Способ исследования работы сердца при использовании вейвлет-преобразования электрокардиограмм и спектроскопии комбинационного рассеяния Российский патент 2024 года по МПК A61B5/346 G01N21/65 G01N33/483 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для создания новых технологий и возможностей в медицинской диагностике заболеваний сердечно-сосудистой системы, в том числе для повышения точности расшифровки электрокардиограмм (ЭКГ), что позволит решать задачу раннего обнаружения отклонений в работе отделов сердца

Уровень техники

ЭКГ представляет собой запись электрических потенциалов активности сердца, полученную при определенном отведении и состоящую из периодической последовательности кардиоциклов, в которых выделяются следующие элементы: P-волна, QRS-комплекс и T-волна (фиг. 1). Расшифровка ЭКГ - это определение амплитуды и положения зубцов, а также временных интервалов между ними. Положение QRS-комплекса отражает процесс деполяризации желудочков, P- и T-зубцы, отражают процесс деполяризации правого и левого предсердий и процесс конечной реполяризации миокарда желудочков соответственно (Хан М.Г. Быстрый анализ ЭКГ. - М.: Бином, 1999. - 230 с.).

В настоящее время для расшифровки ЭКГ все больше используется метод непрерывного вейвлет-преобразования (ВП) оцифрованной ЭКГ (Vitek M., Hrubes J., Kozumplik J. A wavelet-based ECG delineation in multilead ECG signals: Evaluation on the CSE database // IFMBE Proceedings. - 2009. - Vol. 25. - P. 177-180).

Известен способ расшифровки ЭКГ (Lingjia G., Li Lilan L. Mingda J. Heart beat signal classification method based on CNN-GRU network model // Патент № CN115221926, МПК G06K 9/00, G06K 9/62, G06N 3/04, G06N 3/08, G16H 50/20, A61B 5/346, A61B 5/00, опубл. 21.10.2022), использующий методику, представляющую сигнал ЭКГ в виде разложения по специальным функциям (вейвлет-функциям), зависящим от двух параметров - масштаба и времени (параметр масштаба обратно пропорционален частоте), сохраняя для нестационарных сигналов возможность прослеживать поведение сигнала в различные временные интервалы. Авторы на основе ВП сигнала ЭКГ обосновывают способ классификации сигналов сердечного ритма. При этом используются коэффициенты ВП ЭКГ, с помощью которых формируется обучающаяся сетевая модель, направленная на уменьшение помех и на увеличение точности классификации сердечного ритма. Предварительно обработанные данные ЭКГ в виде желудочков). Каждый запомненный в буфере коэффициент ВП оказывается коррелирован с моментом волны QRS, что повышает точность результатов преобразования.

Недостатком данного технического решении является сложность технической реализации большого объема вычислительных операций и отсутствие возможности тарирования работы разных отделов сердца.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание более усовершенствованного способа исследования сердечно-сосудистой системы, позволяющего на ранней стадии выявлять отклонения от нормы и получать более полную информацию о работе разных отделов сердца.

Технический результат заключается в повышении точности оценки параметров электрокардиосигналов, расширении функциональных возможностей способа.

Это достигается тем, что в способе исследования работы сердца при использовании вейвлет-преобразования электрокардиограмм и спектроскопии комбинационного рассеяния, заключающемся в получении электрокардиограммы, ее обработке при использовании вейвлет-преобразования с предварительной фильтрацией высокочастотных шумов, согласно изобретению, после фильтрации высокочастотных шумов вейвлет-преобразования анализируют распределение чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования, определяют характеристические зоны чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования и значения самих коэффициентов для здоровых людей и людей с заболеваниями сердца, затем подключают второй измерительный канал - проводят спектроскопию комбинационного рассеяния при неинвазивном лазерном воздействии на кожный покров пациента с отслеживанием отклика на это воздействие, при этом вейвлет-преобразование осуществляют с возможностью менять по запросу материнскую функцию вейвлет-преобразования, при обработке электрокардиограммы проводят выделение и визуализацию по заданному критерию областей чувствительных детализирующих коэффициентов с измененными в ходе лазерного воздействия признаками, а также выделяют признаковое пространство чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования в зависимости от параметров лазерного воздействия и отслеживают зоны распределения чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования, их динамику и соответствие характеристическим зонам заболеваний, выявляют корреляцию параметров спектра комбинационного рассеяния с динамикой чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования электрокардиограммы.

