České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická. Disertační práce

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Disertační práce Únor, 2012 Ing. Vratislav Fabián

2

3 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra kybernetiky NEINVAZIVNÍ MĚŘENÍ KREVNÍHO TLAKU ZALOŽENÉ NA OSCILOMETRICKÉM PRINCIPU Disertační práce Ing. Vratislav Fabián Praha, Únor, 2012 Doktorský studijní program: Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Umělá inteligence a bikybernetika Školitel: prof. RNDr. Olga Štěpánková, CSc.

4

5 Poděkování V následujících odstavcích bych rád vyjádřil své poděkování několika lidem, kteří mi pomohli při vzniku této práce, ať radou, pomocí při provádění a vyhodnocování experimentů nebo psychickou podporou a tolerancí. V první řadě patří mé díky a upřímná vděčnost prof. RNDr. Olze Štěpánkové, CSc., za její odborné připomínky k práci a podporu při postgraduálním studiu na všech úrovních. Dále bych rád poděkoval MUDr. Ing. Davidovi Macků, Ing. Janu Havlíkovi, Phd. a doc. Ing. Lence Lhotské, CSc. za cenné rady a pomoc se získáváním dat. Děkuji personálu Anesteziologicko-resuscitační oddělení Nemocnice na Homolce, Kardiochirurgické kliniky Nemocnice v Motole, Domovu pro seniory v Praze Malešicích a Domovu důchodců v Praze Ďáblicích za pomoc při organizaci měření. Velké díky také patří Bc. Janu Dvořákovi, Ing. Josefu Herynkovi, Bc. Imrichu Kohútovi, Bc. Lucii Kučerové, Ing. Alexandru Megelovi, Ing. Martinu Mudrochovi, Ing. Davidu Rabiňákovi, Ing. Gabriele Styborové a Ing. Danielu Špulákovi za pomoc při samotném sběru dat. Velký dík směřuje také k mým kolegům z Katedry kybernetiky a Katedry fyziky FEL, ČVUT v Praze, zejména Ing. Petru Slovákovi, CSc., Ing. Jaroslavu Jírovi, CSc, Ing. Ladislavu Siegrovi, CSc., MUDr. Ing. Vítězslavu Kříhovi, PhD, Ing. Marcele Fejtové a Ing. Martinu Janouchovi. Děkuji jim za veškerou podporu a spolupráci nezbytnou pro vznik této práce. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat za vytrvalou podporu a toleranci své rodině a blízkým, zvláště pak manželce Rose Marii. Tato práce a výzkum byly také podpořeny výzkumným projektem: #MSM Transdisciplinární výzkum v oblasti biomedicínského inženýrství II. Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. Finanční podpora byla také poskytnuta Katedrou kybernetiky, Fakulty elektrotechnické, ČVUT v Praze. v

6 vi

7 Abstrakt Měření krevního tlaku patří mezi rutinní a nejčastěji prováděné lékařské procedury. Přístrojová základna, se kterou se tato procedura provádí, doznala v posledních 20 letech značných změn. Místo klasických rtuťových přístrojů a fonendoskopu lze sledovat odklon k automatickým tlakoměrům založených na oscilometrickém principu měření. Tyto přístroje jsou také velmi populární při tzv. domácím monitorováním tlaku krve, protože nevyžadují složitou interakci ze strany uživatele. Spolu s tímto trendem však lze sledovat i přibývající počet porovnávacích studií mezi auskultační metodou, pokládanou stále odbornou veřejností za zlatý standard měření tlaku krve, a oscilometrickými monitory tlaku krve. V rámci této práce bylo takovéto porovnání provedeno, a to se zaměřením na seniory. Bylo změřeno 270 osob a provedeno 1023 měření. Dosažené výsledky ukazují odchylku mezi oběma metodami větší než ± 5mmHg u 30% měření pro systolický tlak a 33% měření pro diastolický tlak. Při podrobnějším rozboru lze vysledovat velké odchylky u osob, které mají nestandardní stav kardiovaskulárního systému. Např. u osob s atriálními fibrilacemi je již 56% měření mimo požadovanou toleranci. Z provedené rešerše odborné literatury vyplývá, že podobná situace nastává i u jiných chorob (ateroskleróza, hypertenze, cukrovka atd.) či změn (těhotenství, malé děti, senioři, kritický stav atd.) kardiovaskulárního systému. Z tohoto důvodu je velmi důležité určit, zda je oscilometrický přístroj pro daného jedince vhodný. V této práci je navržena metodika vyhodnocení hemodynamických veličin, které by měly pomoci s určením, zda je oscilometrická metoda pro měření vhodná. Tato metodika zahrnuje měření oscilometrických pulzací při postupném nafukování a postupném vyfukování (oboje rychlostí 3 mmhg/s), kdy je detekován střední arteriální tlak. Dále probíhá 10 vteřinové měření na suprasystolickém tlaku, při kterém je vyhodnocena rychlost šíření pulzní vlny a index zesílení z tvaru tlakových pulzací. Na základě těchto parametrů a rozdílů SAT při nafukování a vyfukování je poté vyhodnocena vhodnost oscilometrické metody pro provedené měření u dané osoby. Klíčová slova: tlak krve, měření tlaku krve, oscilometrická metoda, ateroskleróza, suprasystolický tlak, index zesílení, rychlost šíření pulzní vlny vii

