СПОСОБ ВЕЙВЛЕТ-ИНТРОСКОПИИ СОСУДИСТОЙ СЕТИ КРОВЕНОСНОГО РУСЛА Российский патент 2020 года по МПК A61B5/402 A61B5/295 A61B5/1455 G06F17/14 

Настоящее изобретение относится к области медицинской техники для диагностики состояния сердечно-сосудистой деятельности методом структурно-топологического анализа сосудистой сети кровеносного русла, а именно к способу для вейвлет-интроскопии - метода регистрации и визуализации состояния сосудистой сети кровеносного русла с помощью вейвлет-преобразования биосигналов.

Для диагностики состояния сердечно-сосудистой деятельности применяется в основном фотоплетизмография (ФПГ) и реография (РГ).

Фотоплетизмография - бескровный метод исследования кровенаполнения живых тканей организма, основанный на регистрации пульсовых колебаний оптической плотности (светопропускания или светоотражения) тканей, обусловленных функцией сердца.

Реография - неинвазивный метод исследования кровообращения. Основное назначение реографических методов исследований - оценка состояния кровообращения в органах и тканях.

Известен способ регистрации пульсовой волны (патент №2199943, МПК: А61В 5/02), включающий освещение кровонесущей ткани, преобразование светового потока, обусловленного рассеянием на кровонесущей ткани, в электрический сигнал с помощью оптоэлектронного преобразователя и обработку полученной пульсовой волны, позволяющую измерять и анализировать физиологические параметры, отличающийся тем, что на кровонесущей ткани располагают несколько фоточувствительных областей оптоэлектронного преобразователя, размещая их на находящихся рядом местах кровонесущей ткани, причем производят ориентацию фоточувствительных областей таким образом, чтобы выявлять локальные зоны пульсации.

Недостатком этого аналога является невозможность визуализации сосудистой сети пациента и выявления состояния конкретных участков кровеносного русла, локализации и точного определения области нарушения сосудистой сети.

Известен способ регистрации латентной электрокардиограммы всех разделов четырехкамерного сердца и устройство для его осуществления (патент №2633347), реализующий метод визуализации и регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца, заключающийся в том, что биопотенциалы с ЭКГ-электродов, установленных на теле пациента, усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС), затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования ЭКС, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК), массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования ЭКС и затем производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы и выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее на дисплее ППК.

Устройство регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца для осуществления способа, состоящее из системы грудных ЭКГ-электродов для съема биопотенциалов ЭКС с пациента и подключенных на вход блока усилителя ЭКС для усиления биопотенциалов ЭКС, выход которого подключен ко входу блока микропроцессорного аналого-цифрового преобразования ЭКС, для последующей передачи массива цифрованных данных ЭКС в блок хранения данных и передачи дистанционно через wi-fi-устройство на вход блока обработки ЭКС, реализованного на ППК. В устройство дополнительно включены блок вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы; блок вейвлет-преобразования ЭКС, вход которого подключен к выходу блока аналого-цифрового преобразования ЭКС, выход блока вейвлет-преобразования ЭКС подключен ко входу блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы ЭКС, где производится выделение латентной ЭКГ, причем выход блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы подключен ко входу блока обработки электрокардиографических сигналов для покадровой визуализации всех фаз работы проводящей системы сердца.

Недостатками известного способа и устройства для осуществления способа является то, что метод вейвлет-интроскопии используется лишь для визуализации процессов в проводящей нервной системе сердца, но не используется для неинвазивного определения нарушений в сосудистой сети кровеносного русла и повышение точности локализации и оперативности их выявления, а также получение детальной информации при прохождении пульсовой волны и осуществления постоянного дистанционного контроля состояния сосудов без ограничения подвижности пациента, чего не достигается в существующих аналогах.

Данное техническое решение принимается в качестве прототипа.

Для заявленного способа вейвлет-интроскопии сосудистой сети кровеносного русла и для ближайшего для него прототипа выявлены следующие общие существенные признаки: устанавливают на теле пациента ЭКГ-электроды, биопотенциалы с которых усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов, затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером, массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования и затем производят вейвлет-сечение (ВС) вейвлет-диаграммы (ВД) ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее на дисплее ППК.

Технической проблемой настоящего изобретения является повышение точности локализации и оперативности неинвазивного определения нарушений сосудистой сети кровеносного русла, получение детальной информации при прохождении пульсовой волны ФПГ и РГ по всем фрагментам сосудистой сети кровеносного русла и возможность осуществления постоянного дистанционного контроля состояния сосудов без ограничения подвижности пациента.