Дополнительно, после проведения спектроскопии комбинационного рассеяния при неинвазивном лазерном воздействии на кожный покров пациента с отслеживанием отклика на это воздействие управляют каналом электрокардиографии с учетом вызванных в структуре электрокардиограммы изменений, приводящих к коррекции чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования.

Кроме того, используют Раман-зонд в совокупности с голографическим фильтром в измерительном канале спектроскопии комбинационного рассеяния.

Кроме того, одновременно следят за динамикой развития чувствительных детализирующих коэффициентов и наблюдают за откликом на лазерное воздействие (комбинационное рассеяние), при этом выявляют информацию о деятельности сердца и его отделах, в том числе временных параметрах, связанных с распространением возбуждения и характером задержек лазерного возбуждения в разных отделах сердца.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - фиг. 5, где на фиг. 1 приведен пример электрокардиосигнала, на фиг. 2 представлена блок-схема, поясняющая заявленный способ, на фиг. 3 изображен график электрокардиосигнала пациента без патологий, (II стандартное отведение) и тот же электрокардиосигнал, очищенный от шумовых компонент, на фиг. 4 представлен материнский вейвлет «первая производная функции Гаусса», на фиг. 5 изображен график ЭКГ для пациента без патологий и его непрерывный вейвлет-спектр.

Осуществление изобретения

Заявленный способ исследования работы сердца при использовании ВП электрокардиограмм и спектроскопии комбинационного рассеяния поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 2, где обозначено: зонд - Раман-зонд, который содержит ветвь возбуждения 1 и ветвь регистрации 2, электрокардиограф (Э) 3, блок синхронизации (БС) 4, голографический фильтр (ГФ) 5, спектрометр (СП) 6, компьютер (ПК) 7, печать, т.е. визуализация результата (П) 8, аттенюатор 9, лазер 10.

Блок-схема содержит два независимых канала получения информации - измерительный канал кардиологии, включающий электрокардиограф 3, соединенный с ПК 7 и П 8, и канал лазерной диагностики, в котором ветвь возбуждения 1 включает аттенюатор 9, соединенный с лазером 10, ветвь регистрации 2 включает встроенный ГФ 5, соединенный с СП 6, ПК 7 и П 8, при этом БС 4 соединен с Э 3, лазером 10 и СП 6.

В первом канале может использоваться совместимый с ПК электрокардиограф ЭКГК-02, который допускает 12 отведений. Снятая ЭКГ выводится на экран, вводится в память ПК и подвергается ВП.

ВП электрокардиосигнала значительно расширяет возможности анализа и расшифровки ЭКГ и представляет собой описание электрокардиосигнала в виде обобщенного ряда или интеграла Фурье по системе базисных функций (Vitek M., Hrubes J., Kozumplik J. A wavelet-based ECG delineation in multilead ECG signals: Evaluation on the CSE database // IFMBE Proceedings. - 2009. - Vol. 25. - P. 177-180):

Как следует из (1), базисные функции конструируются из материнского (исходного) вейвлета , обладающего определенными свойствами за счет операций сдвига во времени (b) и изменения временного масштаба (a). Множитель обеспечивает независимость нормы этих функций от масштабирующего числа a (Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 448 с.). Тогда по определению прямое (анализ) и обратное (синтез) непрерывные ВП сигнала запишутся, соответственно, как

где

- нормирующий коэффициент, а - Фурье-преобразование вейвлета .

ВП электрокардиосигнала по формулам (2)-(4) может быть реализовано в ПК 7 и позволяет решить следующие задачи:

• совместимость протоколов обмена модулей программы обработки;

• сглаживание входных данных;

• ВП электрокардиограммы;

• размещение коэффициентов ВП в памяти с возможностью накопления, визуализацией и формированием базы данных;

• сравнение с базами данных, введенных ранее; сравнение выборок и поиск признаков геометрических отклонений;

• выбор и замена материнской функции ВП для оптимизации преобразования.

