Способ определения функционального состояния человека по фонокардиограмме
METHOD FOR DETERMINING A FUNCTIONAL CONDITION OF A PERSON BY A PHONOCARDIOGRAM

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике функционального состояния (ФС) человека по результатам измерения параметров сердечно-сосудистой системы (ССС) и может использоваться при донозологическом индивидуальном контроле здоровья.
Для определения ФС привлекаются следующие методы исследования функционирования ССС:
- исследование временной последовательности RR интервалов электрокардиограммы (ЭКГ) в одном отведении [1, 2, 3];
- исследование функционирования сердца путем определения систолодиастолических соотношений [4];
- исследование динамики отношений амплитуд I и II тона [5, 6].
Известен способ оценки ФС организма человека (патент РФ №2083155, опубликованный. 10.07.1997), включающий регистрацию RR-интервалов и последующее вычисление энтропии длительности RR-интервалов (Е) по формуле:
где mi - количество RR-интервалов данной длительности в выборке из 100;
mi/100 - вероятность RR-интервалов данной длительности в выборке из 100;
и при значении 50<Е<70 оценивают ФС человека как устойчивое.
Недостатком данного способа является его ограниченная информативность. Понятие «устойчивое ФС», как одно единственное состояние, в методических материалах, рекомендованных для практического применения, не рассматривается.
Известен способ определения функционального состояния человека (патент РФ №2289301, публикация патента 20.12.2006), согласно которому регистрируют ритм сердечной деятельности, измеряют длительность кардиоинтервалов, определяют показатели, используемые в вариационной пульсометрии для оценки степени напряжения регуляторных систем: мода интервалов, амплитуда моды, вариационный размах. При этом одновременно с регистрацией ритма сердечной деятельности измеряют значения систолического и диастолического артериального давления. Значение показателя ФС рассчитывают с учетом указанных параметров, по соответствующей формуле, и сравнивают его с нормативными значениями.
Недостатком этого способа является необходимость привлечения дополнительной аппаратуры. Усложняется процесс автоматизации процедуры самостоятельной оценки ФС, особенно для людей с ограниченными физическими возможностями.
Известен «Способ оценки ритмохроноинотропной деятельности сердца у человека зрелого и пожилого возраста» (Патент №2123278 опубликован 20.12.1998). который осуществляется путем регистрации показателей частоты сердечных сокращений, продолжительности сердечного цикла, диастолы общей, систолы общей, электрической и механической, периодов изгнания и напряжения с фазой асинхронного и изометрического сокращения методом классической поликардиографии, ударного выброса сердца и сердечного индекса методом интегральной реографии тела, среднего системного артериального давления методом артериальной осциллографии, и осуществления по ним дифференциальной диагностики работы сердца, отличающийся тем, что дифференциальную диагностику работы сердца осуществляют с учетом выделения типологических особенностей организации хронокардиологической функциональной системы и уточнения количественных показателей оптимума ритмо, хроно- и инотропной функции сердца при разном значении системного артериального давления и кровотока.
Основным недостатком способа является сложность в его реализации. Он не рассчитан на индивидуальное применение «обычным» человеком.
Признанным как в России, так и за рубежом, донозологическим методом исследования функционирования ССС, является анализ вариации сердечного ритма (ВСР). Метод ВСР рекомендован для определения ФС организма и индивидуального контроля здоровья [1, 3].
Исследование сигнала ВСР представляет собой временную последовательность RR интервалов электрокардиограммы (ЭКГ), регистрируемую по схеме одного отведения. В качестве критерия оценки состояния ССС используется индекс напряжения регуляторных систем (ИН), вычисляемый по формуле:
ИН=АМо/2*Мо*ВР,
где Мо - (мода) наиболее часто встречающееся значение длительности кардиоинтервалов. АМо - (амплитуда моды), число кардиоинтервалов в %, соответствующих диапазону моды. BP - (вариационный размах), разность между максимальным и минимальным значением длительности кардиоинтервала.
ФС организма определяется величиной ИН: чем ниже степень напряжения регуляторных систем, тем меньшую цену платит организм за свое приспособление к различным воздействиям. Конкретно, ФС человека определяется по результатам сравнения ИН с нормативными значениями.
