Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма

Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма.

Известен способ исследования вегетативной дисфункции путем проведения кардиоинтервалографии и определения величины индекса напряжения регуляторных систем (ИН) при проведении пробы положения в виде максимального сгибания вперед головы и удержания ее в таком положении в течение 5 мин (Патент РФ №2237431, МПК А61В 5/0452).

Недостатком данного способа является контактность используемого метода электрокардиографии, длительность подготовки, недостаточное количество полезной информации на выходе.

Известен способ диагностики вегетативной дисфункции, включающий проведение кардиоинтервалографии путем регистрации у больного ЭКГ во II стандартном отведении с последующей математической обработкой ЭКГ, включающей измерение R-R-интервалов и расчет величины индекса напряжения регуляторных систем (ИН) в условных единицах (у.е.) по формуле Баевского с последующим проведением по величине ИН дифференциальной диагностики ваготонии, эйтонии и симпатикотонии. ЭКГ регистрируют трижды с интервалами 5 мин и каждый раз рассчитывают ИН (Патент РФ №2242923, МПК А61В 5/0452).

Недостатком данного способа является контактность используемого метода электрокардиографии, длительность подготовки, малое количество полезной информации на выходе.

Также известен способ диагностирования сердечно-сосудистой системы, в котором регистрируют кардиоинтервалы пациента, измеряют их длительность, образуют динамический ряд кардиоинтервалов, исключая из ряда экстрасистолы, формируют автокорреляционную функцию упомянутого ряда, осуществляют преобразование автокорреляционной функции в автокорреляционную матрицу и судят о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента. Регистрацию кардиоинтервалов осуществляют путем снятия плетизмограммы пациента (Патент РФ №2442529, МПК А61В 5/0295, А61В 5/0452).

Недостатками вышеизложенного способа являются контактность используемого метода плетизмограммы, недостаточно выведенных коэффициентов для оценки работы сердечно-сосудистой системы.

Наиболее близким является способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма, включающий излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, перед определением параметров отраженный сигнал когерентно складывают с излучаемым электромагнитным сигналом, выделяют основную гармонику в спектре суммарного сигнала, по которой определяют частоту движения грудной клетки организма, а по максимальной величине амплитуд гармоник, входящих в спектр, определяют амплитуду движений грудной клетки организма вследствие сердцебиения и дыхания, по полученным параметрам судят о соответствии норме физиологических параметров жизнедеятельности организма (Патент РФ №2295911, МПК А61В 5/05).

Однако в данном способе вследствие невозможности задержки дыхания на большой промежуток времени не производится оценка параметров сердечного ритма ввиду трудностей, связанных с необходимостью исключить дыхательные движения, в частности индексов вариабельности сердечного ритма Баевского, для точного расчета которых требуется не менее 100 кардиоинтервалов; не производится восстановление формы сердечных сокращений.

Задача настоящего способа заключается в бесконтактном определении параметров вариабельности сердечного ритма, фиксации формы сердечных сокращений большого количества кардиоинтервалов.

Технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в снижении погрешности измерения за счет исключения из регистрируемого сигнала влияния дыхания.

Поставленная задача достигается тем, что способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма включает излучение электромагнитного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение параметров жизнедеятельности организма, согласно решению излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии; вводят функцию S(t) такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии:

S ( t ) = ( d U / d t ) / 1 − U 2 ( t ) = ( 4 π / λ ) ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ ( 1 / a ) C ( a , b ) ψ 2 ( ( t − b ) / a ) ( d a d b / a 2 ) ,

где С(а,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения:

C ( a , b ) = ( 1 / a ) ∫ − ∞ ∞ S ( t ) ψ 2 ( ( t − b ) / a ) d t ;

a - коэффициент масштабирования; b - коэффициент сдвига; ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁; восстанавливают функцию движения плечевой артерии:

f ( t ) = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ ( 1 / a ) C ( a , b ) ψ 1 ( ( t − b ) / a ) ( d a d b / a 2 ) ;

по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо; dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем; ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия; ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма; ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема радиоволнового автодина на диоде Ганна, позволяющего реализовать заявляемый способ. На фиг.2 представлено сравнение нормированной функции движения плечевой артерии f(t) и ЭКГ со II отведения.

Позициями на чертеже обозначены:

1 - СВЧ-датчик;

2 - генератор;

3 - приемник;

4 - источник питания;

5 - аналого-цифровой преобразователь;

6 - компьютер;

7 - рупорная антенна;

8 - обследуемый организм.

