СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА Российский патент 2015 года по МПК A61B5/02 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

$$S\left(t\right)=\left(dU/dt\right)/\sqrt{1-U^2\left(t\right)}=\left(4\pi /\lambda \right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ ,

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

$$C\left(a,b\right)=\left(1/\sqrt{a}\right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}S\left(t\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)dt}$$ ;

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

$$f\left(t\right)={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_1\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ ;

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

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

Позициями на чертеже обозначены:

1 - СВЧ-датчик;

2 - генератор;

3 - приемник;

4 - источник питания;

5 - аналого-цифровой преобразователь;

6 - компьютер;

7 - рупорная антенна;

8 - обследуемый организм.

Способ заключается в следующем.

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

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

Теоретическое обоснование методики измерений.

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

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

Переменная составляющая интерференционного сигнала имеет вид:

$$I\left(t\right)=A\cos \left(\theta +\frac{4\pi }{\lambda }f\left(t\right)\right)$$ ,

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

Далее мы будем рассматривать нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала:

$$U\left(t\right)=\frac{I\left(t\right)}{A}=\cos \left(\theta +\frac{4\pi }{\lambda }f\left(t\right)\right)$$ .

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

$$f\left(t\right)=K_{\psi }^{-1}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}C\left(a,b\right)\frac{1}{\sqrt{a}}{\psi }_1\left(\frac{t-b}{a}\right)\frac{dadb}{a^2}}},\left(1\right)$$

$$K_{{\psi }_1}=2\pi {\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\frac{{\left|{\psi }_f\left(\omega \right)\right|}^2}{\left|\omega \right|}d\omega }$$ .

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

$$C\left(a,b\right)={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}S\left(t\right)\frac{1}{\sqrt{a}}{\psi }_0\left(\frac{t-b}{a}\right)dt}$$ ,

$$K_{{\psi }_1}$$ - постоянная величина, определяемая базисной вейвлет-функцией, ψ_f(ω) - Фурье-образ функции ψ₁, a - коэффициент масштаба, b - коэффициент смещения по времени, ω - переменная интегрирования. Для того чтобы равенство (1) выполнялось, необходимо, чтобы функция ψ₁ обладала свойствами вейвлета.

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

$$S\left(t\right)=\frac{dU/dt}{\sqrt{1-U^2\left(t\right)}}.\left(2\right)$$

Запишем ее с учетом выражения для нормированной составляющей интерференционного сигнала:

$$S\left(t\right)=\frac{4\pi }{\lambda \cdot K_{{\psi }_1}}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}C\left(a,b\right)\frac{1}{\sqrt{a}}{\psi }_2\left(\frac{t-b}{a}\right)\frac{dadb}{a^2}}},\left(3\right)$$

где ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁.

Имеет смысл в дальнейшем рассматривать только такие вейвлет-функции ψ₁(t), у которых существует производная, в свою очередь являющаяся вейвлетом. В данной работе использовались вейвлет-функция МНАТ, имеющая вид: $${\psi }_2\left(t\right)=t\exp \left(-\frac{t^2}{2}\right)$$ , и ее производная $${\psi }_2\left(t\right)=\left(1-t^2\right)\exp \left(-\frac{t^2}{2}\right)$$ .

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

$$C\left(a,b\right)={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\frac{\lambda }{4\pi }\cdot S\left(t\right)\frac{1}{\sqrt{a}}{\psi }_2\left(\frac{t-b}{a}\right)dt}$$ .

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

$$f\left(t\right)=K_{{\psi }_1}^{-1}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}C\left(a,b\right)\frac{1}{\sqrt{a}}{\psi }_1\left(\frac{t-b}{a}\right)\frac{dadb}{a^2}}}$$ .

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

Рассчитывались параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо; dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; $$ИН=\frac{АМо}{\left(2\ast Мо\ast dx\right)}$$ - индекс напряжения регуляторный систем; $$ИВР=\frac{AMo}{dx}$$ - индекс вегетативного равновесия; $$ВПР=\frac{1}{\left(Mo\ast dx\right)}$$ - вегетативный показатель ритма; $$ПАПР=\frac{AMo}{Mo}$$ - показатель адекватности процессов регуляции.

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

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

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма. Способ заключается в излучении электромагнитного СВЧ-сигнала, приеме интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определении параметров жизнедеятельности организма. При этом излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии, после чего вводят функцию S(t) - такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии: $$S\left(t\right)=\left(dU/dt\right)/\sqrt{1-U^2\left(t\right)}=\left(4\pi /\lambda \right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ , где C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения: $$C\left(a,b\right)=\left(1/\sqrt{a}\right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}S\left(t\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)dt}$$ , a - коэффициент масштабирования, b - коэффициент сдвига, ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁, затем восстанавливают функцию движения плечевой артерии: $$f\left(t\right)={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_1\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ , и по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов, АМо - доля кардиоинтервалов соответствующих значению Мо, dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов, ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем, ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия, ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма, ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции. Использование изобретения позволяет снизить погрешности измерения за счет исключения из регистрируемого сигнала влияния дыхания. 2 ил., 1 табл.

Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма, включающий излучение электромагнитного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение параметров жизнедеятельности организма, отличающийся тем, что излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии; вводят функцию S(t) такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии:
$$S\left(t\right)=\left(dU/dt\right)/\sqrt{1-U^2\left(t\right)}=\left(4\pi /\lambda \right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ ,
где C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ₁, определяемые с помощью соотношения:
$$C\left(a,b\right)=\left(1/\sqrt{a}\right){\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}S\left(t\right){\psi }_2\left(\left(t-b\right)/a\right)dt}$$ ;
a - коэффициент масштабирования; b - коэффициент сдвига; ψ₂ - производная от базисной вейвлет-функции ψ₁; восстанавливают функцию движения плечевой артерии:
$$f\left(t\right)={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}\left(1/\sqrt{a}\right)C\left(a,b\right){\psi }_1\left(\left(t-b\right)/a\right)\left(dadb/a^2\right)}}$$ ;
по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо, dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем; ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия; ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма; ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции.