ما الذي ينظر إليه مستشعر جهاز قياس ضغط الدم؟ كيف يتم استخراج 'السعة' من نبضة واحدة

في المقال السابق، “تجربة الطريقة التذبذبية بالأرقام"، قمنا بمحاكاة كيف تحدد الخوارزمية ضغط الدم الانقباضي (SBP) وضغط الدم الانبساطي (DBP) بناءً على “بيانات السعة العددية” التي تم الحصول عليها لكل ضغط في الكفة.

ومع ذلك، عند النظر إلى جدول المحاكاة مرة أخرى، ألم تتساءل:

“مكتوب ‘عند ضغط الكفة 120 ملم زئبقي، كانت السعة 0.95 ملم زئبقي’، ولكن كيف بالضبط تم قياس هذه الـ ‘0.95 ملم زئبقي’؟”

في هذا المقال، نقترب خطوة أعمق من خوارزمية حساب ضغط الدم الشاملة (الماكرو) ونقوم بتشريح دقيق من منظور جزئي (ميكرو) للظواهر الفيزيائية التي تحدث داخل الذراع، ونوع معالجة الإشارات التي يتم إجراؤها داخل جهاز قياس ضغط الدم خلال ثانية واحدة فقط (مدة نبضة واحدة) عندما يكون ضغط الكفة حوالي 120 ملم زئبقي.

1. الهوية الحقيقية لـ “البيانات الخام” التي يلتقطها المستشعر

داخل جهاز قياس ضغط الدم الإلكتروني، يوجد مستشعر ضغط واحد يقيس ضغط الهواء داخل الكفة (شريط الذراع).

القيم (البيانات الخام / الإشارة الخام) التي يلتقطها مستشعر الضغط هذا في الوقت الفعلي أثناء عملية تفريغ الهواء ببطء بعد نفخ الكفة بالكامل ليست بالضبط “موجات النبض” التي نتخيلها.

تتكون البيانات الخام بشكل أساسي من مزيج من المكونين التاليين:

1. مكون التيار المستمر (DC): ضغط الكفة نفسها. إنه منحدر ضغط هائل ولطيف يتناقص تدريجياً بمرور الوقت بمعدل 2-4 ملم زئبقي/ثانية كما توصي به جمعية القلب الأمريكية (AHA).
2. مكون التيار المتردد (AC): تقلبات دقيقة في الضغط (موجات النبض) تحدث مع نبضات القلب. يتراوح حجم مكون التيار المتردد هذا عادةً حول 1-4 ملم زئبقي (Drzewiecki et al., 1994)، ويركب في شكل تموجات صغيرة فوق منحدر التناقص الهائل لمكون التيار المستمر.

يحاكي الرسم البياني أعلاه البيانات الخام الملتقطة عندما ينخفض ضغط الكفة من حوالي 122 ملم زئبقي إلى 110 ملم زئبقي على مدار حوالي 4 ثوانٍ. يمكنك رؤية الخطوط المتعرجة الصغيرة (مكون التيار المتردد) التي تحدث مع كل نبضة قلب وهي تركب فوق منحنى التفريغ الضخم (مكون التيار المستمر، الخط المنقط).

في الطريقة التذبذبية، ما نريد حقًا رؤيته هو هذه “الخطوط المتعرجة الصغيرة (مكون التيار المتردد)” فقط.

2. الظواهر الفيزيائية الدقيقة التي تحدث في نبضة واحدة

لماذا تحدث هذه الخطوط المتعرجة الصغيرة (زيادات دقيقة في الضغط)؟

دعنا نتتبع إطارًا تلو الآخر الظواهر الفيزيائية التي تحدث داخل الذراع (الشريان العضدي) في اللحظة التي يتم فيها تثبيت ضغط الكفة عند 120 ملم زئبقي. بالمناسبة، لنفترض أن ضغط الدم الفعلي لهذا الشخص هو 120/80 ملم زئبقي.

① الانبساط (عندما يكون القلب في حالة راحة: ضغط الدم 80 ملم زئبقي)

أثناء الانبساط، عندما لا يتم ضخ الدم من القلب، ينخفض الضغط داخل الشريان إلى 80 ملم زئبقي. نظرًا لأن الكفة تضغط من الخارج بقوة 120 ملم زئبقي، ينسحق الشريان تمامًا ويصبح مسطحًا، ويتوقف تدفق الدم. في هذه اللحظة، لا يحدث تغيير في حجم الذراع، ويبقى مستشعر الضغط داخل الكفة هادئاً.

② الانقباض (عندما يتدفق الدم: ضغط الدم 120 ملم زئبقي)

عندما ينقبض القلب وتندفع موجة من الدم، يرتفع الضغط داخل الشريان فجأة إلى 120 ملم زئبقي. في هذه اللحظة، يقاوم الضغط من الداخل (120) مؤقتًا ضغط الكفة من الخارج (120)، وينفتح الشريان المسطح قليلاً.

③ تحويل توسع الشريان إلى “زيادة في ضغط الكفة الداخلي”

هنا يحدث السحر. تمدد الشريان بشكل طفيف يعني أن “حجم الذراع” يزداد قليلاً في تلك اللحظة.

