[go: up one dir, main page]

RU2637601C2 - Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system - Google Patents

Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system Download PDF

Info

Publication number
RU2637601C2
RU2637601C2 RU2015152075A RU2015152075A RU2637601C2 RU 2637601 C2 RU2637601 C2 RU 2637601C2 RU 2015152075 A RU2015152075 A RU 2015152075A RU 2015152075 A RU2015152075 A RU 2015152075A RU 2637601 C2 RU2637601 C2 RU 2637601C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure
blood
acoustic
artery
sensor
Prior art date
Application number
RU2015152075A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015152075A (en
Inventor
Юрий Иванович Аверьянов
Марат Рифатович Курбангалиев
Александр Вадимович Басилов
Андрей Степанович Лоянич
Original Assignee
Юрий Иванович Аверьянов
Марат Рифатович Курбангалиев
Александр Вадимович Басилов
Андрей Степанович Лоянич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Иванович Аверьянов, Марат Рифатович Курбангалиев, Александр Вадимович Басилов, Андрей Степанович Лоянич filed Critical Юрий Иванович Аверьянов
Priority to RU2015152075A priority Critical patent/RU2637601C2/en
Publication of RU2015152075A publication Critical patent/RU2015152075A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637601C2 publication Critical patent/RU2637601C2/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/021Measuring pressure in heart or blood vessels
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/021Measuring pressure in heart or blood vessels
    • A61B5/022Measuring pressure in heart or blood vessels by applying pressure to close blood vessels, e.g. against the skin; Ophthalmodynamometers
    • A61B5/0225Measuring pressure in heart or blood vessels by applying pressure to close blood vessels, e.g. against the skin; Ophthalmodynamometers the pressure being controlled by electric signals, e.g. derived from Korotkoff sounds
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B7/00Instruments for auscultation
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: acoustic sensor is placed. Continuous infrasound recording is performed with a wideband acoustic sensor. Arterial pressure is measured by a nonlinear relationship between pressure and artery diameter for longitudinal waves according to the Navier-Stokes equation. For this purpose, the acoustic pressure measurement is carried out evenly at a predetermined interval. The obtained values are processed by a digital filter with a finite-impulse response. After digital filtering, the resulting series of numbers form time series of pressure and acoustic pressure values. Further, the arterial pressure is calculated from the obtained time series according to the claimed formula.
EFFECT: device allows non-invasive and continuous measurement of arterial pressure by using a nonlinear relationship between pressure and artery diameter for longitudinal waves according to the Navier-Stokes equation.
5 dwg

Description

Описание изобретенияDescription of the invention

Сердечно-сосудистая система предназначена для поддержания оптимального газообмена между тканями организма и кровью. Скорость движения крови в капиллярах определяется скоростью газообмена, которая в нормальных условиях зависит только от скорости химических реакций в организме при определенной температуре тела. Поэтому основная задача сердечно-сосудистой системы человека состоит в снижении скорости движения крови в капиллярах до оптимальных значений, необходимых для наилучшего газообмена, и поддержании по возможности этой скорости постоянной.The cardiovascular system is designed to maintain optimal gas exchange between body tissues and blood. The speed of blood movement in the capillaries is determined by the gas exchange rate, which under normal conditions depends only on the speed of chemical reactions in the body at a certain body temperature. Therefore, the main task of the human cardiovascular system is to reduce the speed of blood in the capillaries to the optimal values necessary for the best gas exchange, and to keep this speed constant if possible.

Сердечно-сосудистая система человека, как это показано на фиг. 1, с точки зрения происходящих в ней физических процессов является замкнутой гидродинамической системой. Сердце выполняет функцию насоса. Упругие артерии выполняют функцию промежуточного накопителя, сглаживающего пульсацию давления и выравнивающего скорость движения крови. Обратному движению крови препятствуют клапаны. В любой точке сердечно-сосудистой системы всегда выполняется условие неразрывности струи, математическим изложением которого является формула Бернулли. После полного сжатия сердца (систола), в момент закрытия артериальных клапанов, количество крови и давление в упругих артериях максимально. Перед началом сжатия сердца (диастола) количество крови и давление в упругих артериях минимально.The human cardiovascular system, as shown in FIG. 1, from the point of view of the physical processes occurring in it, it is a closed hydrodynamic system. The heart acts as a pump. The elastic arteries function as an intermediate reservoir, smoothing out the pulsation of pressure and leveling the speed of blood movement. The reverse movement of blood is prevented by valves. At any point of the cardiovascular system, the condition of continuity of the stream is always satisfied, the mathematical presentation of which is the Bernoulli formula. After complete compression of the heart (systole), at the time of closure of the arterial valves, the amount of blood and pressure in the elastic arteries are maximum. Before the compression of the heart (diastole) begins, the amount of blood and pressure in the elastic arteries are minimal.

