Дистанционный комплекс для анализа электрокардиосигналов
REMOTE COMPLEX FOR ANALYZING ELECTROCARDIOSIGNAL

Предлагаемое изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности, к устройствам анализа электрокардиосигналов и экспресс-диагностики заболеваний внутренних органов человека.
Дистанционный комплекс предназначен для скрининг-диагностики заболеваний внутренних органов, в том числе на начальном этапе развития, проводимой в условиях поликлиники, лечебно-диагностического центра, при диспансеризации населения и профессиональном отборе.
Известно, что кардиоимпульсы любой физической природы: электрической, магнитной, гидродинамической и механической - все одновременно генерируемые сердцем и подвергаемые модуляции несут в себе дублированную информацию о норме и заболеваниях внутренних органов (1. Успенский В.М. Информационная функция сердца. Теория и практика диагностики заболеваний внутренних органов методом информационного анализа электрокардиосигналов. - М.: «ПЛАНЕТА», 2016. - с. 272.) Однако для информационного анализа по технологии, предложенной В.М. Успенским, в настоящее время наиболее доступны электрокардиосигналы и сейсмокардиосигналы.
Например, в диагностической системе «Скрифакс» используются три стандартных отведения от конечностей, предложенные Эйнтховеном (правая рука - левая рука, правая рука - левая нога, левая нога - левая рука).
Технология информационного анализа электрокардиосигналов основана на вариабельности основных параметров QRS-желудочкового комплекса кардиоциклов [1], отражающей закладку информации в кардиоимпульсы методом амплитудной, частотной и фазовой модуляции в момент их генерации синусовым узлом и заключается в следующем [1].
n
n
n
n+1
n
n
n
n
n
n
n+1
n
n+1
n
n+1
Применительно к электрокардиосигналам: это измерение амплитуды желудочкового QRS-комплекса ЭКГ, который составляет основной вклад в электрокардиоимпульс, измерение интервалов времени между QRS-комплексами,. Исходя из изложенного, основными параметрами измерения приняты амплитуда R желудочкового QRS-комплекса и интервал времени T между tR и tR. Следующим параметром измерения использовалось отношение амплитуды к интервалу (R/T). Арктангенс α=arctg(R/T) этого отношения назвали «фазовым углом», условно считая его показателем фазового отклонения последующего электрокардиосигнала по отношению к предыдущему.. Параметры измерения последовательных кардиоциклов [1]: амплитуды R, R, интервалы T, T и «фазовые углы» α, α.
Следующая процедура - это кодирование динамики параметров измерения QRS-желудочковых комплексов в последовательном режиме. Кодирование - это процесс преобразования динамики основных параметров сигналов любой физической природы в дискретную последовательность символов, итогом которого является семантический текст, называемый кодограммой [1]. Для осуществления кодирования необходим алфавит символов определенной мерности и семантики. Символ кодирования представляет собой отдельный дискретный буквенный или цифровой символ элементарной исходной единицы информации, который может быть одно-, двух-, трех- и более мерным. В таблице 1 приведено правило кодирования трехмерными символами [1].
n
n
Rn
Rn+1
n
n+1
n
n
n
n
Здесь представлена таблица 1 трехмерных символов, кодирующих три основных параметра: R - амплитуда QRS-желудочковых комплексов, T - интервал времени между t и t (T=tR tR) и α=arctg(R/T) - «фазовый угол».
n
n
n
Итогом кодирования динамики основных параметров 600 кардиоциклов является первичная (исходная) кодограмма, которая рассматривается в качестве кодового эквивалента информации, закладываемой модулирующим механизмом сердца в электрокардиосигналы. В качестве примера в таблице 2 представлена первичная кодограмма при кодировании с помощью трехмерных символов, алфавит которых включает 6 символов, отражающих возможные комбинации соотношения динамики амплитуды R, интервала времени T, и угла α конкретного больного.
Ключом к информационному анализу исходной (первичной) кодограммы является допущение, согласно которому в биологических системах в любом информационном потоке существуют семантические связи между ближайшими тремя сигналами. Такое свойство открывает возможность выявления наиболее устойчивых и часто повторяющихся комбинаций символов, которые могут соответствовать значимой специфической семантике сообщения, заложенного в электрокардиосигналы.
