СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОЛЕРАНТНОСТИ СЕРДЦА К ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ И МОНИТОР
METHOD FOR ESTIMATION OF HEART TOLERANCE TO PHYSICAL LOAD  AND MONITOR

Группа изобретений относится к области медицинского приборостроения, более конкретно к приборам и инструментам контроля сердечной деятельности. Объекты изобретения могут использоваться в клинике сосудисто-сердечных заболеваний, на стадии амбулаторного лечения больных ишемической болезнью сердца (ИБС), на стадии ремиссии сердечно-сосудистых заболеваний в домашних условиях, а также могут использоваться здоровыми людьми при занятиях физкультурой, фитнесом, любительским или профессиональным спортом. Во всех случаях использования объекты изобретения выполняют функции инструментов непрерывного автоматического контроля текущего уровня физической нагрузки на пациента и ее допустимости с точки зрения безопасности для жизни.
Толерантность сердца к физической нагрузке, или физическая работоспособность, является интегральным показателем физиологических возможностей организма. В настоящее время оценка толерантности сердца к физической нагрузке осуществляется не только у лиц с кардиальной патологией, но и у различных контингентов здоровых людей, в частности у лиц, призывающихся в ряды Вооруженных Сил и военно-учебные заведения, спортсменов.
Известны и в настоящее время широко применяются два основных способа оценки толерантности сердца к физической нагрузке. Первый из них получил название «стресс-тест», а второй «холтер-мониторинг».
Стресс-тест представляет собой нагрузочные пробы с дозированной физической нагрузкой (А.С. Аксельрод, П.Ш. Чомахидзе, А.Л. Сыркин. Нагрузочные ЭКГ-тесты: 10 шагов к практике, Москва, МЕДпресс-информ, 2013, 208 стр.) и, в свою очередь, подразделяется на степ-тест, велоэргометрический тест и тест с бегущей дорожкой (тредмил).
Степ-тест (проба Мастера) - методика, стандартизованная по физической нагрузке, с использованием двух ступенек высотой 22,5 см.
Велоэргометрия - метод с постоянно возрастающей ступенчатой функциональной нагрузкой, которая задается испытуемому, находящемуся в сидячем или лежачем положении на специально оборудованном велосипеде.
Тредмил - бегущая дорожка с меняющимся углом подъема и скоростью лентопротяжного механизма.
Перечисленные виды нагрузочных тестов применяются в зависимости от имеющегося в наличии оборудования, а также опыта и предпочтений обслуживающего эти тесты медицинского работника. Их общей характеристикой является то, что они обязательно проводятся под контролем опытного врача-кардиолога. Толерантность сердца испытуемого к физическим нагрузкам и, соответственно, текущую допустимость данной физической нагрузки для безопасности испытуемого врач определяет в реальном времени на основе объективно регистрируемых в процессе теста показателей сердечной деятельности испытуемого. Чаще всего такими показателями являются ЧСС и форма ЭКГ сигнала (В.И. Дорофеев, Г.Б. Сеидова. Применение нагрузочных и фармакологических проб в диагностике ишемической болезни сердца. Учебное пособие. Санкт-Петербург, СПбМАПО, 2004, 28 стр.). На основании достигнутых значений этих показателей врач принимает решение о прекращении теста, а о толерантности сердца испытуемого к физической нагрузке судит по величине мощности, развиваемой испытуемым на момент прекращения теста. При этом величина мощности определяется врачом на основе выполняемых вручную стандартных методик расчета ее значения или считывается врачом с индикаторных приборов используемого нагрузочного оборудования (велоэргометра или тредмила).
Другим известным способом оценки толерантности сердца к физическим нагрузкам является «холтер-мониторинг» - круглосуточная 24 - часовая запись ЭКГ пациента на носимое испытуемым записывающее устройство (монитор). Запись проводится в домашних условиях, после чего осуществляют компьютерную визуализацию записанной ЭКГ и ее эпизодов. При проведении холтеровского мониторирования испытуемый должен вести дневник, куда он вносит сведения о выполненной физической работе с указанием времени ее выполнения, ощущаемых им симптомах, приеме лекарств и т.п. Монитор обычно имеет размеры - 9×12,5×4 см, а его вес не превышает 450 г. Столь малый вес и компактность позволяют испытуемому носить монитор с собой (на ремне через плечо или на поясе) без каких-либо значительных неудобств. Монитор снабжен маркером времени, который может включаться испытуемым в случае появления симптомов, и постоянно работающими часами, что помогает испытуемому фиксировать (в своем дневнике) точное время начала любого симптома, а автоматическая запись меток времени обеспечивает весьма точное определение момента событий.
