ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФ ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ РЕГИСТРАЦИИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ НА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЕ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
ELECTROCARDIOGRAPH FOR NON-INVASIVE REAL-TIME MICROPOTENTIAL RECORDING ON ELECTROCARDIOGRAM

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения биоэлектрических потенциалов, используемых преимущественно в приборах медицинской диагностики.
Известно устройство [Куриков С.Ф., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Применение сигма-дельта-аналого-цифрового преобразования в многоканальных электрокардиографах uran.donetsk.ua>~masters…fkita/pichka/librar], в котором применяются дельта-сигма аналого-цифровые фильтры (АЦП), при этом во входных цепях не применяются традиционные фильтры - заграждающий 50 Гц, антитреморный, фильтр высокой частоты и фильтр низкой частоты. Постоянная составляющая на входе ЭКГ компенсируется за счет 5-6 дополнительных бит сигма-дельта-АЦП. Недостатком данного устройства является использование программных фильтров, выполненных на компьютере, для улучшения отношения сигнал/шум с целью повышения разрешающей способности измерительных каналов, которые приводят к искажению тонкой структуры биопотенциала. Достигнуты следующие технические параметры:
- диапазон входных напряжений от 1,2 мкВ; 5 мкВ; 10 мкВ до 10 мВ;
- диапазоны частот - (0-40)/(0-146) Гц;
- частота квантования - 2000 Гц.
Известно электродное устройство [SU 2469642, МПК A61B, опубл. 20.12.2012 г. Бюл. №35], содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, на нерабочей стороне которого выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, соединенным с отводящим элементом спаем, причем для насыщения диэлектрического пористого контактного элемента использован электролит, отличающееся тем, что весь объем пор диэлектрического пористого контактного элемента заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, и пропитан электролитом, при этом слой серебра через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным к входу электрографического прибора, а на нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая.
Электродное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве электролита выбран состав, мас.%:
вода
31-35
хлористый калий
10-13
агар-агар
2-3
полиакриламид
0,5-0,8
глицерин
остальное
Метрологические и эксплуатационные параметры медицинских наноэлектродов превышают параметры всех известных в мире медицинских электродов.
Известно устройство [SU 2240720, МПК A61B 5/04, опубл. 27.11.2004 г. Бюл. №48], выбранное в качестве прототипа, содержащее блок питания, два электрода и последовательно соединенные процессор, блок оптронной развязки и компьютер, оно дополнительно содержит еще два электрода, конвертер питания, коммутатор (блок компенсации потенциала смещения между электродами) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с первым входом процессора, второй вход которого соединен со вторым выходом блока оптронной развязки. Выходы блока питания через конвертер питания подключены к питающим входам коммутатора, блока компенсации потенциала смещения между электродами, АЦП, процессора, блока оптронной развязки и компьютера, выход которого через блок оптронной развязки соединен со вторым входом процессора, третий выход которого соединен с третьим входом блока компенсации потенциала смещения между электродами, а четвертый выход соединен с пятым входом коммутатора, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены с одним из четырех электродов, а каждый выход соединен с соответствующим входом блока компенсации потенциала смещения между электродами.
В качестве электродов в данном устройстве использованы серийно изготавливаемые стеклянные электроды, например ЭВЛ-1МЗ. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для проведения обследования (скрининга) населения с целью выявления патологии внутренних органов на ранних стадиях заболевания.
Диапазон измерения величины снимаемого биопотенциала, обеспечиваемый устройством, находится в пределах от 0,1 мВ до 200 мВ.
Недостатками данного устройства является низкая разрешающая способность (0,1 мВ), в устройстве применяются стеклянные образцовые электроды сравнения ЭВЛ-1М3, которые не приспособлены для крепления на теле человека и являются неударопрочными, наличие программных фильтров на процессоре, которые приводят к искажению регистрируемого биопотенциала, то есть искажают его тонкую структуру.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности электрокардиографа высокого разрешения для неинвазивной регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме в реальном масштабе времени без применения как аналоговых, так и программных фильтров, без накопления кардиоимпульсов, которые приводят к искажениям истинной биоэлектрической активности сердца, с целью ранней диагностики заболеваний сердца и исключения случаев внезапной сердечной смертности (ВСС).
Поставленная задача решена за счет того, что устройство, так же как в прототипе, содержит блок питания, электроды, микроконтроллер, компьютер, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, блок компенсации постоянной составляющей.
