СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2015 года по МПК A61B5/02 

1. Область техники

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и устройствам для функциональной бесконтактной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека путем оценки скорости распространения пульсовой волны.

2. Уровень техники

Скорость распространения пульсовой волны является важной оценкой состояния артерий сердечно-сосудистой системы. Как известно, для ряда заболеваний сосудов характерны изменения в морфологии сосудистой стенки (жесткости сосудистой стенки). Повышение данного параметра, связанное с возрастными изменениями или обусловленное различного рода патологиями (атеросклероз, гипертрофия мышечной оболочки), приводит к повышению риска основных сердечно-сосудистых осложнений (Francesco U.S. Mattace-Raso, Tischa J.M. van der Cammen, Albert Hofman, et al. Arterial Stiffness and Risk of Coronary Heart Disease and Stroke: The Rotterdam Study. Epidemiology, Circulation. 2006; 113:657-663). Таким образом, оценивая скорость распространения пульсовой волны в магистральных артериях возможно сделать вывод о выраженности морфологических изменений в исследуемом сосуде, а также принять профилактические меры для предотвращения ухудшения состояния пациента.

Известен способ оценки скорости распространения пульсовой волны, основанный на регистрации тонов сердца при помощи микрофона, закрепленного над областью сердца, и пульсограммы (патент EP 1273262). Для регистрации пульсограммы используется фотоэлектрический датчик, фиксируемый на пальце испытуемого. Скорость распространения пульсовой волны при этом определяется расстоянием между областью регистрации тонов сердца микрофоном и фотоэлектрическим датчиком и интервалом времени между первым тоном сердца, зарегистрированным при помощи микрофона, и передним фронтом пульсовой волны, зарегистрированным фотоплетизмографом. Недостатком данного метода является необходимость использования дополнительной регистрации тонов сердца при помощи микрофона.

Австралийской компанией AtCor Medical Pty. Ltd. предложен метод оценки скорости распространения пульсовой волны, которая регистрируется при помощи плетизмографической манжеты, накладываемой на бедро пациента, и сфигмографического датчика, регистрирующего пульс на сонной артерии. Скорость распространения пульсовой волны при этом определяется расстоянием между точкой регистрации пульсовой волны сфигмографом на сонной артерии и плетизмографическим датчиком, расположенным на бедре, и интервалом времени между передними фронтами пульсовых волн, зарегистрированных обоими датчиками. Недостатком данного метода является необходимость удерживания рукой оператора сфигмографического датчика над областью залегания сонной артерии.

Известны также устройства для измерения скорости пульсовой волны при помощи двух СВЧ датчиков, накладываемых на области поверхностного залегания артерий. Так, например, предложено использовать доплеровские датчики для измерения скорости распространения пульсовой волны (патент EP 1921987). В состав устройства входят два датчика, при помощи которых осуществляется регистрация сигналов пульсовой волны в двух точках тела, после чего проводится расчет скорости распространения пульсовой волны. Каждый из датчиков излучает сигнал на частоте из диапазона от 400 МГц до 5 ГГц, а в принимаемом сигнале оценивает изменение частоты, вызванное доплеровским сдвигом, который обусловлен пульсацией стенок артерий. Достоинством устройства является отсутствие необходимости непосредственного плотного контакта датчика с телом пациента. Однако требуется точное позиционирование датчика по отношению к областям залегания артериальных сосудов и относительная неподвижность испытуемого. Недостатком такого рода устройств является влияние внешних помех на результаты измерений. Известны методы повышения помехозащищенности таких устройств за счет использования в составе датчиков несимметричных полосковых линий передачи (патент RU 126257), а также за счет того, что каждый датчик выполняется в виде электропроводящего экрана, установленного на электропроводящем заземленном слое и образующем замкнутую структуру вокруг печатной дорожки рабочего канала датчика (патент RU 137720).

Известны способы определения скорости распространения пульсовой волны, для осуществления которых используются плетизмографические датчики различных типов, регистрирующие колебательные изменения объема прилегающих к датчику тканей, которые обусловлены пульсациями артериального притока крови. При этом оценка скорости распространения пульсовой волны может осуществляться несколькими способами.

С помощью плетизмографических датчиков регистрируют сигналы пульсовых волн для двух участков поверхности тела над обследуемыми магистральными артериями и оценивают время запаздывания (Δt) между пульсовыми волнами, соответствующим двум выбранным участкам. Измеряют расстояние между этими участками (L). Скорость распространения пульсовой волны между двумя рассматриваемыми участками рассчитывается как V=L/Δt. В случае, если сигналы с плетизмографических датчиков регистрируются последовательно, для корректного определения времени запаздывания Δt используется сигнал электрокардиограммы, зарегистрированный параллельно с плетизмограммой [US 6120456]. Скорость распространения пульсовой волны при этом определяется расстоянием между областью регистрации ЭКГ и плетизмографическим датчиком и интервалом времени между R-зубцом ЭКГ и передним фронтом пульсовой волны, зарегистрированной плетизмографическим датчиком. Недостатком данного способа является необходимость использования дополнительной регистрации ЭКГ.