За прототип принят способ оценки ФС, заключающийся в том, что регистрируют ЭКГ, осуществляют распознавание R-зубцов, измеряют длительность кардиоинтервалов RR, формируют динамические ряды кардиоинтервалов, вычисляют индекс напряжения регуляторных систем (ИН) и определяют ФС человека по результатам сравнения ИН с нормативными значениями. («Вариабельность сердечного ритма», 31.03.2014, http://edu-biz.org/2014/03/31/variabelnost-serdechnogo-ritma/).
Основным недостатком описанного выше способа является низкая чувствительность ранней диагностики патологических состояний организма, в силу того, что анализ базируется на исследовании только одного параметра ССС - длительности кардиоциклов.
Известно, что формирование конечного результата деятельности сердца, как насоса, происходит под влиянием ряда факторов, важнейшими из которых являются интервалы между сокращениями. На функциональное состояние ССС оказывают влияние систолодиастолические внутрицикловые соотношения [4].
Известна аускультативная патология тонов: ослабление и усиление, акцентуация [5]. В норме над верхушкой сердца амплитуда первого тона больше второго. В том случае, если амплитуда первого тона равна второму или меньше его, это свидетельствует об ослаблении первого тона, одной из причин которого является недостаточность митрального клапана [6].
Цель изобретения - повысить чувствительность оценки ФС, выражающуюся в более раннем выявлении начала патологического процесса за счет дополнительного определения в каждом кардиоинтервале длительности систолы, диастолы и отношения амплитуд первого и второго тона.
Поставленная цель достигается за счет использования фонокардиограммы (ФКГ) в качестве кардиографической записи и способа ее исследования.
Следует отметить, что в настоящее время широкое распространение получили электронные стетоскопы (ЭС), дающие возможность использовать оцифрованный звук для реализации автоматизированных алгоритмов распознавания отклонений в работе сердца. Очевидные конструктивные преимущества ЭС, по сравнению с кардиомониторами, и большая клиническая информативность ФКГ по сравнению с ЭКГ одного отведения, делает способ оценки ФС организма по регистрации ФКГ предпочтительным.
«Нормальная» ФКГ состоит из колебаний I, II и нередко III, IV тонов сердца. Между I и II тоном располагается систолическая, а между II и I - диастолическая паузы. Сердечный цикл - это систола и диастола сердца, периодически повторяющиеся в строгой последовательности. Из чего следует, что кардиоинтервал на ФКГ определяется отрезком I-I.
Оптимальная точка выслушивания I тона расположена на верхушке сердца, где I тон более громкий, чем II. Но при этом, при выборе признака определения начала I тона во внимание принималось, что «нормативное соотношение» амплитуд тонов может нивелироваться, учитывая, что расположение на теле человека оптимальной точки прослушивания I тона в определенной степени случайно, поскольку сердце у всех располагается по-разному. Определенное влияние на погрешность измерения может оказывать тремор руки, удерживающей ЭС, и шумы различной природы.
В качестве наиболее эффективного признака идентификации I тона, принят характер чередования длительности пауз: I тон следует за длинной паузой, а II - за короткой (диастола больше систолы). Надежность признака автоматически обеспечивается регламентом методики ВСР:
- оперативные исследования должны проводиться в условиях относительного покоя в положении «лежа» или «сидя»;
- при обработке записи используется понятие NN-интервалов (normal-to-normal), то есть учитываются промежутки только между нормальными сокращениями; из анализа исключаются интервалы, записанные при нарушении сердечного ритма, а так же возникшие в результате внешних помех;
- кардиоинтервалограмма рассматривается как стационарный случайный процесс.
Характер чередования пауз нарушается при частоте сердечных сокращений (ЧСС) выше 130 уд/мин. - диастола становиться меньше систолы Верхним пределом нормы считается - 90 уд/мин. Поскольку при значениях ЧСС, свидетельствующих о нарушении «нормы» сердечного ритма, применение ВСР исключается, то, тем самым исключаются условия, при которых принятый признак распознавания не соблюдается.
О ВРС традиционно судят по длительности RR-интервалов, хотя более правильным, считается рассматривание длительности PP-интервалов. Оценка RR-интервалов связана с тем, что локализовать точку начала волны Р на ЭКГ, записанной на современных аппаратах, практически невозможно [2]. Зубец R является наибольшим по амплитуде и его наиболее легко выделить при компьютерной обработке.