Согласно изобретению устройство имеет многоканальную структуру и содержит несколько идентичных каналов, в устройстве в качестве электродов используют медицинские наноэлектроды для съема ЭКГ с грудной клетки, выходы наноэлектродов подключены к входам измерительных усилителей, выходы измерительных усилителей подключены к первым входам операционных усилителей, выходы которых соединены с входами АЦП, выходы АЦП подсоединены к входам микроконтроллера, выходы которого соединены с компьютером и через ЦАП со вторыми входами операционных усилителей.
Медицинские наноэлектроды благодаря высоким метрологическим параметрам и особому строению внутренней структуры позволяют регистрировать не инвазивно микропотенциалы на электрокардиограмме в реальном масштабе времени без применения стандартных как аналоговых, так и программных фильтров, накопления кардиоимпульсов, которые приводят к искажениям истинной биоэлектрической активности сердца, с целью диагностики заболеваний сердца и исключения случаев внезапной сердечной смертности (ВСС).
Предлагаемая структура устройства обеспечивает высокое качество передачи биопотенциалов с наноэлектродов в компьютер:
1. В структуре устройства отсутствует коммутатор, который вносит коммутационные помехи в известном устройстве.
2. В устройстве используются высокоразрядные АЦП и ЦАП.
3. В качестве АЦП применяется малошумящий сигма-дельта-АЦП (не менее 24 разряда).
4. Микроконтроллер организует обмен с компьютером и управляет ЦАПом для компенсации постоянной составляющей на входе.
5. Устройство изоляции сигнала обеспечивает защиту от поражения электрическим током.
6. Зарегистрированные электрокардиограммы в компьютере запоминаются, вычисляются амплитудно-временные параметры зубцов ЭКГ и пиков на зубцах, автоматически выдается рекомендация по состоянию сердечно-сосудистой системы для врача, который устанавливает окончательный диагноз.
7. Питание устройства осуществляется от аккумуляторных батарей.
Данное устройство позволило зарегистрировать не инвазивно низкоамплитудные зубцы электрокардиографического сигнала и пики на них уровнем 1 мкВ, единицы и десятки микровольт без применения традиционных как аналоговых, так и программных фильтров, которые вносят амплитудные и фазовые искажения, то есть зарегистрировать не инвазивно истинную биоэлектрическую активность сердца без искажения формы низкоамплитудных зубцов.
На фиг. 1 представлена структура устройства.
На фиг. 2 представлены фрагменты ЭКГ, зарегистрированные одновременно: а, в - в диапазоне частот 0-1000 Гц; б, г - в диапазоне частот 0-150 Гц; а, б - район зубцов P,Q; в, г - R-зубец.
На фиг. 3 представлены фрагменты ЭКГ, зарегистрированные одновременно: а,в - в диапазоне частот 0-1000 Гц; б, г - в диапазоне частот 0-150 Гц; а, б - зубец Р; в, г - зубцы P, Q, S, T, U.
На фиг. 4 представлен фрагмент ЭКГ пациента 44, 2 - отведение по Холтеру.
На фиг. 5 представлен фрагмент ЭКГ пациента 45, 3 - отведение по Холтеру.
На фиг. 6 представлен фрагмент ЭКГ пациента 47, 2 - отведение по Холтеру.
На фиг. 7 представлен фрагмент ЭКГ пациента 48, 2 - отведение по Холтеру.
На фиг. 8 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 50: а - 1 отведение; б, в - 3 отведение; г - общий вид, 1 отведение.
На фиг. 9 представлен фрагмент ЭКГ пациента 51, 2 отведение по Холтеру.
На фиг. 10 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 52: а - 1 отведение; 6-2 отведение.
На фиг. 11 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 53: а - 1 отведение; 6-2 отведение; в - 3 отведение.
На фиг.12 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 54: а - 1 отведение; б - 2 отведение; в - 3 отведение.
На фиг.13 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 55: а - 1 отведение; б - 2 отведение.
На фиг.14 представлен фрагмент ЭКГ пациента 56, 1 отведение.
На фиг.15 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 57: а - 1 отведение; б - 2 отведение; в - 3 отведение.
На фиг.16 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 58: а - 1 отведение; б - 2 отведение; в - 3 отведение.
На фиг.17 представлен фрагмент ЭКГ пациента 59, 1 отведение по Холтеру.
На фиг.18 представлен фрагмент ЭКГ пациента 60, 1 отведение по Холтеру.
На фиг.19 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 61: а - 1 отведение; б - 2 отведение; в - 3 отведение.
На фиг.20 представлены фрагменты ЭКГ по Холтеру пациента 62: а - 1 отведение; б - 2 отведение.