В таблице 3 представлена структурированная на трехчленные комбинации символов кодограмма, полученная путем перемещения окна трехчленных комбинаций символов последовательно на один символ от начала до конца первичной кодограммы с подсчетом одинаковых комбинаций символов и распределение их с учетом частоты встречаемости.
Специфические эталонные кодограммы различных заболеваний внутренних органов получены на основе сравнительного анализа вторичных структурированных кодограмм пациентов той или иной группы заболеваний. Набор трехчленных кодовых комбинаций 100% встречаемости в каждой группе составили специфическую эталонную комбинацию соответствующего заболевания. В таблице 4 представлены варианты эталонных кодограмм.
Таким образом, технология информационного анализа электрокардиосигналов с целью диагностики заболеваний внутренних органов включает следующие этапы: 1-й этап - непрерывная регистрация ЭКГ, включающая 600 кардиоциклов; 2-й этап - измерение основных параметров QRS-желудочковых комплексов; 3-й этап - кодирование динамики параметров QRS-желудочковых комплексов в последовательном режиме и получение первичной кодограммы; 4-й этап - структурирование первичной кодограммы на трехчленные комбинации в последовательном режиме и распределение их в соответствии с частотой встречаемости; 5-й этап - сравнение эталонных кодограмм заболеваний внутренних органов со структурированной кодограммой обследуемого; 6-й этап - диагностика заболеваний, когда эталонная кодограмма того или иного заболевания полностью присутствует в структурированной кодограмме обследуемого.
Способ диагностики болезней неинфекционной этиологии защищен патентами РФ на изобретение №2157093 от 10 октября 2000 г., №2163088, от 20 февраля 2001 г. и №2407431 от 27 декабря 2010 г. Аппаратная реализация способа защищена патентом РФ на Устройство экспресс-диагностики заболеваний внутренних органов и онкопатологии. №2159574 от 27 ноября 2000 г.
Известен способ диагностики заболеваний внутренних органов (Патент РФ на изобретение №2407431 по заявке №2009125688/14 от 07.07.09), заключающийся в одновременном снятии с помощью электрокардиоблока (ЭКБ) от 300 до 600 электрокардиоциклов в 1, 2, и 3 стандартных отведениях по Эйтховену. Измеряют амплитуды QRS-желудочковых комплексов с погрешностью до 1 милливольта и интервалы времени между ними с погрешностью до 1 миллисекунды. Структурируют массив кардиоциклов с помощью «окна», включающего последовательно 3 или более кардиоциклов путем перемещения на один кардиоцикл вдоль электрокардиограммы от начала до ее конца. Кодируют каждый фрагмент структурированной электрокардиограммы с помощью символов. Подсчитывают одинаковые символы кодирования фрагментов и ранжируют их с учетом частоты встречаемости. Сравнивают с эталонными кодограммами нормы и различных заболеваний, которые получены аналогичным способом, включающим символы только 100% встречаемости. Заключение о наличии нормы или заболевания выносят, суммируя сведения о диагностике в трех отведениях, в каждом из которых наличие нормы или заболевания констатируют при наличии полного набора символов соответствующего эталона. Способ позволяет сократить продолжительность исследования и повысить точность диагностики.
Недостатком данного способа является то, что для его реализации нельзя использовать стандартные электрокардиографы из-за высокой погрешности измерения амплитуды и частоты.
Для устранения этого недостатка использовали диагностический комплекс в виде устройства экспресс-диагностики заболеваний внутренних органов и онкопатологии с погрешностью измерения амплитуды до 1 милливольта и интервалы времени между ними с погрешностью до 1 миллисекунды для экспресс диагностики (Патент РФ на изобретение №2159574 по заявке №2000109128/14 от 13.04.00). Устройство содержит датчики (электроды ЭКБ), управляемый коммутатор, предварительный усилитель, блок масштабного усиления, стандартный 10 битный аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода с гальванической развязкой, блоки первичной обработки сигнала, выделения основных информационных признаков, отображения информации и регистрации, шифратор и дешифратор команд, пульт оператора, генератор калибровочного сигнала и вычислительный блок. Последний выполнен на блоках формирования информационного массива, сравнения, хранения эталонов и формирования диагноза. Приведены алгоритмы работы указанных основных его блоков. В состав аппаратуры экспресс-диагностики входят стандартные электроды ЭКБ непосредственно соединенные коммутирующим блоком, который в свою очередь соединен через разъем USB с вычислительным блоком на стандартной персональной ЭВМ. Блоки отображения информации и регистрации - стандартные, соответственно, монитор и принтер. Пульт управления - стандартная клавиатура.
Известен также дистанционный диагностический комплекс для анализа электрокардиосигналов (US 2017303809 А1, 26.10.2017).
Представленный в этом американском патенте вытянутый носимый электрокардиографический монитор для записи низкоамплитудного биоэлектрического потенциала сердца (US 2017303809 А1, 26.10.2017, предназначен для физиологического мониторинга с помощью легкого носимого монитора (электрокардиографа), который включает в себя два компонента: гибкую накладку электрода с увеличенным износом и многоразовый регистратор, который съемно защелкивается в гнезде на накладке электрода и улучшает способность носимого монитора мгновенно воспринимать сигналы электрического потенциала сердца, в частности, Р-пик и интервал QRS, указывающие на активность желудочков в сигналах ЭКГ. В частности, электроды ЭКГ на пластырях-электродах приспособлены для размещения по направлению оси вдоль средней линии грудины для захвата воспроизведения биоэлектрического потенциала в ориентации, которая соответствует отведению aVF, используемому в обычной ЭКГ с 12 отведениями, которая используется для определения положительных или вертикальных R-пиков.
При этом данный электрокардиограф предназначен для определения патологии сердечно сосудистых заболеваний, а не определяет заболевания других внутренних органов человека. Это связано с тем, что используется абсолютные измеренные значения электрокардиограммы.
Проблема заключается в недостаточном объеме диагностической информации, который позволял бы объективно оценить состояние здоровья пациента. В частности, данное известное устройство не позволяет осуществлять диагностику других заболеваний внутренних органов из-за достаточно высокой погрешности определения амплитуды и временных интервалов QRS-желудочковых комплексов.
Одновременно, данное устройство ограничивает расположение пациента относительно врача и не позволяет проводить обследование дистанционно и диагностику группы пациентов одновременно.
Технический результат изобретения состоит в уменьшении погрешности измерения амплитуды до 5 микровольт и интервалов времени между ними с погрешностью до (0.25-0.5) миллисекунды, тем самым в расширении области его использования за счет возможности диагностики большего объема различных заболеваний внутренних органов с их локализацией на любой стадии их развития и проведения обследования дистанционно и диагностики группы пациентов одновременно.
Технический результат достигается тем, что в дистанционный комплекс для анализа электрокардиосигналов, содержащий электроды датчиков, связанные с электрокардиоблоком высокого разрешения, включающим в свой состав блок аккумуляторов, микроконтроллер с радио интерфейсом, связанным через персональную ЭВМ посредством сети интернет с диагностическим сервером обработки данных и хранилищем, в состав электрокардиоблока дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь высокого разрешения для каждого электрода (далее АЦП) и блок источников опорного напряжения, подключенные к микроконтроллеру, при этом блок аккумуляторов через блок источников опорного напряжения подключен к соответствующим входам упомянутых АЦП, микроконтроллера и радиоинтерфейса, а каждый электрод соединен со своим АЦП посредством кабелей.
Кроме того, в него введены по меньшей мере один дополнительный электрокардиоблок высокого разрешения, радиоинтерфейс которого выполнен с возможностью беспроводного соединения через дополнительную персональную ЭВМ с диагностическим сервером обработки данных.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок схема дистанционного диагностического комплекса.
На фиг. 2 приведен пример протокола скрининг индикации заболеваний внутренних органов не инфекционной природы дистанционным диагностическим комплексом с расширенным перечнем диагностируемых заболеваний.
На фиг. 3 приведена диаграмма активности заболевания (например, печени).
На фиг. 1 показано:
1 - электроды датчика;
2 - кабель;
3 - электрокардиоблок высокого разрешения с радиоинтерфейсом;
4 - АЦП;
5 - микроконтроллер;
6 - модуль радиоинтерфейса (Bluetooth);
7 - блок источников опорного напряжения;
8 - блок аккумуляторов;
9 - компьютер, подключенный к сети Интернет;
10 - диагностический сервер обработки данных;
11 - хранилище данных.
