Inovacija Laboratorija za metrologijo in kakovost: mikrofon za merjenje krvnega tlaka

Bolezni srca in ožilja so vodilni vzrok smrti na svetu, ki vsako leto zahtevajo skoraj 18 milijonov življenj. Eden najpomembnejših dejavnikov tveganja za srčno-žilne bolezni je nezdravljena hipertenzija oziroma kronično povišan krvni tlak, ki ga ugotavljamo s pravilnim merjenjem krvnega tlaka.

Obstoječe naprave za merjenje krvnega tlaka so precej manj natančne, kot se zavedamo. Veljavni standardi dovoljujejo merilno napako do 3 mmHg pri novih napravah in kar 4 mmHg za merilnike, ki so v uporabi eno leto. Čeprav se to zdi malo, v praksi pomeni, da so milijoni diagnoz na meji med zdravim in bolezenskim stanjem. Napačna diagnoza vodi bodisi v nepotrebno zdravljenje bodisi v zamujeno zdravljenje tam, kjer bi bilo nujno.

Poleg tega v svetu metroloških standardov obstaja pomembna vrzel. Statičen tlak merimo in umerjamo z uveljavljenimi metodami, medtem ko dinamičnih tlačnih sprememb ne merimo dovolj natančno. Prav te spremembe pa so tiste, iz katerih avtomatizirani merilniki dejansko razberejo vrednosti krvnega tlaka. To pomeni, da naprave v zdravstvenih ustanovah in naši domovih niso ustrezno umerjene za tisto, kar dejansko merijo.

Nov merilni sistem, razvit na UL FE

Raziskovalci Laboratorija za metrologijo in kakovost na UL FE so razvili nov merilni sistem. Za merjenje dinamičnih sprememb tlaka znotraj manšete sfigmomanometra so uporabili kondenzatorski mikrofon. Čeprav se ideja o uporabi mikrofona sprva sliši nenavadno, temelji na trdni fizikalni logiki.

Kondenzatorski mikrofon deluje kot izjemno občutljiv senzor tlačnih sprememb. Njegova membrana se premika skladno s tlakom zraka in s tem spreminja njegovo električno kapacitivnost, iz katere lahko dobimo podatek o spremembi zračnega tlaka. Raziskovalci so se pri tem soočili z dvema ključnima izzivoma:  večina mikrofonov namreč ne prenese visokih statičnih tlakov, ki nastopijo pri merjenju krvnega tlaka, hkrati imajo običajni mikrofonski sistemi omejeno odzivnost pri nizkih frekvencah, kjer se nahajajo pulzni signali krvnega tlaka.

Rešitev so našli v radiofrekvenčni metodi modulacije. Sprememb kapacitivnosti mikrofonske membrane niso pretvorili neposredno v napetostni signal, temveč so jih uporabili za modulacijo radiofrekvenčnega signala, ki so ga nato demodulirali. Na ta način so dobili tlačni signal z odzivom vse do 0 Hz.

Mikrofon GRAS 40BH, ki so ga uporabili, je sicer namenjen merjenju glasnih impulznih zvokov, na primer eksplozij. Vgradili so ga v lastno tiskano vezje z RF oscilatorjem, mešalnikom in ojačevalnikom, s čimer je nastal kompakten prototip, ki so ga poimenovali RF mikrofon.

Preizkus sistema in rezultati meritev

Sistem so v laboratoriju preizkusili na več načinov:

• uporabili so nizkofrekvenčni zvočni vir lastne izdelave v območju od 0,5 Hz do 280 Hz,
• preizkusili so ga s simulatorjem krvnega tlaka SmartArm NIBP, ki je generiral realistične signale pri različnih vrednostih tlaka,
• kot referenčni instrument so uporabili piezorezistivni tlačni senzor UNIK-5000.

Rezultati so pokazali, da RF mikrofon zanesljivo deluje v frekvenčnem območju od 0,5 Hz do 280 Hz in v tlačnem območju od 0 do 300 mmHg. Skupna razširjena merilna negotovost sistema je bila 4,32 mmHg, kar je nekoliko nad trenutno zahtevano mejo 3 mmHg. Kljub temu so raziskovalci identificirali konkretne izboljšave, s katerimi bi bilo mogoče to mejo doseči. Med njimi so stabilnejše napajanje, boljša mehanska fiksacija med umerjanjem ter umerjanje po primarni recipročni metodi po standardu IEC 61094-2.

V nadaljevanju raziskave bodo raziskovalci primerjali predlagani sistem z obstoječimi piezorezistivnimi senzorji v komercialnih merilnikih. Izvedli bodo umerjanje po primarni recipročni metodi in preizkusili dodatne kondenzatorske mikrofone, primerne za visoke tlake. Dolgoročni cilj je vzpostaviti metodologijo in merilni sistem, ki bi postal osnova za mednarodne dinamične tlačne standarde na področju meritev krvnega tlaka.

Pomen RF mikrofona za širšo družbo

Ključna vrednost predlaganega pristopa ni le v novem merilnem instrumentu, temveč v tem, da odpira pot do sledljivosti dinamičnih tlačnih meritev na mednarodne akustične standarde. To pomeni, da bi lahko naprave za merjenje krvnega tlaka umerjali po enaki, mednarodno primerljivi metodologiji kot mikrofonske laboratorijske standarde. Tak pristop bi pomembno prispeval k višji kakovosti in zanesljivosti diagnostike hipertenzije po vsem svetu.

Predlagana metoda je posebej dragocena za področje dinamičnih tlačnih standardov, ki v trenutnih protokolih umerjanja sfigmomanometrov praktično ne obstajajo. Kondenzatorski mikrofon je po svoji naravi namenjen zaznavanju prav tistih dinamičnih tlačnih sprememb, ki jih obstoječi piezorezistivni senzorji slabše zajamejo.

Boljše umerjanje merilnikov pomeni zanesljivejše diagnoze, kar pomeni manj napačno zdravljenih bolnikov in manjše stroške zdravstvenega sistema. Ker kardiovaskularne bolezni predstavljajo ogromno finančno breme za zdravstvene sisteme po vsem svetu, ima vsak korak k natančnejši diagnostiki neposredne posledice za javno zdravje.

Razvoj RF mikrofona je v celoti potekal na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, v okviru Laboratorija za metrologijo in kakovost, projekt pa je podprla Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost RS. Rezultati so bili objavljeni v mednarodni reviji Sensors.