1i
2i
i
i
i
i
Электрокардиограф высокого разрешения для неинвазивной регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме в реальном масштабе времени (фиг.1) содержит медицинские наноэлектроды 1 и 1, измерительные усилители 2, операционные усилители 3, аналого-цифровые преобразователи 4, микроконтроллер 5, цифроаналоговый преобразователь 6, изолятор 7, персональный компьютер 8.
Принцип действия устройства заключается в следующем.
1i
2i
i
i
i
i
i
Медицинские наноэлектроды 1 и 1 устанавливают на грудной клетке пациента. Электрокардиографические сигналы с наноэлектродов поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы измерительных усилителей 2, с выхода измерительных усилителей сигналы поступают на неинвертирущий вход операционного усилителя 3, сигналы с выхода операционных усилителей поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 4 и после оцифровки поступают на вход микроконтроллера 5, который оценивает входной сигнал и при наличии постоянной составляющей выдает сигнал на ЦАП 6 для устранения постоянного сигнала на входе путем подачи компенсирующего напряжения на инвертирующий вход операционных усилителей 3. Изолятор 7 изолирует пациента от компьютера 8. Сигналы на вход компьютера поступают через порт USB.
Были проведены клинические исследования электрокардиографа высокого разрешения для неинвазивной регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме в реальном масштабе времени.
Результаты клинических исследований получены в Томском НИИ кардиологии. Зарегистрированы одновременно электрокардиограммы пациента П1 в области частот от 0 до 1000 Гц, фиг. 2 а, в, и в области частот от 0 до 150 Гц, фиг. 2 б, г, а, б - район зубцов P, Q; в, г - R-зубец. В устройствах для регистрации отсутствуют фильтры, съем осуществляется с грудной клетки по Холтеру. Устройства не были синхронизированы и поэтому наблюдается небольшая временная задержка. Устройство с полосой пропускания от 0 до 150 Гц сглаживает пики в отличие от высокочастотного устройства.
Электрокардиограммы пациента 2, зарегистрированные одновременно теми же устройствами, представлены на фиг. 3 а, б, в, г., а, в - диапазон частот 0-1000 Гц; б, г - диапазон частот 0-150 Гц; а, б - зубец Р; в, г - зубцы P, Q, S, T, U.
На электрокардиограммах, фиг. 2 а, в и фиг. 3 а, в, зарегистрированных в полосе частот от 0 до 1000 Гц, пики микровольтового уровня на стандартных зубцах и их положение на временной оси ЭКГ более отчетливо фиксируются.
Для оценки возможности регистрации микропотенциалов на электрокардиограмме уровнем 1 мкВ, единицы и десятки микровольт с помощью аппаратуры на наноэлектродах в диапазоне частот от 0 до 150 Гц без аналоговых и программных фильтров и накопления кардиоимпульсов представлены результаты клинических исследований, фиг. 4 - 20. Все пациенты перенесли инфаркт миокарда и наблюдались в отделении неотложной кардиологии Томского НИИ кардиологии.
На фиг. 4 у пациента 44 во 2 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 60 мкВ, пиков - от 3 мкВ до 30 мкВ.
На фиг. 5 у пациента 45 в 3 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 30 мкВ, пиков - от 5 мкВ до 20 мкВ.
На фиг. 6 у пациента 47 во 2 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 50 мкВ, пиков - от 10 мкВ до 70 мкВ.
На фиг. 7 у пациента 48, 2 отведение, амплитуда Р-зубца 25 мкВ, пиков - от 8 мкВ до 15 мкВ.
На фиг. 8 у пациента 50 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 25 мкВ, пиков - от 4 до 5 мкВ, фиг. 8а; в 3 отведении амплитуда Р-зубца от 7 мкВ до 15 мкВ, пиков - от 7 мкВ до 15 мкВ, фиг. 8б, в; общий вид ЭКГ в 1 отведении представлен на фиг. 8 г.
На фиг. 9 у пациента 51 во 2 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 55 мкВ, пиков - от 3 мкВ до 33 мкВ.
На фиг. 10 у пациента 52 при исследовании по Холтеру в 1 отведении наблюдается изменение полярности Р-зубца перед экстрасистолой, зубец двухполярный, амплитуда Р-зубца 20 мкВ, пиков - от 5 мкВ до 10 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 15 мкВ, зубец двухполярный, пики - от 5 мкВ до 10 мкВ.
На фиг. 11 у пациента 53 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 35 мкВ, пиков - от 3 до 10 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 45 мкВ, пиков - от 3 до 5 мкВ; в 3 отведении амплитуда Р-зубца 15 мкВ, пиков - от 2 до 7 мкВ.