8 viii

9 Stručný obsah Poděkování v Abstrakt vii Stručný obsah ix Obsah xi Seznam zkratek xiii Seznam tabulek xv Seznam obrázků xvii 1 Úvod 1 2 Cíle disertační práce 5 3 Fyziologické principy a metody měření 7 4 Rizika spojená se zvýšeným krevním tlakem 38 5 Rešerše odborné a patentové literatury 44 6 Metodika pro měření hemodynamických parametrů 51 7 Vyhodnocení, navrhovaná metodika měření a diskuze 86 8 Závěr a přínosy disertační práce 90 Reference 93 ix

10 x

11 Obsah Poděkování... v Abstrakt... vii Stručný obsah... ix Obsah... xi Seznam zkratek... xiii Seznam tabulek... xv Seznam obrázků... xvii 1 Úvod Členění disertační práce Předchozí práce Cíle disertační práce Fyziologické principy a metody měření Kardiovaskulární systém Srdce Fáze srdečního cyklu Tlakové poměry v srdci a jeho okolí Cévní systém Pulzní vlna Krevní tlak a pulz Definice hodnot krevního tlaku Metody měření krevního tlaku Neinvazivní měření Nespojité metody měření Auskultační metoda Oscilometrická metoda Palpační metoda Infrazvuková metoda Ultrazvuková metoda Metoda impedanční reografie Objemově-oscilometrická metoda Spojité metody měření Metoda odtížené artérie Metoda arteriální tonometrie Metoda snímání rychlosti pulzní vlny Invazivní metody měření Měření krevního tlaku katetrem vyplněným kapalinou Měření katetrem s tlakovým senzorem na hrotu Další hemodynamické parametry Neinvazivní měření hemodynamických parametrů Rizika spojená se zvýšeným krevním tlakem Rizika spojená s hemodynamickými parametry mimo optimální interval Požadavky na přesnost měření Rešerše odborné a patentové literatury Východiska rešerše Výsledky rešerše xi

12 6 Metodika pro měření hemodynamických parametrů Databáze oscilometrických pulzací Vyhodnocení hodnot krevního tlaku Měření středního arteriálního tlaku Zpracování signálu tlaku Měření SAT při nafukování a vyfukování Vyhodnocení oscilační křivky Vyhodnocení dalších hemodynamických parametrů Inverzní filtr Analýza naměřených oscilometrických křivek Význam filtrů s lineární fázovou charakteristikou Návrh inverzního filtru kompenzujícího zkreslení signálové cesty oscilací Srovnání oscilometrických křivek před a po kompenzaci Metoda snímání diferenciálním tlakovým senzorem Motivace Měřící systém pro měření suprasystolických oscilací tlaku Popis měřicí desky Tlakový senzor MPX5050D Diferenciální tlakový senzor MP3V5004G Kalibrace Vyhodnocení PWV a AI Filtrace Nalezení jednotlivých pulzů Nalezení důležitých bodů Vypočtená data Vyhodnocení, navrhovaná metodika měření a diskuze Vyhodnocení získaných dat Navrhovaná metodika měření Navrhovaný měřicí systém pro měření Diskuze Závěr a přínosy disertační práce Souhrn dosažených cílů Výhled do budoucna Reference xii