Подобное имеет место и на ФКГ. За начало I тона не могут приниматься данные, полученные путем измерения самых первых, начальных вибраций I тона, так как эти вибрации имеют очень малую амплитуду. Поэтому измерение длительности систолы от первой высокой вибрации I тона до первой высокой вибрации II тона является наиболее объективным. (Временные соотношения механической и электрической систол сердца у здоровых детей. http://anginastop.ru/elektrokardiografiya/tekhnika-i-metodika-fonokardiografii./)
Центральная часть I тона состоит из 3-5 колебаний большой амплитуды. При этом обычно один из зубцов центральной части имеет максимальную амплитуду, по которой и составляют суждение об амплитуде (интенсивности) I тона.
В основу идентификации I тона положено соображение, согласно которому для определения какая из пауз является систолой, а какая диастолой, необходимо иметь не менее трех измерений пауз между амплитудами тонов. Поскольку продолжительность сердечного цикла составляет порядка 1 с, то определение, какая из пауз является систолой, а какая диастолой, может быть установлено на 2-х секундной записи ФКГ. Учитывая, что кардиоинтервалограмма рассматривается как стационарный случайный процесс, последующее определение отсчетов I тона можно осуществлять на исходной записи ФКГ, не проводя фильтрацию, на интервалах, вычисляемых с учетом данных, полученных на 2-х секундном интервале.
Распознавание I тона осуществляют путем выделения из записи ФКГ фрагмента продолжительностью не менее 2 с, на котором проводят пороговую фильтрацию сигнала (величина порога (0,5-0,7) от максимальной амплитуды), измеряют длительности пауз между тремя последовательными амплитудами. Номер отсчета, которому предшествует максимальная пауза, принимают за начало I тона и определяют отсчет, соответствующий его окончанию (продолжительность I тона ~ 0.14 с). Сканируют интервал, соответствующий продолжительности I тона и отсчет с максимальной амплитудой фиксируют в качестве первого (начального) отсчета I тона на ФКГ. Отсчеты последующих I-х тонов, определяют путем сканирования на интервалах [n1 n2], вычисляемых по формулам:
n1=N+0.9*Tin0*Fs; n2=N+1.1*Tin0*Fs,
(N - отсчет предыдущего I тона, Tin0 - длительность кардиоинтервала измеренного на фрагменте фильтрованного сигнала, Fs - частота измерений).
Вычисляют длительность кардиоинтервалов межу I тонами ФКГ и дополнительно определяют внутрицикловые параметры сердечной деятельности: систолу, диастолу и отношение амплитуд I и II тонов.
Отсчеты II тонов определяют по максимальной амплитуде на интервалах [n3 n4], вычисляемых по формулам:
n3=N+0.3*t0sist*Fs; n4=n3+0.8*t0sist*Fs.
(t0sist - длительность систолы, измеренная на фрагменте фильтрованного сигнала).
На каждом кардиоинтервале определяют длительность систолы по количеству отсчетов между I и II тоном, а длительность диастолы - вычитанием из длительности кардиоинтервала значение систолы.
Необходимо отметить, что результатом ВСР является оценка состояния организма: «норма», «преморбидное состояние», «патология». Проблема установление индивидуальных диапазонов ФС, применительно к оценке ФС, в настоящее время не решена и требует дальнейшей углубленной разработки» [1]. На практике используют статистические нормативные значения ИН. Эти обстоятельства делают практически не возможным обнаружение начало патологического прогресса с помощью способа, взятого за прототип.
В этой связи заслуживает внимание факт, описанный в статье В.А. Загрядский, А.Л. Розанов, В.П. Злоказов. «Двадцать лет космической электропунктуре (с. 8)»: «Следует отметить, что если ФС на уровне целостного организма можно идентифицировать между "нормальной адаптацией" и "функциональным отклонением", то отдельные системы организма в определенные периоды космического полета находились в худшем положении - между «выраженными отклонениями» и «патологией», требующей коррекции».
Из этого факта следует, что патологический процесс и патологическое состояние имеют локальное значение, если отсутствует реакция всего организма на патогенный фактор. Например, если систолодиастолические внутрицикловые соотношения превосходят норму, а ФС организма находится в «преморбидном состоянии», то это свидетельствует о компенсации организмом возникшей дисфункции.
