СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПУЛЬСА Российский патент 1999 года по МПК A61B5/24 G06F17/00 G06F159/00 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при цифровой обработке сигналов о пульсе в диагностических целях.

Регистрация характеристик пульса как одного из важных параметров функционирования сердечно-сосудистой системы может быть активно использована не только для целей профилактики и лечения заболеваний, но также и в качестве параметра, определяющего уровень стресса (US 5267568, A 61 B 5/02, TAKARA, 07.12.93) или работоспособность операторов опасных производств, например водителей транспортных средств (RU 2051616 C1, Институт кибернетики..., A 61 B 5/024, 10.01.96).

Наиболее перспективны оптические средства и методы определения параметров пульса. Известны устройства для регистрации пульса методом отражательной плетизмографии с использованием оптронной пары, работающей в ИК диапазоне. Для эффективной работы устройства необходим большой динамический диапазон, который достигается с помощью схемотехнического решения приемного тракта. Однако в изобретении не рассматривается работа в условиях помех от артефактов движения, что сужает диапазон возможных применений устройства (US 4258719, LEWYN, A 61 B 5/02, 128/690, 31.03.81).

Поскольку измерение пульса проводится с помощью контактных датчиков, надеваемых на тело пациента, большие трудности вызывает интерпретация измеренных значений в условиях значительных помех, связанных с перемещениями пациента. На выходной сигнал оказывает влияние не только искомая модуляция светового потока вследствие изменения кровонаполнения тканей при сердечных сокращениях, но также помеха от перемещения самого датчика по телу пациента, также вызывающая модуляцию света. Так, в устройстве для регистрации пульса фотоэлектрическим методом с использованием пары "источник света - фотоприемник", для повышения помехозащищенности в переходных режимах при воздействии артефактов используется специальная схема обработки сигнала с нелинейным интегратором (SU 0603372, Прошляков и др., A 61 B 5/024, 25.04.78).

Известен также способ определения пульса с использованием метода последовательной автокорреляции. Электрический сигнал с датчика оцифровывается и вычисляется функция автокорреляции. Положение второго пика функции автокорреляции относительно ее основного пика определяет период пульсации. Наличие шумов, связанных с артефактами, приводит к искажению вида автокорреляционной функции по сравнению с идеальной, однако установленные критерии по порогу позволяют дифференцировать сигнал и помеху (US 5558096, PALATNIK, A 61 B 5/02, 128/687, 24.09.96). Упомянутый способ может быть выбран в качестве ближайшего аналога патентуемому способу.

Недостатком известных методов обнаружения пульса на фоне артефактов, вызванных движениями, является недостаточная помехозащищенность, особенно в тех случаях, когда диагностика физиологического состояния построена на наличии или вообще отсутствии пульса. Последнее характерно при внезапной смерти оператора, что имеет критическое значение для функционирования системы "оператор - система" у лиц ответственных профессий (например, водитель за рулем и пр.).

Задачей изобретения является создание способа регистрации пульса операторов в реальных производственных условиях (сильной зашумленности, вибрации и т.п.), например, при измерении пульса водителей транспортных средств в рейсе, когда и сам водитель и датчик системы регистрации пульса подвергаются тряске и перемещениям.

Технический результат изобретения состоит в повышении помехозащищенности и достоверности измерений пульса.

Способ регистрации пульса предусматривает преобразование светового потока, обусловленного рассеянием на кровонесущей ткани, в выходной электрический сигнал, его оцифровку, запоминание и анализ с выделением артефактов и полезного сигнала, связанного с физиологическими пульсациями. Регистрируют текущее значение выходного электрического сигнала в виде последовательности цифровых отсчетов с дискретностью не менее 10 в секунду. Из полученной последовательности определяют опорную пульсацию, для чего выделяют участок упомянутой последовательности отсчетов на фиксированном интервале времени, преимущественно 30-60 с. Упомянутый участок разделяют на единичные пульсации, для каждой из которых находят длительность (T) и среднее значение (C_ср) коэффициентов корреляции между данной и остальными входящими в последовательность пульсациями, и при числе более 10 оставшихся после отбора по критериям единичных пульсаций за опорную принимают пульсацию, полученную путем усреднения, параметры которой запоминаются, а при их числе менее 10 процесс определения опорной пульсации повторяют.

Далее в режиме анализа на текущем шаге выбирают участок длительностью 1-3 с и по установленным критериям определяют начальные и конечные точки единичных пульсаций, вычисляют коэффициент корреляции между опорной и упомянутыми единичными пульсациями, определяют амплитуду упомянутых пульсаций и дисперсию шума. При этом, в случае совпадения с установленными критериями, делается вывод о наличии физиологических пульсаций, обусловленных движением крови, причем конечные точки единичных физиологических пульсаций являются точками, непосредственно предшествующими начальным точкам следующих анализируемых единичных пульсаций. Вывод о наличии физиологических пульсаций и их параметрах делается на основании значений параметров пульсаций, выявленных на текущем и трех-пяти предыдущих шагах.

