Высокоточный многоканальный кардиоайгеноскоп

Область техники
Полезная модель «Высокоточный многоканальный кардиоайгеноскоп» (ВМК) представляет собой устройство для анализа некоррелированных компонент электрокардиограмм (ЭКГ) в нескольких отведениях и относится к медицинским приборам, применяемым в кардиологии. ВМК позволяет раздельно анализировать некоррелированные компоненты кардиоциклов ЭКГ, что может быть полезно при оценке состояния пациента и позволяет лучше фильтровать ЭКГ от помех. ВМК может быть реализован в виде:
программно-аппаратного комплекса;
виртуального прибора на базе стандартного компьютера.
Уровень техники. Аналоги и их недостатки
Предлагаемая полезная модель развивает принципы и конструкции кардиоайгеноскопов, закрепленные в патентах на полезные модели [1-3].
Кардиоайгеноскопы - устройства, использующие при обработке ЭКГ синхронные ансамбли кардиоциклов [5], формируемые из ЭКГ (например, с использованием конструкции [4]), и представление элементов этих синхронных ансамблей с использованием собственных векторов матриц вторых смешанных моментов [1], которые формируются из матриц синхронных ансамблей [5, 6]. Кардиоайгеноскопы позволяют эффективно осуществлять сжатие ЭКГ практически без потери информации, что демонстрируется полезной моделью [7], и открывают новые возможности для высокоточного анализа ЭКГ [5].
В качестве наиболее близких аналогов для предлагаемой полезной модели (ПМ) рассматриваются конструкции:
1. Кардиоайгеноскоп по формуле ПМ [1] - фиг. 8;
2. Высокоточный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией по формуле ПМ [2] - фиг. 6;
3. Высокоточный кардиоайгеноскоп с внешней синхронизацией по формуле ПМ [3] - фиг. 7;
4. Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов по формуле ПМ [4] - фиг. 5.
Предлагаемая в полезной модели конструкция включает в свой состав высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией, с помощью которого ведется анализ ЭКГ в отведении, в котором наиболее ярко выражены R-зубцы (в синхроотведении), и одновременно формируется синхросигнал, отражающий положение R-зубцов в синхроотведении. В предлагаемой ПМ синхросигнал используется далее для формирования синхронных ансамблей в высокоточном кардиоайгеноскопе с внешней синхронизацией, с помощью которого обрабатываются ЭКГ во всех других отведениях.
Предлагаемая конструкция устраняет основной недостаток высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внешней синхронизацией [3], который состоит в том, что построение синхронного ансамбля для отведений с плохо выраженными зубцами трудоемко и сопряжено с ошибками.
Раскрытие полезной модели
Цель и преимущества. Предлагаемая конструкция снижает трудоемкость анализа, так как не требует ручной синхронизации кардиоциклов при построении синхронных ансамблей в отведениях с плохо выраженными R-зубцами, одновременно повышая точность анализа - за счет улучшения качества синхронизации.
Результат достигается благодаря тому, что предлагаемая конструкция позволяет выявлять среди всех отведений ЭКГ отведение, в котором наиболее явно выражены R-зубцы PQRST-циклов. Такое отведение рассматривается в качестве синхронизирующего отведения и подается на вход высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внутренней синхронизацией. Высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией с одного из своих выходов передает на высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внешней синхронизацией информацию о положении R-зубцов, которая используется при обработке сигналов всех других отведений.
На фиг. 1 представлена конструкция ВМК. В состав конструкции входят: блок хранения и выборки 1, высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией 2, высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внешней синхронизацией 3 и блок визуализации и управления 4.
Поступающие в ВМК сигналы отведений ЭКГ записываются в блок хранения и выборки 1. Блок хранения и выборки 1 управляется оператором через блок визуализации и управления 4 (связь двухстороннего входа блока 4 с двухсторонним выходом блока 1). В своих действиях оператор руководствуется отображением (на дисплее блока 4) записей сигналов отведений, получаемых из блока хранения и выборки 1. На фиг. 9 показан пример такого отображения, полученного на действующем прототипе ВМК, реализованном на рабочей станции «Монокуб-РС» семейства «Эльбрус». Пользователь визуально выбирает отведение с наиболее выраженными R-зубцами и подтверждает свой выбор. Сигнал о выборе пользователем синхроотведения поступает в блок 1, который передает сигнал синхроотведения на вход высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внутренней синхронизацией (связь второго выхода блока хранения и выборки 1 со входом блока 2).
В блоке 2 из сигнала синхроотведения формируется синхросигнал, который используется как для работы самого блока 2, так и для работы блока 3 - высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внешней синхронизацией (связь первого выхода блока 2 и первого входа блока 3).