Дистанционный комплекс для анализа электрокардиосигналов (Фиг. 1) содержит электроды датчиков 1, соединенных посредством кабеля 2 с электрокардиоблоком высокого разрешения 3 с радиоинтерфейсом 6, состоящим из дельта-сигма аналого-цифрового преобразователя 4 (далее АЦП) со встроенными программируемыми коэффициентами усиления усилителями, внутренним эталоном опорного напряжения и встроенным генератором (не показан), последовательно соединенного через микроконтроллер 5 с радиоинтерфейсом 6, и блока аккумуляторов 8, соединенного через блок источников опорного напряжения 7 с АЦП 4, микроконтроллером 5 и радиоинтерфейсом 6, при этом электрокардиоблок высокого разрешения через радиоинтерфейс 6 соединен с персональной ЭВМ 9, подключенной к сети интернет, которая через интернет соединена с диагностическим сервером обработки данных 10 и хранилищем данных 11.
Выполнение комплекса с такой совокупностью конструктивных признаков позволяет уменьшить погрешность измерения амплитуды до 5 микровольт и уменьшить погрешность определения интервалов времени между ними до (0.25-0.5) миллисекунды, тем самым расширить область его использования за счет возможности диагностики большего объема различных заболеваний внутренних органов с их локализацией на любой стадии их развития и проводить обследование дистанционно и диагностику группы пациентов одновременно при диспансеризации населения и профессиональном отборе кандидатов на вакансию.
Работа дистанционного комплекса для анализа электрокардиосигналов осуществляется следующим образом.
Электроды датчиков 1 накладываются на тело пациента по стандартной схеме отведений для снятия электрокардиограммы. С датчиков аналоговые электрокардиосигналы поступают по кабелям 2 на входы АЦП 4 электрокардиоблока высокого разрешения 3, где преобразуются в цифровой вид и поступают в микроконтроллер 5. При этом напряжение с аккумуляторов 8 поступает на блок источников опорного напряжения 7, что позволяет обеспечить минимальную погрешность АЦП 4. В микроконтроллере 5 производится первичная обработка сигнала и осуществляется предварительная фильтрация измеренного сигнала в заданном диапазоне частот, подавление синфазной помехи и других узкополосных шумов. Одновременно, микроконтроллер 5 проводит управление АЦП 4 и радио интерфейсом 6. Измеряемые электрокардиограммы непрерывно передаются через радио интерфейс 6 и персональную ЭВМ 9, подключенную к сети интернет, на диагностический сервер обработки данных 10 в течение не менее 10 минут. На сервере обработки данных 10 осуществляется выделение набора информативных признаков из первичных электрокардиосигналов, необходимых для реализации диагностических алгоритмов. Для выделения информативных признаков могут быть использованы любые широко известные алгоритмы, применяемые в практике автоматической обработки электрокардиограмм. Выделенная последовательность информативных признаков формирует информативный массив кодированных сигналов для проведения диагностики заболеваний. Каждому виду заболевания соответствует кодовая комбинация, которая сравнивается с кодовой комбинацией здорового состояния, определяется вероятность и наличие того или иного заболевания и формируется протокол (Фиг. 2) скрининг индикации заболеваний внутренних органов не инфекционной природы на основе технологии информационного анализа электрокардиосигналов. Данный протокол поступает на монитор персональной ЭВМ 9 и хранилище данных 11. Типичная диаграмма активности заболевания на любой стадии проиллюстрирована на фиг. 3.
Аппаратная реализация блоков заявленного дистанционного диагностического комплекса может быть следующей:
датчики: стандартные электроды ЭКБ;
диагностический сервер обработки данных: сервер Dell PowerEdge R430 1xE5-2620v4 х4 3.5'' RW НВА330 iD8En 1G 4P 1x550W 3Y NBD (210-ADLO-246)
аналого-цифровой преобразователь: 24-битный интегральный модуль АЦП для измерения биопотенциалов, например, ADS1298;
32-разрядный микроконтроллер с тактовой частотой от 72 МГц, например, STM32F4;
модуль беспроводной связи Bluetooth, например, НС-06;
источники опорного напряжения, например, микросхемы типа ADM7150, ADM7160;
аккумуляторные батарейки, например, Robiton 3,7 В.
Таким образом, предлагаемый диагностический комплекс обеспечивает достижение технического результата, который состоит в уменьшении погрешности измерения амплитуды кардиоциклов и интервалов времени между ними, тем самым в расширении области его использования за счет возможности диагностики большего объема различных заболеваний внутренних органов с их локализацией на любой стадии их развития и позволяет проводить обследование дистанционно и диагностику группы пациентов одновременно.