Критериями отбора единичных пульсаций при формировании опорной пульсации могут являться условия: T_ср-σ_т< T < T_ср+σ_т, и C_ср> C_o-σ_c, где: T_ср - средний период единичных пульсаций, σ_т- среднеквадратичное отклонение, C₀ - среднее значение коэффициента корреляции между всеми имеющимися пульсациями, σ_c - среднеквадратичное отклонение от этой величины.

Критерием при определении начальных и конечных точек единичных пульсаций является условие : A_m > (0,1 - 0,5) • Ag; где: A_m и A_g - амплитуды локального и абсолютного минимумов производной данного участка.

Критерием отнесения пульсации к физиологической является одновременное выполнение условий: C > 0,5; A_c > 0,5; N_c < 1,2; где: C - коэффициент корреляции между анализируемой пульсацией на данном участке и опорной пульсацией; A_c= (σ/σ_o)•C, где: σ и σ_o среднеквадратичные отклонения анализируемой и опорной пульсации соответственно, а N_c= σ•(1-C²)^1/2.
Сущность способа поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 представлена блок-схема устройства для регистрации пульса фотоэлектрическим методом,
на фиг. 2 показана форма сигнала как в условиях помех, так и без них и принципы обработки сигнала,
на фиг.3 - 8 представлен общий вид алгоритма выделения сигнала пульса на фоне помех.

Способ регистрации пульса можно пояснить на примере функционирования устройства, блок-схема которого представлена на фиг.1.

Устройство включает источник 10 света, подключенный к генератору 12 импульсов. Фотоприемник 14 находится в оптической связи с источником 10 через ткань 16 испытуемого, при этом может быть использован режим работы как на отражение, так и на прохождение света. Сигнал с фотоприемника 14 поступает на предварительный усилитель 18, выход которого подключен ко входу синхронного детектора 20. На вход опорного канала синхронного детектора 20 подключен выход синхронизации генератора 12.

Выход синхронного детектора 20 подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 24, данные из которого через последовательный порт RS232 поступают в оперативное запоминающее устройство 30 процессора 32. Информация об анализируемых параметрах: частоте пульса, степени зашумленности сигнала и коэффициенте, определяющем состояние пульса, поступает на блок 40 отображения или на исполнительный элемент (не показан) для дальнейшего использования.

В реальных условиях сигнал, снимаемый с измерительной схемы, представляет собой смесь полезного сигнала, связанного непосредственно с пульсом, и помех, вызванных движениями пациента (изменением оптического пути и коэффициента рассеяния света), модуляцией внешнего освещения и шумами электрической схемы. Однако именно помехи от движения играют превалирующую роль. Ниже описан алгоритм, позволяющий осуществить обнаружение пульса в условиях таких помех.

Основой алгоритма является вычисление коэффициента корреляции (КК) между выделенной последовательностью точек (составляющей предполагаемый период пульсации) и "опорной" пульсацией. Проводится оценка амплитуды пульсации и степени зашумленности сигнала, и формирование вывода о наличии пульса на основе задаваемых критериев, включающих вычисленные значения и соответствующие величины, полученные на предыдущих шагах.

Таким образом, для осуществления способа необходимо:
1. Получить опорную пульсацию, с которой будут сравниваться участки последовательности, составляющие предполагаемый период пульсации.

2. Выделить участки, составляющие период пульсации, т.е. найти по определенному критерию начальные и конечные точки таких участков.

3. На основе вычисленного КК между опорной пульсацией и выделенной последовательностью точек оценить амплитуду пульсации и дисперсию шума.

4. По определенным (эмпирическим) критериям сделать вывод о наличии пульсации в проверяемых участках и отобрать тот канал (участок из набора проверяемых), который с большей достоверностью является периодом пульсации.

5. На основании значений параметров текущей и некоторого числа предыдущих пульсаций с помощью эмпирически установленных критериев сделать вывод о наличии пульса.

Опорная пульсация определяется заранее при отсутствии шума из достаточно длинной последовательности путем усреднения по периоду.

Для отбора начальных значений возможного периода пульсации и нахождения его конечных значений (что необходимо при реализации п.п. 1 и 2) используется тот факт, что производная пульсации имеет ярко выраженный минимум (по сигналу пропускания). Эта точка минимума принимается за начало периода пульсации, а конечной точкой единичной пульсации будет точка, предшествующая следующему минимуму. Таким образом, для нахождения всех наборов начальных и конечных точек возможных пульсаций нужно использовать процедуру нахождения минимумов производной сигнала на данном отрезке и специального их отбора в зависимости от степени зашумленности этого участка. Принцип отбора заключается в следующем. Если степень зашумленности мала (критерий - отношение величины абсолютного минимума к дисперсии для данного участка), то нужно учитывать только те минимумы, которые имеют значительную амплитуду (например, не меньше 0,5 от амплитуды основного минимума), т.к. остальные минимумы имеют явно шумовую природу. Если же шум велик, то "полезные" минимумы могут маскироваться шумовыми и критерий на их амплитуду должен быть более мягким (установлен критерий с линейным уменьшением допустимой амплитуды по отношению к дисперсии шума).

