Способ исследования дыхательных функций сердечно-сосудистой системы и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине. Предложен способ определения жизнедеятельности, включающий обнаружение колебательного процесса, идущего от органов человека, определение раздельно сердечной и дыхательной функции по обнаруженному колебательному процессу в качестве колебательного процесса в организме используют пульс человека. Для реализации способа предложено устройство, содержащее дополнительно дифференциатор, формирователь синхроноимпульсов, формирователь рабочего интервала, детектор нуля и два устройства выборки - хранения. 2 с.п ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к медицине, а именно к способам и устройствам для определения основных функций жизнедеятельности человека.

Известен способ для определения основных функций жизнедеятельности, заключающийся в том, что для регистрации колебательных процессов, связанных с дыханием и пульсовых колебаний, используются различного типа датчики. Например, для регистрации дыхания используется "Пневматохограф с интегратором" производства НПО "Медфизприбор", а для регистрации пульсовых колебаний сфигмоприставка, входящая в состав аппарата 6 NEK-4 (ГДР). Указанный способ характеризуется большими аппаратными затратами, необходимостью двух типов датчиков, что усложняет методику проведения исследований и ограничивает область применимости за счет создания неудобств при контроле жизнедеятельности операторов, например операторов АРМ, водителя автомобиля.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения жизнедеятельности, основанный на обнаружении звука, идущего от груди человека, определения сердечной функции по диапазону первой частоты обнаруженного звука и определение респираторной функции по диапазону второй частоты обнаруженного звука.

Известное устройство для определения жизнедеятельности, выбранное в качестве прототипа, содержит датчик для обнаружения сигнала, блок предварительной обработки, фильтр низкой частоты для выделения сигнала в диапазоне 30-180 Гц, фильтр высокой частоты 200-950 Гц и регистратор. Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они имеют ограниченную область применимости и не могут быть использованы в системах с повышенным вибрационным и шумовым фоном, например авиационная техника, автомобили специального назначения и т.д.

Цель изобретения расширение области применения за счет определения жизнедеятельности в условиях повышенного шума.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения жизнедеятельности, включающему обнаружение колебательного процесса, идущего от органов человека и определение раздельно сердечной и дыхательной функции по обнаруженному колебательному процессу, в качестве колебательного процесса используют пульс человека, а дыхательную функцию определяют по динамике изменения отношений амплитуд инцизуры и дикротического зубца пульса. Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения жизнедеятельности, содержащее датчик подключенный к блоку предварительной обработки и регистратор, введены последовательно соединенные дифференциатор, формирователь синхроимпульсов, формирователь рабочего интервала, детектор нуля, первое устройство выборки-хранения, делитель, а также второе устройство выборки-хранения, выход которого подключен к второму входу делителя, а первый вход к второму выходу детектора нуля, выход делителя соединен с входом регистратора, выход дифференциатора подключен к второму входу детектора нуля, выход блока предварительной обработки соединен с вторым входом обоих устройств выборки-хранения.

Известная модель общего механизма гемодинамики пульсового кровенаполнения (см. Х.Х. Яруллин. Клиническая реоэнцефалография. М. "Медицина". 1983, с. 69-83) объясняет закономерности пульсовых колебаний в артериальной и венозной системах. В данной модели рассмотрен механизм формирования пульсовой волны из двух компонент артериальной и венозной. Форма пульсации в артериальной системе и венозной системе существенно отличается. Артериальная волна формируется из двух полуволн: положительной и отрицательной, а венозная формируется одной положительной полуволной, которая запаздывает к началу артериальной пульсации. Однако эта модель описывает станционарное состояние пульсаций без учета внешних возмущений, таких как дыхание. Общеизвестно, что при вдохе и выдохе так называемый торако-абдоминальный насос обеспечивает возврат венозной крови к сердцу, а изменение внутригрудного давления во время вдоха и выдоха приводит к изменению величины венозного возврата (величины венозных пульсаций) и как результат, к изменению формы пульсовой волны. Эти предположения подтверждаются экспериментальными исследованиями, проведенными на группе добровольцев с помощью фотоплетизмографа. Проведена синхронная запись дыхательных волн (с помощью прибора "Пневмотахограф") и пульсовых волн на указанном фотоплетизмографе. В качестве регистратора использовался самописец 6 ЕК4.