В случае, когда регистрация сигналов двумя плетизмографическими датчиками осуществляется параллельно, необходимость в дополнительном датчике ЭКГ для синхронизации данных о пульсовых волнах, зарегистрированных для двух различных участков тела испытуемого, отсутствует. Скорость распространения пульсовой волны при этом определяется расстоянием между двумя плетизмографическими датчиками и временем запаздывания пульсовых волн, которое определяется как интервал между абсолютными положительными экстремумами графиков кардиоциклов (патент RU 2511453). Этот способ является наиболее близким аналогом (прототипом), так как основан на синхронной регистрации сигналов пульсовой волны, регистрируемых в двух различных участках тела испытуемого, и не требует дополнительной синхронизации данных. Недостатком прототипа является контактный характер съема информации. В случае использования плетизмографических манжет для регистрации пульсовых волн необходимо подбирать типоразмер манжет с учетом обхвата плеча (или бедра) испытуемого, что также усложняет процедуру и повышает затраты на проведение тестирования, так как требует проведения дополнительных замеров обхвата плеча испытуемого и закупки плетизмографических манжет нескольких типоразмеров.

3. Перечень фигур, чертежей и иных материалов

Фиг. 1 - схема осуществления предлагаемого способа при оценке скорости распространения пульсовой волны в сегменте верхней конечности.

Фиг. 2 - схема алгоритма оценки скорости распространения пульсовой волны при помощи устройства, реализующего способ.

Фиг. 3, 4, 5 - графики фиксируемых сигналов.

4. Сущность изобретения

4.1. Задача

Техническая задача состоит в устранении указанного недостатка, за счет упрощения процедуры оценки скорости распространения и устранения влияния контактных датчиков на регистрируемые профили пульсовых волн, а именно: в отсутствии необходимости применения каких-либо контактных датчиков, оказывающих влияние на подлежащие сосуды, и их точного позиционирования относительно мест залегания магистральных артерий, для которых проводится регистрация профиля пульсовой волны.

4.2. Отличительные признаки

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего в себя регистрацию пульсограмм с двух (или более) пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, определение расстояния L между этими участками, времени Δt пробега пульсовой волны между ними и вычисление скорости V распространения пульсовой волны по формуле V=L/Δt, с двух (или более) пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями регистрируют одновременно две (или более) пульсограммы при помощи одной видеокамеры, регистрирующей видеоизображение в видимом или инфракрасном диапазоне длин электромагнитных волн, при этом время пробега пульсовой волны Δt определяют по сдвигу графиков кардиоциклов двух (или более) пульсограмм.

Способ, отличающийся тем, что пульсограммы для двух (или более) участков тела человека формируются путем обработки видеопоследовательности, зарегистрированной при помощи видеокамеры, на которой выделяются фрагменты, соответствующие выбранным участкам поверхности тела человека. Пульсограмма формируется путем обработки видеосигнала при помощи алгоритма Эйлера, который заключается в рассмотрении временных рядов значений цветов в любом пространственном положении и усилении значения цветов пикселей в диапазоне частот, соответствующем частотным параметрам пульсовой волны.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изображения поверхности участков тела над залегающими близко к поверхности артериями регистрируются при помощи камеры, фиксирующей видеоизображение в видимом или инфракрасном диапазоне. На зарегистрированном видеоизображении пользователь выделяет интересующие его области, соответствующие участкам поверхности тела над магистральными артериями. Например, в случае оценки скорости распространения пульсовой волны в артериях верхней конечности характерные участки видеопоследовательности, выделяемые для дальнейшего анализа, приведены на фиг. 1. Для выбранных участков оценивается расстояние между ними L. Для выделенных участков видеопоследовательности алгоритм оценки скорости распространения пульсовой волны состоит из следующих этапов (фиг. 2).

1. Разложение видеоряда на составляющие, соответствующие различным частотным диапазонам, путем построения пирамиды Лапласа. На данном этапе к кадрам из видеопоследовательности применяется пространственный фильтр низких частот (фильтр Гаусса) и производится децимация изображения (построение пирамиды Гаусса); затем на каждом уровне пирамиды Гаусса размытое изображение вычитается из исходного, полученный остаток является новым уровнем пирамиды Лапласа.

2. Частотная фильтрация движений в видеосигналах (попиксельная временная обработка). На каждом выделенном пространственном диапазоне выполняется временная обработка: применяется полосовой фильтр для извлечения интересующей группы частот (для задачи усиления колебательных движений поверхности тела, обусловленных пульсом, выбираются частоты в интервале 0,7-2,0 Гц, что соответствует 42-120 ударам в минуту). Временная обработка одна и та же для всех пространственных уровней и для всех пикселей на каждом уровне. Затем извлеченный сигнал умножается на коэффициент, регулирующий усиление выделяемых колебательных движений. Далее усиленный сигнал добавляется к оригиналу, после чего происходит сложение уровней пространственной пирамиды для получения конечного результата. Поскольку естественные видеозаписи являются гладкими по пространству и времени, а фильтрация выполняется равномерно по пикселям, то метод сохраняет пространственно-временную гладкость видео.

