СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF HEART RHYTHM VARIABILITY

Область техники
Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для определения параметров вариабельности сердечного ритма человека при проведении измерений частоты сердечных сокращений (ЧСС) в различных условиях и для пульсовой диагностики.
Уровень техники
Ритм сердечных сокращений оказался наиболее доступным физиологическим параметром для регистрации, который отражает процессы в сердечнососудистой системе (ССС) человека. Методика анализа вариабельности сердечного ритма (вариационная пульсометрия), которая начала разрабатываться в 60-х годах предыдущего столетия в связи с потребностями авиации и космонавтики, показала весьма значительные потенциальные возможности для распознавания предболезненных состояний организма человека, определения эффективности лечебных процедур и др. Она нашла к настоящему времени широкое распространение в кардиологической медицине [1, 2, 3…].
Для измерения ЧСС в пульсометрии сначала необходимо получить электрокардиосигналы (ЭКС) либо с помощью металлических пластинчатых электродов [1, 2, 3, 9, 10], как в классической электрокардиографии (ЭКГ), что не очень удобно для обследуемых, либо с помощью каких-либо других датчиков (более компактных и удобных, без электрических контактов) [6 и др.]. Так, большое распространение получили оптоэлектронные датчики, в которых светодиод просвечивает палец (руки), а фотодиод (или фототранзистор) принимает прошедший через палец (иди мочку уха), оптический сигнал, промодулированный потоком крови, имеющим импульсный характер при работе сердца [7 и др.]. Известны и другие бесконтактные датчики: компактные оптоволоконные [4], пьезоэлектрические [5] и др.
Получаемый с помощью датчиков электрокардиосигнал (ЭКС) имеет характер импульсов напряжения, лишь ненамного превышающих уровень шумов и помех, поэтому ЭКС нуждается в предварительном усилении, фильтрации, выделении и формировании четких импульсов, соответствующих остроконечным R-зубцам на ЭКГ. С помощью полученных из ЭКС импульсов затем измеряют ЧСС в различных устройствах (в основном, цифровых) пульсомерах, большое количество которых представлено не только в специальной литературе, но и в популярной технической периодике.
Современное состояние измерительной и вычислительной техники позволяет создавать многофункциональные измерительные системы, способные работать в реальном масштабе времени [2, 4, 6…]. На рынке в настоящее время представлены разнообразные пульсомеры, встроенные в электронные наручные часы различных фирм (американской POLAR, финской SUUNTO, немецкой BEURER и др. в том числе разнообразные тонометры с функцией измерения ЧСС) с индикацией на матричном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Имеются также уже сведения об использовании для получения ЭКС мобильных аппаратов i-Phone и i-Pad. Однако эти простые пульсомеры измеряют, как правило, только ЧСС и не позволяют определить параметры вариабельности сердечного ритма.
Поскольку ЭКС является низкочастотным квазипериодическим сигналом при нормальном пульсе 60 уд/мин ЧСС равна 1 Гц, ЧСС измеряют практически во всех перечисленных устройствах по известным правилам измерения низких частот: измеряют временные интервалы между соседними импульсами ЭКС (т.н. R-R интервалы) счетно-импульсным методом [8] (заполнял измеряемые интервалы счетными импульсами от высокостабильного генератора опорной частоты, обычно кварцевого, с последующим подсчетом числа этих счетных импульсов, заполнивших измеренный интервал электронным счетчиком импульсов). ЧСС находится как величина, обратная измеренному R-R интервалу (его среднему значению).
Погрешность измерения счетно-импульсного измерителя включает в себя погрешность и нестабильность частоты генератора счетных импульсов (обычно пренебрежимо малую, если генератор кварцевый) и дополнительно специфическую погрешность таких цифровых измерителей, равную ± периоду этого генератора счетных импульсов (она соответствует ±1 ед. счета).
Из конкретных разработок можно отметить недорогой микроконтроллерный монитор [7] с оптоэлектронным датчиком (со светодиодом и фотодиодом), надевающимся на палец руки, и с ЖКН. Микроконтроллер с преобразованием Фурье позволяет на ЖК-дисплее получить, кроме ЧСС, еще и спектральную диаграмму ЭКС, на которой видны 1-я (72 bps) и 2-я (144 bps) гармоники спектра. Погрешность измерения ЧСС составила единицы %.
Устройство для измерения ЧСС (по патенту РФ от 1995 г. [9]) содержит двухэлектродный датчик ЭКС, дифференциальный усилитель, фильтр, блок определения ЧСС, исполнительный блок и дополнительные источник питания, резистор и ключ. ЧСС определяется по времени между двумя соседними ударами (пульса). В случае нарушения контакта (в электродах) в исполнительном блоке вырабатывается сигнал, который блокирует анализ временных интервалов, и на индицирующем устройстве остается предыдущая информация о ЧСС. Таким образом, повышается надежность работы устройства. Его недостатком является невозможность определения параметров вариабельности сердечного ритма.
