КАРДИОМОНИТОР ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ST-СЕГМЕНТА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ
CARDIOMONITOR FOR DETECTING INFORMATIVE PARAMETRES OF ST-SEGMENT OF ELECTROCARDIOSIGNAL WITH INCREASED ACCURACY

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для выявления информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала (ЭКС), а именно смещения, наклона, формы (выпуклая или вогнутая), отклонения вершины ST-сегмента от его центра и различных комбинаций указанных параметров, а также при анализе изменений параметров ST-сегмента электрокардиосигнала для выявления отклонений от нормы на ранних стадиях развития заболевания сердца.
Известно устройство для измерения смещения ST-сегмента электрокардиосигнала, реализующее способ, заключающийся в том, что выделяют R-зубец, момент времени выделения R-зубца принимают за начало кардиоцикла (опорную точку), отсчитывают от него определенный временной интервал, чтобы попасть на ST-сегмент, и осуществляют измерение смещения ST-сегмента в данной точке, производят формирование оценки смещения в виде интеграла за время существования ST-сегмента, а полученные величины используют для дальнейшей оценки деятельности сердечно-сосудистой системы (см. патент Российской Федерации №2026637 по заявке на изобретение №5003933/14 от 03.10.1991, опубликован 20.01.1995, кл. A61B 5/04).
Недостатками указанного устройства являются:
фиксированная длительность временного интервала от вершины R-зубца до точки, принимаемой за начало ST-сегмента, что приводит к возникновению погрешностей оценки местоположения ST-сегмента, связанных с изменение частоты сердечных сокращений (ЧСС) и варьированием формы QRS-комплекса. При увеличении или уменьшении ЧСС, а также при наличии индивидуальных особенностей ЭКС точка, принимаемая за начало ST-сегмента, может не совпадать с ее фактическим местоположением. Привязка точки начала ST-сегмента к вершине R-зубца при модификациях QRS-комплекса по типу QS, Qr и т.д. приводит к сбоям диагностического алгоритма;
фиксированная длительность интервала интегрирования, принимаемая за длительность ST-сегмента, в большинстве случаев не совпадает с реальной длительностью, что снижает точность оценки его параметров.
Известно также устройство для выявления информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала (ЭКС), содержащее блок формирования электрокардиосигнала, блок выделения QRS-комплекса, блок выделения ST-сегмента, блок дискретизации, блок формирования функций Уолша, блок формирования спектральных коэффициентов, блок выявления информативных параметров ST-сегмента и блок индикации с соответствующими частями между ними, причем выход блока формирования ЭКС соединен с входом блока выделения QRS-комплекса и с первым входом блока выделения ST-сегмента, второй вход которого соединен с выходом блока выделения QRS-комплекса, вход блока дискретизации подключен к первому выходу блока выделения ST-сегмента, второй выход блока выделения ST-сегмента подключен к входу блока формирования функций Уолша, выход блока дискретизации подключен к первому входу блока формирования спектральных коэффициентов, образующему первую группу входов этого блока, к входам второй группы которого подключены соответствующие выходы блока формирования функций Уолша, выходы блока формирования спектральных коэффициентов соединены с соответствующими входами блока выявления информативных параметров ST-сегмента, выходы которого подключены к соответствующим входам блока индикации (см. патент Российской Федерации №2242164 по заявке на изобретение №2003105498/14 от 25.02.2003, опубликован 20.12.2004, кл. A61B 5/0402).
Недостатками данного кардиомонитора являются низкая точность и достоверность оценки информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала, а также ограниченная возможность анализа разнообразия форм ST-сегмента, зависящие от ограниченности функциональных возможностей устройства вследствие использования только одной базисной системы - базисной системы функций Уолша.
Целью изобретения является повышение точности и достоверности оценки информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала и расширение возможности анализа большего разнообразия форм ST-сегмента за счет использования в процессе оценки параметров не только спектральных коэффициентов базисной системы функций Уолша, но и спектральных коэффициентов базисной системы функций Варакина.
