Способ неинвазивного определения биофизических сигналов
METHOD FOR NONINVASIVE DETERMINATION OF BIOPHYSICAL SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а точнее к функциональной диагностике, к способам измерения и определения специфических параметров биофизических сигналов для неинвазивной диагностики заболеваний внутренних органов человека.
Известно, что кардиоимпульсы любой физической природы: электрической, магнитной, гидродинамической и механической - все одновременно генерируемые сердцем и подвергаемые модуляции несут в себе дублированную информацию о норме и заболеваниях внутренних органов (1. Успенский В.М. Информационная функция сердца. Теория и практика диагностики заболеваний внутренних органов методом информационного анализа электрокардиосигналов. - М.: «ПЛАНЕТА», 2016. - с. 272.) Однако для информационного анализа по технологии, предложенной В.М. Успенским, в настоящее время наиболее доступны электрокардиосигналы и сейсмокардиосигналы.
Известен способ определения функционального состояния нервной вегетативной системы человека по индексу напряжения (Баевский Р.М. "Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии". - М.: 1979 г.), включающий регистрацию временных интервалов R-R электрокардиограммы, статистическую обработку с определением МО - моды, АМО - амплитуды моды, АХ - вариационного размаха и последующего расчета индекса напряжения по формуле и построение гистограмм.
Известен способ интегральной оценки состояния организма человека по патенту RU 2083155, С1 от 10.07.97 (Савицкий В.В., Суетина Д.А.), который состоит в следующем. Регистрируют временные интервалы R-R ЭКГ (электрокардиограммы) и проводят энтропийный анализ сердечного ритма по предложенной формуле и при значении Е 50-70 уел. ед. оценивают состояние регуляторных механизмов организма как оптимально устойчивое, при Е выше 70 усл. ед. констатируют напряжение регуляторных механизмов или их рассогласование. Способ позволяет оценить состояние организма человека как целостной системы и может быть использован для профотбора, оценки лечебных и тренировочных процессов.
Недостатком всех вышеописанных способов является то, что они не позволяют провести диагностику заболеваний.
Известен способ экспресс-диагностики злокачественных новообразований (см. патент RU №2100958, С1). Способ заключается в регистрации электрокардиограммы во втором стандартном отведении, в положении пациента лежа на спине. Исследование проводят в отдельном помещении, после нескольких минут адаптации к условиям кабинетной записи и горизонтальному положению. В течение двух часов до начала съема ЭКГ обследуемым рекомендуют воздерживаться от приема пищи и курения. Регистрируют от нескольких сотен до нескольких тысяч R-R интервалов электрокардиограммы и проводят их математическую обработку с определением обычных статистических показателей ритмограммы: среднего значения длительности R-R интервалов (МЧ), дисперсии (ДЧ), асимметрии (АЧ) и эксцессы моды (ЕЧ), гладкости (S4) и вероятности (Р) динамики изменения длительности R-R интервалов в сторону увеличения или уменьшения, формируют так называемый "код" ритмограммы в виде последовательности вычисленных значений МЧ, ДЧ, АЧ, ЕЧ, S4 и Р, определяют ближайший код больного и ближайший код здорового по величине евклидова расстояния между кодом обследуемого и имеющимися в выборке кодами ритмограмм групп здоровых и больных онкологическими заболеваниями, вычисляют распознающую функцию по формуле. Способ позволяет выявлять злокачественные новообразования, в том числе на ранних стадиях развития, независимо от локализации.
Однако этот известный способ непригоден для диагностики других (кроме злокачественных) заболеваний.
