СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ И ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
METHOD FOR DISTANT READING AND PROCESSING OF ELECTROCARDIOGRAM AND HUMAN AND ANIMAL BREATHING

На современном этапе развития технического прогресса и физиологической науки важна разработка комплексных систем наблюдения, диагностики и анализа функционального состояния человека и животных, которые позволяют вести одновременно наблюдения не только за параметрами деятельности сердечно-сосудистой системы, но системы дыхания человека и животных. Поскольку деятельность сердечно-сосудистой системы непосредственно связана с дыхательной функцией, то комплексное наблюдение позволяет получить наиболее полную информацию для диагностики причин заболевания и установления степени тяжести функциональных нарушений сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека и животных.
Следует отметить, что на современном этапе разработано несколько модификаций приборов для регистрации и анализа электрокардиограммы (ЭКГ) человека с использованием компьютерной техники. Однако существующие аппараты обеспечивают регистрацию в режиме реального времени главным образом в клинических и поликлинических условиях, что делает невозможным периодическое наблюдение за работой сердечно-сосудистой и дыхательной системами человека и животных в эксперименте в течение длительного времени. Продолжительность регистрации ЭКГ, которая проводится в кардиологических кабинетах при медосмотрах составляет несколько минут, что является недостаточным для получения полной информации и оценки состояния больного.
Современные электрокардиографы позволяют регистрировать ЭКГ в клинических и поликлинических условиях в специализированных кабинетах и требуют нахождение пациента в непосредственном контакте с прибором. Кроме того, их масса может составлять от 2 килограммов и более. Например, компьютерные комплексы «Кардио МКТР», «Поли-Спектр», «Анкор-131» или «Многоканальный УБП» портативный, на бумажном носителе, масса 2,7 кг, но прибор «Кардио Визор-обс» [Soula A. Verfahren und vormichtung zur. Darstelling and uberwachung von functions - parametern eines phisi-ologischen systems. DE 19801240, 1999] массой 1,7 кг, габариты 250×175×70 мм, предназначен для съема двух каналов ЭКГ с выводом его на экран монитора. У данного прибора преимущество лишь в габаритах, а использовать их можно только с пациентом в специализированных кабинетах.
Известные устройства для дистанционного наблюдения за состоянием больных [авт. свид. СССР 1.811.380, 1.814.538; патенты РФ 2.048.790, 2.089.094, 2.128.004, 2.181.258, 2.195.168, 2.232.545, 2.236.169, 2.242.920, 2.242.921, 2.311.122; патент WO 89/01.312; Тихомиров В.В. Биотелеметрические системы. М.: Наука, 1974, с.58-78; Фролов М.В. Контроль функционального состояния человека-оператора. М.: Наука, 1987, с.40-42 патент РФ 2.311.122, А61В 5/05,2006 и другие], включая их последнюю модификацию [RU 2373945 27 Cl 2009], содержат передатчик и приемник электромагнитных сигналов, пульт управления, датчик физиологических параметров, блок преобразования информации. На пациенте располагают приемник электромагнитного сигнала с блоком управления. Обработку информации о физиологических параметрах всех наблюдаемых больных производит ЭВМ центрального пульта управления. Устройства используют дуплексную радиосвязь, которая обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности принимаемой информации за счет использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Однако в приемниках, собранных по супергетеродинной схеме и установленных на центральном пульте управления и у каждого наблюдаемого пациента, одно и то же значение второй промежуточной частоты может быть получено в результате приема сигналов на четырех частотах.
Следовательно, если частоты настройки 1 и 2 принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут иметь место зеркальные каналы приема 3 и 4, поэтому они наиболее существенно влияют на избирательность и помехоустойчивость приемников. Ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте, подавляется. Ложные сигналы (помехи), принимаемые по каналу прямого прохождения и интермодуляционным каналам, подавляются соответствующими фильтрами-пробками. Запуск программы опроса датчиков, измеряющих физиологические параметры в аппаратуре пациента, производится после принятия командного кода и его расшифровки.
Изобретение RU 2373945 27 Cl 2009 принципиально не отличается от разработанных с 1974 года, по мнению авторов, оно несколько «упрощено» для решения проблемы выделения сигнала из шума и более высокая помехоустойчивость.