По окончании времени записи ЭКГ она вводится в компьютер, визуализируется и предъявляется врачу-кардиологу для анализа. Последний, пользуясь дневником обследуемого, выделяет на записи ЭКГ те участки, которые соответствуют отмеченным самим обследуемым интервалам времени, в течение которых он испытывал физические нагрузки. Зная из дневника испытуемого параметры этих нагрузок и наблюдая коррелирующие с ними по времени изменения ЭКГ испытуемого, врач вручную производит расчет толерантности сердца испытуемого к физическим нагрузкам в Вт. В некоторых случаях для облегчения расчета значения толерантности в состав холтеровской записи ЭКГ вводят участки, соответствующие нагрузочным пробам на велоэргометре. Подобные способы оценки толерантности к физическим нагрузкам описаны, например, в патентах РФ №2329780 и №2208381.
Известен также патент РФ №2338459, согласно которому толерантность к физической нагрузке в процессе холтеровского мониторинга определяется путем оценки уровня вариабельности ритма сердца и его сравнительных изменений на участках, когда испытуемый находится в состоянии покоя и когда он выполняет установленную дозированную физическую нагрузку. Техническая сущность указанного способа наиболее близка предлагаемому способу, в связи с этим патент РФ №2338459 принят в качестве прототипа.
Согласно способу-прототипу в процессе сеанса холтеровского мониторирования сердечной деятельности пациента ему предъявляют нормированную физическую нагрузку в форме 20 глубоких приседаний, выполняемых пациентом без перерыва после нормированного по длительности (3 мин) периода спокойного бодрствования с также нормированной частотой дыхания. В течение обоих указанных периодов времени (покоя и приседаний) измеряют вариабельность ритма сердца и по изменению соотношения низкочастотной и высокочастотной составляющих вариабельности ритма сердца судят о толерантности сердца пациента к физической нагрузке.
Недостатком способа-прототипа является тот факт, что толерантность сердца пациента к физической нагрузке определяется только постфактум, т.е. после окончания нагрузочной пробы. Поскольку нагрузочная проба производится без непосредственного текущего контроля врача-кардиолога, возникает опасность неконтролируемого превышения допустимых пределов толерантности сердца к физическим нагрузкам, что может привести к трагическим последствиям. К таким же последствиям может привести любая физическая активность пациента в период мониторного наблюдения. Особенно, если испытуемый страдает сердечно-сосудистым заболеванием или, будучи пожилым или недостаточно физически развитым человеком, занимается спортивно-оздоровительными упражнениями.
Известны технические инструменты для формирования сигнала тревоги при мониторном наблюдении за сердечно-сосудистой деятельностью пациента. Таким инструментом является, например, монитор по патенту РФ №2444986, который как по своему назначению сигнализатора критической ситуации в связи с сердечной недостаточностью, так и по своему функциональному составу наиболее близко соответствует предложенному техническому решению и поэтому принят в качестве его прототипа.
Технической задачей заявляемой группы изобретений является обеспечение непрерывного мониторингового контроля текущей толерантности сердца к физической нагрузке и сигнализация о ее приближении к пределу допустимости.
V
mo
mo
V
А
А
х
у
z
M
t
t
T
M
T
Сущность заявляемого способа характеризуется тем, что непрерывно регистрируют пульсовые показатели пациента, определяют значение показателя V вариабельности сердечного ритма пациента на временном отрезке T по формуле: V=A/ΔR, где: A - амплитуда моды RR интервалов на отрезке T, а ΔR - средняя величина RR интервалов на этом отрезке, одновременно непрерывно регистрируют механические ускорения движений пациента с использованием размещенного вблизи центра тяжести его тела трехкомпонентного акселерометра и определяют значение величины механической работы А, затраченной пациентом за счет его двигательной активности на интервале Т по формуле: , где n - количество отсчетов значений механических ускорений на интервале Т, А, А, A - парциальные значения величины работы, выполненной пациентом при перемещениях его тела вдоль взаимноортогональных осей X, Y и Z соответственно, определяют значение показателя W=V*А и текущее значение W уровня толерантности сердца к физической нагрузке по формуле: W=W-W, где W - значение максимально допустимой мощности физической нагрузки на сердце, выбираемое из рекомендованной Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) таблицы:
t
и при W≈0 формируют сигнал о достижении предела толерантности сердца к физической нагрузке.