Известен способ неинвазивной дистанционной диагностики онкологического заболевания (патент RU №2144781, МПК А61В 5/00, опубликовано 27.01.2000). Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для диагностики и дифференцирования онкологического заболевания. В способе неинвазивной дистанционной диагностики состояния человека измеряют электромагнитное излучение органов и тканей человека с помощью высокочувствительного приемника с последующей обработкой и анализом результатов измерений. Причем проводят измерение электромагнитного излучения органов и тканей человека в миллиметровом и/или дециметровом диапазонах. Обработку результатов измерений осуществляют путем детектирования высокочастотного шумового сигнала и выделения низкочастотной модулирующей составляющей. Далее осуществляют ее спектральный анализ с использованием различных спектральных сглаживающих окон, определяют систематические компоненты в оценках спектров с помощью метода нелинейного оценивания с выделением остаточных кривых в оценках спектра за вычетом систематической компоненты. Формируют диагностические признаки в виде параметров систематических компонент и характеристик остаточных кривых. После этого проводят дополнительные измерения с последующей их обработкой, анализом и формированием дополнительных диагностических признаков. Из совокупности однородных диагностических признаков строят множество динамических рядов, на основании динамических рядов с использованием статистического и/или нейросетевого классификатора определяют наличие онкологического заболевания, при этом антенну приемника устанавливают так, что продольная ось ее перпендикулярна поверхности тела, затем осуществляют поворот антенны приемника на 90° относительно его продольной оси и повторяют измерения с последующей их обработкой, анализом и формированием диагностических признаков, для каждого из которых строят второе множество динамических рядов, путем сопоставления динамических рядов, полученных до и после изменения положения антенны приемника, с использованием дополнительного статистического и/или нейросетевого классификатора дифференцируют онкологическое заболевание. Способ позволяет объективно и в короткие сроки оценить качественно и количественно функциональную активность всех основных органов и систем организма человека и дифференцировать онкологическое заболевание, если последнее имеет место, установить первичный очаг и метастазы.
Недостатком способа является диагностика исключительно онкологических заболеваний и чувствительность к электромагнитным помехам.
Известен способ неинвазивной диагностики фиброза при диффузных заболеваниях печени (патент RU №2422091, МПК А61B 8/06, G01N 33/50, опубликовано 27.06.2011). Изобретение относится к области медицины, а именно к гастроэнтерологии. Для неинвазивной диагностики фиброза и цирроза при HBV и HCV инфекциях проводят комплексное ультразвуковое исследование ткани печени и селезенки. Дополнительно проводят дуплексное сканирование с цветным допплеровским картированием сосудов портопеченочного региона и определяют количественные показатели гемодинамики скорости кровотока в сосудах, в том числе в селезеночной вене. Исследуют анализ крови, по которому определяют количество тромбоцитов, проводят биохимические исследования крови, берут наиболее весомые для определения стадии заболевания показатели коагулограммы. Далее проводят дискриминантный анализ полученных характеристик и показателей и с учетом возраста и экспериментально полученных коэффициентов рассчитывают суммарное значение двух канонических дискриминантных функций F1 и F2 для HCV и HBV инфекций. Далее по полученной эмпирическим путем территориальной карте определяют положение точки для рассчитанных по конкретным показателям больного значений F1 и F2 для случаев HCV-инфекции и HBV-инфекции. В зависимости от расположения точки на территориальной карте диагностируют случай легкого фиброза, тяжелого фиброза или цирроза печени. Способ повышает достоверность диагностики фиброза и цирроза при HBV и HCV инфекциях.
Недостатком способа является диагностика исключительно фиброза при диффузных заболеваниях печени и отсутствие полной неинвазивности в связи с необходимостью дополнительного анализа крови стандартными способами.