Формирование наборов начальных и конечных точек по минимумам производной по сравнению с формированием по всем точкам имеет то преимущество, что вероятность "попадания" на полезный сигнал в этом случае гораздо больше, и уменьшается вероятность сбоя фазы. То есть, при уменьшении числа вариантов (и объема вычислений) вероятность совпадения периода полезного сигнала с одним из наборов остается почти такой же. Правда, иногда происходит наложение шумового сигнала на полезный таким образом, что минимум производной в данной точке отсутствует, но это бывает, как правило, на тех участках, где дисперсия шума превышает допустимый уровень.

На фиг. 2 показаны характерные фрагменты реального измеряемого сигнала (после НЧ- и ВЧ-фильтрации) в случае отсутствия шума, т.е. без артефактов (кривая "а") и при его наличии (кривая "с"), а также производные этих сигналов (кривые "b" и "d" соответственно). При отсутствии шума сигнал имеет регулярную форму, а его производная - ярко выраженные минимумы. Для получения "опорной" пульсации на фиксированном интервале времени берется последовательность точек с ожидаемым числом 30 - 60 пульсаций. Эта последовательность разбивается на участки, начало которых определяется теми минимумами производной, которые удовлетворяют определенным критериям (см. ниже). Затем производится отбор полученных участков по критерию их длительности и величины взаимного коэффициента корреляции. Критериями отбора единичных пульсаций при формировании опорной пульсации являются условия: T_ср-σ_т< T < T_ср+σ_т, и C_ср> C_o-σ_c, где: T_ср - средний период единичных пульсаций, σ_т - среднеквадратичное отклонение, C₀ - среднее значение коэффициента корреляции между всеми имеющимися пульсациями, σ_c - среднеквадратичное отклонение от этой величины.

Если число оставшихся участков более 10, можно полагать, что помехи, вызванные движением малы, т.е. зарегистрированная последовательность соответствует случаю, когда движение пациента мало. В этом случае производится приведение оставшихся участков к одинаковой длительности (числу точек) и амплитуде, после чего делается усреднение по участкам. Полученная таким образом усредненная пульсация будет являться опорной пульсацией. Начальной точкой опорной пульсации считается точка наибольшего спада сигнала, т.е. минимум его производной.

Далее проводится вычисление коэффициента корреляции между опорной пульсацией и выделенным определенным образом участком последовательности. Для выделения участка последовательности, который будет сравниваться с опорным, необходимо найти его начальную точку (точку минимума производной). В условиях сильных помех сигнал изрезан, имеет большое число высокочастотных импульсов, маскирующих собственно полезный сигнал. Поэтому в реальной последовательности определить достоверно начальную пульсации практически невозможно.

Для определения начальной точки производится дифференцирование последовательности (см. фиг.2, кривая "d") и отбор тех локальных минимумов производной, которые могут указывать на начальную точку искомого участка. Отбирается несколько таких точек (см. поз. 64, 66, 68), которые будут считаться начальными точками. Затем отбираются также предполагаемые конечные точки пульсаций по критерию расположения минимума производной в следующих непосредственно за ними точках и критерию нахождения длительности пульсаций в заданном интервале. Тем самым отбирается несколько участков исходной последовательности.

Так, для начальной точки 68 в соответствующий диапазон попадут точки минимумов производной - поз.70, 72, 74, которые могут определять три группы точек, которые необходимо будет проверить на корреляцию с опорной последовательностью. Эти группы точек начинаются с точки 68 и заканчиваются точками, непосредственно предшествующими точкам 70, 72 и 74. Указанные конечные точки участков попадают в текущий диапазон возможного разброса ± ΔT/2 длительности периода T. Однако, кроме требования нахождения конечных точек в нужном временном интервале (T ± ΔT/2) необходимо, чтобы точки минимумов имели достаточную амплитуду. Допустимая величина амплитуды устанавливается по определенному критерию, учитывающему зашумленность участка. Критерием при определении начальных и конечных точек единичных пульсаций является условие : A_m > (0,1 - 0,5) • A_g; где: A_m и A_g - амплитуды локального и абсолютного минимумов производной данного участка.

В данном примере точки 70 и 74 будут отброшены из-за малости амплитуды, и останется только один участок (60. ..72) для проверки на корреляцию с опорной последовательностью. В то же время для начальной точки 76 будут выделены две последовательности, т.к. точки минимумов 80 и 82 удовлетворяют указанному критерию (точка поз.78 также удовлетворяет этому критерию, однако не попадает в допустимый диапазон (T ± ΔT/2) длительности периода.

Далее, производится вычисление функций A_c= (σ/σ_o)•C, где: σ и σ_o - среднеквадратичные отклонения анализируемой и опорной пульсации соответственно, a N_c= σ•(1-C²)^1/2, C - коэффициент корреляции между анализируемой пульсацией на данном участке и опорной пульсацией. Указанные функции связаны с коэффициентами корреляции между опорным сигналом и отобранными вышеприведенным способом участками последовательности. Если полученные значения упомянутых функций лежат в заданном диапазоне (критерием отнесения пульсации к физиологической является одновременное выполнение условий: C > 0,5; A_c > 0,5; N_c < 1,2;), то эти участки принимаются за единичную физиологическую пульсацию. Точки минимумов 80,82 в этом случае будут являться начальными точками для выделенных участков следующей искомой пульсации. Эта же процедура применяется для следующего шага поиска приемлемой пульсации.