Поставленная техническая проблема решается способом вейвлет-интроскопии сосудистой сети кровеносного русла, заключающимся в том, что устанавливают на теле пациента ЭКГ-электроды, биопотенциалы с которых усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов, затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером, массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования и затем производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее в блоке визуализации, отличающимся от прототипа тем, что дополнительно с ЭКГ-электродами на теле пациента устанавливают датчики фотоплетизмограммы и реограммы, получают с них биосигналы, усиливают их в соответствующих блоках усилителей ФПГ и РГ биосигналов, затем данные биосигналов преобразуют в цифровую форму блоком аналого-цифрового преобразования, производят вейвлет-преобразование биосигналов в блоке вейвлет-преобразования, в пределах кардиоцикла на каждом шаге вейвлет-преобразования определяют скелетную функцию вейвлет-диаграммы, далее эту функцию обрабатывают в блоке вейвлет-сечения, в котором выявляют узлы скелетной функции по кратному увеличению количества ее ветвей в точках ветвления ВД, координаты которых в виде времени скачка и шага вейвлет-преобразования соответствуют началам сегментов сосудистой сети и идентифицируют в блоке ВС ВД, затем визуализируют топологию всех сегментов сосудистой сети в блоке визуализации.

Изобретение можно использовать как для визуализации состояния сосудистой сети кровеносного русла пациента, так и для неинвазивного определения нарушений в сосудистой сети кровеносного русла и повышение точности локализации и оперативности их выявления, а также получение детальной информации о прохождении пульсовой волны и возможность осуществления постоянного дистанционного контроля сосудистой сети кровеносного русла для оценки состояния кровообращения в органах и тканях, а именно:

- оценки состояния сегментов сосудистой сети;

- изучения изменений кровотока при функциональных и фармакологических пробах;

- динамического наблюдения за пациентами;

- оценки эффективности применяемого лечения;

- оценки компенсаторных возможностей.

В медицинской практике в настоящее время игнорируется сложный характер пульсовой волны, спектр которой формируется вследствие возникновения турбулентностей в узлах ветвления сосудистой сети при изменении сечения ветвей при дихотомии. На обычной ФПГ и РГ невозможно локализовать дефекты кровеносного русла. Вейвлет-преобразование дает частотную и временную информацию по ФПГ и РГ. Таким образом, все элементы вейвлет-диаграммы отображают тонкую структуру процессов происходящих при прохождении пульсовой волны по кровеносному руслу, фазовые и амплитудные отношения во всех частях кровеносной сети.

Заявленный способ вейвлет-интроскопии сосудистой сети достигается путем вейвлет-преобразования ФПГ и РГ, с помощью которого можно выявить топологию сосудистой сети со всеми ее сегментами. Приведенный способ показывает эффективность такого подхода к анализу гидродинамических процессов в кровеносном русле, на основе вейвлет-преобразования.

Техническая сущность и принцип действия предложенного способа поясняются следующими графическими материалами:

- на фиг. 1 изображено кровеносное русло в организме пациента;

- на фиг. 2 - нормальный ФПГ- или РГ-биосигнал и результат его обработки путем вейвлет-преобразования (ВП) и скелетная функция вейвлет-диаграммы (ВД) ФПГ;

- на фиг. 3 представлены фазы распространения пульсовой волны на топологии сети;

- на фиг. 4 представлены фазы распространения пульсовой волны на топологии ВД;

- на фиг. 5 представлена гистограмма распределения скейлингов ветвления скелетной функции ВД ПВ;

- на фиг. 6 - алгоритм выявления узлов скелетной функции;

- на фиг. 7 - блок-схема устройства для вейвлет-интроскопии сосудистой сети.

Для получения сигналов пульсовой волны (ПВ) на теле пациента 1 устанавливается система, например, из трех ЭКГ-электродов 2, подключенных на вход блока усилителя электрокардиографических сигналов 3, по меньшей мере, два фотоплетизмографических датчика 4 и 5 и, по меньшей мере, два реографических датчика 6 и 7, подключенные на соответствующие входы блоков усилителей ФПГ биосигналов 8 и РГ биосигналов 9. Выходы усилителей ЭКГ 3 и усилителей биосигналов ФПГ 8 и РГ 9 соединены с блоком микропроцессорного аналого-цифрового преобразования 10, с выхода которого цифровые данные поступают на вход микропроцессора 11, который формирует файлы данных, для последующей передачи в виде массива цифровых данных с в блок хранения данных 12 и дистанционно через wi-fi-устройство беспроводной связи 13 в блок вейвлет-преобразования 14, программно реализованный на планшетном персональном компьютере, выход блока вейвлет-преобразования 14 подключен ко входу блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы 15, где с помощью ВС ВД ПВ производится выделение узлов скелетной функции ПВ, причем выход блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы 15 подключен ко входу блока визуализации ПВ 16 (например, дисплей ППК или смартфона) для визуализации всех сегментов сосудистой сети на ВД и определения узлов скелетной функции в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг. 6.

Пульсовая волна (ПВ) в кровотоке распространяется по кровеносному руслу в виде одиночных волн (солитонов). ПВ распространяется от сердца сначала по крупным артериям, затем по артериолам и капиллярам, далее по венолам и венам обратно к сердцу (фиг. 1).