Осуществление совокупности перечисленных признаков предложенного способа позволяет получить значение текущей толерантности сердца в физической размерности мощности - ватт, как это и принято в медицинской практике. При этом указанное значение соответствует «мгновенной» величине этого физиологического параметра и может быть получено в любой произвольный момент времени (а не только во время нагрузочной пробы) и для любого вида физической активности пациента (кроме, разумеется, подъема пациентом внешних дополнительных грузов). Поскольку контроль значения толерантности осуществляется непрерывно, то под непрерывным контролем оказывается и угрожающее трагическими последствиями его приближение к опасному пределу. Тем самым обеспечивается достижение поставленной технической задачи: возможность своевременной сигнализации о приближении текущей толерантности сердца к пределу допустимости.
В частном случае реализации способа пульсовые показатели пациента определяют методом регистрации его электрокардиосигнала (ЭКС).
Такой метод регистрации обеспечивает наибольшую точность определения временного положения R - зубца при оценке величины RR - интервалов, и, следовательно, более высокую точность в определении величины толерантности сердца к физической нагрузке. При оценке величины RR - интервалов с использованием метода регистрации ЭКС пациента исключается влияние на этот параметр паразитных изменений угла наклона пульсовой волны, что возможно при использовании других методов регистрации пульсовых показателей.
Tкорр
T
С целью расширения области применимости заявляемого способа значение максимально допустимой мощности физической нагрузки на сердце пациента, выбираемое из рекомендованной ВОЗ таблицы, дополнительно корректируют путем учета показателя объективного физического состояния пациента, определяемого по формуле: W=k⋅W, где: k - коэффициент, значение которого:
k=0,5 для больных с постинфарктным кардиосклерозом, находящихся в стадии ремиссии;
k=0,7 для больных со стенокардией;
k=0,8 для здоровых людей со слабой физической подготовкой;
k=0,9 для здоровых людей со средней физической подготовкой;
k=1 для здоровых людей с хорошей физической подготовкой и спортсменов.
Указанные коэффициенты рекомендованы медиками. Их учет расширяет возможность использования способа от контингента амбулаторных больных сердечно-сосудистыми заболеваниями, которые традиционно подвергаются обследованиям на толерантность сердца к физическим нагрузкам, до контингента профессиональных спортсменов.
V
В частном случае реализации предложенного способа, длительность временного отрезка T, на котором производят измерение вариабельности сердечного ритма сердца пациента, выбирают в диапазоне (20-25) временных RR интервалов в режиме скользящего учета их количества.
V
Указанный выбор длительности временного отрезка T и режима учета количества RR интервалов соответствует компромиссному условию удовлетворения противоречивых требований по быстродействию способа и минимизации ошибок в определении значения вариабельности ритма сердца из-за возможной нестационарности сердечного ритма.
А
А
Для обеспечения максимальной эффективности предложенного способа длительность интервала Т выбирают в диапазоне от 10 до 40 с. При таком выборе Т обеспечиваются оптимальные условия корреляционной связи между уровнем физической нагрузки пациента и параметрами его сердечной деятельности.
Для обеспечения требуемой точности при расчете значений выполненной пациентом механической работы частоту отсчетов значений механических ускорений выбирают в диапазоне от 900 Гц до 1100 Гц.
Еще в одном частном случае реализации способа регистрацию пульсометрических показателей и механических ускорений движения тела пациента выполняют непрерывно в процессе его повседневной деятельности и/или спортивных занятий.
Благодаря указанному признаку предложенный способ перестает быть инструментом эпизодического медицинского обследования пациента, а становится инструментом долговременного обеспечения его безопасности в повседневной жизни.
Как сказано выше, прототипом заявляемого монитора, второго объекта группы изобретений является «Носимый монитор с автоматической передачей сигнала по каналу связи при возникновении критической ситуации», описанный в патенте РФ 2444986.