На фиг. 12 у пациента 54 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 5 мкВ, пиков - от 5 до 10 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 8 мкВ, пиков - ±4 мкВ; в 3 отведении амплитуда Р-зубца 7-8 мкВ, пиков - от 2,5 до 5 мкВ.
На фиг. 13 у пациента 55 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 100 мкВ, пиков - от 8 до 70 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 40 мкВ, зубец двухполярный, амплитуды пиков - от 20 мкВ до ±40 мкВ.
На фиг. 14 у пациента 56 в 1 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 180 мкВ, пика - 80 мкВ.
На фиг. 15 у пациента 57 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 100 мкВ, пиков - от 8 мкВ до 60 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 70 мкВ, амплитуды пиков - от 10 мкВ до 25 мкВ; в 3 отведении амплитуда Р-зубца 50 мкВ, пиков - от 10 мкВ до 15 мкВ.
На фиг. 16 у пациента 58 при исследовании сердца по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 170 мкВ, пиков - от 10 мкВ до 25 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 110 мкВ, амплитуды пиков - от 10 мкВ до 20 мкВ; в 3 отведении амплитуда Р-зубца 80 мкВ, пиков - от 10 мкВ до 25 мкВ.
На фиг. 17 у пациента 59 в 1 отведении по Холтеру, амплитуда Р-зубца 120 мкВ, пиков - от 6 мкВ до 40 мкВ.
На фиг. 18 у пациента 60 в 1 отведении по Холтеру амплитуда Р-зубца 175 мкВ, пиков - от 6 мкВ до 75 мкВ.
На фиг. 19 у пациента 61 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 150 мкВ, пиков - от 10 мкВ до 20 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 75 мкВ, амплитуды пиков - от 5 мкВ до 45 мкВ; в 3 отведении амплитуда Р-зубца 45 мкВ, пиков - от 7 мкВ до 35 мкВ.
На фиг.20 у пациента 62 при исследовании по Холтеру в 1 отведении амплитуда Р-зубца 175 мкВ, пиков - от 5 мкВ до 50 мкВ; во 2 отведении амплитуда Р-зубца 100 мкВ, амплитуды пиков - от 5 мкВ до 50 мкВ.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработанная аппаратура позволяет измерить амплитуду и момент появления на обычной ЭКГ низкоамплитудных зубцов и пиков на них.
2. Амплитуды зубцов и пиков варьируют от единиц до сотен микровольт.
3. С расширением полосы частот аппаратуры до 1000 Гц улучшается качество регистрации сигналов, составляющих единицы и десятки микровольт.
Низкоамплитудные биопотенциалы сердца микровольтового уровня зарегистрированы в реальном времени без искажений с грудной клетки пациентов со стандартных отведений по Холтеру без фильтров как аналоговых, так и программных.
Данный подход позволит дополнить существующую ЭКГ-диагностику, применяемую широко в поликлиниках, диагностическими параметрами, которые применяются для постановки точного диагноза при использовании электрокардиографов высокого разрешения, например, по методу Симсона. Метод Симсона основан на накоплении 100-300 кардиокомплексов, с дальнейшей фильтрацией суммарного импульса.
На суммарном кардиоимпульсе при определенных патологиях обнаруживают поздние потенциалы предсердий (ППП) уровнем менее 5 мкВ, которые возникают в конце P-зубца или поздние потенциалы желудочков (ППЖ) уровнем менее 20 мкВ, которые возникают после S-зубца в начале S-T-комплекса. Обнаружение на кардиоимпульсе ППП и ППЖ является предвестником внезапной сердечной смерти по данным клинических исследований методом Симсона.
Недостатками метода Симсона является невозможность анализа сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени и включение в решающее правило параметров, имеющих отдаленное отношение к природе исследуемых низкоамплитудных составляющих ЭКГ.
Наши клинические исследования на предлагаемом устройстве показали, что устройство способно измерять низкоамплитудные флуктуации на кардиоимпульсе уровнем 1 мкВ, единицы микровольт, десятки микровольт в реальном масштабе времени без применения фильтров, которые приводят к амплитудным и фазовым искажениям ЭКГ-сигнала. На графиках хорошо просматривается нестабильность работы сердца. Доказательством отсутствия электромиографической помехи является тот факт, что низкоамплитудные флуктуации, наблюдаемые на горизонтальных участках ЭКГ, то есть во время отдыха сердца, в момент возбуждения на P-зубцах отсутствуют, что свидетельствует об изменении физиологического состояния мышечного волокна сердца в переходе от фазы покоя к фазе возбуждения.
Данное устройство открывает новые перспективы для более точной и ранней диагностики заболеваний сердца при массовых исследованиях в поликлинических условиях с целью исключения внезапной сердечной смертности (ВСС).