Известен способ по патенту RU №2163088, О для диагностики заболеваний внутренних органов неинфекционной природы на любой стадии их развития (Успенский В.М., 2001 г.). В этом известном способе регистрируют 300-600 электрокардиосигналов, выделяют серии, соответствующие дыхательным волнам, ранжированные на периоды с учетом количества входящих в них кардиоимпульсов, определяют амплитуду зубцов Rn(ф) и интервалы времени между ними Tn(ф) в каждой серии. Вычисляют среднестатическую величину амплитуды каждого зубца Rn(cp) и временного интервала Tn(ср) путем математической обработки тех зубцов Rn(ф) и временных интервалов Tn(ф), порядковый номер которых в серии соответствует порядковому номеру в анализируемой серии. Сравнивают амплитуду каждого анализируемого зубца Rn(ф) и величину каждого анализируемого временного интервала Tn(ф) с соответствующими среднестатическими величинами, а кодированию подвергают получаемые выражения сравнения. Кодирование производят с использованием одно-двух-трех и более членных кодовых комбинаций, построение кодограммы обследуемого осуществляют в соответствии с вариантом кодирования и количеством членов кодовой комбинации методом последовательного смещения на один кардиосигнал всей записи кардиоимпульсов от начала до конца с последующим структурированием кодограммы путем распределения кодовых комбинаций с учетом частоты их встречаемости. Далее сравнивают кодограммы обследуемого с эталонными кодограммами здоровых и больных лиц, полученными аналогичным образом и включающими только кодовые комбинации стопроцентной встречаемости, заключение о наличии нормы или заболевания выносят в случае наличия в кодограмме обследуемого полного набора комбинаций символов соответствующего эталона.
Недостатками этого способа являются: продолжительность исследования от 20 до 40 и более минут в зависимости от частоты пульса, необходимость последовательной регистрации комплекса кардиоимпульсов в стандартных отведениях съема электрокардиограммы, а также неполное кодирование пространственно-временной динамики кардиоциклов во фрагментах структурированной кодограммы, включающих три и более кардиоциклов, что чревато частичной потерей информации, заложенной в динамике их основных параметров.
Известен патент RU 2679296 «Сейсмокардиоблок и способ измерения сейсмокардиоцикла» (см. заявка №2017141767 от 30.11.2017, Солдатенков В.А. и др.). Описанное в патенте устройство, использовалось при апробации предложенного способа неинвазивной диагностики заболеваний, а именно: сейсмокардиоблок, содержащий корпус с размещенными в нем трехосным блоком микроэлектромеханических акселерометров, трехосным блоком микроэлектромеханических гироскопов и схемой обработки и передачи данных. Схема обработки и передачи данных содержит вторичный источник питания со стабилизатором напряжения, блок буферных повторителей на основе малошумящих операционных усилителей, цифровой микроконтроллер (МК) со встроенными аналого-цифровым преобразователем (АЦП), интерфейсами USART и JTAG и технологическим разъемом для программирования МК, а также микросхему-преобразователь выходного интерфейса USART - RS-422 с основным разъемом сейсмокардиоблока, при этом три выхода, соответствующие осям трехосного блока микроэлектромеханических акселерометров, через операционные усилители подключены к входам АЦП МК, три выхода, соответствующие осям трехосного блока микроэлектромеханических гироскопов, подключены к другим входам МК, выход вторичного источника питания подключен к входам соответствующих операционных усилителей, входу трехосного блока микроэлектромеханических акселерометров, входу МК и входу преобразователя выходного интерфейса USART - RS-422, выход стабилизатора напряжения подключен к входу трехосного блока микроэлектромеханических гироскопов и своему входу МК, технологический разъем для программирования МК подключен к интерфейсу JTAG, интерфейс USART связан с микросхемой-преобразователем выходного интерфейса USART - RS-422, содержащей основной разъем сейсмокардиоблока, связанный общей шиной с входами вторичного источника питания и стабилизатора напряжения, при этом МК выполнен с возможностью цифроаналогового преобразования полученных сигналов, их фильтрации и вычисления модуля вектора собственного ускорения сердца и углов его ориентации в приборной системе координат для последующего контроля состояния человека. В испытаниях описанный сейсмокардиоблок стыковался с электрокардиоблоком высокого разрешения. Патент также содержит способ измерения вектора собственного ускорения сердца, включающий преобразование колебаний сердца с помощью содержащего трехосный блок микроэлектромеханических акселерометров сейсмокардиоблока в электрические выходные сигналы, которые соответствуют проекциям вектора кажущегося ускорения сердца на оси ортогональной системы координат, оцифровывают и подвергают фильтрации, отличающийся тем, что дополнительно используют трехосный блок микроэлектромеханических гироскопов, с помощью которого преобразуют сердцебиения в дополнительные электрические выходные сигналы, при этом осуществляют первичную фильтрацию сигналов и компенсацию систематических погрешностей смещения нулей и коэффициентов преобразований, на основе полученных значений проекций угловых скоростей и кажущихся ускорений вычисляют матрицу поворота приборной системы координат относительно опорной и углы ее ориентации, вычисляют модуль вектора собственного ускорения сердца и углы его ориентации в приборной системе координат, после чего осуществляют вторичную фильтрацию полученных значений в виде временного ряда и используют полученные данные для определения состояния человека.