Далее, на основе данных, полученных для следующего шага, и информации, полученной на предыдущих шагах, из имеющегося набора конечных и начальных точек пульсаций отбирается один, имеющий наилучшие критерии, который и считается истинным.

Возможен такой случай, когда ни один из участков, отбираемых по вышеупомянутому методу, не удовлетворяет критериям пульсации. Тогда делается попытка использовать точки минимума, лежащие в диапазоне, начинающемся на период от текущего (в случае, если истинная точка начала периода оказалась перед диапазоном поиска). Если эта попытка не дает результата, тогда такой участок признается экстраординарным (артефактным) и для продолжения работы заново проводится отбор начальных точек пульсации по критерию минимума производной, как описано выше.

На окончательном этапе работы алгоритма проводится формирование вывода о наличии или отсутствии пульса. Для этого производится анализ участков по описанной методике в зависимости от их типа (пригодности для идентификации). Им присваивается численный коэффициент K, соответствующий случаям нормального участка, экстраординарного, а также помехи из-за сбоя фазы. Критериями отнесения участка к той или иной группе служат величины амплитуды A_c и шума N_c.

На фиг.3 - 8 приведена блок-схема алгоритма функционирования процессора при реализации патентуемого способа.

В начале алгоритма (шаг 100) выясняется, сформирована ли опорная последовательность. Если опорной последовательности нет, переходят к шагу 102 - подпрограмме определения опорной последовательности. Если такая последовательность сформирована, начинает выполняться подпрограмма нахождения начальных точек пульсаций (шаг 104). Результатом выполнения этой подпрограммы является набор номеров точек, которые могут служить начальными точками пульсаций. На следующем шаге 106 выполняется подпрограмма нахождения конечных точек пульсаций. В результате выполнения подпрограммы получаем набор конечных точек пульсаций, а также набор чисел (номеров каналов), ставящих в соответствие каждой начальной точке свою конечную. Далее (шаг 108) проверяется состояние буфера данных. Если в буфер данных не поступают отсчеты в течение определенного времени, то формируется флаг состояния буфера, по которому программа заканчивается. При нормальном состоянии буфера переходим к этапу сравнения сформированных участков с опорной последовательностью. На шаге 110 осуществляется подстройка амплитуды опорной пульсации в соответствии с величиной амплитуды физиологической пульсации, полученной в предыдущем цикле. Далее (шаг 112), на основе вычисления КК между каждым из отобранных участков и опорной пульсацией производится определение амплитуды пульсации A_c и уровня шума N_c участка. На шаге 114 фиксируется число каналов, которое определяется наименьшим значением из задаваемого в программе числа каналов (их число предпочтительно равно трем - пяти) и числом сформированных участков.

Из этого числа каналов на шаге 116 производится отбор по соответствию заданным значениям упомянутых уровней амплитуды пульсации и шума. Если есть каналы, удовлетворяющие заданным значениям, то среди них производится сортировка по величине характеристической функции (ХФ), содержащей суммарное значение КК для данного канала по всем предыдущим циклам после последнего "сбойного" участка, т.е. участка, который был отброшен на шаге 116 в одном из предыдущих циклов из-за несоответствия уровням амплитуды и шума. Таким образом, ХФ для каждого канала принимает значение "0" при появлении "сбойного" участка, а на каждом нормальном участке ее значение увеличивается на величину КК. На следующем шаге (118) происходит формирование метки анализируемой части последовательности. Если ни по одному из каналов не нашлось нормального участка (т.е. участка, удовлетворяющего уровням амплитуды и шума), то данному участку загруженной из буфера последовательности присваивается метка "1", в противном случае - "0".

На следующем этапе (фиг.4) на основе меток сбойности, полученных в текущем и на предыдущих циклах, формируются данные для анализа состояния пульса и для работы в следующем цикле (со следующим участком последовательности). Анализ текущего участка последовательности служит для более достоверной оценки состояния пульса на предыдущем участке, т.е. производится анализ "на шаг вперед". На основе этих данных, а также данных, полученных в ходе предыдущих циклов работы, формируется картина состояния пульса на предшествующем текущему участке последовательности.

