Prüfstandentwicklung zur Frequenzgangevaluierung von Blutdruckmanschetten

Abstract

In Industriestaaten führen kardiovaskuläre Erkrankungen die Statistiken der Todesursachen an. Um diese Herz-Kreislauferkrankungen zu diagnostizieren, werden Katheter verwendet. Es ist bekannt, dass es bei Messsystemen auf Fluidbasis zu Frequenzgangänderungen kommt. Weiters ist die invasive Messmethode keine ambulante Behandlung und führt deshalb zu erhöhten Kosten im Spitalswesen und kann beim Patienten Komplikationen hervorrufen.<br />Die alternative Messmethode mittels der nichtinvasiven Blutdruckmessung hängt von den unterschiedlichsten Messparametern ab, welche im Allgemeinen die Zuverlässigkeit der Messung vermindern. Um das System zu verbessern muss das gesamte Verhalten der Messkette bekannt sein. Das vom Austrian Institute of Technology entwickelte oszillometrische Messsystem CardioCube* arbeitet mit einem nichtinvasiven Messaufnehmer, also mit einer Blutdruckmanschette. Ein noch nicht untersuchter Faktor bei dieser Blutdruckmessung ist der Messaufnehmer, die Manschette, selbst.<br />Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung dieses Messaufnehmers mittels eines zu entwickelnden Prüfstandes. Dabei wird das Übertragungsverhalten mittels der experimentellen Systemidentifikation ermittelt. Mit dieser ermittelten Übertragungsfunktion kann die Datenauswertung bei der Blutdruckmessung verbessert werden.<br />Ein Vorteil des Prüfstandes ist die realitätsnahe Benutzung der Manschette. Diese wird beim Testlauf auf einem armdicken Rohr entsprechend einer Blutdruckmessung mit dem manschetteneigenen Klettverschluss befestigt. Als Signalgeber wird eine Scheibe entwickelt, welche die Manschette auf der Innenseite sinusförmig anregt. Die entwickelte Steuerung des Prüfstandes und die Signalverarbeitung erfolgt mittels Matlab.<br />Es wird angenommen, dass die Blutdruckmanschette ein Tiefpassverhalten ähnlich eines Verzögerungsgliedes 2. Ordnung (gedämpft schwingend) hat.<br />Dies kann aus dem experimentell ermittelten Frequenzgang und einem Modell, welches aus einer Sprungantwort erstellt wird, verifiziert werden.<br />Innerhalb des relevanten Messbereichs von CardioCube* wird der gemessene Frequenzgang der Manschette durch die analytische Formel mit dem größten Bestimmtheitsmaß r² beschrieben. Diese Funktion wurde in CardioCube* implementiert und durch ein abschließendes Experiment überprüft. Dabei konnte der Einfluss der Blutdruckmanschette auf die Messung innerhalb des gesamten Messbereichs kompensiert werden.<br />

Cardiovascular diseases in developed countries lead the statistics of causes of death. To diagnose cardiovascular diseases catheters are used. It is known that in such measuring systems based on fluids changes in the frequency response occur. Furthermore the invasive measurement method has to be carried out in hospitals and thus leads to increased costs in the hospital sector and may further cause patient complications.<br />The alternative method using non-invasive blood pressure measurement depends on a variety of measurement parameters, which generally reduces the reliability of the measurement. In order to improve the system, the entire behavior of the measurement chain must be known. The oscillometric measurement system CardioCube* developed by the Austrian Institute of Technology works with a non-invasive sensor, i.e. with a blood pressure cuff. A factor not yet investigated in this blood pressure measurement, the sensor itself, the cuff.<br />The aim of this work is the characterization of this sensor using a newly developed test rig. With latter the transmission characteristics are determined by experimental system identification. With the determined transfer function the data analysis of blood pressure measurements can be improved.<br />One advantage of the test rig is the realistic use of the blood pressure cuff. During the test run it is attached to an arm-thick tube with the cuff own Velcro corresponding to a blood pressure measurement. As a signal generator a disc is designed to stimulate the cuff on the inside with a sine wave. The developed control software of the test rig and the signal processing is done using Matlab.<br />It is assumed that the blood pressure cuff shows a low-pass behavior similar to a second order delay element (damped oscillation). This can be verified by the experimentally determined frequency response and a model that is created from the transient response.<br />Within the relevant measuring range of CardioCube* the measured frequency response of the cuff is described by an analytical formula with the greatest determination r². This function was implemented in CardioCube* and verified by a final experiment. With this tool the impact of blood pressure cuff on the measurement could be compensated within the entire measuring range.