В процессе работы сердечно-сосудистая система производит как звук, так и инфразвук. Не случайно врачи постоянно носят с собой стетоскопы, с помощью которых они могут слышать производимые сердечно-сосудистой системой звуки. Звук образуется за счет колебания молекул вещества вокруг некоего положения равновесия, а инфразвук образуется за счет движения крови. В силу особенностей слуха человека врач не может слышать инфразвук. Несмотря на разность механизмов образования изменений давления в стенках сосудов, само изменение давления всегда является звуковым давлением. Физическая модель регистрации звукового давления, производимого звуком/инфразвуком, показана на фиг. 2.In the process, the cardiovascular system produces both sound and infrasound. It is no accident that doctors constantly carry stethoscopes with them, with the help of which they can hear the sounds produced by the cardiovascular system. The sound is formed due to the vibration of the molecules of the substance around a certain equilibrium position, and the infrasound is formed due to the movement of blood. Due to the nature of a person’s hearing, a doctor cannot hear infrasound. Despite the difference in the mechanisms of the formation of pressure changes in the vessel walls, the pressure change itself is always sound pressure. A physical model for recording sound pressure produced by sound / infrasound is shown in FIG. 2.

Для движения крови по сосудам и капиллярам в одном направлении необходимо, чтобы давление крови на входе в сосуд было больше, чем давление крови на выходе из сосуда. При этом объем крови в сердечно-сосудистой системе всегда должен быть больше, чем объем не растянутых кровью сосудов. Это необходимо для поддержания положительного давления в любой точке сердечно-сосудистой системы, а также для поддержания положительной разности давлений на входе и на выходе сосуда, что необходимо для обеспечения движения крови. При этом акустическое давление, то есть изменение абсолютного давления, прямо пропорционально изменению радиуса артерии, в то время как объем протекающей по артерии крови прямо пропорционален площади сечения артерии. Эта нелинейная зависимость между изменением давления и объемом протекающей крови лежит в основе способа измерения артериального давления крови. Если бы не было нелинейной зависимости, то измерение абсолютных значений давления было бы невозможно. Кроме того, поскольку производится регистрация акустического давления, фактически первой производной от абсолютного давления крови, то влияние стационарных параметров окружающей среды, например давления воздуха, нивелируется, поскольку первая производная от константы равна нулю.For the movement of blood through vessels and capillaries in one direction, it is necessary that the blood pressure at the entrance to the vessel is greater than the blood pressure at the exit of the vessel. Moreover, the volume of blood in the cardiovascular system should always be greater than the volume of blood vessels not stretched by blood. This is necessary to maintain positive pressure at any point of the cardiovascular system, as well as to maintain a positive pressure difference at the inlet and outlet of the vessel, which is necessary to ensure the movement of blood. In this case, the acoustic pressure, that is, the change in absolute pressure, is directly proportional to the change in the radius of the artery, while the volume of blood flowing through the artery is directly proportional to the cross-sectional area of the artery. This nonlinear relationship between the change in pressure and the volume of flowing blood underlies the method for measuring blood pressure. If there were no nonlinear dependence, then the measurement of absolute pressure values would be impossible. In addition, since acoustic pressure, which is actually the first derivative of the absolute blood pressure, is recorded, the influence of stationary environmental parameters, such as air pressure, is leveled, since the first derivative of the constant is zero.

Для прямого измерения артериального давления и других физических параметров крови и сердечно-сосудистой системы можно было бы использовать уравнения Навье-Стокса. Однако, в связи с нерешенностью задачи Коши для уравнений Навье-Стокса, используют имитационное моделирование, которое требует слишком больших вычислительных затрат, а также необходимо точное знание полной физической и геометрической конфигурации сердечно-сосудистой системы как граничных условий в задаче Коши. В данном способе используются более простые случаи уравнений Бернулли, Кирхгофа и так далее. Упрощение приводит к некоторому снижению точности измерений, которая, однако, пригодна для практического применения. Например, измерение артериального давления акустическим способом дает ошибку порядка 0.2-0.5 мм рт. ст., в то время как измерение с помощью манжетного способа дает ошибку порядка 2-3 мм рт. ст.For direct measurement of blood pressure and other physical parameters of the blood and cardiovascular system, one could use the Navier-Stokes equations. However, due to the unresolved Cauchy problem for the Navier-Stokes equations, simulation modeling is used, which requires too much computational cost, and it also requires accurate knowledge of the complete physical and geometric configuration of the cardiovascular system as boundary conditions in the Cauchy problem. In this method, simpler cases of the Bernoulli, Kirchhoff and other equations are used. Simplification leads to some decrease in the accuracy of measurements, which, however, is suitable for practical use. For example, the measurement of blood pressure by acoustic means gives an error of the order of 0.2-0.5 mm RT. Art., while the measurement using the cuff method gives an error of the order of 2-3 mm RT. Art.

