НАРУЧНЫЙ КАРДИОМОНИТОР-ЧАСЫ Российский патент 2007 года по МПК A61B5/404 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам измерения для диагностических целей частоты сердечных сокращений и оценки состояния сердечно-сосудистой системы. Наручный кардиомонитор-часы предназначен для непрерывного контроля и экспресс-анализа работы сердца при постоянном ношении и может быть применен не только в медицине для больных, которым показан постоянный контроль состояния сердечно-сосудистой системы, но и для наблюдения за состоянием сердечно-сосудистой системы у водителей транспорта (самолета, автобуса, поезда), спасателей, участников боевых операций, когда человек не может адекватно оценить свое состояние, а также спортсменам, рассчитывающим объем физической нагрузки.

Среди аналогов изобретения известен наручный кардиомонитор-часы, регистрирующий частоту сердечного ритма (патент Швейцарии №653845, МПК А61В 5/024, 1986). К наручному кардиомонитору-часам подключается комплект из четырех кардиографических электродов, устанавливаемых в области грудной клетки. Недостатком данного прибора является громоздкость системы из четырех электродов и подключенных к ним соединительных проводов, используемых для съема биоэлектрических потенциалов. Значительную сложность для пациента составляет также порядок установки и подключения электродов.

Известен также наручный кардиомонитор-часы (патент США №5351695, МПК А61В 5/0428, 1994). Он снабжен металлическим браслетом, являющимся также одним из электродов. Вторым электродом является металлическая площадка на корпусе прибора. При необходимости измерить частоту сердечных сокращений пациент должен приложить палец другой руки к площадке. При этом прибор начинает регистрировать биоэлектрические сигналы, создаваемые сердцем. Недостатком данного кардиомонитора является то, что для съема биоэлектрических потенциалов требуется активное участие человека при регистрации частоты сердечных сокращений и связанные с этим сложности и ограничения при осуществлении непрерывного контроля за частотой сердечных сокращений и ритмом.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к предлагаемому наручному кардиомонитору-часам является наручный кардиомонитор по патенту США №5365935 (МПК А61В 5/0404, 1994). Этот кардиомонитор выполнен в виде наручных часов, содержит дифференциальный усилитель электрокардиосигнала, состоящий из предварительного усилителя, включающего первый (входной) каскад, фильтр высоких частот и второй каскад, режекторного фильтра, буферного усилителя и выходного усилителя, а также микроконтроллер, входы которого соединены с усилителем электрокардиосигнала, клавиатурой и постоянным запоминающим устройством, а выходы подключены к устройству визуализации, устройству сигнализации и порту для обмена информацией с внешними устройствами, и снабжен электродами для съема и подачи электрокардиосигнала в кардиомонитор, которые соединены со входами усилителя электрокардиосигнала.

Особенностями известного наручного кардиомонитора-часов являются:

- использование для съема электрокардиосигнала одного из стандартных отведений, что требует применения трех электродов и усиления электрокардиосигнала с помощью дифференциального усилителя, при этом один ближний электрод (индифферентный) установлен на корпусе кардиомонитора, а два других удаленных электрода (дифференциальные) предназначены для установления на поверхности грудной клетки и соединены со входами усилителя двумя экранированными проводами;

- использование в качестве устройства визуализации жидкокристаллического индикатора сегментного типа;

- использование в качестве порта для обмена информацией с внешними устройствами акустического порта.

Недостаток прототипа заключается в следующем.

При наблюдении за состоянием пациента при помощи известного наручного кардиомонитора-часов время непрерывного съема и регистрации электрокардиосигнала при фиксированной энергоемкости элемента питания (батарейки) определяется энергопотреблением компонентов наручного кардиомонитора: чем больше потребление, тем меньше время непрерывной регистрации, тем чаще необходимо заменять элемент питания, тем чаще при разряженном элементе питания и во время процедуры его замены пациент остается без наблюдения, когда могут быть пропущены опасные нарушения сердечного ритма. Данный кардиомонитор рассчитан на осуществление непрерывного съема и регистрации электрокардиосигнала без замены элемента питания в пределах одних суток. Для увеличения времени непрерывной регистрации требуется использовать более мощные источники питания, которые делают прибор более габаритным и громоздким.