Второй канал (фиг. 2) регистрирует отклик молекул области лазерного воздействия на кожный покров (комбинационное рассеяние), т.е. спектрометр (СП) собирает спектр комбинационного рассеяния области лазерного возбуждения. Благодаря зонду имеется возможность, при необходимости, усилить и накопить сигнал отклика.

В качестве лазера 10 может быть использован твердотельный лазер YAG, например, Nd3+ лазер LS-2137U (2 гармоника, 532 нм), неинвазивно воздействующий на кожный покров. В качестве аттенюатора 9 может быть использован 10-ти разрядный аттенюатор для обеспечения неразрушающего лазерного воздействия. В качестве спектрометра 6 может быть использован спектрометр ASP-150, голографический фильтр может быть встроен внутри Раман-зонда.

Раман-зонд состоит из двух оптоволоконных ветвей: ветви возбуждения 1 и ветви регистрации 2, реализованных следующим образом. Конструктивно обе ветви одним концом собраны в жгут и формируют плоский торец круглого сечения диаметром 6 мм. Центральная регистрационная жила имеет сферическую шлифовку с фокусным расстоянием f = 7 мм, ветвь возбуждения - шесть оптоволоконных жил на торце равномерно распределены вокруг центральной жилы и отшлифованы таким образом, чтобы лучи всех шести жил ветви возбуждения фокусировались центровано на расстоянии 7 мм. На втором конце ветви регистрации размещен голографический фильтр (с пропусканием на длине волны 532 нм с коэффициентом ослабления ).

Предлагаемый способ с использованием методики двухканального анализа сердечной деятельности устраняет недостатки прототипа и осуществляется следующим образом.

Выход на режим повышенной точности осуществляют в несколько этапов.

На первом этапе (этапе ввода ЭКГ) электрокардиографом 3 снимают ЭКГ, например, в 12 отведениях, проводят сглаживание и фильтрацию высокочастотных шумов электрокардиосигнала, осуществляют ВП сигнала ЭКГ, нестационарное по своей природе, что приводит к формированию баз данных детализирующих коэффициентов, которые могут быть привязаны к временному циклу сердца. Очистка сигнала ЭКГ от шумов проводится при использовании вейвлета Добеши 4-ой степени (db4).

На втором этапе подключают лазер 10, управляемый блоком синхронизации 4, который одновременно синхронизирует и работу электрокардиографа 3. Маломощное, неинвазивное лазерное воздействие, отражается в ЭКГ и на топологии детализирующих коэффициентов, которые чувствительны и к самому воздействию, и ко времени поступления воздействия. Таким образом, появляется возможность тарирования (обучения, управления) электрокардиографом 3.

На третьем этапе подключают лазерную диагностику при наблюдении отклика на лазерное воздействие - комбинационного рассеяния. Метод комбинационного рассеяния при лазерном облучении в рассматриваемом случае - практически контактный вариант, один из самых чувствительных методов при идентификации молекулярного объекта, его связей, так как появление тех или иных компонент в спектре комбинационного рассеяния определяется колебательно-вращательной структурой молекулярного объекта.

Отличительной особенностью предлагаемого способа от известных является оригинальная методика двухканального анализа сердечной деятельности. При этом совместно обрабатываются полученные электрокардиограммы при использовании ВП и параметры, извлекаемые при лазерной адресной диагностике, что приводит к:

1) повышению чувствительности методики анализа сердечно-сосудистой системы;

2) постановке диагноза на более ранних стадиях заболевания;

3) возможности дальнейших исследований особенностей работы сердечного цикла и отделов сердечной мышцы;

4) возможности по мере накопления баз данных осуществлять автоматизированный подход к обработке результатов и постановке диагноза;

5) возможности постановки расширенных клинических испытаний допустимых и максимальных нагрузок спортсменов, космонавтов, людей экстремальных профессий;

6) разработке рекомендаций для создания медицинского оборудования электрокардиографической направленности нового поколения.

Обоснованием выбора второго измерительного канала является цикл ранее проведенных работ, в которых метод комбинационного рассеяния при лазерном возбуждении был ключевым (Суетенко А.В., Брюховецкий А.П., Устройство дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического и биологического происхождения // Патент РФ № 100269 на полезную модель, опубл. 10.12.2010, бюл. № 34).

Результаты моделирования в совокупности с ранее исследованным методом комбинационного рассеяния при лазерном возбуждении подтверждают достижение технического результата при реализации заявленного способа.

Использование изобретения позволяет значительно расширить сведения о состоянии сердечно-сосудистой системы, выявить ранние отклонения от нормы, получить новые методики постановки диагноза за счет применения методики двухканального анализа сердечной деятельности. При этом выявляется корреляция адресного отклика на лазерное воздействие (спектра комбинационного рассеяния) и топологии детализирующих коэффициентов ВП электрокардиограммы, что приводит к повышению точности оценки параметров электрокардиограмм и точности диагноза, а также формированию опций для разработки новых методик диагностики сердечной деятельности.

Изобретение относится к медицине, а именно к способу исследования работы сердца при использовании вейвлет-преобразования электрокардиограмм (ЭКГ) и спектроскопии комбинационного рассеяния. При этом получают и обрабатывают ЭКГ при использовании вейвлет-преобразования с предварительной фильтрацией высокочастотных шумов. Анализируют распределение чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования. Определяют характеристические зоны коэффициентов и значения коэффициентов для здоровых людей и людей с заболеваниями сердца. Подключают второй измерительный канал – проводят спектроскопию комбинационного рассеяния при неинвазивном лазерном воздействии на кожный покров пациента с отслеживанием отклика на это воздействие. Вейвлет-преобразование осуществляют с возможностью менять по запросу материнскую функцию. При обработке ЭКГ проводят выделение и визуализацию по заданному критерию областей коэффициентов с измененными в ходе лазерного воздействия признаками. Выделяют признаковое пространство коэффициентов вейвлет-преобразования в зависимости от параметров лазерного воздействия. Отслеживают зоны распределения коэффициентов вейвлет-преобразования, их динамику и соответствие характеристическим зонам заболеваний. Выявляют корреляцию параметров спектра комбинационного рассеяния с динамикой коэффициентов вейвлет-преобразования ЭКГ. Достигается повышение точности оценки параметров электрокардиосигналов и расширение функциональных возможностей способа. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ исследования работы сердца при использовании вейвлет-преобразования электрокардиограмм и спектроскопии комбинационного рассеяния, заключающийся в получении электрокардиограммы, ее обработке при использовании вейвлет-преобразования с предварительной фильтрацией высокочастотных шумов, отличающийся тем, что после фильтрации высокочастотных шумов вейвлет-преобразования анализируют распределение чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования, определяют характеристические зоны чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования и значения самих коэффициентов для здоровых людей и людей с заболеваниями сердца, затем подключают второй измерительный канал – проводят спектроскопию комбинационного рассеяния при неинвазивном лазерном воздействии на кожный покров пациента с отслеживанием отклика на это воздействие, при этом вейвлет-преобразование осуществляют с возможностью менять по запросу материнскую функцию вейвлет-преобразования, при обработке электрокардиограммы проводят выделение и визуализацию по заданному критерию областей чувствительных детализирующих коэффициентов с измененными в ходе лазерного воздействия признаками, а также выделяют признаковое пространство чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования в зависимости от параметров лазерного воздействия и отслеживают зоны распределения чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования, их динамику и соответствие характеристическим зонам заболеваний, выявляют корреляцию параметров спектра комбинационного рассеяния с динамикой чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования электрокардиограммы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после проведения спектроскопии комбинационного рассеяния при неинвазивном лазерном воздействии на кожный покров пациента с отслеживанием отклика на это воздействие управляют каналом электрокардиографии с учетом вызванных в структуре электрокардиограммы изменений, приводящих к коррекции чувствительных детализирующих коэффициентов вейвлет-преобразования.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют Раман-зонд в совокупности с голографическим фильтром в измерительном канале спектроскопии комбинационного рассеяния.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно следят за динамикой развития чувствительных детализирующих коэффициентов и наблюдают за откликом на лазерное воздействие – комбинационным рассеянием, при этом выявляют информацию о деятельности сердца и его отделах, в том числе временных параметрах, связанных с распространением возбуждения и характером задержек лазерного возбуждения в разных отделах сердца.