УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА 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 спектральным 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 измерение и анализ 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-анализа Р-зубца электрокардиосигнала, а также снижение массогабаритных характеристик и энергопотребления устройства.
Решаемая задача в устройстве экспресс-анализа 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 слов «NORMA», «ARITM-», «ARITM+-» и «ARITM++».
На фиг.1 изображена структурная схема устройства экспресс-анализа сердечного ритма. На фиг.2 изображена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера по обработке электрокардиосигнала в устройстве экспресс-анализа сердечного ритма. На фиг.3 изображена блок-схема алгоритма выполнения операции быстрого преобразования Фурье алгоритма работы микроконтроллера. На фиг.4 приведены типовые формы Р-зубца: положительная, отрицательная, биполярная, расщепленная, которые могут быть различены в результате работы устройства экспресс-анализа сердечного ритма.
На фиг.1. изображено устройство экспресс-анализа 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-анализа сердечного ритма в работе. На вход аналого-цифрового преобразователя 1, который является входом устройства экспресс-анализа, поступает электрокардиосигнал, например, с выхода усилителя блока съема (http://www.rosmedic.ru/kardiomonitoryi/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 не менее 0,1 с, предшествующего выделенному R-зубцу. Операция быстрого преобразования Фурье, выполняемая на следующем шаге алгоритма работы микроконтроллера 2 требует выбора длины в отсчетах цифрового сигнала, кратную степени числа 2.
Для реализации алгоритма быстрого преобразования Фурье, приведенного на фиг.3, потребуется провести ряд преобразований с целью избавления от вычисления комплексных чисел. Примем:
Тогда A(k) будет вычисляться по формуле:
а
В формулах (1)-(4) под выражениями с индексами re и im понимаются действительная и мнимая части вычисляемых выражений, A(k) - массив для построения спектра, (n) - массив выделенного участка Р-зубца электрокардиосигнала, k, n - индексы отсчетов в массивах, принимающие значения от 0 до N, N - число отсчетов выделенного участка Р-зубца (при частоте дискретизации электрокардиосигнала, равной 500 Гц, целесообразно выбрать N=64).
После реализации алгоритма быстрого преобразования Фурье по алгоритму, приведенному на фиг.2, происходит измерение спектральных параметров Р-зубца электрокардиосигнала: максимум (М) - амплитуда спектральной составляющей на доминирующей частоте, энергия (Э) - вычисленная как сумма спектральных гармоник.
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 измерения спектральных 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 измерения спектральных параметров.
Для построения и тестирования алгоритма использовались сигналы базы данных 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 форм: положительной, отрицательной, биполярной, расщепленной (см. фиг.4). Положительная форма Р-зубца электрокардиосигнала является нормальной, остальные формы - патологические.
В ходе проведенных циклов измерения спектральных параметров для сигналов с различными формами Р-зубца были установлены следующие пороги для принятия решения о форме Р-зубца:
Расщепленный Р-зубец: М<3,3 мкВ, Э<4,7 мкВ;
Положительный Р-зубец: 3,3 мкВ<М<5,0 мкВ; 4,7 мкВ<Э<6,5 мкВ;
Биполярный Р-зубец: 5,0 мкВ<М<15,0 мкВ; 6,0 мкВ<Э<15,0 мкВ;
Отрицательный Р-зубец: М>15,0 мкВ; Э>15,0 мкВ;
При индикации результата сравнения измеренных параметров, отличных от нормальных, используется следующая символика: «ARITM++» - расщепленный Р-зубец, «ARITM+-» - биполярный Р-зубец, «ARITM--» - отрицательный Р-зубец.
При реализации устройства экспресс-анализа 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 ВС0801А производства Bolymin, по слову и символам, отображенным на индикаторе 3, можно различить нормальную и патологические формы Р-зубца электрокардиосигнала.
Замена в устройстве экспресс-анализа сердечного ритма элементов, использованных в устройстве-прототипе, на микроконтроллер 2, который работает по приведенному на фиг.2 алгоритму, позволяет осуществить экспресс-анализ Р-зубца электрокардиосигнала, а также снизить массогабаритные характеристики и энергопотребление устройства.