Использование более энергоемкого дифференциального усилителя связано с наличием сетевой наводки переменного тока по дифференциальному входу. Для подавления этой помехи и необходим дифференциальный усилитель. Кроме того, использование двух электродов, предназначенных для установления на поверхности грудной клетки, и двух экранированных проводов для соединения их с кардиомонитором делает все устройство в целом более громоздким и создает определенные неудобства для пациента в процессе его жизнедеятельности при длительном ношении прибора, что, в свою очередь, увеличивает вероятность искажения сигнала, поступающего в кардиомонитор, снижает достоверность и качество анализа работы сердца.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в увеличении времени работы наручного кардиомонитора без замены элемента питания (батарейки) за счет уменьшения энергопотребления, в уменьшении габаритов прибора и сокращении количества электродов, используемых для съема электрокардиосигнала, что в сумме повышает удобство эксплуатации прибора.

Для достижения указанного технического результата предлагаемый наручный кардиомонитор-часы также как и известный содержит усилитель электрокардиосигнала, состоящий из последовательно соединенных предварительного усилителя, включающего первый (входной) каскад, фильтр высоких частот и второй каскад, режекторного фильтра, буферного усилителя и выходного усилителя, а также микроконтроллер, входы которого соединены с выходом усилителя электрокардиосигнала, клавиатурой и постоянным запоминающим устройством, а выходы микроконтроллера соединены с устройством визуализации, устройством сигнализации (зуммером), постоянным запоминающим устройством и портом для обмена информацией с внешними устройствами, и снабжен электродами, один из которых, ближний, установлен на корпусе часов, а другой, удаленный электрод, предназначен для установления на поверхности грудной клетки, которые соединены со входами усилителя электрокардиосигнала, но в отличие от известного для усиления электрокардиосигнала в предлагаемом наручном кардиомониторе-часах применен недифференциальный усилитель, а для съема электрокардиосигнала и подачи его на вход усилителя электрокардиосигнала использованы только два электрода, соединенные с усилителем электрокардиосигнала кабелем, выполненным как витая пара проводов в изоляции, при этом один из проводов витой пары соединен одним концом с первым входом усилителя и вторым концом с удаленным электродом; второй провод витой пары одним концом подключен к ближнему электроду, а второй конец оставлен свободным.

Поскольку дифференциальные усилители, традиционно используемые для усиления электрокардиосигнала, всегда содержат больше элементов, чем недифференциальные, то благодаря применению для усиления электрокардиосигнала недифференциального усилителя стало возможным сократить количество используемых в усилителе элементов, следовательно, уменьшить потребляемую мощность и увеличить время непрерывной работы кардиомонитора без замены элемента питания (от трех до пяти суток в зависимости от режима работы). Сокращение количества используемых в усилителе элементов позволяет уменьшить габариты усилителя, а следовательно, и всего прибора, что дополнительно повышает удобство его эксплуатации.

Отказаться от дифференциального усилителя электрокардиосигнала стало возможным благодаря тому, что для съема электрокардиосигнала используется только два электрода, один из которых - ближний - установлен на корпусе часов, а другой - удаленный электрод - предназначен для установления на поверхности грудной клетки, которые соединены с усилителем электрокардиосигнала кабелем, выполненным как витая пара проводов в изоляции. Такое соединение электродов с кардиомонитором обеспечивает практически одинаковую емкость проводов относительно земли и источника помехи, свободно от возникновения дополнительной емкости, а также способствует компенсации синфазной помехи и обеспечивает необходимое качество электрокардиосигнала, поступающего в усилитель, без использования дополнительных фильтрующих элементов, как это принято делать во входных цепях дифференциальных усилителей.