Для существенного снижения вычислительных затрат в акустическом способе используется сравнение фиксируемого результата с математической моделью процесса, так называемой калибровочной функцией. При этом производится сравнение того, что должно быть, с тем, что зафиксировано акустическим сенсором. Для повышения точности измерения параметры математического выражения калибровочных функций желательно привязывать к конкретной сердечно-сосудистой системе пациента. Однако вполне допустимо использование усредненных калибровочных функций, что несколько снижает точность измерений. На основе регулярных невязок, когда посторонний случайный шум нивелируется большим числом наблюдений, калибровочные функции можно уточнять прямо в приборе так, чтобы регулярные невязки для конкретной сердечно-сосудистой системы были минимальными. По уточненным в процессе наблюдения параметрам математических моделей можно более точно судить о реальных физических параметрах крови и сердечно-сосудистой системы конкретного пациента.To significantly reduce the computational cost in the acoustic method, a comparison of the recorded result with the mathematical model of the process, the so-called calibration function, is used. In this case, a comparison is made of what should be with what is recorded by the acoustic sensor. To increase the accuracy of the measurement, it is desirable to tie the parameters of the mathematical expression of the calibration functions to a specific cardiovascular system of the patient. However, the use of averaged calibration functions is quite acceptable, which somewhat reduces the accuracy of measurements. Based on regular residuals, when extraneous random noise is leveled by a large number of observations, the calibration functions can be refined directly in the device so that regular residuals for a particular cardiovascular system are minimal. According to the parameters of mathematical models specified during the observation process, it is possible to more accurately judge the actual physical parameters of the blood and cardiovascular system of a particular patient.

Все процессы в сердечно-сосудистой системе повторяются с частотой сердечных сокращений. Эта повторяемость процессов позволяет легко отсеивать случайные шумовые воздействия. Например, случайный внешний звук может быть зафиксирован сенсором в один период сердечных сокращений, однако появление этого же воздействия в этом же месте от начала сердечного цикла крайне маловероятно. Например, изменение плотности и вязкости крови в результате работы желудочно-кишечного тракта и почек меняет форму огибающей звукового давления, однако происходит это гораздо медленнее, чем частота сердечных сокращений, поэтому создает регулярное изменение формы огибающей звукового давления в течение нескольких десятков или сотен периодов. Например, появление бляшки в артерии приводит к турбулентности потока крови, что приводит к появлению дополнительного вихревого регулярного шума в огибающей звуковой волны, жестко привязанного к периоду сердечных сокращений. Например, при инсульте разрыв сосуда приводит к достаточно быстрому по сравнению с работой почек регулярному уменьшению объема крови при постоянных плотности и вязкости.All processes in the cardiovascular system are repeated with a heart rate. This process repeatability makes it easy to filter out random noise influences. For example, a random external sound can be detected by the sensor in one heartbeat period, however, the appearance of the same effect in the same place from the beginning of the cardiac cycle is extremely unlikely. For example, a change in the density and viscosity of blood as a result of the work of the gastrointestinal tract and kidneys changes the shape of the envelope of sound pressure, but this happens much slower than the heart rate, therefore it creates a regular change in the shape of the envelope of sound pressure for several tens or hundreds of periods. For example, the appearance of plaque in the artery leads to turbulence in the blood flow, which leads to the appearance of an additional regular vortex noise in the envelope of the sound wave, which is rigidly tied to the period of heart contractions. For example, with a stroke, rupture of the vessel leads to a fairly rapid compared with the work of the kidneys regular decrease in blood volume at constant density and viscosity.

Регистрация акустических волнAcoustic Wave Registration

Акустические волны звукового диапазона являются согласованным (синхронным) колебанием молекул вещества в локальной зоне вокруг некоего положения равновесия, что создает локальные изменения плотности вещества и локальные изменения давления. Однако движение крови в упругих артериях при периодичности процессов в сердечно-сосудистой системе, как это показано на фиг. 2 и фиг. 3, тоже приводит к колебаниям давления. Для акустического давления (изменения давления) нет разницы, как формируется это изменение давления, - то ли колебанием молекул вокруг положения равновесия, то ли движением жидкости и расширением/сужением сосудов. Регистрировать звук/инфразвук можно в любом месте, где прослушивается пульс. Однако наиболее предпочтительным является размещение сенсора в браслете часов на запястье, так как подвижность руки способствует более оперативному и менее заметному для пациента непрерывному наблюдению за состоянием его крови и сердечно-сосудистой системы. Это хорошо видно по схеме измерения плотности крови, изображенной на фиг. 4 и фиг. 5.Acoustic waves of the sound range are a coordinated (synchronous) oscillation of the molecules of a substance in a local zone around a certain equilibrium position, which creates local changes in the density of matter and local changes in pressure. However, the movement of blood in the elastic arteries during the periodicity of processes in the cardiovascular system, as shown in FIG. 2 and FIG. 3 also leads to pressure fluctuations. For acoustic pressure (pressure change) there is no difference how this pressure change is formed, either by the vibration of the molecules around the equilibrium position, or by the movement of the liquid and the expansion / contraction of the vessels. Sound / infrasound can be recorded anywhere where the pulse is heard. However, it is most preferable to place the sensor in the wristband of the watch, since the mobility of the hand promotes more rapid and less noticeable for the patient continuous monitoring of his blood and cardiovascular system. This is clearly seen in the blood density measurement circuit shown in FIG. 4 and FIG. 5.

