запуска измерения. Последующие измерения давления могут быть плановыми,
внеочередными и повторными.
Цикл измерения АД
состоит из следующих фаз. Сначала давление в манжете накачивается
приблизительно до 60 мм рт. ст. для контроля герметичности пневматики и
предварительной оценки частоты пульса. Если пульс не найден либо обнаружена
утечка воздуха, измерение прекращается и выдается код ошибки. После того, как
пульс найден, монитор нагнетает давление в манжете до значения, на 20-30 мм рт.
ст. превышающего систолическое АД пациента. Зафиксировав давление в манжете,
монитор ждет два сердечных цикла и сравнивает форму двух обнаруженных
осциллометрических пульсаций. Если они оказываются близкими, их амплитуды
измеряются и заносятся в осциллометрическую таблицу для дальнейшего
использования при определении давления. Если же форма этих двух пульсов
оказывается различна, то прибор считает их артефактами движения, а не
результатом сокращений сердца, и, соответственно, отбраковывает. После
занесения данных об амплитуде осциллометрических пульсаций в таблицу прибор
слегка уменьшает давление в манжете, и весь цикл повторяется вновь. Так
продолжается до тех пор, пока прибор не накопит достаточно данных для
определения систолического, диастолического и среднего АД. Среднее
гемодинамическое давление определяется, как такое давление в манжете, при
котором была зарегистрирована максимальная амплитуда осциллометрических
пульсаций. Задача определения систолического и диастолического АД решается в
приборе на основе специальных алгоритмов анализа формы кривой
осциллометрических амплитуд - "колокола".
Заключение. Таким образом, в
результате проведенных научно-технических работ разработан комплекс,
позволяющий в максимальном объеме реализовать преимущества от объединения ряда
методик – самоконтроля АД и СМАД с дистанционной передачей данных. Определена
оптимальная структура системы и реализовано использование трансмиттера между
измерительным блоком и центром обработки данных, что позволяет в режиме
реального времени передавать информацию на рабочее место врача. Предполагается,
что это позволит повысить эффективность профилактической и медицинской
помощи пациентам с сердечно-сосудистой патологией, увеличит продолжительность
жизни населения, сократив при этом затраты бюджета, и не потребует
дополнительного привлечения к программе диспансерного наблюдения
высококвалифицированных специалистов.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд
Бортника, проект № 12201р/23111 от 23.08.2013).
Список
используемой литературы
1.
Chapleau M.W. Baroreceptor Reflexes. In:
Robertson D, Biaggioni I, Burnstock G, Low P, Paton J, editors. Primer on the Autonomic Nervous System. Academic Press. – 2012. - 161–165.
2. European Society of hypertension-European Society of cardiology
guidelines for the management of hypertension. J. Hypertens. 2003. - 21:1011-1053.
3.
Arterial hypertension epidemiology
in Russia; the results of 2003-2010 federal monitoring. Cardiovascular Therapy and Prevention. 10
(1):3-7.
4.
Raven P.B., Chapleau M.W. Blood pressure regulation XI: overview and future research directions. Eur J Appl Physiol. 2014. - 114(3):579-86.
5.
Roger
V.L., Grenfell R., Lee R. The hidden epidemic of hypertension. Heart Lung Circ.
2014. - 23(4):381-383.