Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы с помощью аппаратно-программного комплекса
DIAGNOSTIC TECHNIQUE OF THE CARDIOVASCULAR SYSTEM USING A HARDWARE-SOFTWARE SYSTEM

Изобретение относится к области медицинской диагностики, а именно к способам диагностики состояния сердечно - сосудистой системы.
Системы диагностики на сегодняшний день осуществляют алгоритмическую обработку и математический анализ показателей, в соответствии с которыми патологические процессы в сердечно-сосудистой системе протекают в соответствии со строгими правилами. К таким показателям относятся реограммы, электрокардиограмма (ЭКГ) и ряд других показателей. Однако на практике анализ таких показателей часто является недостаточным и для формирования актуальных диагностических данных необходимо выполнить ряд дополнительных исследований и иметь достаточный уровень квалификации медицинского работника для их обработки. Вследствие этого, для увеличения качества и эффективности выявления патологий сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) становится актуально создание систем диагностики для помощи принятия решений врачу-кардиологу, направленных на диагностирование ССЗ по минимальному количеству параметров, определяемых неинвазивным методом и предоставляющих объективные количественные данные о заболевании и его стадии протекания. Центральное место в такой системе занимают математические алгоритмы обработки данных, получаемых от пациента и методология постановки диагноза, по результатам проведенной обработки.
Из существующего уровня техники известен способ и устройство для оценки риска сердечно-сосудистых осложнений (патент RU 2508904, МПК А61В 5/02, А61В 5/04, А61В 5/145, опубл. 10.03.2014), согласно которомуметодом оптической капилляроскопии эпонихия пальца руки определяют размер периваскулярной зоны, диаметры венозных и артериальных отделов капилляров. Определяют скорость распространения пульсовой волны и значение эндотелиальной функции на верхней конечности синхронно относительно R пика электрокардиограммы. Измеряют артериальное давление. Рассчитывают индекс К риска сердечно-сосудистых осложнений по математической формуле. Устройство включает пневматические средства создания окклюзии на конечности испытуемого, датчики давления, связанные с окклюзионными манжетами; входной блок, выполненный с возможностью приема, регулирования уровня сигналов с выхода датчиков давления, их усиления и предварительной фильтрации; блок оптической капилляроскопии, выполненный с возможностью определения размера периваскулярной зоны, диаметров венозных и артериальных отделов капилляров эпонихия пальца руки; блок регистрации электрокардиограммы, выполненный с возможностью формирования импульсного сигнала синхронизации по R зубцу электрокардиограммы; блок амплитудно-цифрового преобразования, цифровой обработки сигналов и управления, блок коммутации, блок связи с компьютером. Изобретение позволяет повысить достоверность и объективность оценки риска сердечно -сосудистых осложнений.
Недостатком является то, что способ и устройство позволяют только произвести оценку риска заболевания ССЗ в виде одного общего показателя, что не дает представления специалисту о более конкретном состоянии сердечно-сосудистой системы.
Известен также способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы (патент RU 2257838, МПК А61В 5/00, G06F 17/60, опубл. 10.08.2005), согласно которому моделируют выбранные состояния или признаки, сравнивают информационные параметры характерных особенностей состояния или признака модели с информационными параметрами характерных особенностей исходного состояния или признакапациента, корректируют определение ключевых слов, создание основных карт описания каждого из возможных состояний или признаков в пространстве всех возможных состояний или признаков и параметры модели до обеспечения заданного уровня совпадения информационных параметров состояния и признака модели с характерными особенностями исходного состояния или признака пациента и синтезируют реалистическое трехмерное изображение полученного состояния или признака модели с характерными особенностями. При моделировании осуществляют получение информационных параметров характерных особенностей выбранного состояния или признака путем создания модели, параметры которой и параметры пациента находятся в определенных однозначных отношениях подобия. Способ позволяет повысить качество и расширить функциональные возможности диагностики состояния сердечно-сосудистой системы.