Недостатком описанного способа является вычисление значения модуля вектора собственного ускорения, который по сравнению с исходным сигналом акселерометра является суммой сигналов гироскопов и акселерометров, что вносит значительную погрешность, в том числе из-за интегрирования сигнала гироскопа для вычисления матрицы поворота, включает очень малые величины углов α, β используемых в качестве параметров сигнала, а также отсутствует взаимосвязь с сигналом ЭКГ. Все это не позволяет напрямую использовать это техническое решение для неинвазивной диагностики заболеваний человека на основе информационного анализа биофизических сигналов.
Известен принимаемый за прототип способ диагностики заболеваний внутренних органов (Патент РФ на изобретение №2407431 по заявке №2009125688/14 от 07.07.09), заключающийся в одновременном снятии с помощью электрокардиоблока (ЭКБ) от 300 до 600 электрокардиоциклов в 1, 2, и 3 стандартных отведениях по Эйтховену. Измеряют амплитуды QRS-желудочковых комплексов с погрешностью до 1 милливольта и интервалы времени между ними с погрешностью до 1 миллисекунды. Структурируют массив кардиоциклов с помощью «окна», включающего последовательно 3 или более кардиоциклов путем перемещения на один кардиоцикл вдоль электрокардиограммы от начала до ее конца. Кодируют каждый фрагмент структурированной электрокардиограммы с помощью символов. Подсчитывают одинаковые символы кодирования фрагментов и ранжируют их с учетом частоты встречаемости. Сравнивают с эталонными кодограммами нормы и различных заболеваний, которые получены аналогичным способом, включающим символы только 100% встречаемости. Заключение о наличии нормы или заболевания выносят, суммируя сведения о диагностике в трех отведениях, в каждом из которых наличие нормы или заболевания констатируют при наличии полного набора символов соответствующего эталона. Способ позволяет сократить продолжительность исследования и повысить точность диагностики.
Для реализации вышеописанного способа может быть использован известный дистанционный комплекс для анализа электрокардиограммы по патенту RU 2698980 (см. заявку 2018107720 от 02.03.2018 С1, авторы Ачильдиев В.М. и др.). Дистанционный комплекс для анализа электрокардиосигналов, содержащий электроды датчиков, связанные с электрокардиоблоком высокого разрешения, включающим в свой состав блок аккумуляторов, микроконтроллер с радиоинтерфейсом, связанным через персональную ЭВМ посредством сети интернет с диагностическим сервером обработки данных и хранилищем, отличается тем, что в состав электрокардиоблока дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь высокого разрешения для каждого электрода (далее АЦП) и блок источников опорного напряжения, подключенные к микроконтроллеру, при этом блок аккумуляторов через блок источников опорного напряжения подключен к соответствующим входам упомянутых АЦП, микроконтроллера и радиоинтерфейса, а каждый электрод соединен со своим АЦП посредством кабелей.
Недостатком данных технических решений является то, что для их реализации нельзя использовать стандартные электрокардиографы, необходимо использование большого количества проводов для подключения электродов, которое пациент не может произвести самостоятельно. Кроме того, в способе используются кардиосигналы только одного типа - ЭКГ.
