КАРДИОРИТМОАНАЛИЗАТОР Российский патент 1999 года по МПК A61B5/04 

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может использоваться при скрининг-обследовании населения и особенно детей.

Известно устройство для анализа и выделения кардиоритма, содержащее усилитель биопотенциалов, блок фильтров и компаратор. Недостатком известного устройства является отсутствие в нем блока обработки кардиосигнала, в связи с чем при обследованиях населения медперсонал вынужден проводить большое количество рутинных операций по обработке результатов измерений. Кроме того, в известном устройстве проявляется зависимость надежности выделения кардиоритма от индивидуальной величины биопотенциалов (Авторское свид. A 61 B, 5/02, N 843942). Эти недостатки частично устранены в другом известном устройстве, включающем в себя кардиоэлектроды, последовательно включенные усилитель биопотенциалов, блок фильтров, дифференциатор, блок с изменяемым коэффициентом усиления, компаратор и одновибратор (Авторское свид. A 61 B, 5/04, N 1260004). Наличие в известном устройстве блока с изменяемым коэффициентом усиления позволяет частично устранить зависимость точности определения типа длительности интервала R-R и надежности работы устройства от индивидуальной величины биопотенциалов. Однако динамический диапазон регулирования коэффициента усилия в блоке автоматического усилия аналогового типа в ряде случаев при измерении длительности интервалов R-R, например, у детей может быть недостаточен. Кроме того, в известном устройстве электроды и усилитель биопотенциалов пространственно разделены между собой как это обычно принято, например, в кардиографах. Это в ряде случаев приводит к неполному подавлению синфазной помехи и возникновению ряда артефактов. При записи кардиограммы на носитель и ручной обработке кардиограммы эти недостатки могут быть выявлены медперсоналом. Однако это требует дополнительных затрат времени, что недопустимо при скрининг-обследовании населения. При использовании же автоматизированных устройств для измерения интервалов R-R необходимо свести к минимуму влияние артефактов, синфазных и дифференциальных помех на результаты в процессе измерения, поскольку последующая ручная корректировка результатов в этих условиях практически исключается.

Целью изобретения является сокращение времени процедуры и повышение надежности работы устройства при устранении указанных недостатков в условиях скрининг-обследования населения, особенно детского контингента.

Для реализации этой цели в устройстве, содержащем кардиоэлектроды, переключатель отведений, усилитель кардиосигналов, блок фильтров, усилитель с изменяемым коэффициентом усиления, компаратор, одновибратор, блок обработки кардиоритма и блок индикации, дополнительно введены предварительные усилители, размещенные непосредственно на измерительных электродах. При этом на каждом электроде размещен усилитель, включенный по схеме повторителя, и его вход непосредственно соединен с электродом, а его выход через переключатель отведений - с одним из выходов кардиоусилителя, в цепь отрицательной обратной связи усилителя с изменяемым коэффициентом усиления включен пиковый детектор.

На чертеже показана блок-схема устройства. Латинскими буквами R, L, F и N обозначены электроды, используемы для первых трех стандартных отверстий, буквами KR, KL, KN и KF обозначены соответствующие кабели отведений. На каждом из трех электродов R, L и F размещены усилители 1, 2 и 3 соответственно, каждый из которых включен по схеме повторителя, вход которого непосредственно соединен с соответствующим электродом. Выход каждого повторителя 1, 2 и 3 по кабелю отведений 4 через переключатель отведений 5 соединен с входом кардиоусилителя 7. В данном конкретном примере переключатель отведений выполнен в виде мультиплексора, обозначенного латинскими буквами MX. К мультиплексору также стандартно подключен блок тестирования 6. Выход кардиоусилителя 7 подключен к выходу блока фильтров 8. В данном примере усилитель с изменяемым коэффициентом усиления выполнен в виде программируемого усилителя. Измерительный вход программируемого усилителя 9 (на схеме программируемый усилитель обведен пунктирной линией) соединен с выходом блока фильтров 8. Выход программируемого усилителя 9 через диод 11 пикового детектора подключен к одному из входов компаратора 13. Между диодом 11 и общим проводом включен конденсатор пикового детектора 12. В отрицательную обратную связь усилителя 9, в данном примере выполнения, включен пиковый детектор, резистивная матрица 10, обозначенная латинской буквой R и подключенная к инвертирующему входу усилителя 9 с одной стороны и к точке соединения диода 11 и конденсатора 12 пикового детектора с другой стороны. Выход компаратора 13 соединен с входом одновибратора 14, который в свою очередь соединен с блоком обработки кардиоритма. Входы программируемого изменения, коэффициента усиления усилителя 9 (на чертеже они обозначены латинскими буквами AO...AN) подсоединены к выходам регистра 17 управляющего кода, обозначенного латинскими буквами RG. В данном примере указанные входы усилителя 9 соединены с выходами регистра 17 через микропроцессорную шину, обозначенную латинскими буквами BUS. Второй вход компаратора (на чертеже этот вход обозначен U_o со стрелкой) соединен с источником опорного напряжения (не показан).