n
n
n
n
n-1
n-1
Поставленная цель достигается тем, что в известный кардиомонитор, содержащий блок формирования электрокардиосигнала, блок выделения QRS-комплекса, блок выделения ST-сегмента, блок дискретизации, блок формирования функций Уолша, блок формирования спектральных коэффициентов, блок выявления информативных параметров ST-сегмента и блок индикации с соответствующими частями между ними, причем выход блока формирования ЭКС соединен с входом блока выделения QRS-комплекса и с первым входом блока выделения ST-сегмента, второй вход которого соединен с выходом блока выделения QRS-комплекса, вход блока дискретизации подключен к первому выходу блока выделения ST-сегмента, второй выход блока выделения ST-сегмента подключен к входу блока формирования функций Уолша, выход блока дискретизации подключен к первому входу блока формирования спектральных коэффициентов, образующему первую группу входов этого блока, выходы блока формирования спектральных коэффициентов соединены с соответствующими входами блока выявления информативных параметров ST-сегмента, выходы которого подключены к соответствующим входам блока индикации, введены первая группа из 2 коммутаторов (где 2 - количество спектральных коэффициентов базисной системы функций, совокупностью которых может быть представлен сигнал ST-сегмента), вторая группа из 2 коммутаторов, элемент односторонней проводимости, двухразрядный регистр сдвига, двухвходовый коммутатор, умножитель и 2 умножителей группы, причем информационные входы i-х коммутаторов первой группы (где  - порядковые номера коммутаторов первой группы) подключены к i-м выходам блока формирования функций Уолша, первые выходы i-х коммутаторов первой группы подключены к первым информационным входам i-х коммутаторов второй группы, выходы i-x коммутаторов второй группы подключены к i-м входам второй группы входов блока формирования спектральных коэффициентов, вторые выходы i-х коммутаторов первой группы подключены к вторым входам i-х умножителей группы, выходы i-х умножителей группы подключены к вторым информационным входам i-х коммутаторов второй группы, управляющие входы всех коммутаторов первой группы и управляющие входы всех коммутаторов второй группы подключены к входу выбора базисной системы функций кардиомонитора, второй выход блока выделения ST-сегмента соединен с тактовым входом двухразрядного регистра сдвига, второй выход блока формирования функций Уолша подключен к входу элемента односторонней проводимости, выход элемента односторонней проводимости соединен с информационным входом двухразрядного регистра сдвига, выход которого подключен к управляющему входу двухвходового коммутатора, первый информационный вход которого соединен с (2-2)-м выходом блока формирования функций Уолша, второй информационный вход коммутатора соединен с (2+1)-м выходом блока формирования функций Уолша, выход коммутатора подключен к первому входу умножителя, второй вход которого подключен к второму выходу блока формирования функций Уолша, выход умножителя соединен с первыми входами всех умножителей группы.
Для выявления информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала, а именно смещения, наклона, формы (выпуклая или вогнутая), отклонения вершины ST-сегмента от его центра и различных комбинаций указанных параметров, а также при анализе изменений параметров ST-сегмента электрокардиосигнала для выявления отклонений от нормы на ранних стадиях развития заболевания сердца, число точек дискретизации исследуемого сигнала должно быть не менее N=16, при объеме базисной системы функций также не менее 16 (см. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ / А.Л.Барановский, А.Н.Калиниченко, Л.А.Манило и др. Под ред. А.Л.Барановского и А.П.Немирко. - М.: Радио и связь, 1993, а также см. Справочник по электрокардиографии / Под ред. В.П.Медведева. - СПб.: Питер, 2000).
При этом погрешность оценки информативных параметров в случае применения не только одной базисной системы функций Уолша, но и другой базисной системы функций, уменьшается на 50%.
Выбор для использования кардиомонитором второй базисной системы функций с целью повышения точности и достоверности оценки информативных параметров ST-сегмента и расширения возможности анализа большего разнообразия форм ST-сегмента электрокардиосигнала должен быть основан на рациональном подходе, учитывающем следующие моменты.
1. Целесообразно выбирать базис таким образом, чтобы каждая из базисных функций принимала сравнительно небольшое число значений, что упрощает реализацию всей системы (см. Карповский М.Г., Москалев Э.С. Спектральные методы анализа и синтеза дискретных устройств. - Л.: Энергия, 1973, стр.9, второй абзац сверху). То есть желательно, чтобы функции базисной системы имели два значения: +1 и -1.
2. Наряду с базисной системой функций Уолша иногда для спектрального анализа сигналов и спектральных методов оценки сложности схем применяют и базисную систему функций Хаара (см. Карповский М.Г., Москалев Э.С. Спектральные методы анализа и синтеза дискретных устройств. - Л.: Энергия, 1973, стр.85, нижний абзац и стр.86, верхний абзац). Однако использование базиса Уолша предпочтительнее использования базиса Хаара с точки зрения объема памяти для хранения спектральных коэффициентов. Это связано с тем, что каждый из коэффициентов разложения по Уолшу в отличие от разложения по Хаару учитывает поведение функции (или исследуемого ST-сегмента электрокардиосигнала) на всем интервале задания (то есть на интервале исследования ST-сегмента электрокардиосигнала) (см. Карповский М.Г., Москалев Э.С. Спектральные методы анализа и синтеза дискретных устройств. - Л.: Энергия, 1973, стр.132, второй абзац сверху).