Слабые изменения, выявляемые повторно и прогрессивно нарастающие, должны расцениваться как признаки формирующихся патологических изменений, способных привести к заболеванию.
Учет изменений составляющих сердечного цикла позволяют выявлять изменения одного или нескольких из них и тем самым, диагностировать изменения функционального состояния сердца в целом.
Возможность установления факта возникшей дисфункции, которая потенциально может привести к ухудшению текущего ФС, является доказательством повышенной чувствительности оценки ФС, проводимой по заявляемому способу.
В донозологической диагностике понятие патологии трактуется как нарушение равновесия. Поэтому методология, используемая для оценки ФС организма в целом, может быть использована и для оценки ФС отдельных его подсистем. Адекватность этого диагностического подхода доказана клинически и в модельных экспериментах [7, с. 11]. Поэтому определение показателей динамических рядов внутрицикловых фаз сердечной деятельности целесообразно определять тем же методом вариационной пульсометрии, который использовался для оценки степени напряжения регуляторных систем ВРС.
Технический результат состоит в повышении чувствительности оценки ФС, а именно, в более раннем выявлении начала патологического процесса за счет определения фаз сердечного цикла и соотношений амплитуд I и II тонов.
Важным достоинством заявляемого способа является его реализуемость в приложении к смартфону. Электронный стетоскоп с системой Bluetooth закрепляется на теле человека в зоне верхушки сердца. Звуки сердца записывается на диктофон смартфона и обрабатываются с помощью процессора смартфона.
Способ может использоваться при донозологическом индивидуальном контроле здоровья. Реализация индивидуальной системы, может использоваться для дистанционного профилактического обследования больших контингентов населения, с целью раннего выявления патологических состояний сердечно - сосудистой системы.
Возможность осуществления способа иллюстрируется следующими фигурами:
фиг. 1 Исходная запись ФКГ (16 с) на верхушке сердца, дискретность 1000 Гц. Запись произведена с помощью экспериментального макета ЭС микрофон которого, встроен в головку стетоскопа ST-72 фирмы Microlife.
фиг. 2 Начальный 3-х секундный фрагмент записи исходной ФКГ.
фиг. 3 - Фрагмент ФКГ после пороговой фильтрации
Номера отсчетов первых трех амплитуд
[3019 6455 11719].
Время между тремя отсчетами (с)
[0.30 0.34 0.53].
Максимальная длительность паузы 0.53 с, предшествует третьей амплитуде. Согласно признаку распознавания I тона, отсчет, соответствующий этой амплитуде, принимается за начало I тона. Значение диастолы - 0.53 с, значение систолы (t0sist) - 0.34 с. Длительность кардиоинтервала (Tin0) составляет 0.87 с. Значение третьего отсчета третьей амплитуды N=11719 принимается за первый отсчет последующих I-х тонов.
Источники информации.
1 Баевский P.M. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации) / P.M. Баевский, Г.Г. Иванов, Л.В. Чирейкин и др. // Вестник аритмологии. - 2001. - №24. - С. 65-87.
2 "Вариабельность сердечного ритма". Стандарт измерения, физиологической интерпретации и клинического использования. Рабочая группа Европейского Кардиологического Общества и Северо-Американского общества стимуляции и электрофизиологии. www.hrv.ru
3 Исаева О.Н. Физиологическое обоснование систем телемедицинского донозологического индивидуального контроля: дис. канд. биолог. наук: 14.03.08. // Исаева Ольга Николаевна. - М., 2015. - 203 с.
4 Карпман В.Л. Фазовый анализ сердечной деятельности. М.: Медицина, 1965, 275 с.
5 Аускультация сердца: точки выслушивания, алгоритм и расшифровка. https://moyakrov.info/heart/auskultatsiya-serdtsa
6 Фонокардиография - Звуковая симптоматика приобретенных пороков сердца, http://lekmed.ru/info/arhivy/zvukovaya-simptomatika-priobretennyh-porokov-serdca-13.html.
7 Загрядский В.А. Прибор электропунктурной оценки и коррекции функционального состояния организма «Прогноз - Мини». Инструкция по применению. Версия 1.0, 1992 г. - 34 с.