Использование только одного удаленного (грудного) электрода позволяет гораздо проще и дольше обеспечивать надежный электрический контакт с кожей при наблюдении, что существенно снижает вероятность уменьшения амплитуды электрокардиосигнала, увеличения амплитуды помех и, следовательно, ухудшения качества регистрации сигнала. А также наличие только одного грудного электрода и одного кабеля создает менее неудобств для пациента в процессе длительного ношения кардиомонитора.

Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы изобретения, характеризует наручный кардиомонитор-часы, в котором в качестве устройства визуализации используется матричный жидкокристаллический индикатор, позволяющий выводить на экран не только цифровые данные, но и текстовые сообщения, в частности: текущее время, частоту сердечных сокращений, наличие аритмий, количество экстрасистол в минуту, простейшие рекомендации пациенту для коррекции состояния (например, прием лекарства), а при необходимости и графическую информацию, что также обеспечивает удобство пользования прибором и расширяет его возможности.

Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы изобретения, характеризует наручный кардиомонитор-часы, в котором в качестве порта для обмена информацией с внешними устройствами используется инфракрасный порт, работающий по стандартному протоколу IrDA. Для передачи электрокардиограммы для анализа в медицинское учреждение через компьютерные носители или через сеть Интернет в предлагаемом кардиомониторе содержится инфракрасный порт, благодаря которому внешний компьютер, оснащенный инфракрасным портом и специальным программным обеспечением, может принимать и запоминать электрокардиограмму, зарегистрированную кардиомонитором. Использование инфракрасного порта обеспечивает более надежную защиту передаваемой информации от внешних помех.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4, где на фиг.1 изображена функциональная схема наручного кардиомонитора-часов, на фиг.2 приведен пример выполнения недифференциального усилителя электрокардиосигнала, на фиг.3 показано соединение электродов с усилителем электрокардиосигнала кабелем, выполненным как витая пара проводов в изоляции, на фиг.4 показано расположение и подключение наручного кардиомонитора-часов к телу человека.

Наручный кардиомонитор-часы (фиг.1) снабжен двумя электродами, один из которых - ближний электрод 1 - установлен на корпусе часов (на чертеже не показан), а другой - удаленный электрод 2 - предназначен для установления на поверхности грудной клетки, которые соединены кабелем 3 с усилителем 4 электрокардиосигнала. Кабель 3 (фиг.3) выполнен как витая пара проводов в изоляции, при этом первый провод А витой пары одним концом соединен с первым входом Вх1 усилителя 4 и вторым концом с удаленным электродом 2; второй провод В витой пары одним концом подключен к ближнему электроду 1, а второй конец оставлен свободным. Ближний электрод 1 подключен к нулевому входу Вх0 усилителя 4 (общая шина). Усилитель 4 электрокардиосигнала с недифференциальным входом включает последовательно соединенные предварительный усилитель 5 (ПУ), режекторный фильтр 6 (РЖ), буферный усилитель 7 (БУ) и выходной усилитель 8 (ВУ). Предварительный усилитель 5 содержит первый (входной) каскад 9 (1К) и второй каскад 11 (2К), между которыми включен фильтр 10 высоких частот (ФВЧ). Выход усилителя 4 электрокардиосигнала соединен с первым входом микроконтроллера 12 (МК), второй вход микроконтроллера 12 соединен с клавиатурой 13 (КЛ), а третий вход - с постоянным запоминающим устройством 14 (ПЗУ), выходы микроконтроллера 12 соединены с устройством визуализации - матричным жидкокристаллическим индикатором 15 (ЖКИ), устройством 16 сигнализации (ЗУМ), постоянным запоминающим устройством 16 и портом 17 для обмена информацией с внешними устройствами - инфракрасным портом (ИКП).