Таким образом, использование кардиомонитором в качестве второй базисной системы совокупности функций Хаара с целью повышения точности и достоверности оценки информативных параметров ST-сегмента и расширения возможности анализа большего разнообразия форм ST-сегмента электрокардиосигнала полностью исключается.
В качестве второй базисной системы в предлагаемом кардиомониторе используется базисная система функций Варакина, представленная в нескольких источниках, например в книге Варакина Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. В указанном источнике на странице 113, рис.4.4, а представлен один из сигналов базисной системы функций Варакина, который является первым в составе системы функций Варакина.
Свойства базисной системы функций Варакина можно охарактеризовать следующим образом.
1. Функции базисной системы Варакина имеют только два значения:
+1 и -1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.113, рис.4.4, а).
2. Требуемый объем памяти для хранения спектральных коэффициентов точно такой же, как и у базисной системы функций Уолша, что не приводит к изменению схемы блока 6 формирования спектральных коэффициентов, используемого в прототипе (см. патент Российской Федерации №2242164 по заявке на изобретение №2003105498/14 от 25.02.2003, опубликован 20.12.2004, кл. A61B 5/0402) и в предлагаемом кардиомониторе.
3. Объем базисной системы функций Варакина равен объему системы Уолша (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.113, нижний абзац).
4. Наконец, функции базисной системы Варакина обладают лучшими корреляционными свойствами, чем функции базисной системы Уолша (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.114, четвертый абзац сверху). Так, для базисной системы функций Варакина коэффициент эксцесса гораздо меньше коэффициента эксцесса систем Уолша. Вероятность ошибки при использовании базисной системы Варакина на порядок (примерно в 10 раз) ниже, чем в случае использования базисной системы функций Уолша (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр.114, второй абзац сверху). Этот фактор дополнительно повышает точность и достоверность оценки информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала и расширяет возможности анализа большего разнообразия форм ST-сегмента электрокардиосигнала в случае использования базисной системы функций Варакина.
На фиг.1 представлена структурная схема кардиомонитора для выявления информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала, на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования ортогональной функции Т(12,θ) базисной системы функций Варакина в предлагаемом кардиомониторе, на фиг.3 - временные диаграммы базисной системы функций Уолша, используемых в прототипе и в предлагаемом кардиомониторе, на фиг.4 - временные диаграммы базисной системы функций Варакина, используемых в предлагаемом кардиомониторе в качестве второй системы базисных функций.
Кардиомонитор содержит блок 1 формирования электрокардиосигнала, блок 2 выделения QRS-комплекса, блок 3 выделения ST-сегмента, блок 4 дискретизации, блок 5 формирования функций Уолша, блок 6 формирования спектральных коэффициентов, блок 7 выявления информативных параметров ST-сегмента, блок 8 индикации, коммутаторы 9 первой группы, коммутаторы 10 второй группы, элемент 11 односторонней проводимости, двухразрядный регистр 12 сдвига, двухвходовый коммутатор 13, умножитель 14 и умножители 15 группы, вход 16 установки режима использования базисной системы функций Уолша или базисной системы функций Варакина.
Устройство, состав элементов и принцип работы блока 1 формирования электрокардиосигнала, блока 2 выделения QRS-комплекса, блока 3 выделения ST-сегмента, блока 4 дискретизации, блока 5 формирования функций Уолша, блока 6 формирования спектральных коэффициентов, блока 7 выявления информативных параметров ST-сегмента, блока 8 индикации очень подробно представлены в описании прототипа (см. патент Российской Федерации №2242164 по заявке на изобретение №2003105498/14 от 25.02.2003, опубликован 20.12.2004, кл. A61B 5/0402).
Предлагаемый кардиомонитор работает следующим образом.
Перед началом работы кардиомонитора на вход 16 установки режима использования базисной системы функций подается сигнал «0», а разряды регистра 12 сдвига устанавливаются в нулевое состояние.
Выбор режима работы кардиомонитора выбирается подачей на вход 16 установки режима использования базисной системы функций сигнала «0» (базисная система функций Уолша) или подачей сигнала «1» (базисная система функций Варакина).