На шаге 120 (фиг.4) анализируется, является ли текущий участок последовательности нормальным. Если это так, то на шаге 122 выясняется, являлся ли нормальным предыдущий участок. Если же ответ на шаге 120 отрицательный, то на шаге 124 выясняется, были ли нормальными два предыдущих участка. Это более жесткое требование связано с тем, что существование нормального участка в предыдущем цикле в окружении сбойных участков на предшествующем ему и на следующем циклах может свидетельствовать о большой вероятности случайного совпадения вида участка с видом опорной последовательности. Если ответы на шагах 122 и 124 положительные, то считаем, что участок, исследовавшийся в предыдущем цикле - нормальный, и программа отрабатывает ветвь, соответствующую этому условию (шаги 126-134). На шаге 126 происходит пересортировка каналов на основе новых данных, полученных в текущем цикле. Например, значение ХФ для канала, который был вторым в предыдущем цикле, превысило значение ХФ первого канала, и тогда эти каналы необходимо поменять местами (окончательный анализ данных производится по значениям первого канала).

После этого заново отсортированные значения каналов, полученные в предыдущем цикле и хранящиеся в матрице значений предыдущего цикла, записываются в основную матрицу значений, откуда они будут извлекаться для дальнейшего анализа. На шаге 128 определяются коэффициенты для корректировки амплитуды опорного сигнала, которая происходит на шаге 110 (фиг.3). Эти коэффициенты определяются из относительной амплитуды пульсации, полученной в текущем цикле, и эмпирических коэффициентов, задающих относительное влияние полученного значения амплитуды на опорный сигнал. На шаге 130 выполняется специальная процедура, предотвращающая возникновение дублирования каналов. Такое дублирование может произойти, если участки всех каналов имеют одну и ту же конечную точку, которая в следующем цикле будет определять одну и ту же начальную точку по всему заданному числу каналов. Если и конечная точка будет одна и та же, то будет происходить дублирование вычислений с сокращением реального числа вариантов поиска. Процедура на шаге 130 предотвращает такую ситуацию. Если начальные и конечные точки для каналов в предыдущем цикле совпадают, то канал с большим номером отбрасывается.

На шаге 132 происходит заполнение матрицы значений предыдущего цикла значениями текущего цикла. На шаге 134 происходит формирование параметров для работы в следующем цикле, со следующим участком последовательности. Для каждого канала формируется величина периода T и диапазон его изменения ΔT (для поиска в этом диапазоне конечных точек участков). Определяются начальные точки для следующих участков каждого канала: этими точками являются точки, непосредственно следующие за конечными точками каждого канала в текущем цикле. После этого ветвь программы, связанная с формированием значений для анализа в случае нормального участка и подготовкой данных для следующего цикла, заканчивается.

Если ответы, полученные на шагах 122 и 124, отрицательные, программа отрабатывает ветвь, соответствующую условию экстремальности (сбойности) участка (шаги 136-144). На шаге 136 происходит запись в основную матрицу значений тех параметров, которые характеризуют экстремальный участок. Записывается значение ХФ=0, а также значение флага состояния равное "3" или не выполняется условие на амплитуду пульсации и равное "2", если не выполняется условие на уровень шума участка и равное "1", если это участок сбоя фазы (см. далее). Эти значения флагов формируются в предыдущем цикле на шаге 116 и записываются тогда же в матрицу значений предыдущего цикла. Для работы в следующем цикле на шаге 138 происходит запись в эту матрицу значений текущего участка, а на шаге 140 - формирование номеров начальных точек. В качестве таких точек берутся все точки, непосредственно следующие за конечными точками всех участков, исследовавшихся в текущем цикле. Возможное дублирование таких точек устраняется на шаге 142. На шаге 144 определяется среднее значение периода T пульсации (по длительности исследовавшихся в текущем цикле участков), которое будет определять предполагаемый период T пульсации в следующем цикле, и происходит расширение диапазона возможного изменения ΔT этого периода на основе эмпирического коэффициента. Такое расширение периода увеличивает вероятность захвата истинной начальной точки пульсации при наличии экстраординарного участка в предыдущем цикле.

На этом заканчивается ветвь программы, обрабатывающая экстраординарный участок, и программа переходит к шагу 146 - подпрограмме анализа данных и индикации информации об искомом пульсе. На шаге 148 происходит проверка состояния буфера данных, аналогичная шагу 108 (фиг.3). В случае нормального состояния буфера выполняется шаг 150, подготавливающий переход к следующему циклу. На этом шаге происходит сдвиг номеров точек (используются как относительная, так и абсолютная нумерация), находится среднее значение периода пульсации, необходимое для работы некоторых подпрограмм, переобозначается метка состояния предыдущего цикла. После этого программа готова к выполнению следующего цикла и происходит переход к шагу 106.