В [10] запатентован носимый монитор для длительного мониторирования ЭКГ. Он содержит блок снятия ЭКГ с двумя матрицами электродов, АЦП, сменную карту памяти, связанные с микроконтроллером (МК), средства формирования SMS-сообщений через GSM-модем телефона, трехкоординатный акселерометр, часы реального времени, USB-порт, блок подавления синфазной помехи, связанные с МК и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). МК выполнен с возможностью занесения в ОЗУ индивидуальных параметров ЭКГ пациента и сопоставления с ними параметров ЭКГ текущего мониторинга. При отличии параметров больше критической формируется SMS-сообщение с диагнозом через GSM-модем телефона. Недостатком этого устройства является его изрядная сложность, а также неприспособленность для определения параметров вариабельности сердечного ритма.
Устройство для контроля аритмии (патент РФ №2077863 [11]) позволяет автоматически регистрировать момент увеличения аритмичности сердечной деятельности пациента. Оно содержит генератор тактовых импульсов, блок измерения разности между соседними интервалами R-R, блок сравнения, блок контрольной установки и блок управления. При увеличении аритмичности в ЭКС пациента на выходе устройства появляется соответствующий сигнал. Недостатком этого устройства являются его ограниченные функциональные возможности - оно выполняет только функции сигнализатора. В нем не предусмотрены возможности для определения параметров вариабельности сердечного ритма.
R-R
Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы (ССС), запатентованный в [12], заключается в регистрации ЭКС и определении параметров пульса и их координированных изменений при различных нагрузках. При этом регистрируют 10 интервалов R-R, измеряют их длительность и определяют количество K одинаковых по длительности. Делают это до нагрузки и после нагрузки. При изменении длительностей после нагрузки более чем на 30%, диагностируют перенапряжение адаптационных реакций ССС. При одновременном сокращении длительностей интервалов до 300 мс определяют фибрилляторную готовность сердца и проводят своевременные профилактические мероприятия для предотвращения внезапной смерти пациента. Этот способ не ориентирован на определение параметров вариабельности сердечного ритма.
Наиболее близким к предлагаемому по назначению является «Способ исследования вариабельности сердечного ритма» (патент РФ №2326587 [13] - прототип). Этот способ включает в себя регистрацию R-R-интервалограммы и проведения ее анализа в частотной области методом непрерывного вейвлет-преобразования, в котором определяют мощность частоты кардиоинтервалограммы по формуле, приведенной в формуле изобретения. На основе вейвлетных коэффициентов строятся скейлограммы, на которых выделяются физиологически значимые частотные диапазоны и определяются затем изменения вейвлетной плотности мощности. Недостатком этого способа является недостаточность видимой связи получаемых параметров с общепринятыми параметрами вариабельности при частотном анализе ЭКС, а также в избыточной сложности в реализации.
Сущность изобретения
Предлагаемый способ определения параметров вариабельности сердечного ритма основан на аналогии вариабельности и нестабильности частоты квазипериодических колебаний в радиотехнике и на применении к низкочастотным ЭКС методов анализа во временной области [14, 15]. Способ включает в себя преобразование сердечного пульса в ЭКС с помощью известных датчиков, его предварительное усиление и частотную фильтрацию (при необходимости), выделение из усиленного и отфильтрованного ЭКС импульсов, соответствующих R-импульсам ЭКГ.
Далее производят ряд измерений последовательных (следующих друг за другом) временных интервалов R-R цифровым измерителем счетно-импульсного типа, имеющем в своем составе программно-вычислительный блок с запоминающим устройством (ЗУ) и жидкокристаллический матричный индикатор (ЖКИ)-дисплей, результаты этих измерений запоминают в ЗУ и формируют массив результатов множества измерений определенного объема (число элементов этого массива задается предварительно). По этому массиву вычисляют известным образом среднее значение измеренных интервалов и ЧСС, как величину, обратную этому среднему значению измеренных интервалов R-R, а также величину среднего квадратического отклонения (СКО - стандартного отклонения [3]) этих интервалов R-R и ЧСС от среднего значения.