Блок 1 формирования электрокардиосигнала выполняет обычные операции: усиливает электрокардиосигнал, освобождает его от действия помехи промышленной частоты с помощью фильтрации и устраняет дрейф изолинии с помощью фильтра высоких частот или путем выделения сигнала дрейфа изолинии с помощью сплайн-аппроксимации с последующим вычитанием полученного сигнала из исходного электрокардиосигнала (см. патент Российской Федерации №2242164 по заявке на изобретение №2003105498/14 от 25.02.2003, опубликован 20.12.2004, кл. A61B 5/0402). Очищенный от действия помех электрокардиосигнал поступает на входы блока 2 выделения QRS-комплекса и блока 3 выделения ST-сегмента. В блоке 2 выделения QRS-комплекса формируется сигнал начала очередного кардиоцикла (точка отсчета), поступающий на второй вход (вход управления) блока 3 выделения ST-сегмента. На основе известной структуры ЭКС и точки отсчета в блоке 3 формируются точки начала и конца ST-сегмента. Выделенный из ЭКС ST-сегмент поступает в блок 4 дискретизации, где преобразуется в последовательность дискретных отсчетов.
Сигнал на управляющем выходе блока 3 выделения ST-сегмента инициализирует работу блока 5 формирования функций Уолша посредством подачи на его тактовый вход последовательности тактовых импульсов, при этом на соответствующих выходах блока 5 формирования функций Уолша формируются функции Уолша.
С выхода блока 4 дискретизации дискретные отсчеты ST-сегмента поступают на информационный вход блока 6 формирования спектральных коэффициентов.
На вторую группу входов блока 6 формирования спектральных коэффициентов поступают либо функции Уолша, либо функции Варакина с выходов коммутаторов 10 второй группы, в зависимости от выбранного режима работы кардиомонитора.
Если на вход 16 установки режима использования базисной системы функций подается сигнал «0», то кардиомонитор использует функции Уолша, если на вход 16 подается подается сигнал «1», то кардиомонитор использует функции Варакина.
Поясним этот принцип работы кардиомонитора подробнее.
Коммутаторы 9 представляют собой устройства с одним управляющим входом, одним информационным входом и двумя информационными выходами. Они устроены таким образом, что при поступлении на управляющий вход «0» информация, поступающая на его информационный вход, появляется на первом информационном выходе коммутатора 9, а при поступлении на управляющий вход «1» информация, поступающая на его информационный вход, появляется на втором информационном выходе коммутатора 9. То есть при поступлении на управляющий вход «0» соответствующая функция Уолша подается на первый информационный выход коммутатора 9, а при поступлении на управляющий вход «1» соответствующая функция Уолша подается на второй информационный выход коммутатора 9. В первом случае функция Уолша поступает на первый информационный вход соответствующего коммутатора 10, во втором случае - на второй вход соответствующего умножителя 15 группы.
Коммутаторы 10 представляют собой устройства с одним управляющим входом, двумя информационными входами и одним информационным выходом. Они устроены таким образом, что при поступлении на управляющий вход «0» на выходе коммутатора 10 появляется информация, поступающая на его первый информационный вход, а при поступлении на управляющий вход «1» на выходе коммутатора 10 появляется информация, поступающая на его второй информационный вход.
Схемы коммутаторов 9 и коммутаторов 10 часто используются в составе различных дискретных устройств и представлены, например, в источнике: Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1980, с.461.
Таким образом, в случае подачи «0» на вход 16 установки режима использования базисной системы кардиомонитора функции Уолша поступают на вторую группу входов блока 6 формирования спектральных коэффициентов.
С выходов блока 6 формирования спектральных коэффициентов сигналы последних поступают на соответствующие входы блока 7 выявления информативных параметров ST-сегмента.
Возможная реализация блока выявления 7 информативных параметров ST-сегмента для случая представления спектральных коэффициентов в виде двоичного кода подробно приведена при описании прототипа (см. патент Российской Федерации №2242164 по заявке на изобретение №2003105498/14 от 25.02.2003, опубликован 20.12.2004, кл. A61B 5/0402).
Сигналы выявленных информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала поступают на входы блока 8 индикации, где могут быть визуализированы в виде подсветки соответствующих транспарантов или любым иным из известных способов, например на жидкокристаллическом дисплее или плазменном экране.