13 Seznam zkratek AAMI AD AI ASI BHS DIN DPS DT DTFT EKG EN ESH EU FIR HW IF IIR OPV PC PCG PPG PPV PT PWV SAT SC SST ST SV TF TK TPR TT USB UZV WHO (Association for the Advanced of Medical Instrumentation) analogově digitální (Augmentention Index) index zesílení (Artherial Stiffness Index) index tuhosti tepen (British Hypertension Society) Britská společnost pro hypertenzi (Deutsches Institut für Normung) Německý ústav pro průmyslovou normalizaci deska plošného spoje diastolický tlak (Discrete-Time Fourier Transform) diskrétní Fourierova transformace elektrokardiograf evropská norma (Eurepean Society of Hypertension) Evropská společnost pro hypertenzi Evropská unie (Finite Impulse Response) filtr s konečnou impulzní odezvou Hardware inverzní filtr (Infinite Impulse Response) filtr s nekonečnou impulzní odezvou odražená pulzní vlna (Personal Computer) osobní počítač (Phonocardiograph) fonokardiograf (Photopletysmograph) fotopletysmograf přímá pulzní vlna pulzní tlak (Pulse Wave Velocity) rychlost šíření pulzní vlny střední arteriální tlak srdeční cyklus suprasystolický tlak systolický tlak srdeční výdej tepová frekvence tlak krve (Total Peripheral Resistence) celkový periperní odpor transmurální tlak (Universal Serial Bus) ultrazvuk (World Health Organisation) Světová zdravotnická organizace xiii

14 xiv

15 Seznam tabulek Tab. 3.1: Parametry hodnotící stav artérií resp. rigiditu jejich stěn Tab. 4.1: Kategorie krevního tlaku (zdroj WHO/ISH) Tab. 4.2: Referenční hodnoty PWV a AI (zdroj: [25]) Tab. 4.3: Klasifikace automatických tlakoměrů dle BHS Tab. 4.4: Velikosti manžet pro měření TK Tab. 6.1: Rozložení měřené skupiny dle věku Tab. 6.2: Rozdíly mezi metodami pro systolické tlaky Tab. 6.3: Rozdíly mezi metodami pro diastolické tlaky Tab. 6.4: Vyhodnocení dat PWV Tab. 6.5: Vyhodnocení dat AI xv