Фиг. 10 иллюстрирует формирование синхросигнала в прототипе ВМК при использовании в блоке 2 устройства формирования синхронного ансамбля кардиоосциляций по формуле полезной модели [4] (этот вариант отвечает второму пункту формулы полезной модели и будет рассмотрен отдельно).
Пользователь на основе визуального анализа синхросигнала в блоке 4 (верхний график фиг. 10) подтверждает факт его дальнейшего использования и выбирает отведения для обработки в высокоточном кардиоайгеноскопе с внешней синхронизацией 3 (связь первого двухстороннего выхода блока 3 и третьего двухстороннего входа блока 4).
Фиг. 11 иллюстрирует результат отображения информации, поступающей с двухсторонних выходов блоков 2 и 3 на соответствующие двухсторонние входы блока визуализации и управления 4.
Блоки 2 и 3 ВМК могут иметь разные варианты реализации.
Первый вариант - использование высокоточных одноканального кардиоайгеноскопа с внутренней синхронизацией по формуле полезной модели №177224 (блок 2) и высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внешней синхронизацией - по формуле полезной модели №177963 (блок 3). Эти конструкции приведены на фиг. 6 и 7, соответственно, а подробные описания функционирования этих блоков содержатся в описаниях [2] и [3], соответственно.
Второму пункту формулы полезной модели отвечает вариант блока 2 - высокоточного кардиоайгеноскопа с внутренней синхронизацией, представленный на фиг. 2. В его состав входит устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов 5, блок вычислителя матрицы смешанных моментов 6, блок вычисления собственных векторов и собственных значений 7 и блок восстановления кардиосигнала и анализа признаков 8.
Блок 5 - устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов - отвечает формуле и описанию [4] полезной модели
№178010. На его выходах формируются синхросигнал, поступающий непосредственно на выход блока 2, и синхронный ансамбль, поступающий одновременно на вход блока вычислителя матрицы смешанных моментов 6 и на третий вход блока восстановления кардиосигнала и анализа признаков 8.
Как и в случае конструкции блока 2, представленной на фиг. 2, так и в случае конструкции блока 3, представленной на фиг.3, из блока 8 осуществляется управление блоком 5 (фиг. 2) или блоком 9 (фиг. 3) с целью выбора синхроотведения (блок 2) или выбора обрабатываемых в блоке 3 отведений.
Конструкция устройства формирования синхронного ансамбля с внешней синхронизацией (блок 9), отвечающая четвертому пункту формулы полезной модели, реализуется с использованием блока формирования строк синхронного ансамбля 10 и блока первичной обработки и хранения синхронного ансамбля 11, соединенных так, как это показано на фиг. 4. Функционирование блоков 10 и 11 в составе блока 9 ничем не отличается от функционирования таких же блоков, входящих в конструкцию, представленную на фиг.5, подробно описано в [4].
Доказательство технического результата. Причинно-следственные связи
В таблице 1 перечислены технические результаты, получаемые при использовании уже запатентованных решений, относящихся к кардиоайгеноскопии [1-4]. Кардиоайгеноскопы представляют собой специализированные анализаторы собственных векторов и компонент сигналов [8], обрабатывающие синхронные ансамбли кардиоциклов, формируемые из исходного сигнала отведений ЭКГ. Синхронный ансамбль каждого из отведений ЭКГ получается путем разбиения исходного оцифрованного и поступившего на хранение сигнала (записи) на отдельные сегменты, каждый из которых соответствует своему PQRST-циклу. Центральной задачей построения синхронных ансамблей в отведениях является задача синхронизации отдельных сегментов. Наименее трудоемко эта задача решается для отведений, в которых ярко выражены R-зубцы. Это позволяет эффективно формировать синхронные ансамбли для таких отведений [3, 4]. Разумно использовать уже полученный для построения синхронного ансамбля в таких отведениях синхросигнал при построении синхронных ансамблей в других отведениях. В этом и состоит предлагаемая полезная модель, в которой для обработки в отведении (отведениях) с хорошо выраженным синхропризнаком (R-зубцом) используется кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией, который далее выступает в качестве ведущего устройства для ведомого кардиоайгеноскопа с внешней синхронизацией.
При построении ведомого и ведущего кардиоайгеноскопов могут быть использованы как высокоточные кардиоайгеноскопы, отвечающие формулам полезных моделей [2, 3], так и устройства, построенные с использованием решений, отвечающих пунктам 2-4 предлагаемой формулы полезной модели.
Технический результат заявляемой ПМ причинно обусловлен и достигается как за счет состава используемых в устройстве блоков, так и за счет их взаимодействия - см. таблицу 2.
Описание фигур
Фиг. 1. Конструкция высокоточного многоканального кардиоайгеноскопа:
1 - блок хранения и выборки;
2 - высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией;
3 - высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внешней синхронизацией;
4 - блок визуализации и управления.