Измерение акустического давления осуществляется равномерно с интервалом Δt. Полученные значения обрабатываются цифровым фильтром с конечно-импульсной характеристикой (КИХ-фильтром) для выравнивания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) сенсора. Применение КИХ-фильтра необходимо, чтобы не происходило переполнение разрядной сетки, от чего не застрахованы фильтры с бесконечно-импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Переполнение разрядной сетки приводит к нелинейности и соответственно к увеличению уровня шума в обработанном сигнале. Длина обрабатываемой фильтром последовательности должна превышать самый длинный период сердечных сокращений. Полученные последовательности чисел образуют временные ряды значений давления и акустического давления, как это показано на фиг. 3 в рядах Delta Z и dZ/dt.Acoustic pressure is measured uniformly with an interval Δt. The obtained values are processed by a digital filter with a finite-impulse response (FIR filter) to equalize the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the sensor. The use of an FIR filter is necessary so that the overflow of the discharge grid does not occur, which does not insure filters with an infinite-pulse characteristic (IIR filters). Overflow of the discharge grid leads to nonlinearity and, accordingly, to an increase in the noise level in the processed signal. The length of the sequence processed by the filter must exceed the longest period of heart contractions. The resulting sequences of numbers form a time series of pressure and acoustic pressure values, as shown in FIG. 3 in the ranks of Delta Z and dZ / dt.

Алгоритм первичной обработки полученного временного рядаThe primary processing algorithm of the obtained time series

С помощью представленного алгоритма на основе полученных временных рядов вычисляются пульс (период) и артериальное давление. Величина артериального давления, представленная в виде временного ряда, сама служит основой для дальнейшего вычисления плотности, скорости движения крови и других физических параметров крови и сердечно-сосудистой системы.Using the presented algorithm, the pulse (period) and blood pressure are calculated on the basis of the obtained time series. The value of blood pressure, presented in the form of a time series, itself serves as the basis for further calculation of the density, speed of blood movement and other physical parameters of the blood and cardiovascular system.

Для описания алгоритма введем следующие обозначения:To describe the algorithm, we introduce the following notation:

i - номер измерения на обрабатываемом интервале;i is the measurement number on the processed interval;

pi - измеренное сенсором акустическое давление для i-го измерения;p i - acoustic pressure measured by the sensor for the i-th measurement;

p(t) - измеренное сенсором акустическое давление в зависимости от времени;p (t) is the acoustic pressure measured by the sensor as a function of time;

Figure 00000001
- среднее давление крови в участке артерии на интервале времени между максимальным и минимальным значением давления крови в участке артерии;
Figure 00000001
- the average blood pressure in the artery section in the time interval between the maximum and minimum values of blood pressure in the artery section;

α - коэффициент пересчета давления в геометрический радиус артерии, численно пропорционален коэффициенту упругости стенок артерии;α is the coefficient of conversion of pressure into the geometric radius of the artery, numerically proportional to the coefficient of elasticity of the walls of the artery;

ΔR(t) - изменение геометрического радиуса артерии в зависимости от времени;ΔR (t) is the change in the geometric radius of the artery depending on time;

R0 - геометрический радиус артерии в спокойном, нерастянутом состоянии;R 0 is the geometric radius of the artery in a calm, unstretched state;

V(t) - геометрический объем крови в участке артерии в зависимости от времени;V (t) is the geometric volume of blood in the artery, depending on time;

l - длина участка артерии, колебания которого регистрируются сенсором;l is the length of the section of the artery, the oscillations of which are recorded by the sensor;

z – коэффициент, обратный ослаблению акустического сигнала тканями организма, находящимися между артерией и сенсором;z is the coefficient inverse to the attenuation of the acoustic signal by body tissues located between the artery and the sensor;

tmin - момент времени, когда фиксируется минимальное количество крови в участке артерии, соответствует минимальному значению артериального давления;t min - the point in time when the minimum amount of blood is recorded in the artery, corresponds to the minimum value of blood pressure;

tmax - момент времени, когда фиксируется максимальное количество крови в участке артерии, соответствует максимальному значению артериального давления;t max - the point in time when the maximum amount of blood is recorded in the artery, corresponds to the maximum value of blood pressure;

ti - момент времени измерения акустического давления сенсором;t i - time point of measurement of acoustic pressure by the sensor;

FK(t) - калибровочная функция, соответствующая акустической модели сердечно-сосудистой системы.F K (t) is the calibration function corresponding to the acoustic model of the cardiovascular system.