Способ заключается в следующем.

Предлагаемый способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма включает излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, который когерентно складывается с излучаемым электромагнитным сигналом, восстановление формы движения участка тела человека, где ближе всего к поверхности расположена плечевая артерия, связанного с сердцебиением, определение параметров сердечной деятельности организма путем расчета индексов вариабельности сердечного ритма по Баевскому, по которым судят о состоянии сердечной деятельности человека.

Излучение электромагнитного сигнала с помощью СВЧ-генератора 2 (фиг.1) через рупорную антенну 7 направляют на область локтя человека 8. Отраженное излучение принимают через ту же рупорную антенну и когерентно складывают с излученным электромагнитным сигналом. Суммарный интерференционный сигнал выбирают в качестве информативного сигнала. Результат сложения - информативный сигнал - выделяют с помощью детектора 3 и подают на аналого-цифровой преобразователь 5 для последующей его цифровой обработки на компьютере 6. Полученный сигнал очищают от шумов и восстанавливают содержащуюся в нем форму пульсовой волны.

Теоретическое обоснование методики измерений.

В основу метода контроля периодических движений области руки, где ближе всего к поверхности расположена плечевая артерия, вследствие сердечных сокращений с помощью автодина на диоде Ганна положена зависимость изменения режима его работы под действием СВЧ-сигнала, отраженного от области руки. Для направленного зондирования живого объекта СВЧ-датчик снабжался рупорной антенной. Конструктивно-измерительный прибор состоит из выносного датчика с рупором и цифрового блока индикации, соединенных между собой кабелем. Измерительный датчик представляет собой волноводную секцию (сечение канала 23÷10 мм²). В качестве активного элемента использовался диод типа 3А723, помещенный в зазор стержневого держателя. Частота и мощность СВЧ-генератора могла перестраиваться в результате перемещения поршня и изменения питающего напряжения на диоде Ганна. В блоке индикации измерительного прибора проводится обработка сигнала СВЧ-генератора и отображение информации в аналоговой или цифровой форме. Предусмотрена возможность подключения к блоку индикации осциллографического индикатора, анализатора спектра сигнала механических колебаний, и имеется возможность сопряжения прибора с микро-ЭВМ. Блок схема радиоволнового автодина на диоде Ганна представлена на фиг.1.

Для восстановления формы сложного непериодического движения отражателя использовалась методика, основанная на одновременном измерении интерференционного сигнала и его производной.

Переменная составляющая интерференционного сигнала имеет вид:

I ( t ) = A cos ( θ + 4 π λ f ( t ) ) ,

где A - амплитудный коэффициент, определяемый амплитудами токов, t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны зондирующего излучения, f(t) - функция, характеризующая продольные движения объекта.

Далее мы будем рассматривать нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала:

U ( t ) = I ( t ) A = cos ( θ + 4 π λ f ( t ) ) .

Функция, характеризующая продольные движения объекта, может быть представлена в виде:

f ( t ) = K ψ − 1 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ C ( a , b ) 1 a ψ 1 ( t − b a ) d a d b a 2 ,   ( 1 )

K ψ 1 = 2 π ∫ − ∞ ∞ | ψ f ( ω ) | 2 | ω | d ω .

Здесь ψ₁ - базисная вейвлет-функция, C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения:

C ( a , b ) = ∫ − ∞ ∞ S ( t ) 1 a ψ 0 ( t − b a ) d t ,

K ψ 1 - постоянная величина, определяемая базисной вейвлет-функцией, ψ_f(ω) - Фурье-образ функции ψ₁, a - коэффициент масштаба, b - коэффициент смещения по времени, ω - переменная интегрирования. Для того чтобы равенство (1) выполнялось, необходимо, чтобы функция ψ₁ обладала свойствами вейвлета.

Функция S(t) выбрана таким образом, чтобы ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствовал спектру восстанавливаемого сигнала:

S ( t ) = d U / d t 1 − U 2 ( t ) .   ( 2 )

Запишем ее с учетом выражения для нормированной составляющей интерференционного сигнала:

S ( t ) = 4 π λ ⋅ K ψ 1 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ C ( a , b ) 1 a ψ 2 ( t − b a ) d a d b a 2 ,   ( 3 )

где ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁.

Имеет смысл в дальнейшем рассматривать только такие вейвлет-функции ψ₁(t), у которых существует производная, в свою очередь являющаяся вейвлетом. В данной работе использовались вейвлет-функция МНАТ, имеющая вид: ψ 2 ( t ) = t   exp ( − t 2 2 ) , и ее производная ψ 2 ( t ) = ( 1 − t 2 ) exp ( − t 2 2 ) .