Далее по полученному массиву определяют максимальное и минимальное значения измеренных интервалов R-R и разницу между ними, делят эту разницу на определенное число одинаковых (по длительности) каналов (это число каналов Nк может быть определено (задано) заранее), определяя таким образом ширину временного «окна» каждого канала полученного в итоге многоканального временного дискриминатора,  подсчитывают число элементов массива результатов измерений, попавших в каждый канал полученного Nк - канального временного дискриминатора, и формируют функцию плотности распределения числа элементов массива, попавших в каждый канал, в зависимости от номера канала (и от соответствующей величины интервала R-R). Диаграмму полученной функции распределения измеренных интервалов R-R представляют на дисплее вместе с другими параметрами ЧСС и ее вариабельности. Наконец, поделив число элементов массива на максимальную ординату функции распределения, находят «эффективную ширину» функции распределения (в [14] она названа эффективной шириной «спектральной линии» квазигармонических колебаний). Этот параметр также выводится на экран дисплея.
Форма огибающей функции распределения измеренных интервалов R-R (величин периодов сердечного ритма) должна представлять собой для здорового человека в нормальных условиях, неизменных за время проведения измерений набора массива результатов измерений (тогда ЭКС можно считать стационарным), одногорбую кривую с одним максимумом (похожую на кривую нормального (гауссова) распределения). Наличие в этом распределении побочного максимума будет свидетельствовать о наличии аритмии сердечного ритма у такого пациента.
Форма огибающей функции распределения периода квазигармонического (квазипериодического) колебания с хаотической (шумовой) модуляцией частоты (периода), как показано в авторитетных источниках, указанных в [14], повторяет в линейно измененном масштабе форму огибающей спектра мощности этого квазигармонического колебания. Учитывая обратную пропорциональность периода и частоты для таких колебаний будет:
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>T</mi><mi>o</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>δ</mi><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>f</mi><mi>o</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>δ</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где δT=ΔT/To и δf=Δf/fo - малые относительные флуктуации периода и частоты колебаний соответственно. Разлагая правую часть (1) в биномиальный ряд и ограничиваясь первым приближением, получим:
<mrow><mi>δ</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>δ</mi><mi>f</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
соответственно. Из этого следует, что форма огибающей функции распределения периодов квазипериодического колебания может рассматриваться и как форма огибающей спектра мощности этого колебания, в которой ось частот (абсцисса) проходит параллельно оси времени (оси периодов) только справа налево (в сторону, обратную оси времени).
Для минимизации суммарного времени измерений и набора вышеупомянутого массива результатов измерений интервалов R-R очень важно, чтобы измерялся каждый из последовательных интервалов (без исключений). Тогда за время измерений 5 минут (принятого в клинической практике [1, 2]) можно получить для нормального пульса (69 уд. в мин) массив из 300 измеренных значений (это не так уж много для формирования функции распределения). Для 20-минутного времени измерения (это также практикуется в некоторых случаях [1, 2, 6]) можно получить массив из 1200 результатов измерений (этого уже достаточно для формирования функции распределения) при числе каналов временного дискриминатора около 20-30.
В устройстве для измерений интервалов R-R ЭКС могут быть использованы, в принципе, и промышленные цифровые частотомеры-периодомеры. Уже существуют модели таких приборов, в которых предусмотрена математическая обработка результатов измерений и построение на ЖКИ некоторых зависимостей (это, например, частотомеры фирмы PENDULUM, модели CNT-90XL и CNT-91 стоимостью от 150 до 650 тыс. руб. или частотомеры АКТАКОМ, модели АСН-8322, 8324, 8326 стоимостью от 20 да 40 тыс. руб.). Однако промышленные частотомеры измеряют только каждый второй период входного сигнала, поскольку используемый в них одноканальный счетчик импульсов с селектором на входе, измерив один период, в течение следующего периода приводится в исходное состояние и бывает готов к следующему измерению еще через один период после измеренного. Для обеспечения возможности измерений каждого периода входного сигнала в цифровом измерителе интервалов R-R по предложенному способу следует использовать, как предложено, например, в [15], двухканальную схему измерения с двумя счетчиками импульсов (по одному в каждом канале), один из которых считает «нечетные», а другой - «четные» интервалы R-R, а результаты их измерений запоминаются в ЗУ так, что образуют единый массив результатов измерений.
Предложенный способ может быть немного видоизменен для облегчения процедуры нахождения «ширины» подученного распределения. Для этого процесс подсчета числа попаданий элементов массива результатов измерений в каждый канал (т.е. набор ординат функции распределения) нужно совместить с процессом набора самого массива и закончить эти процессы одновременно при достижении в каком-либо канале числа элементов, равного 10 или лучше 100. Тогда для определения «ширины» распределения полученное в итоге число элементов массива (оно должно быть подсчитано специальным счетчиком) нужно будет поделить на 10 или 100, для чего достаточно передвинуть запятую в числе элементов массива на один или два десятичных разряда влево. При этом разница между максимальным и минимальным значениями измеренных интервалов R-R и ширина временного «окна» каждого канала должны быть определены заранее (например, в результате предварительных измерений за более короткое время).
