УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к кардиологии и аппаратуре, которая позволяет проводить экспресс диагностику сердечного ритма, а именно выявлять аритмии сердца человека по временным параметрам Р-зубца электрокардиосигнала, а именно различать нормальную и патологические формы Р-зубца электрокардиосигнала. Устройство может быть использовано в практической медицине и медико-биологических физиологических исследованиях для наблюдения за сердечной деятельностью пациента.
Известно устройство для экспресс-оценки работы сердца, содержащее первый блок контроля сердечной деятельности, содержащее электроды, связанные с регистрирующим блоком, который связан через усилитель с QRS - детектором, и вычислительный блок, отличающийся тем, что между QRS - детектором и вычислительным блоком включен интерфейс, который содержит компаратор, выход которого связан через полевой транзистор с цифровым двойным D - триггером, выход которого через полевой транзистор связан вычислительным блоком (патент RU 50798, А61В 5/0402, опубл. 27.01.2006).
Известно устройство экспресс-анализа сердечного ритма, которое выбрано в качестве прототипа, содержащее корпус, внутри которого размещены последовательно соединенные блок усиления и блок аналого-цифрового преобразования, селектор R-зубца кардиокомплекса, вход которого подключен к выходу блока усиления электрокардиосигнала, блок переключения режимов, а также блок обработки и управления, первый вход которого соединен с первым выходом блока аналого-цифрового преобразования, а первый выход подключен к регистратору с жидкокристаллическим экраном, при этом блок обработки и управления выполнен с возможностью вывода на регистратор в реальном масштабе времени формы электрокардиограммы, запоминания ее и последующего воспроизведения на внешних устройствах содержимого памяти. В устройство-прототип дополнительно введен блок измерения длительности RR-интервалов, выход которого соединен с первым входом блока обработки и управления, первый выход блока переключения режимов также соединен с первым входом блока обработки и управления, а вторые выходы блока аналого-цифрового преобразования и блока переключения режимов подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам блока обработки и управления, при этом последний выполнен с возможностью построения и вывода на упомянутый регистратор в реальном масштабе времени кардиоинтервалограмм и гистограмм кардиоинтервалов (патент RU 2077864, А61В 5/04, А61В 5/0402, опубл. 27.04.1997).
Однако указанное устройство-прототип характеризуется тем, что в нем происходит лишь оценка RR-интервалов, что не позволяет дифференцировать такие аритмии, например, как миграция источника ритма, межпредсердная блокада и некоторые другие, которые приводят к изменению формы Р-зубца (Струтынский А.В. Электрокардиограмма: анализ и интерпретация - М.: Медпресс-информ, 2002. - 224 с., Атлас практической электрокардиографии. Бала Ю.М., Никитин А.В., Фуки В.Б. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1983. - 176 с.). Кроме того, устройство-прототип характеризуется большим числом различных элементов, обеспечивающих его работоспособность, а как следствие, высоким энергопотреблением, значительными массогабаритными показателями.
Решаемой задачей предлагаемой полезной модели является осуществление экспресс-оценки параметров Р-зубца электрокардиосигнала, а также снижение массогабаритных характеристик и энергопотребления устройства.
Решаемая задача в устройстве экспресс-оценки параметров сердечного ритма, содержащем аналого-цифровой преобразователь, достигается тем, что содержит микроконтроллер, вход которого соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя, и индикатор, вход которого соединен с выходом микроконтроллера, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью подачи на индикатор управляющего сигнала, а индикатор выполнен в виде алфавитно-цифрового жидкокристаллического модуля для отображения в первой строке слов «NORMA», «ARITM--», «ARJTM+-» и «ARITM++», а во второй -измеренных параметров Р-зубца.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства экспресс-оценки параметров сердечного ритма. На фиг.2 изображена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера по обработке электрокардиосигнала в устройстве экспресс-оценки параметров сердечного ритма. На фиг.3 приведены типовые формы Р-зубца: положительная, отрицательная, биполярная, расщепленная, которые могут быть различены в результате работы устройства экспресс-оценки параметров сердечного ритма. На фиг.4 - фиг.7 приведены примеры сигналов с различной формой Р-зубца, использованные при тестировании алгоритма работы микроконтроллера по обработке электрокардиосигнала в устройстве экспресс-оценки параметров сердечного ритма: положительной (фиг.4), отрицательной (фиг.5), биполярной (фиг.6), расщепленной (фиг.7).
На фиг.1. изображено устройство экспресс-оценки параметров сердечного ритма, которое содержит аналого-цифровой преобразователь 1, микроконтроллер 2, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 1, и индикатор 3, вход которого соединен с выходом микроконтроллера 2. Вход аналого-цифрового преобразователя 1 является входом для электрокардиосигнала.
Аналого-цифровой преобразователь 1, микроконтроллер 2, индикатор 3 имеют системы электропитания, которые на фиг.1 не показаны. Аналого-цифровой преобразователь 1, микроконтроллер 2 и индикатор 3 могут быть выполнены по стандартным опубликованным в литературе схемам.