Недостатком способа может служить то, что он позволяет, в большей степени, визуализировать состояние сердечно-сосудистой системы основываясь только на показаниях ЭКГ, что не дает должного представления специалисту о реальном состоянии сердечно-сосудистой системы.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ оценки возрастных изменений сердечно - сосудистой системы человека (патент RU 2485886, МПК А61В 5/0402, опубл. 27.06.2013), согласно которому определяют биофизические и биохимические показатели организма человека, осуществляют одновременное измерение системного артериального давления на левом и правом плече, левой и правой лодыжке для определения значений лодыжечно-плечевого индекса в левой и правой половине туловища и скорости распространения пульсовой волны в левой и правой половинах туловища. Возрастные изменения сердечно - сосудистой системы организма человека оценивают по величине лодыжечно-плечевого индекса и показателям измерений в момент регистрации этого импульса, а также по показателям состояния центральной и периферической гемодинамики, изменении геометрии сердца, работе сердечно-сосудистойсистемы и темпе возрастных изменений и их взаимосвязи. Способ позволяет осуществить системную и комплексную оценку возрастных изменений сердечно-сосудистой системы организма человека, провести углубленный патогенетический анализ возрастных изменений, а также определить темп старения сердечно-сосудистой системы при различных нарушениях.
Недостатком способа является то, что для определения состояния сердечно-сосудистой системы используются только показания ЭКГ, АД и ЛПИ, что не дает должного представления специалисту о реальном состоянии сердечно-сосудистой системы, причем измерения занимают достаточно продолжительное время.
Настоящее изобретение направлено на увеличение точности обследования, постановки диагноза и прогнозирования развития болезни.
Технический результат изобретения заключается в увеличении скорости постановки диагноза, а также в улучшении качества обследования сердечно-сосудистой системы.
Технический результат изобретения достигается тем, что способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы с помощью аппаратно-программного комплекса, заключающийся в сборе анамнеза, проведении физикального исследования и инструментального исследования пациента, в ходе которого снимают электрокардиограмму (ЭКГ), измеряют артериальное давление (АД) и лодыжечно-плечевой индекс (ЛПИ) одновременно с помощью блока регистрации параметров аппаратно-программного комплекса, в который также входят персональный компьютер (ПК) врача-кардиолога с соответствующим программным обеспечением и облачная система обработки и сопоставления данных, при этом дополнительно производят запись сфигмограммы и апекскардиограммы (АпексКГ), а также регистрацию реограммы с помощью того же блока регистрации параметров, причем все параметры регистрируют одновременно, после чего данные из блока регистрации, а также данные анамнеза и физикального исследования поступают на ПК, где производят, совместно с данными облачной системы, обработку полученной информации и получают первичный диагноз с рекомендациями по лечению.
Использование блока регистрации параметров для одновременного снятия ЭКГ, измерения АД и ЛПИ, записи сфигмограммы и АпексКГ, а также регистрации реограммы позволяет в несколько раз увеличить скорость постановки диагноза по состоянию сердечно-сосудистой системы.
Использование облачной системы обработки и сопоставления данных совместно с ПК врача-кардиолога с соответствующим программным обеспечением позволяет улучшить качество обследования сердечно -сосудистой системы и получить первичный диагноз с рекомендациями по лечению, основываясь на имеющемся опыте и информации, заложенной в облачной системе.
Согласно последним медицинским исследованиям, для определения основных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека были выбраны следующие параметры:
- измерение АД;
- ЛПИ;
- объемная сфигмография;
- реография;
- ЭКГ;
- АпексКГ.
Артериальное давление является одним из важнейших энергетических показателей, характеризующих работу системы кровообращения человека. Относительно данного технического решения артериальное давление позволит диагностировать такие нарушения как артериальную гипертензию и артериальную гипотензию.