В данном конкретном примере выполнения предлагаемого устройства блок обработки ритма кардиосигналов выполнен на базе стандартной микропроцессорной системы. Микропроцессор 15 обозначен на чертеже буквами MP, оперативная память ОЗУ 16 и постоянное запоминающее устройство ПЗУ 18 стандартно обозначены на чертеже латинскими буквами RAM и ROM соответственно и указанный регистр RG 17.

Принципы построения, архитектура и работа таких систем широко известна и приведена во многих монографиях и технических руководствах. Такая система может быть аппаратно реализована на отдельных компонентах, например на базе отечественного микропроцессора 1821BM85 с низким энергопотреблением, либо на интегральных микроконтроллерах зарубежных серий MCS51, MCS196 фирмы INTEL AT89C2051, AT89C51 фирмы ATMEL, а также на отечественных однокристальных микроЭВМ KH1816BE751, KP1816BE51, KP1830BE51 и др. В случае использования указанных микроконтроллеров или микроЭВМ узлы оперативной памяти ОЗУ (RAM), постоянного запоминающего устройства ПЗУ (ROM) выполнены с микропроцессором и регистрами RG на одном кристалле. Во всех случаях работа заявляемого устройства принципиально в рамках формулы предлагаемого изобретения не меняется. Шина BUS в общем случае включает в себя адресную шину, шину данных в шину управления.

Блок обработки ритма кардиосигналов независимо от аппаратной реализации выполняет следующие функции:
1. Устанавливает необходимый коэффициент усиления программируемого усилителя. При съеме кардиосигналов устанавливает необходимое число регистрируемых RR-интервалов, например, 100, производит измерение длительности текущего RR-интервала, также производит калибровку тракта кардиоритмоанализатора.

2. Производит математическую обработку кардиоритма.

3. Работает с аппаратным интерфейсом пользователя (индикатором и клавиатурой - последняя не показана).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После соответствующей подготовки пациенту накладывают электроды, например, R на правую руку, L на левую руку и N на правую ногу по первому стандартному отведению. Включают питание устройства тумблером включения питания, кнопкой "измерение" (не показаны) запускают процесс измерения, при этом биопотенциалы снимаются электродами R и L, усиливаются повторителями 1 и 2, размещенными непосредственно на указанных электродах. Повторители 1 и 2, имеющие малые выходные сопротивления, усиливают сигналы по току. По этой причине сигналы передаются по кабелю отведения KR, KL с лучшим соотношением сигнал/помеха, сигнал/шум. С выхода повторителей через переключатель отведений 5, в данном примере конкретного исполнения мультиплексор MG, подаются на входы усилителя кардиосигналов 7. При этом на адресных входах (на схеме адресная шина не выделена и показана общая шина микропроцессора) мультиплексора MX 4 выставляются коды соответствующего стандартного отведения. Кардиоусилитель 7 сигнал отведений усиливает, а синфазную помеху ослабляет. С выхода кардиоусилителя 7 сигнал поступает на вход блока фильтров 8, где помехи дополнительно ослабляются и далее сигнал подается на вход программируемого усилителя 9, динамический диапазон которого составляет около 40 дБ.

При установке необходимого коэффициента усиления с целью получения высокоамплитудного четко выраженного R-зубца, из ПЗУ 18 извлекется соответствующая команда, при выполнении которой в регистр управляющего кода записывается код, соответствующий, например, минимальному коэффициенту усиления. По этому коду электронные ключи (не показаны) включают в цепи отрицательной обратной связи программируемого усилителя минимальное сопротивление резистивной матрицы 10. Далее код, записанный в указанный регистр инкрементируется, а электронные ключи включают в цепь отрицательной обратной связи большее сопротивление, и коэффициент усиления возрастает. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на выходе усилителя не появится импульс, соответствующий четко выраженному R-зубцу и превышающий величину опорного напряжений U_o на входе компаратора.

Пиковый детектор, включенный в цепь отрицательной обратной связи последовательно с резистивной матрицей в предлагаемом устройстве с программируемым усилителем, позволяет зафиксировать максимальное значение сигнала в зубце R и, кроме того, произвести коррекцию формы сигнала и ликвидировать остаточные искажения сигнала из-за влияния помех и перекрестных искажений. Далее восстановленный сигнал поступает на один из входов компаратора 13, где сравнивается с опорным напряжением U_o (источник опорного напряжения не показан), подаваемым на второй вход компаратора. Вход компаратора 13 соединен с входом одновибратора 14. Одновибратор формирует сигнал по времени фиксированной длительности, а по уровню равный логической единице. Этот сигнал подается на вход блока обработки кардиоритма. Микропроцессор 15 блока обработки кардиоритма работает по программе, записанной в ПЗУ 18, контролирует вход заданного количества интервалов RR, например 100, и производит измерение длительности RR-интервалов. При выполнении этой задачи используются стандартные процедуры работы микропроцессора, например организация программного счетчика. При использовании в данном конкретном примере указанные микроконтроллеры или микроЭВМ имеют на кристалле два счетчика, один из которых устанавливается в режим счетчика, второй - в режим таймера. Первый счетчик подсчитывает импульсы, соответствующие R зубцам, второй счетчик - количество эталонных импульсов, например, в простом случае, количество машинных циклов. При низкой тактовой частоте микроконтроллера, что допустимо в рассматриваемом примере, f_эт=10000 Гц. Количество эталонных импульсов за RR-интервал, например, 5000, тогда длительность RR-интервала в секундах определяется RR = 5000/10000 = 0,5 с, что соответствует ЧСС = 120 уд/мин.