Фиг. 2. Конструкция блока 2 высокоточного многоканального кардиоайгеноскопа по второму пункту формулы полезной модели:
5 - устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов;
6 - блок вычислителя матрицы смешанных моментов;
7 - блок вычислителя собственных векторов и собственных значений;
8 - блок восстановления кардиосигнала и анализа признаков.
Фиг. 3. Конструкция блока 3 высокоточного многоканального кардиоайгеноскопа по третьему пункту формулы полезной модели:
9 - устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов с внешней синхронизацией.
Фиг. 4. Конструкция блока 9 в составе блока 3 высокоточного многоканального кардиоайгеноскопа по четвертому пункту формулы полезной модели:
10 - блок формирования строк синхронного ансамбля;
11 - блок первичной обработки и хранения синхронного ансамбля.
Фиг. 5. Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов по формуле полезной модели №178010:
12 - блок коммутатор отведений;
13 - перестраиваемый фильтр;
14 - синхронизатор.
Фиг. 6. Конструкция высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внутренней синхронизацией по формуле полезной модели №177224:
15 - блок матричной фильтрации;
16 - блок вычитания;
17 - блок формирования синхронного ансамбля;
18 - блок матричной фильтрации и восстановления;
19 - блок визуального и статистического анализа.
Фиг. 7. Конструкция высокоточного одноканального кардиоайгеноскопа с внешней синхронизацией по формуле полезной модели №177963.
Фиг. 8. Кардиоайгеноскоп по формуле полезной модели №128470: 20 - блок формирования ансамбля кардиоосцилляций.
Фиг. 9. Сигналы отведений в блоке визуализации и управления 4 высокоточного многоканального кардиоайгеноскопа. Показаны десять отведений выбранной ЭКГ. По оси абсцисс - дискретное время. По оси ординат - величина сигналов в милливольтах. Наименования отведений показаны у осей ординат графиков сигналов отведений. Из графиков видно, что ярко выраженными R-зубцами обладают сигналы в отведениях I, V3 и V4.
Фиг. 10. Формирование синхросигнала из сигнала синхроотведения при использовании в прототипе ВМК для формирования синхронного ансамбля устройства по формуле полезной модели [4] №178010. На нижнем графике - сигнал в выбранном в качестве синхроотведения отведении I на фиг. 9. На верхнем графике - синхросигнал, сформированный с использованием решения [4]. Моменты времени, определенные синхронизатором, отмечены кружочками (на верхнем графике). Пользователь может регулировать порог срабатывания синхронизатора - в соответствии с рекомендациями блока управления 4.
Фиг. 11. Визуализация результатов работы высокоточных одноканальных кардиоайгеноскопов с внутренней и внешней синхронизацией. На графиках показаны типичные представители [5] (соответствуют первым собственным векторам). Над каждым из графиков приведен в процентах относительный энергетический вклад типичного представителя в сигнал соответствующего отведения (соответствует первому нормированному собственному значению). Горизонтальными линиями показана вариативность соответствующей компоненты: средняя линия соответствует среднему значению в анализируемой ЭКГ, а нижняя и верхняя линии - минимальному и максимальному значениям, соответственно.
Осуществление изобретения
ВМК может быть реализован в виде программно-аппаратного комплекса или в виде виртуального прибора, дополняющего обычный кардиограф и имеющего с ним связь через его стандартные интерфейсы.
ВМК расширяет возможности кардиодиагностики и может применяться в качестве автономного устройства или дополнительного устройства (дополнительного режима), в рамках действующих комплектов стационарного, мобильного, в т.ч. портативного, медицинского оборудования.
Источники информации
1. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Батин А.С. Кардиоайгеноскоп. Полезная модель №128470.
2. Исакевич В.В., Исакевич Д.В. Высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внутренней синхронизацией. Полезная модель №177224.
3. Исакевич В.В., Исакевич Д.В. Высокоточный одноканальный кардиоайгеноскоп с внешней синхронизацией. Полезная модель №177963.
4. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Сушкова Л.Т., Аль-Хайдри В.А. Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов. Полезная модель №178010.
5. Исакевич Д.В., Исакевич В.В. Кардиоайгеноскоп - новая полезная модель обработки ЭКГ. - М. Издательство Перо, 2014. - 138 с. ISBN 978-5-00086-280-3.
6. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Сушкова Л.Т., Аль-Барати Б.С. Айгеноскопия в задачах обработки электрокардиосигналов. Нелинейный мир. 2015, №6, сс.68-75.
7. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Сушкова Л.Т., Аль-Барати Б.С. Устройство хранения и анализа ЭКГ. Полезная модель №162110.
8. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Грунская Л.В. Анализатор собственных векторов и компонент сигналов. Полезная модель №116242.