Технический результат предлагаемого в данной заявке способа представляет собой модификацию описанного в прототипе способа диагностики заболеваний, предложенного В.М. Успенским, состоящую в упрощении аппаратной реализации и ее использования при проведении регистрации последовательных кардиосигналов, в связи с возможностью расположения датчиков в одной точке, размещенной на нижней границе грудины пациента, а также расширение списка диагностируемых заболеваний и повышение точности диагностики в связи с использованием кардиосигналов разной природы.
Технический результат достигается тем, что в способе неинвазивного определения биофизических параметров заболеваний человека на основе информационного анализа биофизических сигналов, включающем регистрацию последовательных кардиоциклов кардиосигналов, вычисление значений параметров для каждого кардиоцикла, в том числе размахов амплитуды систолического сегмента и временных интервалов между характерными пиками кардиосигналов, кодирование полученного набора значений параметров последовательных кардиоциклов символами, определение для каждого кардиосигнала частотного вектора из трехчленных кодовых комбинаций с помощью ранжирования их по частоте встречаемости, который сравнивают с эталонными кодами заболеваний из базы данных и оценивают вероятность наличия заболевания, упомянутую регистрацию последовательных кардиоциклов производят, используя синхронизированные по времени одно отведение электрокардиограммы, проекцию сейсмокардиограммы на ось, направленную перпендикулярно поверхности грудной клетки пациента и проекцию гирокардиограммы на ось, направленную к голове пациента.
Кроме того, в набор определяемых параметров последовательных кардиоциклов кардиосигналов включают коэффициент наклона равный отношению размаха амплитуды систолического сегмента к временному интервалу между характерными пиками кардиосигнала, при этом кодирование осуществляют на основе полученных комбинаций знаков приращений параметров последовательных кардиоциклов символами А, В, С, D, Е, F.
Кроме того, в набор определяемых параметров последовательных кардиоциклов кардиосигналов включают площадь региона под кривой кардиосигнала на отрезке между характерными пиками кардиосигнала, при этом кодирование осуществляют на основе полученных комбинаций знаков приращений параметров последовательных кардиоциклов символами А, В, С, D, Е, F.
Кроме того, в набор определяемых параметров последовательных кардиоциклов кардиосигналов включают площадь региона под кривой кардиосигнала на отрезке между характерными пиками кардиосигнала соответствующего кардиоцикла, при этом кодирование осуществляют на основе полученных комбинаций знаков приращений параметров последовательных кардиоциклов символами А, В, С, D, Е, F, G, Н.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 изображены оси используемых проекций кардиосигналов СКГ и ГКГ.
На фиг. 2 и 3 приведены наборы А и Б специфических параметров, используемых для информационного анализа кардиосигналов. На фигурах 1-3 показано:
1 - устройство для регистрации биофизических сигналов трех типов: ЭКГ, СКГ и ГКГ,
2 - точка на нижней границе грудины человека, где размещается устройство 1,
3 - ЭКГ,
4 - СКГ,
5 - ГКГ,
s
6 - ось Z используемой проекции СКГ, соответствует измерительной оси микроэлектромеханического акселерометра в устройстве 1,
g
7 - ось Y используемой проекции ГКГ, соответствует измерительной оси микроэлектромеханического гироскопа в устройстве 1,
n
8 - параметр R, равный размаху амплитуды систолического сегмента кардиосигнала n-го кардиоцикла, размерность соответствует исходной размерности кардиосигнала,
n
9 - параметр Т, [мс], равный временному интервалу между характерными пиками кардиосигнала n-го цикла,
n
10 - параметр K, коэффициент наклона n-го кардиоцикла, вычисляемый по формуле:
11 - параметр Sn, равный площади региона под кривой кардиосигнала на отрезке между R пиками сигнала ЭКГ n-го кардиоцикла, вычисляемый по формуле:
где - наименьшее значение сигнала в n-ом кардиоцикле,
- период дискретизации,
ƒs, Гц - частота опроса устройства 1,
n
k - количество точек в n-ом кардиоцикле,
12 - R пик сигнала ЭКГ,
13 - кардиоцикл биофизического сигнала.