Рассмотрим предлагаемую полезную модель устройства экспресс-оценки параметров сердечного ритма в работе. На вход аналого-цифрового преобразователя 1, который является входом устройства экспресс-оценки параметров сердечного ритма, поступает электрокардиосигнал, например, с выхода усилителя блока съема (http://www.rosmedic.rn/kardiomomtoryi/usiliteli-elektrokardiosignala.html, рис.1.), который на фиг.1. не показан. С выхода аналого-цифрового преобразователя 1 электрокардиосигнал поступает на вход микроконтроллера 2 в цифровом виде. Далее обработка электрокардиосигнала выполняется микроконтроллером 2 по алгоритму, блок-схема которого приведена на фиг.2.
В соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.2, происходит выделение R-зубца электрокардиосигнала, далее происходит выделение участка Р-зубца протяженностью 0,1 с, предшествующего выделенному R-зубцу. На следующем шаге происходит определение формы Р-зубца на основе метода сравнения с моделями типовых форм Р-зубца.
В качестве моделей Р-зубца используется полиномиальная аппроксимация сигналов по критерию минимума среднего квадратического отклонения. Для учета вариабельности параметров Р-зубца представление модели записано в виде инвариантном к изменениям амплитуды и длительности:
ik
il
m
0
где m - отсчеты массива моделей Р-зубца, а - коэффициенты полинома модели, A - амплитуда Р-зубца, х - коэффициент учета длительности Р-зубца, k - положение центральной точки Р-зубца, L - степень полинома (L=7…9), 1 - индексы отсчетов модели (1=0…L), i - тип модели (i=0…4, где 0 означает отсутствие сигнала).
Решение о виде реализовавшегося Р-зубца принимается на основании критерия максимального правдоподобия, который в описываемом алгоритме представим в виде:
В выражении 2 под отношением правдоподобия для i-го типа Р-зубца понимается:
где  представляет вектор отсчетов Р-зубца, k - индекс отсчетов массива электрокардиосигнала (k=1…К), К - количество отсчетов массива электрокардиосигнала (при частоте дискретизации, равной 500 Гц, К=50).
На следующем шаге алгоритма, приведенного на фиг.2, по параметрам модели оцениваются параметры электрокардиосигнала на основе критерия максимального правдоподобия из условия:
m
0
m
где λ - оцениваемый параметр (A, x, k). Для вычисления A, используется выражение:
Параметр x может быть найден из выражения:
0
Для оценки параметра k используется выражение:
m
0
Выражение (6) не может быть решено в аналитическом виде, поэтому параметр х находится методом последовательного перебора, после чего находится параметр A по выражению (5), и найденные значения используются для оценки параметра k по выражению (7).
Если измеренные параметры лежат в пределах нормальных, то микроконтроллер 2 подает на индикатор 3 управляющий сигнал отображения слова «NORMA» и переходит к выполнению следующего цикла обнаружения Р-зубца и измерения параметров. Если измеренные параметры отличны от нормальных, то микроконтроллер 2 подает на индикатор 3 управляющий сигнал отображения слова «ARITM» и переходит к выполнению следующего цикла обнаружения Р-зубца и измерения параметров.
Для построения моделей и тестирования алгоритма использовались сигналы ресурса PhysioNet (http://physionet.org/challenge/2008/). Это записи 12 стандартных отведений ЭКГ с частотой дискретизации 500 Гц, с 16-разрядным разрешением по уровню. Было использовано 60 записей первого стандартного отведения длительностью 90 секунд, которые включили отобранные сигналы с Р-зубцами четырех типов: положительный, отрицательный, биполярный, расщепленный (фиг.3). Положительная форма Р-зубца электрокар диосигнала является нормальной, остальные формы - патологичные.
Примеры использованных для построения моделей различных форм Р-зубца сигналов, полученные в ходе проведенных циклов обнаружения Р-зубца и оценки временных параметров, приведены на фиг.4 - фиг.7.
При индикации результата сравнения измеренных параметров, отличных от нормальных, используется следующая символика для первой строки индикатора: «ARITM --» - отрицательный Р-зубец, «ARITM +-» - биполярный Р-зубец, «ARITM ++» - расщепленный Р-зубец, а во второй указываются измеренные параметры: длительность в мкс, амплитуду в мкВ и временное положение в мкс (например, для изображенного на фиг.5 Р-зубца «126118+01»).
При реализации устройства экспресс-оценки параметров сердечного ритма аналого-цифровой преобразователь 1 может быть выполнен на базе сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя ADS1211 производства Texas Instruments. В качестве микроконтроллера 2 может быть использован микроконтроллер PIC18F14K50-I/50 производства Microchip. В качестве индикатора 3 может быть использован алфавитно-цифровой жидкокристаллический модуль ВС1602А производства Bolymin, по слову и символам, отображенным на индикаторе 3, можно определить наличие нарушений в форме Р-зубца электрокардиосигнала и получить оценку измеренных параметров Р-зубца.
Замена в устройстве экспресс-оценки параметров сердечного ритма элементов, использованных в устройстве-прототипе, на микроконтроллер 2, который работает по приведенному на фиг.2 алгоритму, позволяет осуществить экспресс-оценку параметров Р-зубца электрокардиосигнала, а также снизить массогабаритные характеристики и энергопотребление устройства.