Тем не менее, такая громоздкая система на сегодняшний день является дорогостоящей, требует постоянного нахождения на пульте высококлассного технического персонала, не обеспечивает прямой, качественной непрерывной записи физиологических параметров (ЭКГ, дыхания, миограммы и др.), что значительно затрудняет специалистам (врачам) своевременно анализировать состояние больных и оказать своевременную медицинскую помощь. Подобные устройства не мобильны и полностью утратили необходимость. В этом состоят существенные и очевидные недостатки известного способа.
Способом, который обеспечивает дистанционную регистрацию и передачу параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем человека, является способ регистрации артериального давления и частоты дыхания и устройство для его осуществления [RU 2345704 C1 10.02.2009], прототипом которому является способ, предложеный еще в 1993 году [патент РФ №2053706, 5.02.1993]; по которому таким же образом производится регистрация артериального давления и частоты дыхания.
В данном способе съем сигнала (артериального давления и дыхания) производится дистанционно путем электромагнитного воздействия на определенные участки тела. К тому же, съем параметров артериального давления не заменяет регистрацию ЭКГ в полной мере и не может лежать в основе анализа сердечно-сосудистой системы человека. Несмотря на то, что авторы этого способа указывают на некоторый терапевтический эффект воздействия электромагнитного излучения и/или "доплеровского локатора", но во всех остальных случаях оно имеет отрицательное действие. Отрицательное действие электромагнитного излучения на работу синусного узла в регуляции деятельности сердца известно, т.к. оно может вызвать нарушение ритмов сердечной, следовательно, и дыхательной деятельности.
Использование данного способа, как и вышеприведенных устройств, в амбулаторно-поликлинических и других нестандартных условиях является громоздким и для регистрации указанных параметров требуются высококвалифицированные специалисты, причем не только врачи, но и технические работники для обслуживания. В этом так же заключается существенные и очевидные недостатки данного метода.
Также известна возможность одновременной дистанционной регистрации частоты и глубины дыхания, а также ЭКГ с дистанционной регистрацией [RU18138 U1, 27.05.2001], который является также громоздким и не может быть рекомендован в массовом использовании, и его использование в амбулаторно-поликлинических и в нестандартных условиях невозможно.
Методом, обеспечивающим дистанционную регистрацию дыхания, является «Установка для регистрации параметров дыхания с дистанционным управлением» [Лаврова И.Н. - Рос. Физиол. Журнал им. И.М.Сеченова, 1999, Т.85, №3. С.469-471]. Данный способ также позволяет дистанционно регистрировать параметры дыхания в специальной барокамере, в условиях повешенного давления. Только при сжатом воздухе можно уловить колебания, вызванные частотой и глубиной дыхания, которые регистрируются специальными датчиками.
Приведенный способ используется лишь в специальных исследованиях и не может быть предложен в массовом использовании в медицине. Пребывание организма в условиях повышенного давления само по себе вызывает изменение параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем.
Из методов, обеспечивающих способами дистанционного мониторинга состояния человека [RU 2442531] и устройства для дистанционного наблюдения за состоянием больных [RU 2200463 C2, 20.03.2003], являются системы, которые используются в стационарах для наблюдения за состоянием тяжелобольных пациентов. Данные способы не могут заменить дистанционную регистрацию параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем человека в амбулаторно-поликлинических и других нестандартных условиях.
В последние годы появились аппараты, позволяющие регистрировать ЭКГ в течение нескольких часов (суточный мониторинг - Холтеры), которые на следующий день дают возможность анализировать состояние сердечно-сосудистой системы пациента. Имеющиеся зарубежные разработки позволяют быстро и удобно накладывать электроды, которые смонтированы в специальной пленке. На первый взгляд кажется удобным, однако при таких условиях точки фиксации электродов у разных пациентов могут значительно расходиться из-за разного телосложения.
Недостаток данных аппаратов заключается также в том, что они не позволяют прослеживать работу сердечно-сосудистой системы в режиме реального времени, а также каждый аппарат позволяет регистрировать ЭКГ одновременно лишь с одного пациента, что также делает невозможным осуществление постоянного контроля у группы людей (спортсмены, работники вредных и тяжелых производств и т.д.) и животных во время эксперимента.
Следует отметить, что указанные способы и устройства не могут быть предложены в массовом использовании из-за дороговизны, сложности конструкции (громоздки в применении), и порой имеют отрицательное воздействие на сердечно-сосудистую деятельность и не могут способствовать объективной оценке при анализе функционального состояния указанных систем.
Таким образом, к настоящему времени в распоряжении клиницистов и исследователей нет способов с возможностью одновременной регистрации и дистанционной передачи сигналов сердечно-сосудистой и дыхательной систем в режиме реального времени, а тем более от нескольких пациентов (испытуемых) или животных.
Предлагаемый способ отличается от существующих возможностью одновременной регистрации от трех пациентов или животных параметров дыхательной и сердечно сосудистой систем и дистанционной передачи этих параметров на расстояние до 30 м. Дистанционная регистрация, прием и обработка параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем человека обеспечивается с помощью автоматизированного комплекса для дистанционной регистрации, приема и обработки параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем человека и животных (КАДР-ДСЧЖ), который состоит из оборудования и программного обеспечения для регистрации и передачи глубины и частоты дыхания (респираторного потенциала) и деятельности сердечно-сосудистой систем (ЭКГ) в режиме реального времени от трех пациентов (испытуемых), находящихся на расстоянии в радиусе до 30 метров от приемника, в ходе которого на мониторе (ноутбука или ПК) идет непрерывная запись респираторного потенциала и ЭКГ.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) можно рассмотреть устройство для дистанционного наблюдения за состоянием больных [Устройство для дистанционного наблюдения за состоянием больных - RU 2373945 27 C1, 27.11.2009], который содержит центральный пульт управления, состоящий из ЭВМ с устройствами ввода и отображения информации соответственно, приемник и передатчик электромагнитного сигнала и регистраторы биологических параметров, располагаемые на пациентах. В состав регистраторов входят датчики физиологических параметров пациента, блок преобразования информации, передатчик электромагнитного сигнала, приемник электромагнитного сигнала, блок управления, автономный источник питания. Блок преобразования информации содержит коммутатор аналого-цифровой преобразователь и кодер. Блок управления содержит декодер, схемы сравнения кодов, ЗУ хранения кодов управления, блок временной задержки и схему ИЛИ. Каждый передатчик содержит задающий генератор, фазовый манипулятор, первый смеситель, первый гетеродин, усилитель первой промежуточной частоты, усилитель мощности. Каждый приемник содержит усилитель высокой частоты, первый узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, первый сумматор, второй полосовой фильтр, второй фазоинвертор, второй сумматор, третий полосовой фильтр, третий фазоинвертор, третий сумматор, второй гетеродин, второй смеситель, первый усилитель второй промежуточной частоты, первый фазовращатель на 90°, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, четвертый сумматор, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, первый перемножитель, первый полосовой фильтр и фазовый детектор.
К недостаткам его следует отнести значительно меньшую гибкость: в данном случае невозможно изменять программу подключения абонентов с центрального пульта, информационной линии связи в центральный пульт управления. Кроме того, с центрального пульта управления посылается код другого пациента и вся процедура повторяется. Так поочередно опрашиваются все наблюдаемые пациенты.
Таким образом, данное устройство обеспечивает передачу сигнала, состоящего из шумов и помех на центральный пульт ЭВМ, после чего, в случае обнаружения сигнала, не соответствующего установленным значениям радиосигнала, производится математический анализ и устанавливается какой из 10 параметров не соответствует заданным значениям, т.е. формирование миограммы, ЭКГ и др. сигналом обеспечивается фильтрацией.
Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает быструю, качественную запись физиологических параметров (ЭКГ и дыхания) и дистанционную передачу непосредственно от пациента к врачу или от животного к экспериментатору и не требует дополнительных сложных систем для повышения избирательности и помехоустойчивости приемников, которые достигаются подавлением программно сложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным, комбинационным, интермодуляционным каналам и каналу прямого прохождения, обеспечивая дистанционно передачу сложного сигнала, состоящего из шума и помех, из которых, в случае обнаружения отклонений значений заданного сигнала, путем фильтрации на центральном пульте формируется форма физиологических параметров (миограммы, ЭКГ и др.), а также все это обеспечивается устройством, состоящим из десятков узлов или звеньев (см. описание устройства выше).
Заявленный способ отличается от существующих тем, что физиологические параметры (ЭКГ и дыхание) регистрируются уже сформированные и дистанционно передаются без искажения, а также цепочка для регистрации, передачи и приема сигнала состоит из трех звеньев - регистратора с электродами, передатчика формированного сигнала и приемника. В дальнейшем, сигнал во время или после регистрации на ПК может передаваться на разные расстояния. Современные системы связи интернет и другие технические средства, включая спутниковую связь, позволяют легко и общедоступными способами передавать сигнал с ПК на любое расстояния.
Технической задачей и положительным результатом заявленного способа являются следующие возможности: 1. Регистрация параметров дыхания (частоты и глубины) и электрокардиограммы (ЭКГ) одновременно от трех человек или животных; 2. Регистрация и дистанционная передача параметров дыхания и ЭКГ одновременно в режиме реального времени с трех пациентов или животных, находящихся на расстоянии до 30 м от блока приема сигнала; 3. Прием, обработка и хранение параметров дыхания и ЭКГ пациентов и животных, находящихся на расстоянии до 30 м от блока приема информации; 4. Регистрация, передача, прием и обработки ЭКГ и дыхания человека и животных может осуществляться круглосуточно и передаваться в любой кардиоцентр или больницу, а при отключении электроснабжения до 10 часов непрерывной записи неограниченно от источника питания автомобиля - через стандартный прикуриватель; 5. КАДР-ДСЧЖ прост в эксплуатации - позволяет подключиться пациенту самому либо членам его семьи или медсестре по приложенной схеме, пациенты или животные в случае исследований могут находиться в свободном состоянии в радиусе до 30 метров от приемника; 6. КАДР-ДСЧЖ представляет возможности клиницистам (семейным и личным врачам) и исследователям вести через интернет в режиме реального времени постоянное наблюдение за больными в чрезвычайных ситуациях, находящихся вдали от них, на работе, на даче, в местах отдыха или за животными во время эксперимента в отдаленных лабораториях.
Указанная задача и технический результат достигается тем, что способ дистанционной регистрации и обработки электрокардиограммы и дыхания человека или животного, основанный на обеспечении возможности регистрации деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем и дистанционной передачи сигнала от приемника, состоящего из трех блоков-регистраторов съема и передачи сигнала одновременно от 3-х пациентов или животных, включающих в себя по три пьезодатчика для регистрации ЭКГ и по одному тензодатчику для регистрации глубины и частоты дыхания - респираторного потенциала, усилителя биопотенциалов, аналого-цифрового преобразователя, интерфейса RS485 с платой, которая обеспечивает кодирование, преобразование и передачу цифрового сигнала в виде радиосигнала, который с помощью Bluetooth адаптера улавливается блоком приема и преобразования радиосигнала в ЭКГ и респираторный потенциал, каждый канал которого настроен на прием сигнала со своего регистратора и передачу на блок обработки и хранения параметров ЭКГ и дыхания, находящийся на расстоянии до 30 м от регистратора, включающий ноутбук, на экране которого автономно от каждого пациента или животного отображаются по одному каналу кардиосигнала и респираторного потенциала, при этом данные каждого пациента или животного могут храниться в виде отдельного файла на блоке обработки и хранения сигнала.
Внешний вид КАДР-ДСЧЖ, обеспечивающий реализацию способа дистанционной регистрации и обработки ЭКГ и дыхания человека и животных, в виде схемы представлен на прилагаемых чертежах, где:
на фиг.1 приведена блок-схема прибора;
на фиг.2 - внешний вид прибора;
на фиг.3 представлены результаты регистрации ЭКГ в поликлинике и представленным способом
на фиг.4 - схема установки датчиков ЭКГ и дыхания на человеке;
на фиг.5 - внешний вид монитора блока приема, обработки и хранения ЭКГ и респираторного потенциала от трех испытуемых во время работы;
на фиг.6 - результаты анализа ЭКГ и дыхания, графики с результатами и таблицы значений амплитудно-частотного распределения ЭКГ и дыхания за каждую минуту регистрации;
на фиг.7 указано выделение отдельного участка на осциллограмме после регистрации и обработки ЭКГ и форма его представления на бумажном носителе КАДР-ДСЧЖ компактен, масса блока-регистратора около 60 г (Фигура 2) и позволяет регистрировать респираторный потенциал и ЭКГ и передавать на блоки приема (4-1) и преобразования радиосигнала в ЭКГ и респираторный потенциал (4-2) (масса - около 7 г.) и блоков обработки и хранения сигнала (ноутбук) (5) в режиме реального времени (Фигура 1). Блок приема и обработки сигнала КАДР-ДСЧЖ позволяет регистрировать указанные параметры одновременно с трех пациентов (испытуемых) или животных, расположенных в радиусе до 30 метров. Во время регистрации респираторного потенциала и ЭКГ пациент (испытуемый) или животное могут находиться как в состоянии покоя, так и движения. На фигуре 3а приведен пример записи ЭКГ пациента, проведенной при медосмотре обычным кардиографом, а на фигуре 3б приведена запись ЭКГ того же пациента предлагаемым нами способом. При анализе ЭКГ, на фигуре 3а у пациента не наблюдается аритмия сердца, а на фигуре 3б аритмия выявляется, причем с определенной периодичностью.
КАДР-ДСЧЖ устроен так, что при подключении датчиков для регистрации ЭКГ (1) и дыхания (2) (Фигура 1) сигнал поступает к Усилителю биопотенциалов (УБП) (3-1) блока съема и передачи сигнала (3а, б, в), подключенного к источнику автономного питания (3-4), затем сигал передается к Аналого-цифровому преобразователю (АЦП) (3-2), далее к преобразователю цифрового сигнала в радиосигнал (3-3), который дистанционно передается к блоку приема (4-1) и преобразования радиосигнала в ЭКГ и респираторный потенциал (4-2), подключенного блоку обработки и хранения сигнала (5). Во время работы для регистрации и передачи сигнала не требуется дополнительных связей и переговоров при включении блоков 4 и 5 в кабинете врача. На фигуре 4 представлена схема установки электродов (зеленый электрод устанавливается в области сердца: черный электрод - симметричной области справа, а красный электрод подключается под ключицей справа). На дисплее каждого регистратора (а, б, в блока 3) отображается ЭКГ и, в случае необходимости, представляется информация об электродах, например, «не установлены электроды», «нет связи с ПК», для сброса сигнала «нажмите любую кнопку», «связь с ПК» или о состоянии зарядки аккумуляторной батарейки: «батарейка разряжается».
На мониторе врача (блок 5), после подключения «соединения» идет сигнала с блока 3 (передачи сигнала) и на экране монитора появляются осциллограммы ЭКГ и респираторного потенциала от всех трех регистраторов, т.е. от всех трех пациентов (испытуемых). Одновременно с регистрацией сигнала на мониторе врача указывается время от начала регистрации, а также текущая частота ЭКГ (Фигура 5).
После регистрации параметров сердечно-сосудистой и дыхательной систем КАДР-ДСЧЖ позволяет производить дальнейшую обработку и анализ указанных параметров, сохранять записи отдельно ЭКГ и респираторного потенциала, строить диаграммы частот и амплитуд (глубины) дыхания и ЭКГ в виде таблиц и диаграмм, а также в исследовательских целях (Фигура 6), позволяет выделить отдельный участок осциллограммы за любой промежуток времени, проводить его анализ и выводить на бумажный носитель (Фигура 7а, б).
Область применения КАДР-ДСЧЖ - кардиоцентры, отделения (кабинеты) больниц, поликлиник, санаторий для первичной диагностики и экспресс анализа ЭКГ и респираторной активности и выявления динамики изменений сердечно-сосудистой и дыхательной активности в режиме реального времени после воздействия препаратов, операций, стрессовых ситуаций, а также в реабилитационных центрах, на объектах Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, и Федерального медико-биологического агентства России, а также в сельских и труднодоступных населенных пунктах, с возможностью передачи сигнала в больницы или кардиоцентры и контроля за функциональным состоянием пациентов, а также в научно-исследовательских лабораториях для контроля за функциональным состоянием испытуемых и животных во время эксперимента.