نسيج الكفة (الشريط) الملتف حول الذراع لا يتمدد أو يتقلص. إذا زاد حجم الذراع في حين أن النسيج لا يمكن أن يتمدد، فإن المساحة المتاحة لـ “الهواء” داخل الكفة ستقل، وبالتالي يتعرض الهواء للانضغاط.

وفقاً لقانون بويل (يزداد الضغط عندما يقل الحجم)، فإن انضغاط الهواء يجعل الضغط داخل الكفة “يقفز”. هذا هو ما يكتشفه مستشعر الضغط، وهو الهوية الحقيقية لتلك “الخطوط المتعرجة الصغيرة (مكون التيار المتردد)” المذكورة آنفاً.

3. ما هو شكل موجة النبض؟

الشكل المتعرج الصغير الذي يُرى على أنه مكون التيار المتردد (AC) ليس موجة مثلثية أو جيبية بسيطة. تتميز موجة النبض الشرياني الفعلية بـ شكل مميز ينتج عن اندفاع الدم من القلب والانعكاسات في الجهاز الشرياني.

في الدراسات الفسيولوجية (Baruch et al., 2011; Rubins, 2008)، تم وضع طريقة لنمذجة موجة النبض لنبضة واحدة رياضياً بوصفها تركيباً من ثلاث دوال غاوسية (Pulse Decomposition Analysis: PDA).

ينشئ كل مخطط في هذا المقال أشكال موجية تستند إلى هذا النموذج التحليلي ثلاثي وظائف غاوس. تم تعيين معايير السعة ($A_i$) ومركز الوقت ($\mu_i$) والعرض ($\sigma_i$) لكل دالة غاوسية بالرجوع إلى القيم المُبلغ عنها في المراجع المذكورة أعلاه.

لماذا الشكل مهم؟: في الدراسات الحديثة، أصبح “تحليل موجة النبض (PWA)"، الذي يستخرج البيانات حول صلابة الشرايين ووظائف القلب ليس فقط من السعة (قيمة P-P) بل وأيضاً من محيط (شكل) موجة النبض نفسه، محط اهتمام. ولقد أصبح معروفاً على نطاق واسع في السنوات الأخيرة أن تذبذبات ضغط الكفة المكتسبة عبر الطريقة التذبذبية هي عملياً موجة النبض الشرياني ذاتها (Baruch et al., 2011).

4. من التناظري إلى الرقمي: عملية استخراج السعة

التغيير الفيزيائي لـ “الزيادة الدقيقة في الضغط” الذي تم التقاطه بواسطة المستشعر يمر عبر خطوات متعددة لمعالجة الإشارات الرقمية داخل الميكروكنترولر (وحدة التحكم الدقيقة) قبل أن يتحول إلى قيمة عددية فردية (السعة: 0.95 ملم زئبقي).

الخطوة 1: أخذ العينات (التحويل A/D)

تغييرات الضغط في العالم الحقيقي عبارة عن موجات تناظرية مستمرة، لكن الميكروكنترولر لا يستطيع معالجتها كما هي. لذلك، يتم قياس الضغط بتردد، مثل 100 مرة في الثانية (معدل أخذ العينات 100 هرتز)، وتسجيله كمجموعة من النقاط الرقمية.

الخطوة 2: التصفية عالية التردد (High-pass Filtering) / إزالة مكون التيار المستمر (DC)

كما رأينا في المخطط السابق، فإن موجة النبض (مكون التيار المتردد) يتردد صداها فوق ضغط الكفة سريع الانخفاض (مكون التيار المستمر). لا يمكننا تحديد ارتفاع الموجة بدقة والوضع هكذا. لذا يتم استخدام “مرشح تمرير النطاق (band-pass filter)” (بنطاق تمرير حوالي 0.5 إلى 20 هرتز) بناءً على معايير IEEE/AAMI لإزالة التغيرات البطيئة (مكون التيار المستمر، أقل من 0.5 هرتز) وفي وقت واحد عزل أصوات الضوضاء عالية التردد (التي تزيد عن 20 هرتز).

ونتيجة لذلك، يتم استخراج موجة النبض الصافية (مكون التيار المتردد) فقط، مع اعتبار الخط الأفقي 0 ملم زئبقي كمرجع (خط الأساس).

في المخطط البياني أعلاه، تمت إزالة مكون التيار المستمر (DC) تماماً، ويبدو واضحاً خصائص موجة النبض المتشكلة من دوال غاوس الثلاثية. مع كل نبضة، يتكرر النمط بدءاً من الارتفاع الحاد (P₁: موجة انقباضية) → الانتفاخ الكتفي (P₂: موجة منعكسة) → الارتداد الدقيق (P₃: موجة ديكروتيكية) → هدوء الانبساط.

الخطوة 3: حساب سعة الذروة إلى الذروة (Peak-to-Peak: P-P)

من شكل الموجة المُصفَّاة، تُحدد “الكمية التمثيلية الفردية” لاستخدامها في حساب ضغط الدم. تستخدم في العادة طريقة سعة الذروة إلى الذروة (P-P) في القياس التذبذبي.