При прохождении возбуждения по ветвям сосудистой сети, на каждом фрагменте, при изменении сечения ветвей сети, возникают турбулентности кровотока в узлах ветвления сосудистой сети, формирующие спектр сигнала (фиг. 3, 4). Сосудистая система ветвится со скейлингом, близким к "золотому сечению", что показывает статистический анализ фрактальной структуры (фиг. 5) подтверждает их близость к нормальному закону распределения с модой близкой к «золотому сечению» и объясняет формирование вейвлет-спектра ФПГ и РГ в виде самоподобной фрактальной структуры, каждый из элементов которой отражает прохождение возбуждения по соответствующему сегменту самоподобной фрактальной структуры сосудистой сети, ветвящейся по закону близкому к "золотому сечению". На фиг. 6 представлен алгоритм выявления узлов скелетной функции.

Способ вейвлет-интроскопии сосудистой сети кровеносного русла осуществляется устройством, состоящим из системы, например, трех грудных ЭКГ-электродов 2, подключенных на вход блока усилителя ЭКС 3; по меньшей мере, двух фотоплетизмографических датчиков 4 и 5 и, по меньшей мере, двух реографических датчиков 6 и 7, подключенных на соответствующие входы блоков усилителей биосигналов РГ 8 и ФПГ 9; блока микропроцессорного аналого-цифрового преобразования 10, с выхода которого цифровые данные поступают на вход микропроцессора 11; блока хранения цифровых данных 12; wi-fi-устройства беспроводной связи 13; блока вейвлет-преобразования 14, программно реализованного на планшетном персональном компьютере; блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы 15; выход которого подключен ко входу блока визуализации ПВ 16.

Таким образом, с помощью вейвлет-преобразования можно выявить последовательность прохождения ПВ по сосудистой сети как структуру процесса, в виде картины линий локальных экстремумов вейвлет-диаграммы. Вейвлет-преобразование ФПГ и РГ является наиболее адекватным пространственно-временным отображением фаз и амплитуд прохождения волны в сосудистой сети.

Достигаемым изобретением техническим результатом заявляемого способа являются возможность получить детальную информацию о состоянии кровеносного русла сосудистой сети пациента.

Изобретение относится к медицине, а именно к способам вейвлет-интроскопии сосудистой сети кровеносного русла. При этом устанавливают на теле пациента ЭКГ-электроды, биопотенциалы с которых усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС). Затем преобразуют в цифровую форму данные ЭКС блоком АЦП, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК). Массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования и затем производят вейвлет-сечение (ВС) вейвлет-диаграммы (ВД) ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы. Выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее в блоке визуализации. На теле пациента устанавливают датчики фотоплетизмограммы (ФПГ) и реограммы (РГ), биосигналы с которых усиливают в соответствующих блоках усилителей ФПГ и РГ биосигналов. Затем данные биосигналов преобразуют в цифровую форму блоком АЦП. Производят вейвлет-преобразование биосигналов в блоке вейвлет-преобразования. В пределах кардиоцикла на каждом шаге вейвлет-преобразования определяют скелетную функцию вейвлет-диаграммы. Далее в блоке вейвлет-сечения выявляют узлы скелетной функции по кратному увеличению количества ее ветвей в точках ветвления ВД, координаты которых в виде времени скачка и шага вейвлет-преобразования соответствуют началам сегментов сосудистой сети и идентифицируют в блоке ВС ВД. Затем визуализируют топологию всех сегментов сосудистой сети в блоке визуализации. Обеспечивается визуализация состояния сосудистой сети кровеносного русла пациента, а также неинвазивное определение нарушений в сосудистой сети с повышением точности локализации и оперативности их выявления, а также получение детальной информации о прохождении пульсовой волны и возможность осуществления постоянного дистанционного контроля сосудистой сети для оценки состояния кровообращения в органах и тканях. 7 ил.

Способ вейвлет-интроскопии сосудистой сети кровеносного русла, заключающийся в том, что устанавливают на теле пациента ЭКГ-электроды, биопотенциалы с которых усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС), затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК), массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования и затем производят вейвлет-сечение (ВС) вейвлет-диаграммы (ВД) ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее в блоке визуализации, отличающийся тем, что дополнительно с ЭКГ-электродами на теле пациента устанавливают датчики фотоплетизмограммы (ФПГ) и реограммы (РГ), получают с них биосигналы, усиливают их в соответствующих блоках усилителей ФПГ и РГ биосигналов, затем данные биосигналов преобразуют в цифровую форму блоком аналого-цифрового преобразования, производят вейвлет-преобразование биосигналов в блоке вейвлет-преобразования, в пределах кардиоцикла на каждом шаге вейвлет-преобразования определяют скелетную функцию вейвлет-диаграммы, далее эту функцию обрабатывают в блоке вейвлет-сечения, в котором выявляют узлы скелетной функции по кратному увеличению количества ее ветвей в точках ветвления ВД, координаты которых в виде времени скачка и шага вейвлет-преобразования соответствуют началам сегментов сосудистой сети и идентифицируют в блоке ВС ВД, затем визуализируют топологию всех сегментов сосудистой сети в блоке визуализации.