На фиг.5 представлен алгоритм выполнения подпрограммы нахождения опорной пульсации (шаг 102 основной программы). Вначале производится накопление данных (шаг 154), чтобы набрать достаточное число пульсаций. При ослабленном влиянии артефактов, вызванных движением (условие выполнения данной подпрограммы) достаточно набрать 20-30 единичных пульсаций, что требует времени порядка 30 - 60 с. После набора данных вся последовательность точек извлекается из буфера и подвергается обработке, целью которой является разбиение последовательности на единичные пульсации, отбрасывание тех пульсаций, которые не удовлетворяют условиям на длительность T и KK, и нахождение усредненной пульсации из числа оставшихся. Для этого на шаге 156 производится частотная фильтрация, сглаживание и дифференцирование последовательности, чтобы разделить ее на единичные пульсации по точкам минимума производной. Чтобы отбросить посторонние локальные минимумы, на шаге 158 определяется уровень минимума, по которому будет производиться селекция. За такой уровень принимается значение, лежащее ниже нуля на величину среднеквадратичного отклонения (дисперсии). На шаге 160 происходит отбор точек минимума производной по установленному уровню селекции. Так как количество точек, приходящихся на единичную пульсацию, может быть таким, что ниже уровня селекции могут попадать несколько рядом расположенных точек, на шаге 162 происходит отбор основной точки для каждой такой группы. Тем самым сделано разбиение исходной последовательности на участки, которые должны содержать единичные пульсации. Однако при этом возможно появление точек минимума производной, удовлетворяющих уровню селекции, но появившихся из-за артефактов. Поэтому далее происходит отбор выделенных участков последовательности по их длительности и KK.

На шаге 164 вычисляется среднее значение T_ср длительности участков (количества точек в них) и среднеквадратичное отклонение σ_т. Оставляют те участки, разброс длительности которых не выходит за пределы среднеквадратичного отклонения от среднего. Для дальнейшего отбора по KK на шаге 166 все оставшиеся участки приводятся к одной длительности. На шаге 168 вычисляется матрица взаимных KK всех участков, находится среднее значение KK C₀ и его дисперсия σ_c. После этого на шаге 170 определяется уровень селекции по KK - среднее значение KK минус дисперсия, а на шаге 172 происходит селекция участков по этому уровню. На шаге 174 проверяется, достаточно ли осталось участков после отбора. Если таких участков меньше 10, то возвращаемся в начало подпрограммы и повторяем процесс заново. Если же число участков больше 10, то на шаге 176 находится среднее значение их амплитуды, и амплитуда участков приводится к этому значению. После этого на шаге 178 производится усреднение по соответствующим точкам каждого участка, и тем самым определяется усредненная опорная пульсация. Так как в процессе работы основной программы приходится находить KK опорной последовательности с участками, имеющими различную длительность, то с целью экономии ресурсов и повышения быстродействия на шаге 180 опорная пульсация пересчитывается ко всему возможному набору длительностей, определяемому задаваемыми в программе минимальной и максимальной частотой пульса. Этот набор опорных пульсаций формируется в виде вектора и используется в дальнейшей программе.

На фиг.6 представлена блок-схема подпрограммы нахождения начальных точек пульсаций (шаг 104 основной программы). В начале работы подпрограммы на шаге 184 проверяется состояние буфера данных аналогично шагу 108 основной программы. Если статус буфера нормальный, то переходят к шагу 186, на котором выбирается диапазон для поиска начальных точек пульсаций. Из всей последовательности отбирается участок длительностью в два предполагаемых периода (это значение задается в начале работы программы, а затем корректируется в зависимости от предыдущих значений периода). Начинается участок с первой неисследованной точки (просто с первой точки в начале работы подпрограммы). На шаге 188 осуществляется проверка, выходит ли указанный участок за пределы имеющейся последовательности. Если этого не произошло, переходят к подпрограмме поиска и селекции точек минимума (шаг 190, см. фиг.8). На шаге 192 проверяется, найдена ли хотя бы одна точка, удовлетворяющая условиям, налагаемым на начальную точку пульсации. Если хотя бы одна точка найдена, то на шаге 194 происходит формирование массива номеров начальных точек и подпрограмма завершается. Если же на шаге 192 оказывается, что ни одна начальная точка не найдена, то осуществляется переход снова к шагу 186, на котором происходит сдвиг участка поиска вперед к точке, следующей непосредственно за последней точкой предыдущего диапазона. Если на шаге 188 выясняется, что последняя точка исследуемого участка выходит за пределы имеющейся последовательности, то после проверки статуса буфера (шаг 198) происходит загрузка новой последовательности точек из буфера (шаг 200), после чего работа подпрограммы начинается заново.

На фиг. 7 показана блок-схема подпрограммы нахождения конечных точек пульсаций (шаг 106 основной программы). В начале подпрограммы находятся минимальные и максимальные допустимые значения периода для каждого канала, исходя из текущего значения T периода каждого канала, диапазона его разброса, ΔT и ограничений, накладываемых на абсолютное значение периода (шаг 220). Диапазоны поиска конечных точек различных каналов могут перекрываться, и при раздельном определении точек будет происходить дублирование вычислений. Чтобы предотвратить это, формируется один общий участок последовательности, включающий участки, относящиеся к каждому каналу (шаг 222), а после нахождения искомых точек делается проверка их принадлежности участку поиска каждого канала (см. далее, шаг 228). На шаге 224 проверяется, не выходит ли сформированный участок за длительность имеющейся последовательности. Если этого не происходит, на шаге 226 выполняется подпрограмма поиска и селекции точек минимума производной (см. фиг.8). После выполнения этой подпрограммы найденные точки (если они есть) проверяются на соответствие участкам каждого канала (шаг 228). На шаге 230 проверяется, найдена ли в результате хотя бы одна конечная точка. Если это так, то на шаге 232 формируется набор конечных точек периода и соответствующий ему набор номеров каналов, позволяющий установить соответствие между начальными и конечными точками для каждого канала. На этом выполнение подпрограммы заканчивается. Если же на шаге 230 выясняется, что нет ни одной искомой конечной точки, то считается, что последовательность пульсаций "потеряна", т.е. невозможно осуществить разбиение последовательности на единичные пульсации. При этом осуществляется механизм "захвата фазы", т.е. нового нахождения начальных точек и повторения подпрограммы.