3. Реконструкция изображения пульсовой волны. На данной стадии выполнения алгоритма проводится суммирование значений интенсивностей пикселей для каждой из выделенных областей видеоизображения; затем строится функциональная зависимость значений светового потока заданной области по времени.

4. Низкочастотная фильтрация полученных реализаций пульсовых волн для выбранных участков поверхности тела. Для каждой из полученных реализаций пульсовых волн применяется Фурье преобразование и полосно-пропускающий фильтр, для выделения основной частотной характеристики видеопотока, соответствующей колебанию поверхности участка тела над артерией. Результатом данной стадии алгоритма является получение гладкой кривой пульсовой волны на заданном участке, соответствующей изменению интенсивности пикселей на видеоизображении во времени.

5. Определение на кривых пульсовой волны положений локальных максимумов, которые соответствуют пиковым значениям притока крови к областям тела, выделенным для анализа.

6. Определение времени запаздывания распространения пульсовой волны Δt между двумя (или более) выбранными участками.

7. Расчет скорости распространения пульсовой волны V=L/Δt для всех локальных максимумов пульсовых волн, зарегистрированных в течение интервала времени, на котором велась видеозапись. Расчет среднего значения скорости распространения пульсовой волны на выбранном участке и среднего квадратичного отклонения.

8. Отображение результатов

Пример реализации способа

Испытуемый располагался в положении сидя на стуле с оголенной правой рукой от плечевого сустава до кисти, на расстоянии 1 м от него устанавливалась на штатив и направлялась на не закрытую одеждой правую руку камера, регистрирующая изображение в видимом диапазоне длин воли. Схема проведения эксперимента приведена на фиг. 1. Запись видеоизображения камерой велась в течение 10-20 секунд, в течение данного промежутка времени испытуемый не должен был двигаться.

На фиг. 3 приведена выделенная при помощи предложенного способа кривая пульсовой волны до фильтрации для участка тела на запястье над лучевой артерией. На фиг. 4 приведена соответствующая ей кривая пульсовой волны после фильтрации. На фиг. 5 приведены пульсовые волны, выделенные при помощи предложенного способа для участков на запястье над лучевой артерией и внутренней стороне локтевого сгиба над локтевой артерией, для выделенных пульсовых волн оценивалось время запаздывания как интервал между ближайшими локальными максимумами для кривых пульсовых волн для выбранных участков (для случая на фиг. 5 Δt=0,04 с). Измеренные расстояния между выбранными участками, для которых регистрировались пульсовые волны, L=0,295 м. Скорость распространения пульсовой волны между выбранными участками составила V=L/Δt=0,295 м/0,04 c=7,2 м/с.

Аналогичным образом, регистрируя камерой изображение участков тела над магистральными артериями нижних конечностей или сонной артерией, может быть оценена скорость распространения пульсовой волны по магистральным артериям нижних конечностей и аорте.

Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предлагаемое изобретение, обладающее новизной и промышленной применимостью, отвечает в отношении совокупности его существенных признаков требованию критерия «изобретательский уровень». Из уровня техники не известен также механизм достижения технического результата, раскрытого в материалах заявки.

Изобретение относится к области медицины, а именно к функциональной диагностике. Проводят регистрацию пульсограмм с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, определяют расстояния между этими участками, время пробега пульсовой волны между ними и вычисление скорости распространения пульсовой волны. Регистрацию пульсирующих участков поверхности тела осуществляют одновременно при помощи одной видеокамеры, которая регистрирует видеоизображение в видимом или инфракрасном диапазоне длин электромагнитных волн. При этом время пробега пульсовой волны определяют по сдвигу графиков кардиоциклов зарегистрированных пульсограмм. Способ позволяет повысить достоверность определения скорости распространения пульсовой волны, что достигается за счет исключения контактных датчиков, оказывающих влияние на стенку сосуда и точного позиционирования датчиков относительно исследуемых артерий. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Способ определения скорости распространения пульсовой волны артериального давления крови, включающий регистрацию пульсограмм с двух пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями, определение расстояния L между этими участками, времени пробега пульсовой волны Δt между ними и вычисление скорости V распространения пульсовой волны по формуле V=L/Δt, отличающийся тем, что с двух или более пульсирующих участков поверхности тела над обследуемыми артериями регистрируют одновременно две или более пульсограммы при помощи одной видеокамеры, регистрирующей видеоизображение в видимом или инфракрасном диапазоне длин электромагнитных волн, при этом время пробега пульсовой волны Δt определяют по сдвигу графиков кардиоциклов двух или более пульсограмм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пульсограммы двух или более участков тела человека формируются путем обработки видеопоследовательности, зарегистрированной при помощи видеокамеры, на которой выделяются фрагменты, соответствующие выбранным участкам поверхности тела человека.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пульсограмма формируется путем обработки видеосигнала при помощи алгоритма Эйлера, который заключается в рассмотрении временных рядов значений цветов в любом пространственном положении и усилении значения цветов пикселей в диапазоне частот, соответствующем частотным параметрам пульсовой волны.