Вычисление пульсаHeart Rate Calculation

Вычисление пульса состоит из двух шагов:Pulse calculation consists of two steps:

1. Определение локального минимума или максимума на временном ряде;1. Determination of a local minimum or maximum in the time series;

2. Пересчет времени между двумя ближайшими минимумами или максимумами в пульс.2. Recalculation of time between two nearest minimums or maximums in a pulse.

При определении локальных минимумов и максимумов, для исключения вызываемых работой клапанов сердца и отраженной пульсовой волной погрешностей, необходимо использовать аппроксимацию участка временного ряда полиномом третьего порядкаWhen determining local minima and maxima, to exclude errors caused by the operation of the heart valves and the reflected pulse wave, it is necessary to use the approximation of the time series section of the third polynomial

P(i)=a0+a1i+a2i2+a3i3 по методу наименьших квадратов.P (i) = a 0 + a 1 i + a 2 i 2 + a 3 i 3 by the least squares method.

В процессе регистрации измерений выделяем монотонно возрастающие и монотонно убывающие интервалы. Выбираем одно из значений на монотонно возрастающем (убывающем) интервале, присваиваем ему индекс 0, находим на ближайшем монотонно убывающем (возрастающем) интервале близкое по значению с индексом n. Решая систему уравнений, находим коэффициенты аппроксимирующего полиномаIn the process of recording measurements, we single out monotonically increasing and monotonically decreasing intervals. We select one of the values on a monotonically increasing (decreasing) interval, assigning it an index of 0, we find on the nearest monotonically decreasing (increasing) interval, close in value with the index n. Solving the system of equations, we find the coefficients of the approximating polynomial

Figure 00000002
Figure 00000002

По первой производной полинома находим точку экстремума, лежащую между этими интервалами. Пульс узнаем как величину, обратную абсолютному времени между двумя ближайшими максимумами (минимумами).According to the first derivative of the polynomial, we find the extremum point lying between these intervals. We recognize the pulse as the reciprocal of the absolute time between the two nearest maximums (minimums).

Вычисление артериального давленияBlood pressure calculation

Суммарный объем крови в сердечно-сосудистой системе всегда должен быть больше, чем объем сердечно-сосудистой системы в состоянии покоя, когда стенки сосудов не растянуты, чтобы в любой момент времени было избыточное положительное давление крови.The total volume of blood in the cardiovascular system should always be greater than the volume of the cardiovascular system at rest, when the walls of the vessels are not stretched, so that at any time there is an excess positive blood pressure.

Полагаем, что преобразующие свойства тканей между стенкой артерии и сенсором линейны. Формула расчета артериального давления связывает между собой геометрический радиус артерии, тангенциальную упругость стенок артерии, изменение объема крови в участке артерии и ослабление давления инфразвука упругими тканями организма, находящимися между стенкой артерии и сенсором. При этом нет необходимости вычислять точное значение модуля упругости и толщины стенок артерии.We believe that the transformative properties of tissues between the artery wall and the sensor are linear. The formula for calculating blood pressure relates the geometric radius of the artery, the tangential elasticity of the walls of the artery, the change in blood volume in the section of the artery and the weakening of the infrasound pressure by the elastic tissues of the body between the artery wall and the sensor. There is no need to calculate the exact value of the elastic modulus and wall thickness of the artery.

Взаимосвязь давления, создаваемого пульсовой волной и изменением радиуса участка артерии, описывается следующими формулами:The relationship between the pressure generated by the pulse wave and the change in the radius of the artery section is described by the following formulas:

Figure 00000003
Figure 00000003

Объем крови в участке артерии, когда стенки артерии не подвержены растяжению, равенThe volume of blood in the area of the artery, when the walls of the artery are not subject to stretching, is

Figure 00000004
Figure 00000004

Соответственно, объем крови, превышающий объем крови в нерастянутой артерии и создающий положительное давление в крови за счет растяжения стенок артерии, вычисляется по следующей формуле:Accordingly, a blood volume exceeding the blood volume in an unstretched artery and creating a positive pressure in the blood due to stretching of the artery walls is calculated by the following formula:

Figure 00000005
Figure 00000005

Подставив в (II) значение изменения радиуса (I), получаем зависимость объема от давления:Substituting in (II) the value of the change in radius (I), we obtain the dependence of the volume on pressure:

Figure 00000006
Figure 00000006

Раскрывая скобки и группируя члены относительно степеней p(t), получаемOpening the brackets and grouping the terms with respect to the powers of p (t), we obtain

Figure 00000007
Figure 00000007

Правая часть равенства, поскольку она не зависит от давления, будет калибровочной функцией, которая может быть измерена иными, не акустическими способами.The right-hand side of the equality, since it does not depend on pressure, will be a calibration function that can be measured by other, non-acoustic methods.