Для реализации предложенного способа не требуется оцифровки ЭКС в АЦП (как в [10] и др.) и выполнения сложных вычислительных процедур (цифрового перемножения и др.), требующих сложных вычислительных устройств с большим объемом памяти. Поэтому представляется возможным реализовать этот способ в достаточно простых и компактных устройствах типа наручных электронных часов с ЖКИ, мобильных телефонов, i-Phone и пр.
Технический результат заключается в получении функции распределения измеренных интервалов R-R (и ЧСС), огибающая которой содержит информацию и о распределении частотных составляющих в спектре электрокардиосигнала (ЭКС). Для реализации предложенного способа не требуется оцифровки ЭКС в АЦП (как в [10] и др.) и выполнения сложных вычислительных процедур (цифрового перемножения и др.), требующих сложных вычислительных устройств с большим объемом памяти. Поэтому представляется возможным реализовать этот способ в достаточно простых и компактных устройствах типа наручных электронных часов с ЖКИ, мобильных телефонов, i-Phone и пр.
Источники информации
1. Новые методы электрокардиографии / Под редакцией Г.Г. Иванова, С.В. Грачева, А.П. Сыркина. - М.: Техносфера, 2007. - 552 с.
2. Кузнецов А.А. Методы анализа и обработки электрокардиографических сигналов: Новые подходы к выделению информации: монография. - Владимир: Изд-во Владимирского гос. ун-та, 2008. - 140 с.
3. Кузнецов А.А. Применение метода оценки вариабельности сердечного ритма в донозологической диагностике функционального состояния организма. - Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 50-55.
4. Явелов С.С., Колпаков Е.В. Компьютерный анализатор пульсовой волны и электрической активности сердца «ПУЛЬС». - Медицинская техника. - 2003. - С. 11-16.
5. Рамазанов М.А., Панахова З.Г. Пьезокерамический датчик для регистрации артериальных пульсовых волн. - Приборы и техника эксперимента. - 1997. - №5. - С. 132-133.
6. Система сбора и обработки данных о функциях и состоянии человека / Е.И. Шкелев, В.Г. Кузьмин, И.Я. Орлов и др. - Вестник Нижегородского государственного университета. Серия Радиофизика. - 2004. - Вып. 2. - С. 47-54.
7. Sharief F. Babiker, Liena Elrayah Abdel - Khair, Samah M. Elbasheer. Microcontroller Based Heart Rate Monitor using Fingertip Sensor. - University of Khartum Endgineering Journal (UofKEJ) Vol. 1 Issue 2 pp. 47-51 (October 2011).
8. Далечин А.Ю., Носок C.A. Современная пульсодиагностика - новые возможности применения в клинике. - Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы (ААЭКС), №2(12), 2003, Информационно-измерительные системы.
9. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений. Патент РФ RU 2042333 C1, МПК A61B 5/024, заявл. 36.06.1988, опубл. 27.08.1995 / Институт кибернетики им. В.М. Глушкова АН Украины, авторы: Мамаев В.М., Онищенко П.М.
10. Носимый монитор с автоматической передачей диагноза по каналу связи при возникновении критической ситуации. Патент РФ RU 2444986 C1, МПК A61B 5/0402, A61B 5/0205, A61B 5/024, заявл. 27.07.2010 / ООО ПО «Нейрокомэлектронтранс», авторы: Бонч-Бруевич В.В., Кадин И.Л., Филатов А.Л., Шершуков А.С.
11. Устройство для контроля аритмии. Патент РФ RU 2077863 C1, МПК A61B 5/0245, A61B 5/0402, заявл. 23.11.1993, опубл. 27.04.1997 / Казанский государственный технический университет им А.Н. Туполева, авторы: Михайлов А.Л., Седов С.С., Щербакова Т.Ф.
12. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы (ССС). Патент РФ RU 2313279 C1, МПК A61B 5/0425, заявл. 05.07.2006 / Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, авторы: Кузнецов Д.В., Кузнецова Т.Г., Корнюшина Н.М.
13. Способ исследования вариабельности сердечного ритма человека. Патент РФ RU 233657 C1, МПК A61B 5/0452 / Воронежский государственный университет, автор Туровский Я.А.
14. Ермоленко И.А. Измерение кратковременной нестабильности, реальной ширины и формы спектральной линии колебаний полупроводниковых генераторов. - Сб. науч., трудов «Полупроводниковые автоколебательные системы и усилительные устройства». - Л.: ЛПИ, 1984. - С.55-62.
15. Способ приема сигналов с угловой модуляцией. Патент РФ RU 2040860 C1, МПК H04L 27/22, заявл. 09.06.1990, опубл. 27.07.1995 / Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, авторы: Ермоленко И.А., Павлов К.П.