В указанном мониторе производится не только запись электрокардиосигнала (ЭКС), но и выполняется непрерывный автоматический анализ этого сигнала. Указанный анализ производится путем сопоставления параметров текущего ЭКС с образцами «нормального» ЭКС данного пациента, предварительно записанными и хранящимися в сменной оперативной памяти монитора. Если параметры текущей ЭКС существенно отличаются от нормы по какому-то установленному комплексу признаков, то происходит автоматическое формирование сигнала тревоги. В составе известного монитора имеется также трехкомпонентный акселерометр, назначением которого является фиксирование двигательной активности пациента. При регистрации такой активности, свидетельством которой являются сигналы акселерометра, участки ЭКС, соответствующие временным отрезкам проявления указанной активности, автоматически исключаются из анализа. В результате сигнал тревоги может быть подан монитором не в связи с превышением допустимого предела толерантности сердца испытуемого к физическим нагрузкам, а в связи с любыми другими причинами нарушения его сердечной деятельности. Это является недостатком монитора прототипа.
Как и в отношении заявляемого способа, техническая задача, решаемая заявляемым монитором, состоит в обеспечении непрерывного мониторингового контроля текущей толерантности сердца к физической нагрузке и сигнализации о ее приближении к пределу допустимости.
Решение поставленной задачи достигается тем, что монитор содержит регистратор пульса, первый и второй одноканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), выделитель зубца R, микропроцессор с оперативно-запоминающим устройством (ОЗУ), блок ввода исходных данных с часами реального времени, акселерометр, управляемый микропроцессором мультиплексор, акустический индикатор. Регистратор пульса связан с микропроцессором через последовательно соединенные первый АЦП и выделитель зубца R. Акселерометр связан с микропроцессором через последовательно соединенные мультиплексор и второй АЦП. Блок ввода исходных данных, акустический индикатор и вход сигнала управления мультиплексором связаны с микропроцессором непосредственно.
Совокупность перечисленных признаков позволяет реализовать в автоматическом режиме все предусмотренные заявленным способом процедуры. При этом обеспечивается непрерывный мониторинговый контроль текущей толерантности сердца к физической нагрузке и сигнализация о ее приближении к пределу допустимости. Т.е. достигается решение поставленной технической задачи изобретения.
В преимущественном варианте осуществления монитора акселерометр выполнен трехкомпонентным и его три выхода связаны с соответствующими входами мультиплексора. При этом обеспечивается наиболее высокая точность определения величины работы, выполняемой пациентом при движениях его тела.
Возможен вариант осуществления монитора, при котором регистратор пульса выполнен в форме регистратора электрокардиосигнала (ЭКС) с одним отведением.
Такая форма выполнения регистратора пульса обеспечивает компромиссное удовлетворение требований по простоте аппаратной реализации при сохранении необходимой точности определения длительности RR интервалов.
Для обеспечения возможности снижения требований к быстродействию микропроцессора последний может быть выполнен двухъядерным, при этом выделитель зубца R может быть выполнен на одном из его ядер.
Для удобства эксплуатации монитор может быть снабжен элементами крепления на теле пациента под одеждой. При этом акустический сигнализатор выполнен в виде вибросигнализатора.
Такая форма выполнения монитора обеспечивает условия для комфортного и незаметного для посторонних его ношения как постоянного инструмента обеспечения безопасности пациента.
Еще в одном частном случае выполнения монитор содержит связанный с микропроцессором бесконтактный модем «Bluetooth». Наличие упомянутого модема обеспечивает возможность трансляции выходного сигнала монитора и в том числе сигнала опасности превышения допустимого уровня нагрузки на сердце на механически не связанный с монитором прибор. Таким прибором может быть, например, выполненный в виде наручного браслета приемник-индикатор или мобильный телефон.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 показана структурная схема варианта осуществления носимого монитора для оценки толерантности сердца к физической нагрузке.
Пример практической реализации заявленного способа оценки толерантности сердца к физической нагрузке удобно рассмотреть совместно с примером реализации заявленного монитора толерантности сердца к физической нагрузке.