В случае же подачи «1» на вход 16 установки режима использования базисной системы кардиомонитора функции Уолша со вторых информационных выходов коммутаторов 9 поступают на вторые входы умножителей 15 группы. На первые входы умножителей 15 группы подается сигнал с выхода умножителя 14, который формируется следующим образом.
С началом поступления тактовых импульсов с выхода блока 3 выделения ST-сегмента электрокардиосигнала на тактовый вход блока 5 формирования функций Уолша (фиг.2, а) на его выходах формируются функции Уолша, поступающие на вторые входы соответствующих умножителей 15 группы. Функция Уолша Wal(1,θ), формируемая на втором выходе блока 5 (фиг.2, б), подается на вход элемента 11 односторонней проводимости (в качестве которого может использоваться обычный диод), с выхода которого на информационный вход регистра 12 сдвига поступает только положительная часть функции Уолша Wal(1,θ) (фиг.2, в). На тактовый вход регистра 12 сдвига поступают импульсы с выхода блока 3 выделения ST-сегмента электрокардиосигнала.
В связи с тем, что в разрядах двухзарядного регистра 12 сдвига в исходном состоянии были записаны нули, информация на его выходе оказывается сдвинутой относительно информации на его входе на два такта (фиг.2, г). Последовательность единиц и нулей с выхода регистра 12 сдвига поступает на управляющий вход двухвходового коммутатора 13, устроенного таким образом, что при поступлении на управляющий вход «0» на выходе коммутатора 13 появляется информация, поступающая на его первый вход, а при поступлении на управляющий вход «1» на выходе коммутатора 13 появляется информация, поступающая на его второй вход. То есть коммутатор 13 устроен так же, как и коммутаторы 10 второй группы.
Таким образом, вид сигнала на выходе коммутатора 13 (фиг.2, ж) определяется видом сигнала Уолша Wal(5,θ) (фиг.2, д) и видом сигнала Уолша Wal(8,θ) (фиг.2, e).
Сигнал с выхода коммутатора 13 (фиг.2, ж) поступает на первый вход умножителя 14, на второй вход которого подается сигнал Wal(1,θ) (фиг.2, б) со второго выхода блока 5 формирования функций Уолша, в результате чего на выходе умножителя 14 появляется сигнал, поступающий на первые входы всех умножителей 15 группы (см. фиг.2, з). Поскольку на вторые входы умножителей 15 группы подаются соответствующие сигналы Уолша Wal(i,θ), на их выходах формируются функции T(i,θ), являющиеся функциями базисной системы Варакина, имеющие вид, отличающийся от вида функций Уолша Wal(i,θ).
n
На фиг.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции Варакина Т(12,θ) в предлагаемом кардиомониторе для случая 2=16.
На диаграммах показано временное состояние:
а) второго выхода блока 3 выделения ST-сегмента, на котором формируются тактовые импульсы;
б) второго выхода блока 5 формирования функций Уолша, на котором формируется функция Wal(1,θ);
в) выхода элемента 11 односторонней проводимости;
г) выхода двухразрядного регистра 12 сдвига;
д) шестого выхода блока 5 формирования функций Уолша, на котором формируется функция Wal(5,θ);
е) девятого выхода блока 5 формирования функций Уолша, на котором формируется функция Wal(8,θ);
ж) выхода коммутатора 13;
з) выхода умножителя 14;
и) тринадцатого выхода блока 5 функций Уолша, на котором формируется функция Wal (12,θ);
к) выхода тринадцатого умножителя 15 группы, на котором формируется функция базисной системы функций Варакина Т(12,θ).
На фиг.3 приведены временные диаграммы функций Уолша, используемых в прототипе и в предлагаемом кардиомониторе. На фиг.4 приведены временные диаграммы базисной системы функций Варакина Т(i,θ), используемых предлагаемым кардиомонитором.
В ортогональности сигналов базисной системы функций Варакина можно убедиться путем перемножения любых функций этой базисной системы и интегрирования результата за время, равное периоду функций.
То есть в случае подачи «1» на вход 16 установки режима использования базисной системы кардиомонитора на выходах коммутаторов 10 формируются функции базисной системы Варакина, и кардиомонитор осуществляет анализ ST-сегмента электрокардиосигнала в базисе функций Варакина.
Предложенный кардиомонитор позволяет повысить точность и достоверность оценки информативных параметров ST-сегмента электрокардиосигнала и расширить возможности анализа большего разнообразия форм ST-сегмента за счет использования в процессе оценки параметров не только спектральных коэффициентов базисной системы функций Уолша, но и спектральных коэффициентов базисной системы функций Варакина.