УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА РИТМА СЕРДЦА • Советский патент 1981 года по МПК A61B5/02 

1

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим кардиологическим устройствам.

Известно устройство для анализа ритма сердца, предназначенное для измерения сердечных сокращений с отбраковкой ложных RR-интервалов путем сравнения их с заданным допуском i}.

Недостатком этого устройства является большая погрешность измерения f обусловленная, в частности, необходимостью субъектного выбора допуска (Нормы) , и весьма ограниченное числр характеристик (частота пульса и число анормальных RR-интервалов) .

Более совершенным является устройство для анализа ритма сердца, которое содержит датчик, формирователь и измерительный контур, состоящий из конвертера, блока управления памятью, адресного регистра, регистра, триггера, программного блока, та мера и блоков, обеспечивающих обра ботку и регистрацию непрерывных медицинских данных 2 .

Однако это устройство не обеспечивает при работе исключение ано мальных RR-интервалов и учет нестационарности сердечного ритма, что снижает надежность контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы. Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию, что затрудняет его эксплуатацию.

Цель изобретения - повышение надежности контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента

o путем исключения анормальных RR-интервалов и учета нестационарности сердечного ритма на основе скользящей выборки, а также упрощения устрОЙСТВс1.

5

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для анализа ритма сердца, содержащем датчик, входной формирователь импульсов и измерительный контур, последний содержит пре0образователь время-напряжение, вычислитель статических характеристик, выполненный на основе управляемых дискретных усреднителей с памятью, управляемый дискретный сглаживающий

5 фильтр с памятью, два управляемых двухпороговых элемента и логическую схему совпадения, причем выход формирователя подключен ко входу преобрэзователя время-напряжение и первому входу схемы совпадения, второй

0 вход которой соединен с выходом первого управляемого двухпорогового эле мента , а выход - с управляющими вход ми дискретного сглаживающего фильтра с памятью и вычислителя статистических характеристик,вход которогоподключен к выходу преобразователя врем напряжение, выход центрированного зн чения вычислителя статистических характеристик соединен с информационньо входом управляемого дискретного сглаживающего фильтра с памятью и информационным входом первого управляемого двухпорогового элемента, выход дискретного сглаживающего филь тра с памятью подключен к информационному входу второго управляемого двухпорогового элемента, выход среднеквадратического отклонения вычислителя статистических характеристик соединен с управляющими входами перв го и второго двухпороговых элементов . На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для анализа ритма сердца-, на фиг. 2 блок-схема вычислителя статистических характеристик-, на фиг. 3 - пример выполнения схемы управляемого дискретного усреднителя с памятью; на фиг. 4 - характеристики управляемых двухпороговых элементов; на фиг. 5 - основные временные диаграммы работы устройства. Устройство (фиг. 1) содержит вход ной формирователь 1 импульсов, преобразователь 2 время-напряжение, вычислитель 3 статистических характеристик, логическую схему 4 совпадения, у правляемый дискретный сгла. живающий фильтр 5 с памятью и два управляемых двухпороговых элемента и 7. Выход формирователя 1 соединен со входом преобразователя 2 и первым входом схемы 4, второй вход которой подключен к выходу элемента б Выход схемы 4 соединен с управляющи входом 8 вычислителя 3 и управляющи входом 9 фильтра 5, вход последнего и информационный вход 10 элемента б подключены к выходу 11 центрированного значения случайного процесса вычислителя 3. Управляющие входы 12 и 13 элементов б и 7 соединены с выходом 14 вычислителя 3, а информа ционный вход 15 элемента 7 подключен к выходу фильтра 5. Выходы 14, 16 и 17 вычислителя 3 и выходы 18 и 19элементов б и 7 являются выходам устройства. Вычислитель 3 статических характеристик (фиг. 2) содержит центриру щий фильтр, измеритель среднеквадра тического отклонения (СКО). Центрирукадий фильтр содержит усреднитель 20и блок 21 вычитания. Измеритель СКО включает в себя квадратор 22, усреднитель 23 и блок 24 извлечения квадратного корйя. Кроме того,, вычи литель статических характеристик содержит блок 25 деления. На вход центрирующего фильтра подается исследуемый случайный процесс X (t). С выходов 14, 16 и 17, являющихся выходами устройства, снимаются соответственно значения оценок СКО математического ожидания(МО) и коэффициента вариации (V), а с выхода 11 блока 21 вычитания - центрированное значение х (t) входного процесса X (t). Отличительной особенностью вычислителя является то, чфо усреднители 20 и 23 выполнены по схеме управляемых дискретных усрхеднителей с памятью. Подобные усраднители используются для нехожден ия оценки-среднего значения как негщерывных, так и дискретных случайншс процессов. В первом случае непрерывный процесс X (t) квантуется во ®мени в соответствиис частотой кшиульсов управления (выборок) , посТ5 иающих ,на вход 8, во втором случ;ае импульсы управления подаются одновременно с приходом очередной Дискреты Xj процесса fx.. . В обоих е лучаях текущая оценка среднего знач:ения (или МО) процесса на каждом шаге вычисляется по формуле Ч4Р где X,j - значение непрерывного или дискретного процесса в момент времеаи t-. Пример конкретной технической реализации управляемого дискретного усреднителя (ДУ) с памятью приведен на фиг. 3.- В состав усреднителя входят блок 26 вычитания, блок 27 деления на i, ключ 28 и аналоговый интегратор 29, причем с приходом очередного, ( i+1.)-го, импульса управления коэффициент деления изменяет свое а-шачение с 1/i на l/Ci+l), а ключ 28 замыкается на некоторое короткое врем0 UPдействия выборки процесса, В течение которого на выходе усреднителя устанавливается значение оценки т , соответствующее совокупности выборок объемом (i+1). в промежутке между импульсами управления (выборок) выходной параметр не меняется, т.е. усреднитель запоминает предыдущее значение оценки т вплоть до прихода очередного импульса управления. Аналогично работает и вычислитель, если в нем использовать усреднители подобного типа, так как пересчет оценок МО, СКО и V происходит лишь при поступлении очередного имлульса управления, а в промежутке между ними на выходах вычислителя запоминаются значения оценок, соответствующие последнему импульсу уп- правления. Дискретный сглаживающий фильтр 5 с памятью (фиг. 1) в отличие от- рассмотренных усреднителей должен образовывать на выходе величину, аналогичную скользящему среднему xj, (i) .по N последним выборкам процесса,

М-1

N(i) (г)

Изменение .во времени скользящего среднего Х (i) можно использовать для обнаружения нестационарности (тренда) в случайном процессе. Ве.личиной, имеющей сходные свойства с скользящим средним, является экспоненциально сглаженная величина. Схема усреднителя (фиг. 3) при фиксированном значении коэффициента передачи блока 27 деления, т.е. при 1/i 1/N const, дает на выходе экспоненциально сглаженную величину Х|| , близкую по своим свойствам к (Скользящему среднему на выборке объема 2N.-Фильтр 5 обладает памятью и сохраняет значение экспоненциально сглаженной величины в промежутках между импульсами управления.

На.фиг. 4а представлена характеристика управляемого двухпорогового элемента 6. Из характеристики видно что на выходе элемента устанавливается значение +1, если на его информационный вход 10 поступает напряжение, величина которого по модулю меньше порогового значения, т.е. когда

Uftyl l .. (3)

При lulv на выходе элемента 6 устанавливается нуль.

Характеристика управляемого двухпорогового элемента 7 представлена на фиг. 46. Выходной параметр Up элемента описывается выражением

Г+1, если и ИХ + (3п Ue, j о, если -lUnUUe -t-tUnt (if)

(.-1 , если Ugy |Un Пороги lUnl элемента б автоматически устанавливаются пропорционально текущей оценке СКО и согласно равенству

Un (5)

где К.., - постоянная.