Пример выполнения схемы недифференциального усилителя электрокардиосигнала показан на фиг.2. Усилитель электрокардиосигнала (фиг.2) включает предварительный усилитель, первый (входной) каскад которого выполнен на полевом транзисторе 18 (VT1) и соединен через разделительную емкость 19 (С1) и входное сопротивление 20 (R1), выполняющие роль фильтра высоких частот, со вторым каскадом, выполненным на биполярном транзисторе 21 (VT2), включенном по схеме с общим эмиттером, емкости 22 (С2) и сопротивлениях 23, 24 и 25 (соответственно R2, R3 и R4). Режекторный фильтр усилителя, являющийся нагрузкой второго каскада предварительного усилителя и выполненный на основе двойного Т-моста, включающего емкости 27 (С5), 30 (С4) и сопротивления 28 (R6), 29 (R5), соединен с предварительным усилителем через разделительную емкость 26 (С3) и через разделительную емкость 31 (С6) с буферным усилителем, выполненным на биполярном транзисторе 32 (VT3), емкости 33 (С7) и сопротивлениях 34, 35 (соответственно R7, R8). Выходной усилитель, выполненный на биполярных транзисторах 40 (VT4), 41 (VT5) и сопротивлениях 38, 39 (R9, R10), соединяется с буферным усилителем через разделительные емкости 36, 37 (С8, С9). Выводы V1 и V0 подключаются к элементу питания и общей шине.

На фиг.4 показано расположение и подключение электродов и кардиомонитора к телу человека: ближний электрод 1 расположен на корпусе наручного кардиомонитора-часов, расположенного на запястье левой руки. Удаленный электрод 2, в качестве которого используется стандартный одноразовый электрод для долговременной регистрации, предназначен для установления на грудной клетке в области сердца. Электроды соединяются с кардиомонитором при помощи кабеля 3.

Наручный кардиомонитор работает следующим образом.

Электрокардиосигнал от электродов 1 и 2 через кабель 3, благодаря симметрии которого выравниваются паразитные емкости и соответственно компенсируется синфазная помеха, поступает на вход предварительного усилителя 5, первый (входной) каскад 9 которого обеспечивает высокое входное сопротивление, а фильтр 10 высоких частот устраняет дрейф изолинии вследствие действия помехи от поляризации электродов. Далее через второй каскад 11 предварительного усилителя 5 электрокардиосигнал поступает в режекторный фильтр 6 сетевой помехи, который вырезает из спектра сигнала составляющие помехи 50 Гц. В следующих за режекторным фильтром 6 буферном и выходном усилителях 7 и 8 обеспечивается требуемое усиление и соответственно требуемый размах выходного напряжения сигнала, необходимого для проведения аналого-цифрового преобразования, выполняемого в микроконтроллере 12. После проведения аналого-цифрового преобразования обработка электрокардиосигнала осуществляется в цифровом виде микроконтроллером 12 по реализованному в нем алгоритму.

В оцифрованном электрокардиосигнале выделяются R-зубцы, запоминается последовательность R-R-интервалов (всего запоминается 60 интервалов) и на основе этих данных производится расчет частоты сердечных сокращений и оценка ритма (бради-, тахикардия), определения числа желудочковых экстрасистол и других (при необходимости) параметров работы сердца. Эта информация, в том числе простейшие рекомендации пациенту для коррекции его состояния, может быть выведена на устройство 5 визуализации - матричный жидкокристаллический индикатор. В случае критической ситуации для тревожной сигнализации предусмотрено устройство 16 сигнализации - зуммер.

В кардиомониторе предусмотрены также и другие режимы работы. Например, режим записи, который включается пациентом в случае плохого самочувствия, когда пациент может записать электрокардиограмму в постоянное запоминающее устройство 14 объемом до 64 кбит, или режим передачи данных - включается при необходимости передачи электрокардиограммы для анализа в медицинское учреждение через компьютерные носители информации или через сеть Интернет. В этом режиме активируется инфракрасный порт 17, работающий по стандартному международному протоколу IrDA, а внешний компьютер, оснащенный инфракрасным портом и специальным программным обеспечением, принимает и запоминает электрокардиограмму, зарегистрированную кардиомонитором. Наручный кардиомонитор может также работать в режиме обычных часов.

Переключение и настройка параметров режима работы осуществляются при помощи клавиатуры 13 из двух клавиш, одна из которых переключает режимы работы наручного кардиомонитора, а другая используется для изменения параметров выбранного режима.

Таким образом, в наручном кардиомониторе-часах достигнуто увеличение времени работы без замены элемента питания за счет уменьшения энергопотребления, уменьшены габариты и сокращено количество электродов для съема электрокардиосигнала, что в сумме повысило удобство эксплуатации прибора.

Наручный кардиомонитор-часы предназначен для непрерывного контроля и экспресс-анализа работы сердца при постоянном ношении больным или человеком, находящимся в стрессовой ситуации. В наручном кардиомониторе-часах для усиления электрокардиосигнала применяется недифференциальный усилитель, а для съема электрокардиосигнала и подачи его на вход усилителя используются только два электрода: один, ближний, установлен на корпусе часов, а другой, удаленный электрод, предназначен для установления на поверхности грудной клетки, которые соединены с входами усилителя электрокардиосигнала кабелем, выполненным как витая пара проводов в изоляции, при этом один из проводов витой пары соединен одним концом с первым входом усилителя и вторым концом с удаленным электродом; второй провод витой пары одним концом подключен к ближнему электроду, а второй конец оставлен свободным. Для визуализации результатов анализа электрокардиосигнала используется матричный жидкокристаллический индикатор, позволяющий выводить на экран не только цифровые данные, но и текстовые сообщения. Для передачи электрокардиограммы для анализа в медицинское учреждение через компьютерные носители или через сеть Интернет в кардиомониторе содержится инфракрасный порт, работающий по стандартному протоколу IrDA. Технический результат состоит в увеличении времени работы наручного кардиомонитора-часов без замены элемента питания за счет уменьшения энергопотребления, в уменьшении габаритов прибора и сокращении количества электродов, используемых для съема электрокардиосигнала, что в сумме повышает удобство эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Наручный кардиомонитор-часы, содержащий усилитель электрокардиосигнала, состоящий из последовательно соединенных предварительного усилителя, включающего первый каскад, фильтр высоких частот и второй каскад, режекторного фильтра, буферного усилителя и выходного усилителя, микроконтроллер, входы которого соединены с выходом усилителя электрокардиосигнала, клавиатурой и постоянным запоминающим устройством, а выходы - с устройством визуализации, устройством сигнализации, постоянным запоминающим устройством и портом для обмена информацией с внешними устройствами, а также электроды, один из которых установлен на корпусе часов, а другой - предназначен для установки на поверхности грудной клетки человека, электроды соединены со входами усилителя электрокардиосигнала, отличающийся тем, что электроды соединены с усилителем электрокардиосигнала кабелем, выполненным как витая пара проводов в изоляции, при этом один из проводов витой пары соединен одним концом с первым входом усилителя и вторым концом с электродом, предназначенным для установки на поверхности грудной клетки человека, второй провод витой пары одним концом подключен к электроду, установленному на корпусе часов, а второй конец оставлен свободным, причем электрод, установленный на корпусе часов, подключен к нулевому входу усилителя электрокардиосигнала.2. Наручный кардиомонитор-часы по п.1, отличающийся тем, что устройство визуализации выполнено в виде матричного жидкокристаллического индикатора.3. Наручный кардиомонитор по п.1, отличающийся тем, что порт обмена информацией с внешними устройствами выполнен как инфракрасный порт, работающий по протоколу IrDA.