На шаге 234 проверяется состояние счетчика попыток поиска. Если до этого не было ни одной попытки поиска, то на шаге 236 делается сдвиг участка поиска на один период назад. Это связано с тем, что в некоторых случаях при увеличении периода и узком диапазоне его разброса истинная точка начала пульсации может быть пропущена. Если же попытка поиска уже была, то происходит сдвиг участка поиска вперед за последнюю точку исследовавшегося участка. После этого на шаге 240 происходит расширение диапазона возможного изменения периода (для увеличения вероятности захвата точек) на определенную величину, после чего на шаге 242 выполняется подпрограмма нахождения начальных точек пульсаций, уже рассмотренная на фиг.6. После нахождения начальных точек на шаге 244 формируются метки сбоя фазы и экстремальности участка, после чего происходит возврат к началу рассматриваемой подпрограммы.

Если же на шаге 224 выясняется, что диапазон поиска конечных точек превышает длительность имеющейся последовательности, то после проверки статуса буфера (шаг 246) на шаге 248 происходит подгрузка точек из него и также происходит возврат к началу подпрограммы.

На фиг.8 представлены подпрограмма анализа данных и индикации информации о пульсе (шаг 146 основной программы, см. фиг.4), а также подпрограмма поиска и селекции точек минимума производной, используемая в подпрограммах нахождения начальных и конечных точек пульсаций (шаги 190 и 226). Подпрограмма анализа данных и индикации информации о пульсе начинается с шага 260, на котором происходит выделение значений флага состояния, KK и длительности периода первого (с максимальной ХФ) канала. На шаге 262 осуществляется дополнительный контроль уровня KK и превышения скорости изменения периода T. Так как селекция каналов (шаг 116 основной программы, см. фиг.3) осуществлялась по значениям двух величин (амплитуды пульсации A_c и шума N_c), связанных функционально не только с KK, но и с дисперсией σ участка, то дополнительный отбор по KK уменьшает вероятность ошибки оценки состояния пульса. Необходимость контроля по скорости изменения периода T связана с тем, что при наличии предыдущих сбойных участков возможны сильные изменения периода (допустимый диапазон его изменения увеличивается, чтобы облегчить захват пульсации), а это может привести к большим выбросам в величине периода. Участкам, не прошедшим указанный контроль (шаг 264), приписывается значение флага, равное 1, т.е. такое же значение, что и при сбое фазы. При этом нормальному участку приписывается значение, равное "0", участку повышенного шума - значение "2", а пониженной амплитуды - значение, равное "3". Значения флагов за несколько последних циклов (четырех - девяти, в зависимости от числа единичных пульсаций в опорной последовательности) сохраняются в специальной матрице, которая обновляется на шаге 268 с приходом очередного значения флага. Здесь же вычисляется среднее значение флагов, которое на шаге 270 позволяет сделать оценку состояния пульса, а на шаге 272 - произвести его индикацию на экране монитора наряду с информацией о частоте пульса и его относительной амплитуде. На этом подпрограмма анализа данных и индикации информации о пульсе завершается.

Подпрограмма поиска и селекции точек минимума производной начинается с дифференцирования последовательности на шаге 280. Далее, у этой продифференцированной последовательности определяются локальные минимумы и с помощью специальной методики отбираются те из них, которые с большой вероятностью могут указывать на искомые начальные точки пульсации. Такой отбор связан с анализом величины среднеквадратичного отклонения от среднего значения амплитуды участка последовательности, составляющей предполагаемый период. При этом для оценки зашумленности участка точка найденного локального минимума (и, быть может, несколько соседних точек) не учитывается. Соотношение между величиной полученного среднеквадратичного отклонения и амплитудой A_g абсолютного минимума будет определять критерий отбора данной точки локального минимума для дальнейшего использования. Если шум участка мал, то критерий на отбор должен быть более жестким, так как истинная точка начала пульсации в этом случае хорошо выделена. Если же шум велик, то он может маскировать истинную точку, и поэтому критерий должен смягчаться, увеличивая набор предполагаемых точек начала пульсации. Исходя из этого на шаге 282 на основании полного числа точек, составляющих предполагаемый период, определяется число соседних к абсолютному минимуму точек, которые необходимо отбросить для определения среднеквадратичного отклонения. После этого на шаге 284 начинается поиск первого локального минимума. После его нахождения на шаге 286 определяется его амплитуда (по отношению к ряду соседних точек). На шаге 288 формируется набор точек для вычисления дисперсии участка - из всех точек участка изымаются найденная точка локального минимума и определенное на шаге 282 количество точек по соседству с данной. После этого на шаге 290 вычисляется дисперсия участка, а на шаге 292 находится его абсолютный минимум. На шаге 294 вычисляется уровень зашумленности участка, как отношение найденных величин абсолютного минимума к величине дисперсии. На шаге 296 с помощью эмпирических коэффициентов на основе высказанных выше соображений определяется уровень допустимой амплитуды для отбора данной точки локального минимума. Это соответствие проверяется на шаге 300, и если данная точка удовлетворяет критерию, она записывается в выходной массив (шаг 302), а если нет, то этот шаг не выполняется. После проверки на шаге 304 исчерпалась ли исследуемая последовательность, происходит возврат к шагу 284 поиска следующего локального минимума, или же, если точек нет, подпрограмма заканчивается.