Аналогичным образом устанаалива ются пороги второго элемента 7 .

и„ (6)

где К.. постоянная.

Устройство работает следующим образом.

На вход формирователя 1 (фиг. ,1) подается ЭКС, который преобразуется в стандартные импульсы длительностью TO , временные интервалы Т., между которыми равны по величине соответст вующим длительностям кардиоциклов ил RR-интервалам (фиг. 5а, б). Преобразователь 2 построен таким образом, что Зсщнйй фронт сформированного импульса сбрасывает его в исхсЗдьое (нулевое) состояние, из которого выходное напряжение преобразователя 2 линейно возрастает вплоть до прихода очередного импульса. На i-ом щаге амплитуда пилообразного напряжения пропорциональна длительности T.J i-ого кардиоцикла. Для простоты изложения положим, что на выходе 16 вычислителя 3 образуется напряжение , численно равное среднему значению TCP длительностей кардиоциклов,

o т.е. Uc TCP. .Аналогично напряжения Цз и и будем считать численно равными соответственно оценкеСЗ СКО и центрированному значению процесса . цТ,- Напряжения и 8 снимают5ся соответственно с выходов 14 и 11 вычислителя 3, (i0 5, О .,- Как видно из фиг. 1, на управляющий вход 8 вычислителя 3 и управляющий вход 9 фильтра 5 импульсы проходят лишь в том случае, если на второй

0 вход логической схемы 4 с выхода 18 элемента б поступает логическая единица. Но выход 18 элемента 6 в соответствии с формулами (3) и-(5) принимает единичное значение только тог5да, когда на его информационный вход 10 поступает напряжение U цу , величина которого удовлетворяет условию

ШвП и «lUhl К,5 K,UQ т.е. вычислитель 3 включает в сово0купность выборок среднее значение Tjj длительности кардиоцикла, если оно попадает в поле допуска шириной 2Ку UQ (фиг. 5 в). Если же lUI KT , то напряжение на выходе 18 элемента б принимает нулевое значение, блокирующее схему 4, и импульс управления не поступает на вычислитель 3 и фильтр 5 (фиг. 5г), при этом состояния выходов вычислителя и фильтра

0 не изменяются и, следовательно, временной интервал т.,- , не удовлетворяю- . щий условию (3), исключается из анализа. Поставив счетчик на выходе элемента б, можно определить число (или частоту) анормальных кардиоциклов за время анализа. Можно показать, что для исключения только тех RR-интервалов, которые обусловлены нарушениями ритма сердцс (например экстрасистолами или артефактами), следует выбрать К 3. В этом случае при высислении оценок МО, СКО и V устройство включает в совокупность выборок только те RR-интервалы, которые характеризуют базовый синусойый ритм. В тех случаях, когда необходимо провести анализ по всем выборкам, следует подк,лючить выход формирователя 1 ко входам, 8 и 9 вычислителя и фильтра, минуя схему 4, при этом на выходах устройства получают оценки искомых параметров, соответствующие всем измеренным RR-интервалам.

Рассмотрим работу устройства при 65 .обнаружении тренда.

На вход фильтра § поступает центрированный процесс и , Если процесс и стационарный, то экспоненциальное сглаживание приводит к тому, что на выходе фильтра 5 появляется сигнал и , величина которого близка к нулю. При наличии тренда значение сигнала UTP существенно отличается «от нуля..Наличие или отсутствие тренда в случайном процессе можно установить только в вероятностном смысле. В связи с этим зададимся некоторой близкой к 1 вероятностью того,, что в случайном процессе имеется тренд (процесс нестационарен). Можно.най,ти такое пороговое значение (достижение которого напряжением U-jp может с заданной вероятностьюtt характеризовать наличие тренда в анализируемом случайном процессе. Например, при использовании фильтра 5 с коэффициентом передачи блока 27 деления, равным 1/N 0,1 (фиг. 3), и при об 0,95, величина порога |и„| должна быть равной 0,5 (i, где Ug напряжение, численно равное текущей оценке СКО процесса.