Figure 00000008
Figure 00000008

Отсюда получаем формулу, связывающую калибровочную функцию и давление:From here we obtain the formula relating the calibration function and pressure:

Figure 00000009
Figure 00000009

Калибровочная функция FK(t):Calibration function F K (t):

- определяется в момент привязки акустического измерителя давления к сердечнососудистой системе пациента;- is determined at the time of binding the acoustic pressure meter to the patient's cardiovascular system;

- в числовом выражении пропорциональна объему крови в участке артерии;- in numerical terms, it is proportional to the volume of blood in the area of the artery;

- является математической моделью сердечно-сосудистой системы пациента, связывающей давление и объем крови в участке артерии.- is a mathematical model of the patient's cardiovascular system, linking the pressure and volume of blood in the artery.

Существует две различные функции: FKup(t) - для интервала растущего давления (систола) и FKdn{t) - для интервала уменьшающегося давления (диастола). Функции различные потому, что восходящая ветвь временного ряда акустического давления (фронт пульсовой волны) имеет гладкую форму, в то время как ниспадающая часть временного ряда акустического давления (спад пульсовой волны) из-за отраженной пульсовой волны имеет дополнительный горб, как это показано на фиг. 3, график Delta Z.There are two different functions: F Kup (t) for the interval of increasing pressure (systole) and F Kdn (t) for the interval of decreasing pressure (diastole). The functions are different because the ascending branch of the time series of acoustic pressure (the front of the pulse wave) has a smooth shape, while the descending part of the time series of acoustic pressure (decay of the pulse wave) has an additional hump due to the reflected pulse wave, as shown in FIG. . 3, Delta Z chart.

Figure 00000010
Figure 00000010

Калибровочная функция задается либо в виде таблицы, либо в виде сплайна. Введем дополнительные переменные:The calibration function is set either as a table or as a spline. We introduce additional variables:

Figure 00000011
Figure 00000011

В серии измерений на восходящей кривой находим значения p(tmin), p(ri), p(tmax), где tmin<t<tmax. Подставляя вместо объема крови в формулу (VII) соответствующие значения калибровочной функции FK(tmin), FK(ti), FK(tmax), получаем систему трех линейных алгебраических уравнений с тремя неизвестными для переменных х0, х1, х2:In a series of measurements on the upward curve we find the values p (t min ), p (r i ), p (t max ), where t min <t <t max . Substituting the corresponding values of the calibration function F K (t min ), F K (t i ), F K (t max ) instead of the blood volume in formula (VII), we obtain a system of three linear algebraic equations with three unknowns for the variables x 0 , x 1 x 2 :

Figure 00000012
Figure 00000012

Решаем систему и подставляя найденные значения х0, x1, x2 в (VIII), находим:We solve the system and substituting the found values of x 0 , x 1 , x 2 in (VIII), we find:

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Из полученных двух значений

Figure 00000016
выбираем такое, чтобы R0 имело положительное значение.From the two values obtained
Figure 00000016
choose such that R 0 has a positive value.

Вычисление других физических параметров крови и сердечно-сосудистой системыCalculation of other physical parameters of the blood and cardiovascular system

Как пример использования пульса и давления рассмотрим измерение плотности крови. Состояние крови и сердечно-сосудистой системы повторяется периодически в соответствии с сердечными сокращениями. Именно это и используем для определения плотности крови. Пусть сенсор находится на запястье руки, как это показано на фиг. 5. Запомним временной ряд давлений от начала систолы до начала диастолы (минимальное и максимальное звуковое давление) для опущенной вниз прямой руки как первый временной ряд. Затем согнем руку в локте так, чтобы согнутая часть руки была горизонтальной. Запомним временной ряд давлений как второй временной ряд. Расстояние от локтевого сустава от запястья для конкретного пациента можно легко измерить, и оно не меняется с течением времени. Полагаем, что скорость движения крови постоянна. Поскольку вход в лучевую артерию находится на одинаковой высоте от сердца, то в силу неразрывности струи выполняются равенстваAs an example of the use of heart rate and pressure, consider measuring blood density. The condition of the blood and cardiovascular system is repeated periodically in accordance with heart contractions. This is what we use to determine the density of blood. Let the sensor be on the wrist, as shown in FIG. 5. Let us remember the time series of pressures from the beginning of systole to the beginning of diastole (minimum and maximum sound pressure) for a straight arm lowered down as the first time series. Then bend the arm at the elbow so that the bent part of the arm is horizontal. Let us remember the time series of pressures as the second time series. The distance from the elbow joint to the wrist for a particular patient can be easily measured, and it does not change over time. We believe that the speed of blood flow is constant. Since the entrance to the radial artery is at the same height from the heart, due to the continuity of the stream, the equalities

Figure 00000017
Figure 00000017

Поскольку задача сердечно-сосудистой системы - поддерживать постоянство скорости движения крови в капиллярах, то скорость движения крови в артерии можно считать постоянной. То есть v1=v2. Сокращая скорости и перегруппировывая переменные, получаем следующие формулы для случаев, изображенных на фиг. 5:Since the task of the cardiovascular system is to maintain a constant speed of blood in the capillaries, the speed of blood in the artery can be considered constant. That is, v 1 = v 2 . By reducing speeds and rearranging the variables, we obtain the following formulas for the cases depicted in FIG. 5:

Figure 00000018
Figure 00000018

Различие полученных значений плотностей крови объясняется действием разности квадратов скоростей для соответствующих случаев. Эти различия могут быть использованы для вычисления разностей квадратов скоростей движения крови. Остальные формулы вычисления других физических параметров также являются следствием полученных временных рядов измеренного давления крови.The difference in the obtained values of blood densities is explained by the action of the difference of the squares of the velocities for the corresponding cases. These differences can be used to calculate the differences of the squares of the blood speed. The remaining formulas for calculating other physical parameters are also a consequence of the obtained time series of the measured blood pressure.

Claims (17)

Акустический способ неинвазивного измерения артериального давления, включающий непрерывную регистрацию инфразвука широкополосным акустическим сенсором, отличающийся тем, что размещают акустический сенсор и осуществляют измерение артериального давления по нелинейной зависимости между давлением и диаметром артерии для продольных волн по уравнению Навье-Стокса, для чего измерение акустического давления осуществляют равномерно с заданным интервалом, полученные значения обрабатывают цифровым фильтром с конечно-импульсной характеристикой, после цифровой фильтрации полученные последовательности чисел образуют временные ряды значений давления и акустического давления, далее по полученным временным рядам вычисляют артериальное давление по формулеAn acoustic method for non-invasive measurement of blood pressure, including continuous recording of infrasound with a broadband acoustic sensor, characterized in that the acoustic sensor is placed and the blood pressure is measured by the nonlinear dependence between pressure and artery diameter for longitudinal waves according to the Navier-Stokes equation, for which the acoustic pressure is measured evenly with a given interval, the obtained values are processed by a digital filter with a finite-pulse characteristic After digital filtering, the obtained sequences of numbers form time series of pressure and acoustic pressure values, then blood pressure is calculated from the obtained time series using the formula
Figure 00000019
,
Figure 00000019
,
причем используют связывающую калибровочную функциюwherein a binding calibration function is used
Figure 00000020
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000021
а также систему трех линейных алгебраических уравнений с тремя неизвестными для переменных х0, х1, х2 as well as a system of three linear algebraic equations with three unknowns for the variables x 0 , x 1 , x 2
Figure 00000022
Figure 00000022
где FK(t) - калибровочная функция, соответствующая акустической модели сердечно-сосудистой системы;where F K (t) is the calibration function corresponding to the acoustic model of the cardiovascular system; z – коэффициент, обратный ослаблению акустического сигнала тканями организма, находящимися между артерией и сенсором;z is the coefficient inverse to the attenuation of the acoustic signal by body tissues located between the artery and the sensor; p(t) - измеренное сенсором акустическое давление в зависимости от времени;p (t) is the acoustic pressure measured by the sensor as a function of time; R0 - геометрический радиус артерии в спокойном, нерастянутом состоянии;R 0 is the geometric radius of the artery in a calm, unstretched state; FKup(t) - для интервала растущего давления (систола);F Kup (t) - for the interval of increasing pressure (systole); FKdn(t) - для интервала уменьшающегося давления (диастола);F Kdn (t) - for the interval of decreasing pressure (diastole); ti - момент времени измерения акустического давления сенсором;t i - time point of measurement of acoustic pressure by the sensor; tmin - момент времени, когда фиксируется минимальное количество крови в участке артерии, соответствует минимальному значению артериального давления;t min - the point in time when the minimum amount of blood is recorded in the artery, corresponds to the minimum value of blood pressure; tmax - момент времени, когда фиксируется максимальное количество крови в участке артерии, соответствует максимальному значению артериального давления;t max - the point in time when the maximum amount of blood is recorded in the artery, corresponds to the maximum value of blood pressure; pi - измеренное сенсором акустическое давление для i-го измерения.p i - acoustic pressure measured by the sensor for the i-th measurement.
RU2015152075A 2015-12-04 2015-12-04 Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system RU2637601C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152075A RU2637601C2 (en) 2015-12-04 2015-12-04 Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015152075A RU2637601C2 (en) 2015-12-04 2015-12-04 Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015152075A RU2015152075A (en) 2017-06-08
RU2637601C2 true RU2637601C2 (en) 2017-12-05