Сравнивая интегральные представления функций f(t) и S(t) (выражения (1) и (3) соответственно), можно увидеть, что они отличаются базисной вейвлет-функцией и постоянной величиной 4 π λ . Построив на основе интерференционного сигнала (2) функцию S(t), разложим ее по вейвлет-базису ψ₂ для получения коэффициентов вейвлет-разложения С(а,b):

C ( a , b ) = ∫ − ∞ ∞ λ 4 π ⋅ S ( t ) 1 a ψ 2 ( t − b a ) d t .

Затем, используя полученные вейвлет-коэффициенты, выполним обратное преобразование, используя базис ψ₁:

f ( t ) = K ψ 1 − 1 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ C ( a , b ) 1 a ψ 1 ( t − b a ) d a d b a 2 .

Для оценки адекватности данной методики одновременно с измерениями формы движения области руки радиоволновым методом производилась фиксация электрокардиограммы испытуемого.

Рассчитывались параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо; dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; И Н = А М о ( 2 ∗ М о ∗ d x ) - индекс напряжения регуляторный систем; И В Р = A M o d x - индекс вегетативного равновесия; В П Р = 1 ( M o ∗ d x ) - вегетативный показатель ритма; П А П Р = A M o M o - показатель адекватности процессов регуляции.

Результаты, полученные по вышеизложенной методике, а именно значения вариабельности сердечного ритма, а также аналогичные значения, рассчитанные по электрокардиограмме, представлены в таблице, а также рассчитаны относительные отклонения этих параметров. Таблица иллюстрирует соответствие результатов, полученных предложенным бесконтактным способом, с результатами, рассчитанными по ЭКГ, полученными контактным способом.

Таблица
Индексы вариабельности сердечного ритма, рассчитанные по ЭКГ и восстановленному сигналу СВЧ
№	Индекс	Мо, с	АМо, %	dX, с	ИН, у.е.	ИВР, у.е.	ВПР, у.е.	ПАПР, у.е.
Наиболее часто встречаемое значение кардиоинтервалов	Доля кардиоинтервалов, соотвествующих значению Мо, в % к объему выборки	Разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов	Индекс напряженности регуляторных систем	Индекс вегетативного равновесия	Вегетативный показатель ритма	Показатель адекватности процессов регуляции
Испытуемый 1 до нагрузки	Восстановленный сигнал	0,8	40	0,3	83,3	133,3	4,2	50
ЭКГ	0,83	37,3	0,26	84,3	140	4,52	44,9
Отклонение, %	3,61	7,24	15,38	1,19	4,79	7,08	11,36
Испытуемый 1 после нагрузки	Восстановленный сигнал	0,75	47,6	0,25	126,9	190,4	5,3	63,5
ЭКГ	0,742	45,9	0,236	133	194	5,78	62,8
Отклонение, %	1,08	3,70	5,93	4,59	1,86	8,30	1,11
Испытуемый 2 до нагрузки	Восстановленный сигнал	1,1	21,5	0,4	24,4	53,8	2,3	19,5
ЭКГ	1,04	20,8	0,38	26,6	55,6	2,56	20
Отклонение, %	5,77	3,37	5,26	8,27	3,24	10,16	2,50
Испытуемый 2 после нагрузки	Восстановленный сигнал	1	24,2	0,4	30,2	60,5	2,5	24,2
ЭКГ	1,05	21,5	0,39	26,4	55,3	2,46	20,5
Отклонение, %	4,76	12,56	2,56	14,39	9,40	1,63	18,05

Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма, включающий излучение электромагнитного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение параметров жизнедеятельности организма, отличающийся тем, что излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии; вводят функцию S(t) такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии: S ( t ) = ( d U / d t ) / 1 − U 2 ( t ) = ( 4 π / λ ) ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ ( 1 / a ) C ( a , b ) ψ 2 ( ( t − b ) / a ) ( d a d b / a 2 ) ,где C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения: C ( a , b ) = ( 1 / a ) ∫ − ∞ ∞ S ( t ) ψ 2 ( ( t − b ) / a ) d t ;a - коэффициент масштабирования; b - коэффициент сдвига; ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁; восстанавливают функцию движения плечевой артерии: f ( t ) = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ ( 1 / a ) C ( a , b ) ψ 1 ( ( t − b ) / a ) ( d a d b / a 2 ) ;по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо, dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем; ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия; ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма; ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции.