СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА Российский патент 2014 года по МПК A61B5/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к области прогнозирования физической работоспособности человека-оператора как элемента эргатической системы на объектах, где вмешательство оператора в его работу является необходимым условием обеспечения надежности работы данного объекта и предназначено для оперативной неинвазивной диагностики электрофизиологического состояния сердца по измеренным потенциалам в определенных участках на поверхности тела, вычисления остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора, прогноза физиологического состояния человека-оператора на заданном временном интервале производственной деятельности с целью организации планового контроля состояния здоровья персонала, участвующего в управлении сложными техническими системами, формирования основания для принятия решений о возможности дальнейшего выполнения ими профессиональных обязанностей. Оно может использоваться для оценки работы сердечно-сосудистой системы человека в различных областях прикладной физиологии по исследованию механизмов возникновения нарушений сердечного ритма при решении задач в клинике внутренних болезней без вмешательства в гемодинамику. Задачи прогноза физиологического состояния человека-оператора в настоящее время в основном решают медицинским экспертным путем. Оценку и прогнозирование состояния здоровья человека-оператора формируют на основе оценки и прогнозирования состояния сердечно-сосудистой системы, поскольку она с ее многоуровневой регуляцией представляет собой функциональную систему, конечным результатом деятельности которой является обеспечение заданного уровня функционирования целостного организма. Обладая сложными нервно-рефлекторными и нейрогуморальными механизмами, система кровообращения обеспечивает своевременное адекватное кровоснабжение соответствующих структур. При прочих равных условиях считают, что любому заданному уровню функционирования целостного организма соответствует эквивалентный уровень функционирования аппарата кровообращения [Баевский P.M. Теоретические и прикладные аспекты оценки и прогнозирования функционального состояния организма при действии факторов длительного космического полета. ГНЦ РФ - ИМБП РАН. М., 2005. 46 с.]. Остаточный ресурс сердечно-сосудистой системы рассматривают как результат прогноза функционального состояния организма человека. Профессиональная деятельность человека в системах управления сложной техникой связана с воздействием, иногда с ожиданием воздействия факторов профессионального, социального или экологического характера, которое сопровождается перенапряжением физических функций, в результате чего происходит множество небольших изменений в электрических процессах в сердце и порождаемом ими электрическом поле в теле человека. Накопление неблагоприятных изменений в функционировании сердечно-сосудистой системы способствует постепенному отклонению от «нормы» этой системы - нарушению гомеостаза, развитию болезни. В физиологическом смысле конкретное состояние практически здорового человека означает отсутствие отклонений от «нормы» основных жизненно важных показателей, в том числе и показателей, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы. Однако в силу индивидуальных, возрастных, половых, профессиональных и прочих различий между людьми не существует всеобщей «нормы» [Баевский P.M. Теоретические и прикладные аспекты оценки и прогнозирования функционального состояния организма при действии факторов длительного космического полета. ГНЦ РФ - ИМБП РАН. М., 2005. 46 с.].

Известен способ оценки и прогнозирования функциональных состояний организма на грани нормы и патологии [Баевский P.M. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М., Медицина, 1979, 298 с. (136-145)], при котором получают кардиологическую информацию стандартным способом в системе 3-х отведений [Recommendations for the Standardization and interpretation of the Electrocardiogram. Pat I: The Electrocardiogram and Technology. (Рекомендации по стандартизации и интерпретации электрокардиограммы. Часть I: Методики ЭКГ)] в исходном состоянии, в процессе выполнения мышечной нагрузки и в восстановительном периоде после физической нагрузки в течение минут, десятков минут - кратковременные записи или нескольких часов - долговременные записи, распознают и измеряют временные интервалы между R-зубцами электрокардиограммы, определяют статистические характеристики динамических рядов кардиоинтервалов - кардиоинтервалограммы - и анализируют полученные числовые ряды визуальными [Анализ сердечного ритма. Под ред. Д.Жемайтите, Л.Тельксниса. - Вильнюс: Мокслас, 1982. - 130 с.] и математическими методами в рамках классической статистики [Баевский P.M., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем, ч.1. Вестник аритмологии 2002, 24, с.65-86]. На основании полученных в результате анализа показателей (числовых значений) вариабельности сердечного ритма определяют функциональное состояние организма человека-оператора экспертным путем.

К недостаткам данного способа относится то, что регистрируются электрокардиограммы в режиме только 3-х отведений и измеряется только длительность R-R интервалов, при этом регистрация, измерения и анализ динамических рядов кардиоинтервалов производится без комплексного учета параметров зубцов, интервалов и сегментов.

Кроме того, при анализе вариабельности сердечного ритма не учитывается взаимосвязь между сердечно-сосудистой и дыхательной системами [Козырев О.А., Богачев Р.С. Использование математического анализа ритма дыхания для определения вегетативного тонуса. Вестник аритмологии 1999, 11, с.23-25].

Кроме того, недостатком данного способа является субъективность экспертов в оценках прогнозирования функционального состояния сердечно-сосудистой системы на заданный период выполнения человеком-оператором служебных обязанностей.

Кроме того, процедура получения комплексного заключения по результатам анализа вариабельности сердечного ритма длительная во времени, что недопустимо в ситуации регламентированной производственной деятельности.

Известный способ по своей технической сущности и функциональному назначению сущности является наиболее близким заявляемому изобретению на способ оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора и рассматривается в дальнейшем в качестве способа-прототипа.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание автоматизированного, объективного, оперативного и достоверного способа определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора, основанного на взаимосвязи между электрической активностью сердца и легочным дыханием.

Поставленная задача решается тем, что:

В способе оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора предварительно создают учетную запись, определяют с помощью спирографии жизненную емкость легких, затем в стандартных условиях регистрируют электрокардиограммы в системе 12-ти общепринятых отведений. По результатам измерений вычисляют частоту сердечных сокращений, изменение значений угла электрической оси сердца, временные интервалы вдоха выдоха и паузы по вычисленным значениям угла электрической оси сердца. После этого выделяют кардиоциклы и элементы электрокардиограмм в интервалах элементов дыхательного цикла.

Учитывая взаимосвязь между физическим положением сердца в организме человека и конфигурацией электрического поля на поверхности тела, порождаемого как его электрической активностью, так и формой, изменяющейся во время сокращений и при дыхании, а также взаимную корреляцию работы сердца и легких, анализируют сердечную электрическую активность в период паузы дыхательного цикла в моменты естественного, нормального положения сердца в организме.

Используя запись электрокардиограмм в 12-ти отведениях в третей фазе дыхательного цикла - паузе, вычисляют временные параметры интервалов RR, PQ, QT, амплитудно-временные параметры сегментов PQ и ST, комплекса QRS, зубцов P, Q, R, S, T, (U) [Recommendations for the Standardization and interpretation of the Electrocardiogram. Pat IV: The ST Segment, T and U Waves, and QT Interval. (Рекомендации по стандартизации и интерпретации электрокардиограммы. Часть IV: Сегмент ST, зубцы T и U и интервал QT)], площади зубцов, скорости нарастания и убывания зубцов, после чего все полученные результаты вводят в базу данных.

В информационную базу для каждого человека-оператора вносят учетную запись, содержащую время и дату проведения процедуры измерения, ее длительность, фамилию и имя человека-оператора, его возрастные и индивидуальные физиологические характеристики: дата рождения, пол, масса тела, рост, жизненная емкость легких, - временя выполнения им профессиональных обязанностей, границы (верхняя и нижняя) областей допустимых значений контролируемых и вычисленных значений параметров электрокардиограмм.

С учетом того, что измерения и вычисления изменения параметров состояния сердечно-сосудистой системы человека-оператора y(t) на конечном подмножестве T_p⊂T происходят с неопределенной ошибкой e(t) и образуют последовательность , t_k∈T_p⊂T, данные измерений и вычислений описывают как z(t)=y(t)+e(t), t∈T, где T - временной интервал планируемой производственной деятельности человека-оператора, T_p - интервал контроля параметров состояния сердечно-сосудистой системы человека-оператора, t_k - время проведения измерений.

Вероятностные свойства e(t) не определены, но известно, что ошибка не должна превышать значений заданной функции c(t), т.е. |e(t_k)|≤c(t_k), t_k∈T_p⊂T.

Модели изменения параметров состояния сердечно-сосудистой системы человека-оператора на интервале T описывают как y(t)=A^T·F(t)+ξ(t), t∈T, где - набор неопределенных коэффициентов; - непрерывные детерминированные функции времени; ξ(t) - допустимая ошибка модели, для которой выполняется условие: $$\left|\xi \left(t\right)\right|\le l\left(t\right)$$ , где l(f) - заданная функция.

В качестве моделей изменения измеренных и вычисленных параметров принимают физически обоснованный показатель изменения расстояния значений измеренных и вычисленных параметров до границ их областей допустимых значений, например:

y(t)=a ₀+a ₁t+a ₁t²,

где a ₀ , a ₁ , a ₂ - неопределенные коэффициенты выбранной модели, t - время. При этом в случаях принятия в качестве моделей полиномов 2-го и более порядков добавляют ограничения, исключающие возможность их экстремальных проявлений на T. Указанные ограничения вычисляют с учетом того, что интервал выполнения профессиональных обязанностей человеком-оператором в системах управления сложной техникой составляет $$T=\lfloor t_1,{\tilde{t}}_p\rfloor$$ . Соответственно, набор ограничений описывают как

z(t)-c(t)<a ₀+a _yt+a ₂t²<z(t)+c(t),

или .

Результаты измерений и вычислений параметров первой процедуры во время t_k=t₁ храняют в базе данных и принимают как исходное функциональное состояние сердечно-сосудистой системы. Через определенные интервалы времени, как минимум дважды, проводят процедуры измерений и вычисление параметров, характеризующих электрофизиологическое состояние сердца человека-оператора, сохраняя полученные результаты в базе данных, причем, учитывая суточные ритмы активности вегетативной нервной системы человека-оператора первую и последующие регистрации электрокардиограмм, производят в одно и тое время суток.

По результатам трех и более измерительных и вычислительных процедур вычисляют время достижения каждым отдельным параметром границы области допустимых значений $${\tilde{t}}_p$$ .

На основе полученных данных вычисляют остаточный ресурс сердечно-сосудистой системы человека-опреатора $$\tilde{T}$$ и назначают время очередного контроля состояния сердечно-сосудистой системы данного человека, руководствуясь наименьшим значением $${\tilde{t}}_p$$ из всех измеренных и вычисленных значений параметров.

Таким образом, данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемых технических решений позволяет неинвазивно и оперативно определять остаточный ресурс сердечно-сосудистой системы человека-оператора, объективно планировать диспансерные обследования персонала в эргатических системах, тем самым минимизировать риски возникновения катастроф и аварий, связанные с неудовлетворительным физиологическим состояние людей, участвующих в управлении сложными техническими объектами.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков стало возможным решить поставленные задачи.

Следовательно, заявляемое изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного использования.

Сущность заявленного способа оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора поясняется чертежами.

На фиг.1 графически представлен процесс выделения электрокардиограмм в 12-ти отведениях в период паузы дыхательного цикла;

на фиг.2 - схема изменения электрической оси сердца здорового человека за один дыхательный цикл;

на фиг.3 - элементы электрокардиограммы в одном кардиоцикле;

на фиг.4 - графическое представление процесса расчета остаточного ресурса одного параметра сердечно-сосудистой системы.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - измеренное или вычисленное значение параметра;

2 - ошибка γ(t), включающая ошибку измерения e(t) и ошибку модели ξ(t):

γ(t)=e(t)+ξ(t);

3 - область допустимых значений изменения параметра;

4 - верхняя граница области допустимых значений параметра;

5 - нижняя граница области допустимых значений параметра;

Способ оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора, находящегося в нормальном или донозологическом состояниях, реализуется следующим образом.

В базе данных создают учетную запись обследуемого человека-оператора, содержащую фамилию и имя, дату и время проведения процедуры измерения, пол, возраст, массу тела, рост, предварительно определенную с помощью спирографии жизненную емкость легких. На теле человека-оператора устанавливают 12 электродов, подключенных через кабель отведений к цифровому электрокардиографу, регистрируют и записывают в базу данных в стандартных условиях [Recommendations for the Standardization and interpretation of the Electrocardiogram. Pat I: The Electrocardiogram and Technology. (Рекомендации по стандартизации и интерпретации электрокардиограммы. Часть I: Методики ЭКГ)] электрокардиосигналы одновременно с 12-ти отведений (фиг.1). По результатам измерений вычисляют частоту сердечных сокращений, изменение угла электрической оси сердца - α и α₁ (фиг.2), временные интервалы вдоха, выдоха и паузы по вычисленным значениям углов электрической оси сердца (фиг.1). После этого выделяют кардиоциклы и элементы электрокардиограмм (фиг.3) в элементах дыхательного цикла (фиг.1). Используя синхронную запись электрокардиограмм в 12-ти отведениях в третьей фазе дыхательного цикла - паузе (фиг.1), вычисляют временные параметры интервалов RR, PQ, QT, амплитудно-временные параметры сегментов PQ, ST, комплекса QRS, зубцов P, Q, R, S, T, (U), площади зубцов, скорости нарастания и убывания зубцов (фиг.3), после чего все полученные результаты (1 фиг.4) сохраняют в учетной записи обследуемого человека-оператора. В соответствии с объемом производственных задач, стоящих перед человеком-оператором и на основании его индивидуальных физиологических характеристик, файл обследуемого человека-оператора дополняют информацией, содержащей время выполнения им профессиональных обязанностей T (фиг.4), верхней и нижней границами областей допустимых значений (4 и 5 фиг.4) измеренных и вычисленных индивидуальных параметров.

Информацию, полученную на момент времени t₁ (фиг.4), считают исходной, характеризующей начальное физиологическое состояние сердечно-сосудистой системы человека-оператора. Через установленное время как минимум дважды повторяют комплекс измерений, вычислений (t₂…t_k фиг.4) и ввод параметров в учетную запись обследуемого человека-оператора с последующим сохранением результатов в базе данных.

В образованной последовательности измерений и вычислений , t_k∈T_p⊂T на интервале контроля T_p (фиг.4) количество измерений k (1 фиг.4) должно быть не менее трех, т.е. 1≤k≤p≥3. Затем в базу данных вводят возможные модели изменения каждого параметра состояния сердечно-сосудистой системы человека-оператора на интервале T

y(t)=A^T·F(t)+ξ(t), t∈T.

С учетом того, что как модели изменения параметров, так и сами измерения и вычисления могут содержать ошибки, соответственно ξ(t) и e(t), программу определения остаточного ресурса дополняют их значениями, при этом полагая, что для каждого параметра в любой момент контроля t_k присутствует ошибка γ(t) (2 фиг.4):

γ(t)=e(t)+ξ(t).

При использовании полиномов в качестве моделей изменения параметров, в базу данных вводят ограничения, исключающие возможность их экстремальных проявлений на T, например, для полинома второго порядка y(t)=a ₀+a ₁t+a ₂t² (фиг.4) набор ограничений будет иметь вид

или .

При выполнении условия 1≤k≤p≥3 вычисляют остаточный ресурс каждого параметра $${\tilde{t}}_p$$ (фиг.4). После этого, из расчета на «наихудший» случай, определяют минимальное значение $${\tilde{t}}_p$$ из всех рассчитанных и его принимают в качестве остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора $$\tilde{T}$$ (фиг.4), т.е. $$\tilde{T}={\tilde{t}}_{p_{\min }}$$ .

Вычисленное время достижения граничных значений (4, 5 фиг.4) контролируемых и вычисленных параметров сердечно-сосудистой системы человека-оператора служит предупреждением и указывает на необходимость в расчетное время $${\tilde{t}}_{p_{\min }}$$ проведения очередного диспансерного обследования с целью получения дополнительной информации о надежности электрофизиологического состояния сердечно-сосудистой системы человека-оператора.

В случае уменьшения интервалов контроля до некоторого установленного предела для конкретных условий работы и увеличения установленного количества дополнительных измерений до определенного значения за определенное время человек-оператор должен быть заменен и направлен на лечение.

Автоматизированный процесс прогнозирования работы сердечно-сосудистой системы человека-оператора путем определения ее остаточного ресурса позволит оперативно и объективно, с гарантированной достоверностью относительно используемой совокупности исходных данных, организовать индивидуальное планирование диспансерного обследования людей - элементов эргатических систем на объектах ответственного назначения с целью предупреждения аварий и катастроф, связанных с человеческим фактором.

Таким образом, заявленный способ оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора позволяет достичь решения поставленной задачи. При этом сбор и обработку данных измерений и вычислений осуществляют не в рамках классической статистики, а из расчета на «наихудший» случай (принцип «минимакса»), что позволяет получать результаты гарантированной достоверности в отношении реально изменяющейся измерительной информации без принятия различных допущений и гипотез по поводу статистических свойств обрабатываемых данных и без наличия значительной статистики (большого количества результатов измерений).

Изобретение относится к области медицины, в частности к физиологии. Создают учетную запись, идентифицируемую фамилией и именем обследуемого человека-оператора, и вносят в ее данные: пол, год рождения, дата и временя проведения измерения, жизненная емкость легких, масса тела, рост, а также продолжительность выполнения им профессиональных обязанностей. Затем в стандартных условиях регистрируют и записывают электрокардиограммы, вычисляют частоту сердечных сокращений, изменение значений угла электрической оси сердца, временные интервалы вдоха, выдоха и паузы по вычисленным значениям угла электрической оси сердца. После чего выделяют кардиоинтервалы в интервалах элементов дыхательного цикла и, используя синхронную запись электрокардиограмм в период паузы дыхательного цикла, вычисляют временные параметры интервалов RR, PQ, QT, амплитудно-временные параметры сегментов PQ, ST, комплекса QRS, зубцов P, Q, R, S, T, (U), площади зубцов, скорости нарастания и убывания зубцов. Затем полученные результаты вводят в базу данных. Сохраняют в базе данных ограничения на ошибки измерений и вычислений, предварительно вычисленные индивидуальные области допустимых значений физиологических индивидуальных характеристик. При этом значения вычисленных и измеренных физиологических индивидуальных характеристик человека-оператора принимают за исходные, характеризующие начальное физиологическое состояние сердечно-сосудистой системы человека-оператора. Затем как минимум дважды повторяют комплекс измерений, вычислений и ввод физиологических индивидуальных характеристик в базу данных через интервалы времени. После чего вычисляют время достижения каждой отдельной физиологической индивидуальной характеристикой границы области допустимых значений. Анализируют полученную информацию, определяют физиологическое состояние организма человека-оператора, вычисляют остаточный ресурс сердечно-сосудистой системы человека-оператора. Способ позволяет оперативно и объективно, с гарантированной достоверностью, производить массовые обследования физиологического состояния людей, участвующих в управлении сложными техническими системами, организовывать индивидуальное планирование контроля состояния здоровья обслуживающего персонала, формировать основания для принятия решений о возможности дальнейшего выполнения ими профессиональных обязанностей. 4 ил.

Способ оперативного определения остаточного ресурса сердечно-сосудистой системы человека-оператора, находящегося в нормальном или донозологическом состояниях, при котором создают учетную запись обследуемого человека-оператора, идентифицируемого фамилией и именем, полом, годом рождения, датой и временем проведения измерений, затем в стандартных условиях регистрируют и записывают электрокардиограммы, вычисляют частоту сердечных сокращений, анализируют полученную информацию и определяют физиологическое состояние организма человека-оператора, отличающийся тем, что в учетную запись обследуемого человека-оператора дополнительно вносят физиологические индивидуальные характеристики человека-оператора, такие как жизненная емкость легких, масса тела, рост, а также продолжительность выполнения им профессиональных обязанностей, затем в стандартных условиях регистрируют и записывают электрокардиограммы, вычисляют частоту сердечных сокращений, изменение значений угла электрической оси сердца, временные интервалы вдоха, выдоха и паузы по вычисленным значениям угла электрической оси сердца, затем выделяют кардиоинтервалы в интервалах элементов дыхательного цикла и, используя синхронную запись электрокардиограмм в период паузы дыхательного цикла, вычисляют временные параметры интервалов RR, PQ, QT, амплитудно-временные параметры сегментов PQ, ST, комплекса QRS, зубцов P, Q, R, S, T, (U), площади зубцов, скорости нарастания и убывания зубцов, после чего полученные результаты вводят в базу данных, затем вводят и сохраняют в базе данных ограничения на ошибки измерений и вычислений, предварительно вычисленные индивидуальные области допустимых значений физиологических индивидуальных характеристик, модели изменения контролируемых физиологических индивидуальных характеристик, ограничения на ошибки принятых моделей, ограничения на непринадлежность экстремумов используемых моделей, при этом значения вычисленных и измеренных физиологических индивидуальных характеристик человека-оператора принимают за исходные, характеризующие начальное физиологическое состояние сердечно-сосудистой системы человека-оператора, затем как минимум дважды повторяют комплекс измерений, вычислений и ввод физиологических индивидуальных характеристик в базу данных через интервалы времени, затем вычисляют время достижения каждой отдельной физиологической индивидуальной характеристикой границы области допустимых значений, после чего анализируют полученную информацию, определяют физиологическое состояние организма человека-оператора, вычисляют остаточный ресурс сердечно-сосудистой системы человека-оператора и выдают результат в удобном для пользователя виде.