Family

ID=59031657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015152075A RU2637601C2 (en) 2015-12-04 2015-12-04 Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637601C2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10507009B2 (en) 2017-10-05 2019-12-17 EchoNous, Inc. System and method for fusing ultrasound with additional signals
KR20210106982A (en) 2018-10-08 2021-08-31 에코너스 인코퍼레이티드 DEVICE INCLUDING ULTRASOUND, AUSCULTATION, AND AMBIENT NOISE SENSORS

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6368283B1 (en) * 2000-09-08 2002-04-09 Institut De Recherches Cliniques De Montreal Method and apparatus for estimating systolic and mean pulmonary artery pressures of a patient
EP1424037A1 (en) * 2002-11-29 2004-06-02 Ela Medical Device for non-invasive measurement of arterial pressure, especially for the continuous ambulatory tracking of arterial pressure
RU2480150C2 (en) * 2010-09-09 2013-04-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Эмдея" Device for arterial pressure measurement
RU2553210C1 (en) * 2013-11-12 2015-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Волготех" Method of measuring arterial pressure by korotkov method and device for its realisation
RU152812U1 (en) * 2014-12-09 2015-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Кардиотехника" CUFF FOR MONITORING ARTERIAL PRESSURE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6368283B1 (en) * 2000-09-08 2002-04-09 Institut De Recherches Cliniques De Montreal Method and apparatus for estimating systolic and mean pulmonary artery pressures of a patient
EP1424037A1 (en) * 2002-11-29 2004-06-02 Ela Medical Device for non-invasive measurement of arterial pressure, especially for the continuous ambulatory tracking of arterial pressure
RU2480150C2 (en) * 2010-09-09 2013-04-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Эмдея" Device for arterial pressure measurement
RU2553210C1 (en) * 2013-11-12 2015-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Волготех" Method of measuring arterial pressure by korotkov method and device for its realisation
RU152812U1 (en) * 2014-12-09 2015-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Кардиотехника" CUFF FOR MONITORING ARTERIAL PRESSURE

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RODRIGUEZ R.M. Sonic vibrational analysis provides continuous measurement of arterial properties. J Clin Monit Comput. 2000; 16(7): 501 - . *
RODRIGUEZ R.M. Sonic vibrational analysis provides continuous measurement of arterial properties. J Clin Monit Comput. 2000; 16(7): 501 - реферат. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015152075A (en) 2017-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9119536B2 (en) Pressure gauge, blood pressure gauge, method of determining pressure values, method of calibrating a pressure gauge, and computer program
JP5109027B2 (en) Blood vessel state evaluation apparatus, blood vessel state evaluation method, and blood vessel state evaluation program
US10959622B2 (en) Method for determining pulse wave velocity in an artery
EP2393421B1 (en) Detection of vascular conditions using arterial pressure waveform data
US20100210956A1 (en) Apparatus and method for sensing radial arterial pulses for noninvasive and continuous measurement of blood pressure and arterial elasticity
CA2689683A1 (en) Real-time detection of vascular conditions of a subject using arterial pressure waveform analysis
JP2002253519A5 (en)
TW201507694A (en) An improved blood pressure monitoring method
KR20000049078A (en) Non-invasive cuffless determination of blood pressure
KR20150082401A (en) Improved blood pressure monitor and method
JP2018519979A (en) Method and apparatus for determining blood pressure transition
NL8200104A (en) DEVICE AND METHOD FOR MEASURING BLOOD PRESSURE.
CN115281637B (en) Blood pressure value processing method and device and electronic equipment
TW201803515A (en) Dynamic calibration of a blood pressure measurement device
RU2637601C2 (en) Acoustical method for measurement of arterial pressure and other physical parameters of blood and cardiovascular system
JP6129166B2 (en) Method and apparatus for detecting arterial occlusion / resumption and system for measuring systolic blood pressure
JP5940725B1 (en) Vascular elasticity evaluation device
WO2017095258A1 (en) Acoustic method for measuring arterial pressure and other physical parameters of blood and cardio-vascular system
JP6799482B2 (en) Methods, devices and programs for calculating shunt vessel stenosis indicators
CN106456028B (en) Method and apparatus for detecting and assessing reactive hyperemia using segmental plethysmography
JP6651087B1 (en) Biological information measurement device
JPS61247431A (en) Method for correcting blood non-observing type continuous blood pressure measurement and blood non-observing type continuous hemomanometer using said method
JP2015058199A (en) Pulse wave propagation velocity-measuring method, and pulse wave propagation velocity-measuring device
WO2014147974A1 (en) Circulatory organ function arithmetic calculation device
RU2106796C1 (en) Method for measuring arterial pressure

Legal Events

Date Code Title Description
HE9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180114