Лодыжечно-плечевой индекс отражает отношение систолического артериального давления на уровне лодыжки к величине артериального давления на уровне плечевой артерии. ЛПИ дает возможность судить о прогнозе относительно выживаемости и заживления ран, может бытьиспользован в качестве скрининга, метода оценки эффективности лечения. Показатели ЛПИ оцениваются путем измерения систолического АД на обеих плечевых артериях, артерии тыла стопы и задней болыпеберцовой артерии после того, как больной находился в положении лежа в течение 10 минут. Измерение ЛПИ - надежный и эффективный метод, более доступный по сравнению с ангиографией. Его положительная предсказующая ценность составляет 90%, отрицательная предсказующая ценность - 99%, общая точность - 98%.
Объемная сфигмография определяет состояние сосудов, оценивает эластичность сосудистой стенки, проходимость крупных артерий, а также определяет биологический возраст артерий.
Методика компьютерной сфигмографии была разработана В.И. Фатенковым, А.В. Германовым и Л.П. Бухваловой. Компьютерная сфигмография позволяет оценить деятельность артериальных сосудов, однако у метода есть недостатки: необходимость длительного обучения персонала, невозможность проведения регистрации кривых без исследователя (например, во время сеансов физиотерапии). Этих недостатков лишена модификация метода - компьютерная объемная сфигмография. Объемная сфигмография суммарно отражает изменения объема участка конечности, происходящие под влиянием пульсовых колебаний сосудов, находящихся под манжетой. Пульсовые кривые, полученные при сфигмографии периферического артериального пульса и объемной сфигмографии, синхронны и сходны по форме. Кривая объемной сфигмограммы обрабатывается аналогично пульсовой кривой.
Реография - это неинвазивный метод исследования, при котором производиться диагностика общего и регионарного кровообращения. Реография основывается на том, что при прохождении по тканям импульсной волны происходит изменение их сопротивления, которое регистрируется и отображается в графическом виде.
В современной диагностике динамическое изменение гемодинамики малого круга кровообращения позволяет определить три типа реографических кривых:
а) гиперволемический тип, характеризующийся повышенной амплитудой колебаний систолической волны, резко возрастающая анакрота и катакрота, нечеткая проявлялось инцизуры на диастолической волне,
б) гиповолемический тип, характеризующийся пониженными колебаниями, наличием острых выступов на анакроте, непоследовательная инцизура диастолической волны, увеличенное время максимального систолического наполнения,
в) гипертонический тип, характеризующийся большими амплитудами на систолической волне, округлыми гребнями, высоким размещением инцизуры.
Ярким примером кривой служит реограмма легочной артерии, анализ которой позволяет составить множество диагностических выводов.
Так, например, динамическое изменение значения ударного реографического систолического индекса, может быть вызвана расстройством фазовой структура систолы правого желудочка сердца, что свидетельствует о легочной гипертонии. Повышение систолического давления отражается тенденцией к уменьшению фазы максимального изгнания. Выраженная легочная гипертония приводит к абсолютному снижению реографического систолического индекса. Повышение диастолического давления проявляется удлинением периода напряжения и фазы максимального изгнания. При посткапиллярной гипертонии увеличивается межамплитудный индекс за счет амплитуды диастолической волны. Уменьшение амплитуды систолической волны может быть при снижении ударного объема правого желудочка, прекапиллярной гипертонии, склеротических изменениях легочной артерии и ее ветвей. Возрастание ударного объема правого желудочка, может быть обнаружено по возрастанию амплитуды колебаний систолической волны реограммы, которое так же фиксироваться при артериовенозных фистулах и определенных врожденных пороках сердца. Уменьшение резервной емкости венозного русла малого круга диагностируется по непроявленнию диастолической волны на реограмме.