16 xvi

17 Seznam obrázků Obr. 1.1: Struktura příčin smrti podle věku... 1 Obr. 3.1: Dvojitá cirkulace krve (převzato z [13])... 8 Obr. 3.2: Průběh tlaku v jednotlivých srdečních fázích (převzato z [14])... 9 Obr. 3.3: Hodnoty tlaků v srdci a odstupujících tepnách (převzato z [15]) Obr. 3.4: Velikost a průběh tlaku v cévním řečišti (převzato z [14]) Obr. 3.5: Vznik a šíření pulzní vlny Obr. 3.6: Vznik a šíření pulzní vlny hlavní i odražené od bifurkace (převzato z [14]) Obr. 3.7: Ukázka průběhu tlakové křivky s vlivem odražené pulzní vlny [9] Obr. 3.8: Tlaková křivka (převzato z [16]) Obr. 3.9: Průběh tlakové křivky s vyznačením měřených tlaků (převzato z [16]) Obr. 3.10: Ilustrace principu palpační a auskultační metody (převzato a upraveno z [2]) Obr. 3.11: Vznik turbulentního proudění (převzato z [18]) Obr. 3.12: Průběh tlaku při oscilometrickém metodě měření Obr. 3.13: Blokové schéma měřidla tlaku využívající oscilometrickou metodu Obr. 3.14: Obálka oscilometrických pulzací s naznačeným vyhodnocením ST a DT Obr. 3.15: Průběh Korotkovových ozev a oscilometrických pulzací Obr. 3.16: Měření tlaku pomocí palpace Obr. 3.17: Princip měření krevního tlaku pomocí Dopplerova efektu Obr. 3.18: Princip měření krevního tlaku pomocí impedanční reografie Obr. 3.19: Princip měření krevního tlaku metodou odtížené artérie (převzato z [20]) Obr. 3.20: Princip měření krevního tlaku metodou arteriální tonometrie Obr. 3.21: Snímací tlaková komůrka katetru vyplněného kapalinou (převzato z [20]) Obr. 3.22: Invazivní tlakový TIP senzor (převzato z [15]) Obr. 3.23: Tlakové pulzace zdravého jedince (nahoře) a pacienta s rigidními stěnami artérií (dole) Obr. 3.24: Srovnání křivek tlakových pulzací sejmutých z aorty a arterie brachialis (zdroj: [26]) Obr. 3.25: Superpozice pulzních vln Obr. 3.26: Záznam měření tlaku v aortě (invazivně) a současně Obr. 4.1: Ověřovací značka Obr. 4.2: Vliv hydrostatického tlaku na měření TK Obr. 6.1: Zjednodušené blokové schéma měřicího systému Oscilo pro snímání oscilometrických pulzací Obr. 6.2: Prototyp měřicího systému Oscilo Obr. 6.3: Rozdíly ST a DT mezi auskultační a oscilometrickou metodou Obr. 6.4: Rozdíly PT (syst. tlak diast. tlak) mezi auskultační a oscilometrickou metodou.. 54 Obr. 6.5: Gafické porovnání metod pro ST Obr. 6.6: Grafické porovnání metod pro DT Obr. 6.7: Grafické porovnání metod pro PT Obr. 6.8: Porovnání hodnot DT metod pro osoby s atriální fibrilací a celou skupinu měřených osob Obr. 6.9: Naměřená křivka tlaku se složkou odpovídající náfuku a výfuku Obr. 6.10: Oscilační křivka společně s její horní, dolní a rozdílovou obálkou Obr. 6.11: Detekce hodnot TK při postupném nafukování manžety Obr. 6.12: Detekce hodnot TK při postupném vyfukování manžety Obr. 6.13: Histogram četnosti hodnot SAT ve vyhodnocované množině dat mladých jedinců [62] Obr. 6.14: Histogram četnosti hodnot SAT ve vyhodnocované množině dat seniorů xvii

18 Obr. 6.15: Signálová cesta pro zpracování oscilometrických pulzací měřicího systému Oscilo Obr. 6.16: Amplitudovaná frekvenční charakteristika měřicího systému Oscilo Obr. 6.17: Fázová frekvenční charakteristika měřicího systému Oscilo Obr. 6.18: Výstupy z měřicího systému Oscilo při měření krevního tlaku na zdravé osobě; nahoře výstup signálové cesty tlak, uprostřed výstup signálové cesty oscilace, dole zvětšený segment oscilací Obr. 6.19: Zkreslené tlakové pulzace na výstupu tlakoměru firmy Freescale Semiconductor [5] Obr. 6.20: Lineární fázová charakteristika FIR filtru Obr. 6.21: Návrh kompenzačního inverzního filtru. Nahoře nekauzální impulzová odezva vypočtená zpětnou DTFT z ideální frekvenční charakteristiky inverzního filtru; uprostřed Hammingovo okno; dole výsledná impulzová odezva inverzního filtru po přenásobení Hammingovým oknem a posunutí o 100 vzorků Obr. 6.22: Detail amplitudové frekvenční charakteristiky navrženého inverzního filtru v oblasti nejvíce zkreslených kmitočtů Obr. 6.23: Amplitudová frekvenční charakteristika filtru klouzavými průměry (délka filtru N = 81 vzorků, f vz, dec = 50 Hz) Obr. 6.24: Srovnání křivek tlakových pulzací před a po kompenzaci. Nahoře segment původní křivky (byly odfiltrovány frekvenční složky nad 20 Hz); uprostřed stejný segment po průchodu inverzním filtrem a odstranění ss složky; dole signal ze signálové cesty tlak po odstranění trendu (na hranici rozlišení AD převodníku měřicího systému Oscila) Obr. 6.25: Srovnání křivek tlakových pulsací. Nahoře segment ze signálové cesty oscilace po průchodu inverzním filtrem; dole signal ze signálové cesty tlak po odstranění trendu (na hranici rozlišení AD převodníku měřicího systému Oscila) Obr. 6.26: Schema zapojení měřicího systému pro snímání malých tlakových pulzací Obr. 6.27: Schema zapojení desky pro měření tlaků Obr. 6.28: Převodní charakteristika tlakového senzoru MPX5050D (převzato z [22]) Obr. 6.29: Závislost teplotního koeficientu na teplotě (převzato z [22]) Obr. 6.30: Závislost chyby tlaku na tlaku (převzato z [65]) Obr. 6.31: Dolní propust 1. řádu pro filtraci šumu tlakového senzoru (převzato z [65]) Obr. 6.32: Převodní charakteristika tlakového senzoru MP3V5004G (převzato z [21]) Obr. 6.33: Amplitudové frekvenční spektrum tlakové křivky Obr. 6.34: Průběh signálů filtrovaných různými metodami Obr. 6.35: Detekovaná minima a maxima Obr. 6.36: Průběh tlaku Obr. 6.37: První derivace průběhu Obr. 6.38: Druhá derivace průběhu Obr. 7.1: Blokové schema přesného tonometru Obr. 7.2: Digitalizovaná tlaková křivka xviii