Результаты измерения поступают по шине BUS в соответствующую ячейку ОЗУ при использовании отдельного микропроцессора или по внутренней магистрали данных при использовании микроконтроллеров и микроЭВМ. По окончании измерения 100 RR-интервалов микропроцессор по программе переходит к математической обработке кардиоритма.

При этом по методике Баевского рассчитываются следующие параметры: средний RR-интервал, с; средняя ЧСС; мода (Мо), с; амплитуда моды в процентах (АМо); вариационный размах, с (X); дисперсия, с; индекс напряжения (ИН) в условиях единицах; ИН = АМо/(2 • Mo • X).

Все вычисления проводятся по стандартным процедурам для чисел с плавающей запятой. Результаты вычислений, которые хранятся в ОЗУ 16 по мере необходимости выдаются на индикатор 19. Для оценки вегетативной реактивности данные параметры рассчитываются для пациента в положении лежа (1) и стоя (2). По конкретным значениям этих величин формируются медицинские заключения.

Пример: Мо₁ = 0,74 с; X₁ = 0,14 с; АМо₁ = 32%; ИН₁ = 154 усл.ед.

Мо₂ = 0,68 с; X₂ = 0,12 с; АМо₂ = 36%; ИН₂ = 220 усл.ед.

ИН₂/ИН₁ = 1,43.

Заключение: Исходный вегетативный тонус - симпатикотония.

Вегетативная реактивность - нормальная
Включение повторителей на входе усилителя кардиосигнала схематически не увеличивает коэффициента подавления синфазной помехи. Однако за счет размещения усилителей по схеме повторителя непосредственно на электродах и малого выходного сопротивления повторителей сигнала по кабелю отведений через переключатель отведений подается на вход усилителя кардиосигнал с лучшим соотношением сигнал/помеха, сигнал/шум. Подавление синфазной помехи достигается традиционно при использовании кардиоусилителя на базе инструментального (измерительного) усилителя, имеющего высокие значения коэффициента подавления синфазной помехи). В настоящее время такие усилители доступны для применения в интегральном исполнении. Это недорогие усилители, например AD620, INA118 и другие. Вопрос питания усилителей, размещенных на электродах также практически решается с учетом медицинской электробезопасности. Это может быть, например, автономное питание на современных миниатюрных литиевых батарейках при использовании микромощных усилителей, например AD705, MA776 (140уд1208) и др. При выполнении аппарата с автономным питанием по классу медицинской электробезопасности 111 или подача питания от гальванически развязанного источника. За счет применения усилителя с программируемым усилением и включения в цепь его отрицательной обратной связи пикового детектора последовательно с резистивной матрицей достигается большой динамический диапазон усиления неискаженного сигнала. При этом могут быть использованы как известные операционные усилители с резистивной матрицей, переключаемой мультиплексором, так и интегральные программируемые усилители или операционные усилители с внешним цифроаналоговым преобразователем. Необходимость использования программируемого усилителя с достаточно большим динамическим диапазоном проявляется особенно при скрининг-обследовании детского контингента с использованием автоматизированных устройств в условиях необходимости сокращения времени настройки аппаратуры и времени самой процедуры.

Устройство относится к медицине и медицинской технике и может использоваться при скриннинг-обследовании населения и особенно детей. Технический результат состоит в сокращении времени обследования и повышении надежности в работе устройства, повышении возможностей подавления помех и устранения артефактов. Устройство содержит кардиоэлектроды, переключатель отведений, усилитель биопотенциалов, блок фильтров, компаратор, одновибратор, блок обработки кардиоритма и блок индикации. Дополнительно в него введены микромощные предварительные усилители, размещенные непосредственно на измерительных электродах, и программируемый усилитель, совмещенный с пиковым детектором. Каждый из указанных усилителей включен по схеме повторителя, и его вход непосредственно соединен с электродом, а выход через переключатель отведений - с входом усилителя биопотенциалов. 1 ил.

Кардиоритмоанализатор, содержащий последовательно соединенные переключатель отведений, усилитель кардиосигналов, блок фильтров, усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и резистивной матрицей, а также компаратор, одновибратор, блок обработки ритма кардиосигналов и блок индикации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены предварительные усилители, размещенные непосредственно на измерительных электродах, при этом на каждом электроде размещен усилитель, включенный по схеме повторителя, и его вход соединен непосредственно с электродом, выход - с одним из входов усилителя кардиосигналов через переключатель отведений, а в цепь отрицательной обратной связи усилителя с изменяемым коэффициентом усиления последовательно с его резистивной матрицей включен пиковый детектор.