СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В РИТМЕ СЕРДЦА
METHOD FOR DETECTION OF PERIODIC COMPONENTS OF HEART RHYTHM

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при анализе ритма сердца для выявления медленноволновых составляющих вариабельности сердечного ритма, характеризующих степень централизации управления этим ритмом. Способ дает возможность определить в режиме реального времени моменты появления тех или иных волновых компонент в ритме сердца, что, в свою очередь, позволяет оценить сопутствующие этому моменту обстоятельства и предпринять соответствующие терапевтические воздействия для нормализации работы сердечно-сосудистой системы.
Колебания длительности цикла сердечных сокращений (вариабельность сердечного ритма) является важным диагностическим признаком для оценки адаптационных возможностей регуляторных систем организма. Среди диагностически наиболее значимых параметров сердечного ритма особое место занимают так называемые медленноволновые периодические составляющие сердечного ритма.
Различают три частотных диапазона таких составляющих [1]:
- высокочастотные колебания (HF) (0.15-0.4 Гц );
- низкочастотные колебания (LF, медленные волны первого порядка) (0.04-0.15 Гц);
- очень низкочастотные колебания (VLF, медленные волны второго порядка) (0.003-0.04 Гц).
Для выявления периодических составляющих в ритме сердца обычно осуществляют анализ динамического ряда, образованного последовательностью значений длительностей циклов сердечных сокращений (кардиоинтервалов). Длительности кардиоинтервалов традиционно определяют как расстояние между R-зубцами двух смежных кардиоинтервалов (RR-интервалы). Склонность к использованию при оценке вариабельности сердечного ритма RR-интервалов связана с тем, что зубец R, особенно во втором стандартном отведении, наиболее легко выделить из электрокардиосигнала (ЭКС) при компьютерной обработке, в силу того, что он является наибольшим по амплитуде.
Более правильным будет рассмотрение длительности PP-интервалов (расстояний между P-зубцами смежных кардиоинтервалов, так как именно начало зубца P является началом нового сердечного цикла, связанного с возбуждением синусового узла).
Известен способ выявления периодических составляющих в ритме сердца, заключающийся в том, что в записанном электрокардиосигнале определяют длительности кардиоинтервалов для получения ритмограммы, на основе которой строят автокорреляционную функцию [2].
Автокорреляционная функция (АКФ) представляет собой статистическую взаимосвязь каждого последующего интервала RR с предыдущими и отражает степень централизации управления процессами регуляции.
Если в исследуемой выборке последовательности значений длительностей циклов сердечных сокращений имеются гармонические составляющие, то АКФ имеет вид периодических колебаний [3]. При этом период колебаний АКФ будет определяться одной из доминирующих медленноволновых компонент (фиг.1). Однако, если ритмограмма содержит все три гармонические составляющие (HF, LF и VLF), то судить по виду АКФ о наличии какой-либо из этих составляющих или их комбинаций, а тем более оценивать мощности этих составляющих становится затруднительно (фиг.2). Кроме этого, на основе полученной АКФ нельзя определить момент времени появления тех или иных волновых компонент в ритмограмме.
Известен способ выявления периодических составляющих в ритме сердца [4] (прототип), заключающийся в том, что в записанном электрокардиосигнале определяют длительности кардиоинтервалов, строят ритмограмму, на основе которой проводят спектральный анализ с помощью преобразования Фурье, по результатам спектрального анализа судят о наличии соответствующих гармонических составляющих в последовательности длительностей кардиоинтервалов или комбинации этих составляющих.
Этот способ позволяет одновременно выделить периодические составляющие всех упомянутых выше диапазонов (HF, LF и VLF), что иллюстрируется фиг.3, заимствованной из [1]. Однако момент времени появления тех или иных волновых компонент в ритмограмме также нельзя определить, что является недостатком данного способа.
Предлагаемый способ позволяет устранить этот недостаток.
Суть предлагаемого способа заключается в том, что осуществляют запись электрокардиосигнала, формируют последовательность прямоугольных импульсов, периодичность повторения которых совпадает с ритмом сердца, а длительность пропорциональна длительности соответствующего цикла сердечных сокращений. При этом пауза между смежными импульсами имеет одинаковую длительность для всей последовательности этих импульсов, и ее начало совпадает с началом очередного цикла сердечных сокращений. Полученную последовательность импульсов фильтруют одновременно с помощью набора фильтров, состоящего из фильтра нижних частот и полосовых фильтров, по наличию сигналов на выходах фильтров судят о наличии соответствующих периодических составляющих в сердечном ритме.