19 Úvod 1 Úvod Za posledních několik desítek let se střední délka života v České Republice prodloužila u žen na 78,7 let a u mužů na 72,1 let. V príštích 25 letech se očekává, že tento ukazatel dosáhne na 82,8 roků u žen a 76,6 roků u mužů. Je to způsobeno charakterem životního stylu, zvyšující se efektivností zdravotní péče a v neposlední řadě hygienickou a stravovací úrovní nynějšího života. Výsledkem toho je, že, ve spojení s dlouhodobě nízkou úrovní porodnosti, stále stoupá demografické stárnutí populace. Podle výsledků demografických prognóz z roku 1999 se očekávalo, že v následujících 10 letech se zvýší podíl osob ve věku nad 60 let z tehdejších 18% na 23% [1]. Podobná situaci je téměr v celém vyspělém světě. Při pohledu na přiložený graf struktury příčin smrti podle věku (viz Obr. 1.1), zjistíme, že se stoupajícím věkem člověka velmi rychle stoupá pravděpodobnost smrti na základě kardiovaskulárních nemocí. Ve věku od 65 let do 69 let je kardiovaskulární onemocnění ve 45% nejčastejší příčinou úmrtí. Přičemž nádorová onemocnění, na druhém místě, se v této věkové kategorii podílí na smrti 33%. Z těchto čísel vyplývá, že v následujících letech se čím dál větší část medicínských oborů bude muset zabývat zdravotními problémy, které jsou s tímto vyšším věkem a příslušnými zdravotními problémy spojeny. Obr. 1.1: Struktura příčin smrti podle věku Tlak krve (TK) je jedním z nejdůležitějších fyziologických parametrů lidského organismu. V moderní medicíně patří jeho měření k rutinním procedurám. Ve skutečnosti je měření krevního tlaku součástí většiny lékařských vyšetření. Historie měření TK je velmi dlouhá, nicméně nejvýznamnější rozvoj byl dosažen na konci 19. století a na začátku století 20. Tento prudký rozvoj byl možný díky rychlému technickému vývoji v této éře (např. Michelinův vynález pneumatiky umožnil vznik moderních okluzivních manžet s gumovou vzdušnicí). 1