يتم عزل شكل موجة نبضة واحدة (تستغرق نحو 0.83 ثانية عند معدل ضربات قلب يبلغ 72) ثم تُحسب كما يلي:

1. البحث عن “أعلى نقطة (الذروة - Peak)” في تلك النبضة.
2. البحث عن “أدنى نقطة (القاع - Trough)” في نفس النبضة.
3. طرح عمق القاع من ارتفاع القمة العالية (الذروة ناقص القاع / Peak - Trough).

يكبر المخطط البياني بالأعلى شكل الموجة لنبضةٍ واحدةٍ (يُقاس المحور الأفقي بالمللي ثانية). الفرق الظاهر بين القمة (الذروة - Peak) للصعود P₁ (الموجة الانقباضية) وبين أخفض نقطة بنهاية الانبساط (القاع - Trough) هو سعة الذروة إلى الذروة (P-P). وهذه بالضبط هي الهوية الحقيقية لنقطة البيانات في مقال المحاكاة: “طول سعة التذبذب عند ضغط الكفة 120 ملم زئبقي يساوي 0.95 ملم زئبقي”.

5. العودة للمنظور الإجمالي الماكرو: من سعة واحدة لتشكيل الغلاف الخارجي المنحني

دعنا نلخص العمليات المصغرة حتى الآن:

1. الظاهرة الفيزيائية: اندفاعٌ يوسع الشريان للحظة، فيزداد حجم الذراع، مما يضغط الهواء بداخل الكفة فينتج عنه ارتفاع طفيف في الضغط.
2. معالجة الإشارة: يتم أخذ عينات من بيانات المستشعر الخام، وتُصفّى باستخدام مرشح تمرير (0.5-20 هرتز) لإزالة مكون التيار المستمر والتشويش، وبالتالي تُستخلص موجة نبضالصافية فقط (مكون التيار المتردد).
3. التكميم: يُحسب ارتفاع “من قمة موجة النبضة الواحدة حتى القاع (Peak-to-Peak)” ليشكل ما يعرف باسم “قيمة السعة الواحدة”.

يقوم جهاز ضغط الدم الإلكتروني بتكرار هذا الحساب آلياً بشكل متواصل (“استخراج الموجة ← التصفية الفلترية ← استخراج سعة الذروة للذروة P-P”) كلما تكررت النبضة (عشرات المرات) في حين تتناقص ضغوطات الكفة بالتدريج.

يتم رسم كل نقاط السعة الحسابية أو ما يطلق عليها نقاط Amplitude points المستخرجة الفردية (0.95 ملم، و 1.30 ملم، و 1.65 ملم…) ومطابقتها مقابل ضغوطات الكفة ويتم ربطها كلها بخط محيط متقوس أنسيابي لينتج لنا ما رأيناه في المقال السابق باسم “الغلاف التذبذبي” (Oscillometric Envelope).

مجموعة النقاط التي تم استخراجها أصلًا من أطوال الموجة بالبيانات الأولية الخام (التمثيل الجزئي-الميكرو) ينسج محيطًا وشكل الغلاف الكلي المعبر (التمثيل الكلي-الماكرو)، حيث ومن هذا الغلاف تحدد القراءات والأرقام الكلية المستخلصة لضغط الدم النهائية، الانقباضي SBP والانبساطي DBP - هذه هي الصورة الكبرى للكمية الهائلة لسباق نقل وتحليل ومعالجات البيانات الحسابية الذي ينبض بداخله جهاز القياس.

مصادر فسيولوجية وعلمية

1. Geddes LA, Voelz M, Combs C, Reiner D, Babbs CF. “Characterization of the oscillometric method for measuring indirect blood pressure.” Annals of Biomedical Engineering 10:271-280, 1982.
2. Drzewiecki G, Hood R, Apple H. “Theory of the oscillometric maximum and the systolic and diastolic detection ratios.” Annals of Biomedical Engineering 22:88-96, 1994.
3. Baruch MC, Warbritton DER, Babb AR, Shaltis PA, Ring R. “Pulse Decomposition Analysis of the digital arterial pulse during hemorrhage simulation.” Nonlinear Biomedical Physics 5:1, 2011.
4. Rubins U. “Finger and ear photoplethysmogram waveform analysis by fitting with Gaussians.” Medical & Biological Engineering & Computing 46:1271-1276, 2008.

قراءات ذات صلة (مقالات)

• تجربة الطريقة التذبذبية عبر الأرقام الحسابية: من استخلاص موجة النبض وإلى البيانات والنتائج النهائية لضغط الدم — يمكن مشاهدة ومعاينة “التأكيد الإفتراضي (سيميوليشن)” للكيفية التي تساهم في رسم ووضع الأرقام لترسم منحني للوصول لقيمة وحساب السعة والضغط الكلي هاهنا.
• إفحاص عميق حول الطريقة التذبذبية لقياس ضغط الدم: التكنولوجيا الكامنة بأجهزة قياس الضغط الإلكترونية وطريقة صنعها وبماذا تقوم قياساً، وحقيقة عن حدود دقة قياساتها؟