Электрокардиография - метод электрофизиологического исследования деятельности сердца в норме и патологии, основанный на регистрации и анализе электрической активности миокарда, распространяющейся по сердцу в течение сердечного цикла. Результатом диагностики является кривая - электрокардиограмма, записываемая при помощи специализированных приборов. Она показывает изменение в реальном времени, разность потенциалов в двух точка электрического поля сердца человека. Точки совпадают с местами наложения электродов на теле обследуемого пациента. Один из них является положительным полюсом, а второй - отрицательным. Электроды подключены к соответствующим положительны и отрицательным полюсам электрокардиографа.
В медицинской практике основным методом считается регистрация ЭКГ в 12 отведениях. Основополагающей идея данного метода считается концепция треугольника Эйнтховена, которую он создал, во время изучения биоэлектрической деятельности сердца.
В отношении данного технического решения данные ЭКГ позволят обнаруживать ишемии и зон некроза миокарда, диагностировать нарушения сердечного ритма и проводимости.
Апекскардиография - это метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки, вызванных работой сердца, в области верхушечного толчка. Данный метод позволяет дать точное представление о длительности отдельных фаз сердечного цикла.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:
на фиг. 1 изображена общая схема аппаратно-программного комплекса;
на фиг. 2 изображена структурная схема блока регистрации.
Аппаратно-программный комплекс по представленному способу содержит персональный компьютер (1) врача-кардиолога, блок регистрации параметров (2) и облачную систему (3) обработки и сопоставления данных. Блок регистрации параметров (2) содержит двухканальный модуль регистрации (4) электрокардиограммы, двухканальный модуль регистрации реограммы (5), двухканальный модуль регистрации сфигмограммы (6), модуль регистрации апекскардиограммы (7), два модуля измерения артериального давления (8, 9), выполняющие также функцию подкачки манжеток при регистрации сфигмограммы, управляющий микроконтроллер (10), USB коммуникационный модуль (11) с гальванической развязкой (12) для передачи регистрируемых данных на персональный компьютер (1), а также сетевой блок питания (13).
Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы с помощью аппаратно-программного комплекса заключается в следующем.
1. Расспрос и сбор анамнеза
При проведении расспроса, врач-кардиолог посредством устного опроса должен выявить все жалобы пациента, который он имеет на текущий момент, перенесенные им ССЗ, выявить наличие семейного анамнеза и уточнить особенности стиля жизни. Полученная информация вносится в персональный компьютер (1) для первичной обработки.
2. Физикальное исследование
Физикальное исследование подразумевает под собой комплекс внешнего осмотра и начинается еще до того, как пациент ложится на кушетку. Получать необходимую информацию можно даже при слежении за походкой и характерными или болезненными движениями больного. Согласно общим рекомендациям необходимо обращать внимание на одышку и симптомы дискомфорта, когда больной вошел в помещение и направляется кушетке. Общий осмотр предоставляет хорошую возможность оценить рост, обнаружить ожирение, явную мезоундацию скелета. Если пациент выглядит сильно усталым, это возможно, является симптомом низкого сердечноговыброса, который продолжался у него достаточно долгий период времени. Увеличенная частота дыхательного процесса может являться признаком такого заболевания как венозный легочный застой.
Полученную анамнестическую информацию необходимо конкретизировать и уточнять в течение проведения всей процедуры. При обнаружении конкретных физикальных признаков требуется проведению уточненного расспроса пациента, особенно если о каких-либо симптомах или признаках пациент знает длительное время, но не придает этому большое значение (пример, деформация пальцев в виде "барабанных палочек"). Следует внимательно изучить глазное дно и особенности сосудов сетчатки, что позволит обнаружить признаки гипертензии, атеросклероза или эмболии. Рекомендуют осуществить пальпацию периферического артериального пульса на верхних и нижних конечностях, благодаря чему можно обнаружить окклюзию артерий, а также установить адекватность системного кровотока. Полученная информация также вносится в персональный компьютер (1) для первичной обработки.