20 Úvod 1.1 Členění disertační práce V průběhu vývoje vzniklo několik metod měření TK. Tyto metody jsou rozděleny do základních dvou kategorií, a to invazivní a neinvazivní metody měření TK. Jejich popis je uveden v kapitole 2. Některé z těchto metod jsou více rozšířené než ostatní. Některé jsou určeny pouze pro experimentální účely, další pro klinickou praxi a v neposlední řadě existují měřidla tlaku krve pro domácí použití. Tato práce se zaobírá otázkou přesnosti měření různých metod měření TK, zejména je kladen důraz na oscilometrickou metodu, která je spolu s auskultační metodou, světově nejvíce rozšířenou metodou měření TK. A právě diskutabilní přesnost oscilometrické metody je stále sporným bodem v odborné lékařské komunitě. Zejména pro osoby s nestandardním stavem kardiovaskulárního systému (malé děti, těhotenství, ateroskleréza, diabetes atd.) je přesnost měření pomocí oscilometrických měřidel často nedostatečná. I přes tyto námitky se s těmito automatickými přístroji nezřídka setkáváme i v klinické praxi. Tato práce navrhuje zdokonalení oscilometrické metody měření tlaku krve, jehož výhody pak demonstruje při měření skupiny subjektů, u nichž klasické metody obvykle nedávají uspokojivé výsledky. Toto zdokonalení vychází z důkladné analýzy několika již dlouho známých metod měření a naprosto nové metody měření při suprasystolickém tlaku, se kterou se experimentuje pouze na několika světových pracovištích. Spojení těchto spojitých a nespojitých metod, v kombinci s automatizovaným měřením, jehož správnost však může být kontrolována lékařem, by mohlo přinést zcela nové možnosti v měření krevního tlaku. Zároveň je však nutné uvést, že ani přesně změřená hodnota krevního tlaku ne zcela dostatečně popisuje celkový stav kardiovaskulárního systému. Proto se v poslední době objevila řada nových metod, jak samotné měření krevního tlaku doplnit o vhodné parametry, které by odrážely stav kardiovaskulárního systému úplněji. Samozřejmostí je snaha o co nejméně invazivní měření, která by vyšetřovanou osobu co nejméně zatěžovala a neovlivňovala tak měřené údaje. Z navržené metodiky také vyplývá možnost vyhodnocení těchto hemodynamických parametrů (rychlost šíření pulzní vlny, index zesílení, index arteriální tuhosti atd.), což jsou parametry, které silně vypovídají o celkovém stavu krevního řečiště a měly by být kontrolovány při každé preventivní prohlídce. Výhodou je, že tyto parametry jsou zjištěny v průhěbu samotné procedury měření krevního tlaku. V první části této práce je uvedeno stručné shrnutí fyziologických principů a metod měření krevního tlaku spolu s popisem jejich výhod a omezení. Dále jsou diskutovány další hemodynamické parametry, které doplňují samotné měření krevního tlaku a důležité informace o kardivaskulárním systému. V následující kapitole jsou probírána rizika spojená s kardiovaskulárními nemocemi a jsou zde stanoveny teoretické požadavky na přesnost měření krevního tlaku. V páté kapitole je poté uveden výtah z rešerše odborné a patentové literatury týkající se měření krevního tlaku a dalších hemodynamických parametrů kardiovaskulárního systému. V následující kapitole je popsána HW konstrukce měřicího systému Oscilo, použité 2

21 Úvod algoritmy a metodika pro vyhodnocení a dále jsou uvedeny statistické výsledky z testování nově navržené metodiky a dalších experimentů. 1.2 Předchozí práce Tato práce je založena také na těchto již publikovaných materiálech: Časopisy: FABIÁN, V., FEJTOVÁ, M., Telemedical system for monitoring of blood pressure, v Advances in Electrical and Electronic Engineering. 2005, roč. 4, č. 4, s , ISSN FABIÁN, V., DOBIÁŠ, M., Význam metrologie při měření krevního tlaku, v Lékař a technika. 2006, roč. 36, č. 1, s ISSN Konference: HAVLÍK, J., FABIÁN, V., MACKŮ, D., LHOTSKÁ, L., DVOŘÁK, J. et al., Measurement of hemodynamic parameters: design of methods and hardware, v ACM Digital Library: Proceedings of 4th International Symposium on Applied Sciences in Biomedical and Communication Technologies [CD-ROM]. New York: ACM, 2011, ISBN ŠPULÁK, D., ČMEJLA, R., FABIÁN, V., Parameters for Mean Blood Pressure Estimation Based on Electrocardiography and Photoplethysmography, v International Conference on Applied Electronics. Plzeň 2011, ISSN: FABIÁN, V., JANOUCH, M., NOVÁKOVÁ, L., ŠTĚPÁNKOVÁ, O., Comparative Study of Non Invasive Blood Pressure Measurement Methods, v Elderly People. v IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Lyon 2007, ISBN Patenty: FABIÁN, V., Přesný krevní tonometr, Patentová přihláška. Úřad průmyslového vlastnictví, Funkční vzorky: DVOŘÁK, J., HAVLÍK, J.,FABIÁN, V., Zařízení pro měření hemodynamických parametrů, [Funkční vzorek] Diplomové práce: D. RABIŇÁK, Oscilometrický tonometr s USB modulem, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [2] J. HERYNEK, Zpracování signálů oscilometrických pulzací, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [3] M. SKOŘEPA, Porovnání neinvazivních metod měření tlaku krve, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), 1.LF UK v Praze, Praha, [4] 3