Монитор содержит последовательно соединенные регистратор 1 ЭКС с одним ЭКГ отведением, первый АЦП 2 и выделитель 3 зубца R. Выход этой цепочки связан с одним из входов микропроцессора 4. Второй вход микропроцессора 4 связан с последовательной цепочкой из акселерометра 5 (на фиг. 1 показан трехкомпонентный акселерометр), управляемого мультиплексора 6 и второго АЦП 7. Один из выходов микропроцессора 4 связан с входом сигнала управления мультиплексора 6. Два другие выхода связаны с акустическим сигнализатором 8 и бесконтактным модемом 9 «Bluetooth». С микропроцессором 4 также связан блок 10 ввода исходных данных.
Поскольку монитор имеет индивидуальные настройки под каждого пациента, перед началом работы в него через блок 10 вводят исходные данные пациента. В число указанных данных входят: тендерная принадлежность пациента, его возраст (полных лет), вес (в кг), а также номер одной из пяти ступеней его текущего физического состояния (постинфарктная ремиссия, диагностированная стенокардия, здоровый со слабой физической подготовкой, здоровый со средней физической подготовкой, здоровый с хорошей физической подготовкой). Кроме того, через этот же блок 10 производят начальную установку даты и текущего астрономического времени. После окончания ввода данных монитор закрепляют на ремне на теле пациента вблизи его центра тяжести и закрепляют на его груди электрод регистратора 1 ЭКС. Все перечисленные операции могут выполняться как обсуживающим медперсоналом, не имеющим высокой кардиологической квалификации, так и самим пациентом.
Далее после включения монитор работает в автоматическом режиме. Продолжительность работы прибора ограничивается только исчерпанием батарейного источника питания или заряда аккумулятора. Рекомендуемая для пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями практическая длительность работы при единичной установке монитора на теле пациента равна всему периоду суточного бодрствования. Здоровым пациентам прибор целесообразно использовать преимущественно в периоды интенсивных физических нагрузок.
Работа прибора осуществляется следующим образом. Регистратор 1 ЭКС непрерывно осуществляет съем биоэлектрического сигнала с поверхности грудной клетки пациента. После первичной фильтрации и усиления ЭКС с выхода регистратора 1 поступает на первый АЦП 1, который осуществляет его преобразование в цифровую форму. Далее цифровой сигнал поступает на выделитель 3 зубца R. Последний фиксирует точное временное положение начала каждого RR интервала на временной оси, подавляя при этом шумы и сигналы экстрасистол. «Очищенный» от шумов и экстрасистол цифровой ЭКС сигнал поступает далее на микропроцессор 4. Последний осуществляет вычисление значения показателя V в соответствии с установленным алгоритмом его расчета.
Параллельно с регистрацией ЭКС аналоговые сигналы, соответствующие значениям ускорений тела пациента в трех ортогональных плоскостях, с трех выходов акселерометра 5 поступают на вход мультиплексора 6. Последний в соответствии с поступающим на него управляющим сигналом микропроцессора поочередно подключает один из выходов акселерометра 5 к входу одноканального второго АЦП 7. АЦП 7 производит их преобразование в цифровую форму и подает преобразованный цифровой сигнал на второй сигнальный вход микропроцессора 4. Последний в соответствии с установленным алгоритмом осуществляет вычисление значения механической работы А, произведенной пациентом за счет перемещений своего тела в трех ортогональных плоскостях.
Далее, в соответствии с введенными через блок 10 индивидуальными расчетными данными пациента микропроцессор 4 производит выборку из долговременного запоминающего устройства соответствующего значения мощности максимально допустимой для данного пациента физической нагрузки и в соответствии с установленным алгоритмом производит расчет текущего значения уровня толерантности сердца к физической нагрузке. Полученное текущее значение уровня толерантности сердца микропроцессор оценивает по сравнению с нулевым уровнем (или по сравнению с установленным порогом). В случае близости текущего значения толерантности к нулевому уровню (или превышения порога) микропроцессор 4 подает сигнал включения акустического сигнализатора 8. Последний подает пациенту акустический сигнал (или вибросигнал) опасности. В частном случае реализации монитора микропроцессор 4 формирует сигнал, несущий информацию о текущем уровне толерантности сердца пациента, и подает его на бесконтактный модем 9 «Bluetooth», который транслирует указанный сигнал для индикации на соответствующем приемном устройстве - мобильном телефоне, планшете или компьютере.
Оба объекта изобретения воспроизводимы в промышленном производстве.