Промышленная применимость. Описанный способ выделения пульса на фоне артефактов движения и других помех может быть реализован с использованием в оптическом тракте выпускаемых промышленностью светодиодов и оптронных пар типов АЛ115, АЛ107, АОД111, ФД256. Для оцифровки данных может быть использован стандартный 12-разрядный АЦП, а для вычислений достаточно использовать процессор типа Intel 80486.

Изобретение относится к диагностике в медицинской технике и может быть использовано при цифровой обработке сигналов о пульсе. Способ включает преобразование светового потока, обусловленного рассеянием на кровонесущей ткани, в выходной электрический сигнал, его оцифровку, запоминание и анализ с выделением артефактов и полезного сигнала, связанного с физиологическими пульсациями. Регистрируют текущее значение выходного электрического сигнала в виде последовательности цифровых отсчетов с дискретностью не менее 10 в 1 с. Из полученной последовательности определяют опорную пульсацию, далее в режиме анализа на текущем шаге выбирают участок длительностью 1 - 3 с и по установленным критериям определяют начальные и конечные точки единичных пульсаций, вычисляют коэффициент корреляции между опорной и упомянутыми единичными пульсациями. Определяют амплитуду упомянутых пульсаций и дисперсию шума, при этом, в случае совпадения с приведенными критериями, делается вывод о наличии физиологических пульсаций, обусловленных движением крови. Это позволяет повысить помехозащищенность и достоверность измерения пульса. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ регистрации пульса, включающий преобразование светового потока, обусловленного рассеянием на кровонесущей ткани, в выходной электрический сигнал, его оцифровку, запоминание и анализ с выделением артефактов и полезного сигнала, связанного с физиологическими пульсациями, отличающийся тем, что регистрируют текущее значение выходного электрического сигнала в виде последовательности цифровых отсчетов с дискретностью не менее 10 в 1 с, из полученной последовательности определяют опорную пульсацию, для чего выделяют участок упомянутой последовательности отсчетов на фиксированном интервале времени, преимущественно 30 - 60 с, упомянутый участок разделяют на единичные пульсации, для каждой из которых находят длительности Т и среднее значение C_ср коэффициентов корреляции между данной и остальными входящими в последовательность пульсациями, и при числе более 10 оставшихся после отбора по критериям единичных пульсаций за опорную принимают пульсацию, полученную путем усреднения, параметры которой запоминаются, а при их числе менее 10 процесс определения опорной пульсации повторяют, далее в режиме анализа на текущем шаге выбирают участок длительностью 1 - 3 с и по установленным критериям определяют начальные и конечные точки единичных пульсаций, вычисляют коэффициент корреляции между опорной и упомянутыми единичными пульсациями, определяют амплитуду упомянутых пульсаций и дисперсию шума, при этом в случае совпадения с установленными критериями делается вывод о наличии физиологических пульсаций, обусловленных движением крови, причем конечные точки единичных физиологических пульсаций являются точками, непосредственно предшествующими начальным точкам следующих анализируемых единичных пульсаций, при этом вывод о наличии физиологических пульсаций и их параметрах делается на основании значений параметров пульсаций, выявленных на текущем и трех - пяти предыдущих шагах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что критериями отбора единичных пульсаций при формировании опорной пульсации являются условия
T_cp-σ_т<T<T_cp+σ_т,
C_cp>C_o-σ_c,
где T_ср - средний период единичных пульсаций;
σ_т - среднеквадратичное отклонение;
C₀ - среднее значение коэффициента корреляции между всеми имеющимися пульсациями;
σ_c - среднеквадратичное отклонение от этой величины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что критерием при определении начальных и конечных точек единичных пульсаций является условие
A_m > (0,1 - 0,5) • A_g,
где A_m и A_g - амплитуды локального и абсолютного минимумов производной данного участка. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что критерием отнесения пульсации к физиологической является одновременное выполнение условий
C > 0,5,
A_c > 0,5;
N_c < 1,2,
где C - коэффициент корреляции между анализируемой пульсацией на данном участке и опорной пульсацией;
A_c= (σ/σ_o)•C, где σ и σ_o - среднеквадратичные отклонения анализируемой и опорной пульсации соответственно;
N_c= σ(1-C²)^1/2.