22 Úvod V. MAREK, Ambulantní přístroj pro monitorování tlaku krve, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [5] A. MEGELA, Výpočet hemodynamických parametrů centrálního krevního řečiště z průběhu oscilometrických pulsací, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [6] M. LOSKOT, Přesná měřicí deska pro účely monitorování hemodynamických parametrů kardiovaskulárního systému, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [7] G. STYBOROVÁ, Porovnávací studie invazivních metod měření tlaku krve s neinvazivním přípravkem Pressure board, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [8] L. CHALOUPKA, Monitorování parametrů kardiovaskulárního systému z tvaru tlakových křivek, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [9] M. VRBA, Přístroj pro monitorování hemodynamických parametrů kardiovaskulárního systému, Diplomová práce (vedou Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [10] M. MUDROCH, Metodika monitorování hemodynamických parametrů, Diplomová práce (vedoucí Ing. Vratislav Fabián), FEL ČVUT v Praze, Praha, [11] 4

23 Cíle disertační práce 2 Cíle disertační práce Tato disertační práce je cílená na studium oscilometrické metody měření tlaku krve, a to zejména na její nedostatky a tvorbu nových algoritmů a metodik měření. Tento výzkum je velmi aktuální a je v souladu s projektem číslo P1721 "IEEE Standard for Objective Measurement of Systemic Artirial Blood Pressure in Humans", který je řešen podvýborem TC-25 společnosti IEEE I&M [12]. Hlavním cílem práce je komplexní analýza, návrh a vyhodnocení nové metodiky měření krevního tlaku, založené na automatické oscilometrické metodě. Tyto cíle lze rozdělit do následujících výzkumných cílů: 1. Rešerše odborné a patentové literatury. Rešerše bude zaměřena na komparativní studie oscilometrické a auskultační metody měření tlaku krve, prováděné u osob se změnami kardivaskulárního systému, které jsou způsobeny nemocí (hypertenze, ateroskleróza, diabetes atd.) nebo stavem (malé děti, senioři, těhotné ženy, kritický stav apod.). 2. Komparativní studie oscilometrické metody s auskultační metodou pro seniory a sběr dat pro další výzkum. Cílem této části je připravit měřicí systém pro sběr dat propojitelný s komerčně dostupným oscilometrickým monitorem tlaku a referenčním rtuťovým tlakoměrem. S tímto systémem pak provést experimentální měření na dostatečném počtů jedinců z vybrané skupiny uživatelů a porovnat tak oscilometrickou metodu s referenční auskultační metodou.vybraná skupina probandů by měla obsahovat zejména osoby s nestandardním stavem kardiovaskulárního řečiště, což jsou v největší míře senioři. Další části tohoto bodu je provedení vyhodnocení této komparativní studie pomocí statistických metod. 3. Tvorba modelu, který zdůvodňuje neuspokojivé výsledky oscilometrických měření pro skupinu seniorů a návrh alternativního způsobu sběru a zpracování měřených dat suprasystolického tlaku. Ověření původní hypotézy o tom, že navržený postup výrazně snižuje vliv rigidity kardiovaskulárního systému na validitu výsledků měření krevního tlaku oscilometrickou metodou. 4. Tvorba měřicího systému pro měření oscilometrických pulzací na suprasystolickém tlaku. Jedná se o jeden z hlavních cílů této práce, a to vytvořit dostatečně přesný a citlivý systém pro snímání oscilometrických (tlakových) pulzací na suprasystolickém tlaku (tlak bezpečně vyšší než systolický tlak). Pulzace na tomto tlaku jsou velmi malé (v rozsahu několika mmhg) a je tedy nutné zvolit vhodnou techniku pro jejich měření. Precizní snímání na takto vysokém tlaku umožní vyhodnocení dalších hemodynamických veličin. Takovýto neinvazivní měřicí, který by umožnil současné snímání tlakových křivek na 5