3. Инструментальное исследование
Инструментальное исследование или диагностика на данном этапе будет осуществляться с помощью блока регистрации параметров (2), позволяющего реализовать метод объемной сфигмографии, одновременно измеряя АД, ЛПИ, производить реографию, ЭКГ и Апекс КГ. Современное развитие вычислительной техники и программных возможностей позволяет объединять в едином приборе несколько отдельно используемых аппаратов.
Входящие в состав блока регистрации (2) два модуля неинвазивного артериального давления (8, 9) могут представлять собой, так называемые блоки OEM. В частности модуль регистрации артериального давления ОЕМ-NIBP производства ООО "Микролюкс". Каждый модуль представляет собой законченное изделие, содержащее высоконадежны компрессор (Япония), управляемый клапан, датчик давления, а также собственный мощный RISC микроконтроллер, работающий под управлением встроенного программногообеспечения. ПО модуля и заложенные в нем алгоритмы прошли апробацию во многих клинических ситуация, включая медицинскую практику критических состояний. Он обладает весьма малыми габаритными размерами и низким энергопотреблением. Данные характеристики делают возможным использовать его практически в любых системах.
Построение схемы первичных преобразователей электрокардиосигнала (ЭКС) и реограммы основано на использовании высокоразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с дельта-сигма модулятором. Данное решение сделало возможным значительно упростить процесс выделения и усиления пульсирующей составляющей сигнала аналоговыми средствами, что позволило ликвидировать неблагоприятное воздействие, оказываемое нестационарными процессами в цепях, зависимых от частотных искажений, на форму физиологических кривых. Это реализовано путем применения комбинированных аналого-цифровых микросхем ADS1292R.
Двухканальный первичный преобразователь ЭКС, построенный на вторых каналах микросхем, дает возможность произвести ЭКГ в шести отведениях, по завершению преобразований цифрового сигнала, с электродов на конечностях путем элементарных алгебраических операций над регистрируемыми сигналами. Устройство работоспособно также при отсутствии подключения части электродов, в этом случае может быть получена одноканальная ЭКГ в каком-либо одном отведении.
Снятие параметров ЭКГ осуществляется посредством стандартных грудных датчиков и устанавливаемых в него электродов, реализуемый общепринятый способ разрешает генерировать сигнал необходимой мощности, с допустимым уровнем индуцированных помех.
Повышение качества электрокардиосигнала происходит за счет пропускания его через фильтр предохранения от помех, наводимых радиочастотами, и приборный усилитель, обеспечивающий заданный коэффициент усиления, который можно программировать. Данная модуляцияпроизводиться с сигналом, который с электродов, попадает на входы ADS1292R. Далее происходит обработка встроенным дельта-сигма модулятором. Цифровой фильтр обрабатывает (прореживает) скомпилированный поток информации и на выходе вырабатывает параметры диапазонов в 24-разрядном формате, которые сохраняются в реестре памяти АЦП. Происходят данные преобразования с помощью модуля ЭКГ (4).
Блок регистрации содержит модуль записи реографии (5). Для регистрации реографических сигналов сконфигурированы каналы аналого-цифровых микросхем ADS1292R. Микросхемы получат встроенные генераторы противофазных прямоугольных импульсов частотой 32 кГц, которые с выводов через токоограничительные резисторы и разделительные конденсаторы поступают на электроды, подключенные к контактам разъема. Амплитуда импульсов тока, задаваемая сопротивлениями резисторов, составляет около 30 мкА.
Регистрация апекскардиограммы, ЛПИ и двух каналов сфигмограммы осуществляется четырьмя аналоговыми датчиками давления МРХ5050, соединенными гибкими трубками с приемной воронкой апекскардиограммы и манжетками модулей АД соответственно. Оцифровка сигналов датчиков производится 24-разрядным дельта-сигма АЦП, входящим в состав микросхемы ADS1292R модуля (7).
Модуль регистрации сфигмографии (6) построен так же на базе дельта-сигма АЦП высокой разрядности ADS1292R.
Центральный микроконтроллер (10) обеспечивает сбор информации с первичных преобразователей и управление их параметрами, форматирование и передачу данных по USB-интерфейсу (11) и выполнение других служебных функций.
В качестве центрального микроконтроллера (МК) может быть выбрана модель MSP430F247, компании Texas Instruments, которая в последнее время ведет разработки в области медицины. Он базируется на 16-разрядном процессоре смешанных сигналов с RISC-архитектурой. МКспроектирован специально для приложений со сверхнизким потреблением. В его состав входит набор экономичных, простых в использовании интеллектуальных периферийных модулей с минимальной рассеваемой мощностью, используемых в тысячах различных приложений.
Управление OEM модулями неинвазивного артериального давления и считывание с них информации производиться через асинхронный последовательный интерфейс UART на скорости 115,2 кбит/с в соответствии с системой команд, указанной производителем модулей. В процессе работы таких систем возможно возникновение конфликтов, связанных с подключением двух модулей к одному UART, и преобразование логических уровней, решение которых возможно будет за счет введения дополнительных логических элементов.
Управление всей системой осуществляется врачом через персональный компьютер (1), который так же служит основным узлом сохранения данных и отображения полученной и обработанной информации. Центральный микроконтроллер устройства не имеет интегрированный блок передачи данных, следовательно, требуется использование самостоятельного (отдельного) USB микроконтроллера (11). Для нашего случая был выбран автономный USB контролер на базе FT232RL.
В блоке (2) используется гальваническая развязка интерфейса (12) и она выполнена на оптопарах, что обеспечит электрическую прочность изоляции, необходимую для выполнения требований безопасности согласно действующим стандартам.
Электропитание прибора осуществляется от сетевого блока питания (13), содержащего трансформатор, выпрямитель и линейные стабилизаторы. В качестве трансформатора блока питания используется трансформатор питания для печатного монтажа ТП-122. Изоляция первичной обмотки сетевого трансформатора ТП-122 соответствует требованиям к усиленной изоляции для устройств класса II типа BF согласно стандартам безопасности.
Таким образом, получается следующая последовательность действий медицинского работника, проводящего исследование:
1. Врач-кардиолог проводит расспрос, сбор анамнеза и физикальное исследование. Заносит полученную информацию в персональный компьютер (1) с соответствующим программным обеспечением (ПО). Компьютер (1) при этом имеет связь с облачной системой (3) обработки и сопоставления данных.
2. Пациент ложится на кушетку, на верхние и нижние конечности накладываются пневмоманжеты для измерения артериального давления, записи сфигмограммы, апекскардиограммы и замера ЛПИ.
3. Устанавливаются электроды для снятия реограммы (место переделяется типом исследования), ЭКГ во II отведении.
4. С помощью блока регистрации параметров (2), измеряется артериальное давление, проводится запись апекскардиограммы, сфигмограммы с заданным шагом итерации и измеряется ЛПИ.
5. Единовременно регистрируется реограмма. В зависимости от вида последней, электроды устанавливались на грудную клетку (при реографии легочной артерии) или на конечности (при реовазографии).
6. Одновременно снимается ЭКГ во II отведении. Эти данные необходимы для проведения анализа реограммы легочной артерии.
7. Полученная информация из блока (2) поступает на ПК (1), где производится, совместно с данными облачной системы (3), обработка полученной информации и выводится первичный диагноз с рекомендациями по лечению.
Задачи инструментального исследования возлагаются на программно-аппаратную часть комплекса, тогда как от врача будут требоваться следующие действия:
- провести расспрос и физикальное обследование больного, занести полученные данные в программное обеспечение комплекса, согласно представленным формам для заполнения;
- сопоставить диагноз, определенный системой с диагнозом, основанным на собственном опыте и уровня специализации врача;
- установить стратегию развития заболевания и вероятность его наступления;
- проведя анализ полученных данных, установить способ и последовательность лечения и, если необходимо, требуемое амбулаторную диагностику и количество ее повторений.