Обосновать предлагаемый способ можно следующим образом.
Из рассмотрения электрокардиосигнала в течение продолжительного отрезка времени следует, что он представляет собой сигнал, период повторения которого (и, соответственно, частота) изменяется от одного цикла сердечных сокращений к другому.
Если на основе ЭКС (фиг.4a) в каждом цикле сердечных сокращений сформировать прямоугольные импульсы, разделенные паузами одинаковой длительности, начало которых совпадает с началом соответствующего цикла сердечных сокращений (фиг.4, б), то получим последовательность прямоугольных импульсов, частота повторения которых меняется по закону изменения сердечного ритма, т. е. получим сигнал с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) [5]. В качестве паузы между смежными импульсами можно использовать интервал дискретизации электрокардиосигнала, следующий сразу за началом очередного цикла сердечных сокращений (началом P-зубца), поскольку в современных электрокардиографах ЭКС предварительно дискретизируют и значения дискретных отсчетов преобразуют в цифровой код для выполнения обработки и анализа в цифровом виде. Выделить начало каждого цикла сердечных сокращений, синхронизированного с началом P-зубца, можно с помощью устройства [6].
Спектральный состав сигнала с ЧИМ описывается выражением [5]:
П
где ΔΩ - девиация частоты повторения импульсов;
П
Ω - частота повторения импульсов;
Ω - частота модулирующего сигнала;
П
Ωnl=nΩ+lΩ;
- период повторения импульсов;
τ - длительность импульса;
l
J(x) - функция Бесселя l-го порядка.
В спектре сигнала с ЧИМ в соответствии с (1) содержатся:
постоянная составляющая
полезная компонента с частотой модулирующего сигнала
П
бесконечная сумма гармоник частоты повторения nΩ, каждая из которых окружена бесконечным числом составляющих, сдвинутых друг от друга на интервал Ω.
.
Спектр сигнала с ЧИМ, где модулирующим сигналом являются низкочастотные составляющие ритма сердца, показан на фиг.5. В этом случае полезная компонента содержит три составляющие, HF, LF и VLF, каждая из которых может быть выделена соответствующим фильтром системы из трех фильтров (фиг.6). Составляющая VLF выделяется фильтром нижних частот, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого на фиг. 6 отмечена цифрой 1, составляющая LF выделяется полосовым фильтром, АЧХ которого отмечена цифрой 2, и составляющая HF выделяется полосовым фильтром, АЧХ которого отмечена цифрой 3.
HF
LF
VLF
Выделение на выходах фильтров сигналов низкочастотных периодических составляющих при частотах F=0.4 Гц, F=0.1 Гц, F=0.01 Гц, присутствующих в ритме сердца и возникающих в разные моменты времени, иллюстрируется фиг.7.
Технико-экономический эффект предложенного способа выявления периодических составляющих в ритме сердца заключается в том, что обеспечивается возможность определения в режиме реального времени момента появления тех или иных волновых компонент в ритме сердца, что, в свою очередь, позволяет оценить сопутствующие этому моменту обстоятельства и предпринять соответствующие терапевтические воздействия для нормализации работы сердечно-сосудистой системы.
Литература
1. Вариабельность сердечного ритма. Стандарты измерения, физиологической интерпретации и клинического использования. Рабочая группа Европейского Кардиологического Общества и Северо-Американского общества стимуляции и электрофизиологии. // Вестник аритмологии. 1999. №11. С.53-78.
2. Диагностика функционального состояния спортсменов на основе применения метода вариационной пульсометрии / Зайцев В.К., Киселев В.А., Наумов С.С., Подливаев Б.А. // Сборник трудов ученых РГАФК. - М., 2000. С.158-165.
3. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1971. С.32-35.
4. Патент РФ 2141246. Способ исследования вариабельности ритма сердца / Т.П.Гизатулина, Г.М.Ромалис // Опубл. 20.11.1999. Бюллетень №32.
5. Борисов Ю.П., Пенин П.И. Основы многоканальной передачи информации. М.: Связь, 1967. С.204, 205, 239-241.
6. Патент РФ 2237432. Устройство для выделения начала кардиоцикла / О.А.Зуйкова, А.А.Михеев // Опубл. 10.10.2004. Бюллетень №28.