24 Cíle disertační práce suprasystolickém tlaku a vyhodnocení dodatečných hemodynamických veličin, by byl unikátní v celosvětovém měřítku. 5. Tvorba nové metodiky měření oscilometrickou metodou. Cílem této části je zužitkovat možnosti vytvořeného měřicího systému a vytvořit metodologii měření krevního tlaku, která přihlédne k dalším hemodynamickým parametrům krevního řečiště. Na základě jejich vyhodnocení poté bude určeno, zda je oscilometrická metoda pro daného jedince vhodná. Jedná se o přístup, který by mohl přinést nový náhled na konstrukci a metodiku měření oscilometrickými tlakoměry. 6. Vyhodnocení navržené metodiky. Vyhodnocení navržené metodiky je samozřejmou součástí a cílem této práce. 6

25 Rizika spojená se zvýšeným krevním tlakem 3 Fyziologické principy a metody měření 3.1 Kardiovaskulární systém Pro správnou funkci lidského organismu je nutný rychlý a efektivní přenos látek a informací mezi jednotlivými systémy, od buněčné úrovně až po úroveň orgánovou. Prostředkem k tomu je oběhový systém, který transportuje živiny, odpadní látky, ale zprostředkovává i výměnu plynů. Nosným médiem pro tento transport je krev. K tomu aby mohla plnit svoji funkci, musí být zajištěna její cirkulace. Ta je zajištěna kardiovaskulárním systémem s dvojitou cirkulací (viz Obr. 3.1) a skládá se ze srdce, čerpacího zařízení, a ze soustavy trubic, cévního systému. Kardiovaskulární systém v lidském organismu je rozdělen na systémový a plicní oběh. Tyto dva oběhy probíhají synchronně a díky tomu je krevní cirkulace efektivnější než jednoduchá, která je vyvinuta např. u ryb. Pumpou pro systémový oběh je levá komora, společně s levou síní (pomocným čerpadlem), pro plicní oběh zajišťuje pohon pravá komora společně s pravou síní. Pravá komora má tenčí stěnu než komora levá, jelikož pohání nízkotlaký plicní oběh Srdce Funkce srdce jako pumpy je založena na pravidelných kontrakcích (systolách) a relaxacích (diastolách) srdečních komor a síní. Jak již bylo uvedeno, hlavními částmi jsou komory, které potřebují být optimálně naplněny. O toto plnění se starají síně a chlopně oddělující komory od síní, a komory od velkých tepen. Systola síní předchází systolu komor, tím je zaručeno jejich dostatečné naplnění krví, a chlopně zabraňují zpětnému toku krve. Tím zvyšují účinnost kontrakce. Při kontrakci je krev vypuzována z komor do plicnice (pravá komora) a do aorty (levá komora). Do komor přitéká krev ze síní, do kterých se dostává z velkých žil, z horní a dolní duté žíly do pravé síně, a z plicních žil do levé síně (viz Obr. 3.1). 7

26 Rizika spojená se zvýšeným krevním tlakem Obr. 3.1: Dvojitá cirkulace krve (převzato z [13]) Fáze srdečního cyklu Základními částmi srdečního cyklu jsou systola a diastola. Systola je fáze při stahu srdečního svalu, diastola je fáze jeho relaxace. Izovolumická fáze Systola začíná kontrakcí komor. Tato kontrakce vyvolá nárůst nitrokomorového tlaku nad hodnotu tlaku v síních. To způsobí uzavření atrioventrikulárních (síňo-komorových) chlopní. V tomto okamžiku jsou stále uzavřeny poloměsíčité chlopně mezi levou komorou a aortou, a mezi pravou komorou a plicnicí. Srdeční svalovina se stahuje, ale v komoře uzavřený objem nemá kam odtékat. Dochází proto pouze k nárůstu tlaku. Tato fáze se označuje jako izovolumická kontrakce (stah při neměnícím se objemu) a trvá obvykle 60 ms (viz Obr. 3.2, část A). Ejekční fáze V okamžiku kdy je tlak v komoře vyšší, než tlak v aortě (dále se budeme zabývat jen systémovým oběhem), otevřou se poloměsíčité chlopně a krev je vypuzována do aorty (viz Obr. 3.2, část B). Otevření poloměsíčitých chlopní se může projevit v tlakové křivce jako tzv. anakrotický zářez. Tlak v komorách je poměrně stálý, ale klesá objem krve uvnitř. Zhruba po 8