Элемент 7 выполняет функцию сравнения выходного напряжения UYP , образующегося на входе 15 фильтра 5 с пороговым напряжением , поступающим на управляющий вхрд 13 элемента 7, Как видно с фиг. 46, при jUex lUrpI )Ur, IK, Ugl на выходе 19 элемента 7 возникает сигнал Ug sign U -р, т.е. (+1) или (-1), в зависимости от знака напряжения на входе 15 фильтра 5. Появление сигнала (+1) на выходе элемента 7 с вероятностью об характеризует тенденцию к увеличению, а (-1) - тенденцию к уменьшению UTP. Следовательно, в первом случае частота пульта с вероятностью с, постепенно уменьшается (длительности Т возрастают), а во втором - увеличивается (длительности Т уменьшаются).

На основе предлагаемого устройства создан прибор для оперативного анализа ритма сердца, позволяющий одновременно и непрерывно в реальном масштабе времени определять текущее среднее значение (частота пульса) , среднеквадратическое отклонение (нестабильность ритма сердца) и коэффициент вариации (относительная нестабильность ритма сердца) длительностей RR-интервалов, выделять , подсчитывать и исключать из выборки RR-интервалы .анормальной длительности, связанные с нарушениями ритма сердца или артефактс1ми, и обнаруживать нестационарность (тренд) в частоте EtoTMa сердца. Погрешности измерения среднего значения и среднеквадратического отклонения RR-интврвалов не превышают соответственно 1 и 3% .

Таким образом, конструкция предлагаемого устройства обеспечивает высокую надежность контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента путем исключения анормальных RR-интервалов и учета нестацйонарности сердечного ритма на основе скользящей выборки.

Формула изобретения

Устройство для анализа ритма сердца, содержащее датчик, входной формирователь импульсов и измерительный контур, отличающееся тем что, с целью повышения надежности контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента путем исключения анормальных RR-интервалов и учета нестационарности сердечного ритма на основе скользящей выборки, а также упрощения устройства, измерительный контур содержит преобразователь время-напряжение, вычислитель статических характеристик, выполненный на основе управляемых дискретных .усреднителей с памятью, управляемый дискретный сглаживающий фильтр, с памятью, два управляемых двухпороговых элемента и логическую схему совпадения, причем выход формирователя подключен ко входу преобразователя времнапряжение и первому входу схемы совпадения, второй-вход которой соединен с выходом первого управляемого . двухпороговогр элемента, а выход - с управляющими входами дискретного сглаживающего фильтра с памятью и вычислителя статических характеристи вход которого подключен к выходу преобразователя время-напряжение, выход центрированного значения вычислителя статических характеристик соединен с информационным входом управляемого дискретного сглаживающего фильтра с памятью и информационным входом первого управлягемого двухпорогового элемента, выход дискретного сглаживающего филь.тра с памятью подключен к информационному входу второго управляемого двухпорогового элемента, выход среднеквадратического отклонения вычислителя статистических характеристик соединен с управляющими входами первого и второго двухпороговых элементов. ,. .

Источники информации, принятые во .внимание при экспертизе

1.Патент США 3633569, 0 кл. 128, опублик.02.05.76.

2.Устройство для анализа физиологических процессов. Проспект фирмы

Nihon Kohden , Япония, Model АТАС-501, 1.97.7, с. 3-5, (прототип).

Фиг.1

W

Ннпулисы управления i ifopOK)

Фиг.2

0 нпушя ynpaSflenufi (ёыдорок)

,6

а

Kap3ij,

ffflHO/l ,

StiyФи ,

п&н

. J,

о

i+2 импульс t/npaS/ieHLtfl omci/mc/nSt/e/n

0 .3

РигЛ

Поле допуска

Среднее знай. 9иг.5