s
g
n
n
n
n
n
n
На чертежах проиллюстрирован способ неинвазивной диагностики заболеваний человека на основе информационного анализа биофизических сигналов, а именно способ размещения устройства 1 в одной точке на нижней границе грудины 2 для регистрации биофизических сигналов (иначе кардиосигналов) ЭКГ 3, СКГ 4, ГКГ 5, с указанием используемых осей проекций Z СКГ 6 и Y ГКГ 7, а также определяемые параметров, такие как размах амплитуд систолического комплекса R 8, временной интервал Т 9 между характерными пиками, коэффициент наклона R 10 равный отношению значения R к Т и площадь региона под кривой кардицикла S 11 на отрезке между R пиками 12 ЭКГ 2 соответствующего кардиоцикла 13.
-4
2
n
n
n
n
Аппаратная реализация и упрощение способа ее применения заключаются в том, что одновременно используются три канала кардиосигналов 3, 4 и 5: одно отведение ЭКГ, одна проекция СКГ по оси, направленной перпендикулярно фронтальной плоскости тела, одна проекция ГКГ по оси, перпендикулярно поперечной плоскости и направленной по направлению к голове пациента. В качестве отведения ЭКГ 3 берется второе стандартное отведение или одно грудное отведение. Кардиосигнал СКГ 4 регистрируется с помощью микроэлектромеханического акселерометра со спектральной плотностью шума не более 4,9⋅⋅0 м/с. Кардиосигнал ГКГ 5 регистрируется с помощью микроэлектромеханического гироскопа со спектральной плотностью шума не более 0,015 /с. Таким образом, устройство для регистрации трех выбранных кардиосигналов 3, 4, 5 может быть реализовано в одном блоке 1, размещаемом на нижней границе грудины человека в точке 2 без использования электродов с проводами, подключаемых к конечностям. Достижение технического результата в части расширения списка диагностируемых заболеваний возможно в связи с тем, что кардиосигналы СКГ и ГКГ являются интегральными сигналами и несут информацию о состоянии внутренних органов человека, отличную от кардиосигналов ЭКГ. Кардиосигналы СКГ и ГКГ, как и ЭКГ, имеют характерные пики, которые позволяют определять значения параметров R 8, Т 9, K 10 и S 11.
Пример осуществления способа диагностики представляет собой следующую последовательность действий:
2
1. Измерение 600 кардиоциклов с частотой не менее 1 кГц и разрешением кардиосигналов не менее 0,2 мкВ по ЭКГ, 0,1 м/с по СКГ, 0,001% по ГКГ. В качестве ЭКГ используется одно грудное отведение или второе стандартное отведение. Оси используемых проекций СКГ и ГКГ изображены на фиг. 1.
2. Определение R пиков ЭКГ, характерных максимумов и минимумов систолического сегмента СКГ и ГКГ (фиг. 2 и 3).
n
n
n
n
n
n
3. Вычисление набора параметров кардиоциклов «А»: R, Т и K (см. фиг. 2) или набора «Б»: R, Т и S (см. фиг. 3).
4. Вычисление знаков приращений параметров и кодирование в соответствии с Табл. 1 или Табл. 2 в соответствии с выбранным набором параметров.
5. Методом «скользящего окна» формируются триграммы (трехчленные кодовые комбинации) символов, которые ранжируются по частоте встречаемости для получения вектора частот по каждому кардиосигналу, как показано в Табл. 3.
6. Сравнение полученного вектора частот с эталонными кодами заболеваний и постановка диагноза.
Таким образом, достигается технический результат предлагаемого в данной заявке способа, который представляет собой упрощение аппаратной реализации и ее использования при проведении регистрации последовательных кардиосигналов, в связи с возможностью расположения датчиков в одной точке, размещенной на нижней границе грудины пациента, а также расширение списка диагностируемых заболеваний и повышение точности диагностики в связи с использованием кардиосигналов разной природы.