При сопоставлении данных, полученных при синхронной записи пульса и дыхания, установлено, что изменения формы пульсовой волны происходят в основном за счет изменения амплитуды дикротического зубца относительно инцизуры. На вдохе амплитуда дикротического зубца увеличивается, а на выдохе уменьшается. Такой же результат получен с помощью имитатора пульсового сигнала путем изменения величины венозной пульсации. Следует отметить, что на амплитуду пульсовой волны (АС) существенное влияние оказывает положение исследуемого органа, например при подъеме руки амплитуда пульсаций увеличивается, а при опускании уменьшается, кроме того, на амплитуду пульсаций влияет изменение тонуса сосудов и влияние условия, например температура окружающей среды. Поэтому для выделения дыхательных волн из пульсовой кривой и исключения влияния внешних факторов, указанных выше, предлагается использовать соотношение амплитуд дикротического зубца и инцизуры. Правомерность такого подхода основывается на экспериментальных исследованиях, проведенных на группе добровольцев.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 схема формирователя синхроимпульсов; на фиг. 3 схема детектора нуля; на фиг. 4 функциональная схема формирователя рабочего интервала; на фиг. 5 временная диаграмма работы устройства; на фиг. 6 временная диаграмма работы формирователя импульсов; на фиг. 7 временная диаграмма работы детектора нуля.

Устройство содержит датчик 10, блок предварительной обработки 1, дифференциатор 2, формирователь синхроимпульсов 3, детектор нуля 4, формирователь рабочего интервала 5, устройства выборки-хранения 6 и 7, аналоговый делитель напряжения 8 и регистрирующий прибор 9, причем выход блока предварительной обработки 1 подключен к входу дифференциатора 2 и первым входам устройств выборки-хранения 6 и 7, выход дифференциатора 2 подключен к первому входу детектора нуля 4 и к входу формирователя синхроимпульсов 3, выход которого подключен к входу формирователя рабочего интервала 5, выход которого в свою очередь подключен к второму входу детектора нуля, первый выход которого соединен с вторым входом устройства выборки-хранения 6, а второй выход, соответственно, с вторым входом устройства выборки-хранения 7, выход устройства выборки-хранения 6, подключен к первому входу аналогового делителя 8, к второму входу которого подключен выход устройства выборки-хранения 7, выход аналогового делителя 8 подключен к входу регистрирующего прибора 9, выход датчика 10 соединен с входом блока предварительной обработки 1.

В качестве блока предварительной обработки 1 может быть использован фотоплетизмограф. Дифференциатор 2 может быть выполнен по стандартной схеме на основе операционного усилителя с RC-цепочкой в обратной связи. Формирователь синхроимпульсов 3 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 2. Формирователь синхроимпульсов 3 содержит пиковый детектор 17 и компаратор 11, причем входом формирователя синхроимпульсов 3 являются параллельно соединенные вход пикового детектора 17 и первый вход компаратора 11, второй вход которого соединен с выходом пикового детектора 17, а выход является выходом формирователя импульсов 3. Пиковый детектор 10 может быть выполнен по известной схеме, причем постоянная времени его должна быть порядка 1,5 с. В качестве компаратора 11 можно использовать интегральный компаратор типа К 553СА3. Пример выполнения детектора нуля 4 приведен на фиг. 3. Детектор нуля 4 содержит триггер Шмитта 12, первый преобразователь фронт-импульс 13 и второй преобразователь фронт-импульс 14, причем входом детектора нуля является вход триггера Шмитта 12, выход которого подключен к первым входам первого и второго преобразователя фронт-импульс 13 и 14, вторые входы которых параллельно соединены и используются как второй вход детектора нуля 4, выход первого формирователя импульсов 13 является первым выходом детектора нуля, а выход второго формирователя импульсов 14 соответственно вторым выходом. В качестве примера триггера Шмитта 12 можно использовать компаратор с гистерезисной характеристикой. Вход опорного напряжения которого заземлен. В качестве преобразователей фронт-импульс 13 и 14 можно использовать интегральный одновибратор К 155АГ3, который может запускаться как положительным, так и отрицательным фронтом, а также имеет вход разрешеня. Формирователь рабочего интервала 5 может быть выполнен как показано на фиг. 4. Формирователь рабочего интервала 5 содержит первый одновибратор 15 и второй одновибратор 16, причем входом формирователя рабочего интервала 5 является вход первого одновибратора 15, выход которого соединен с входом второго одновибратора 16, выход которого в свою очередь является выходом формирователя рабочего интервала 5. В качестве одновибраторов 15 и 16 можно использовать интегральный таймер КР1006ВИI. Устройства выборки-хранения 6 и 7 могут быть выполнены по известной схеме. Аналоговый делитель 8 может быть выполнен по любой известной схеме. В качестве регистрирующего прибора можно использовать любой медицинский самописец или осциллоскоп типа ОС2П-01.

Формирователь 3 синхроимпульса (см. фиг. 2) работает следующим образом. На первый вход компаратора (КМП) 11 подается производная нулевого сигнала (ППС), на второй вход КМП 11 с выхода пикового детектора (ДЕТ) 17 подается пороговое напряжение, формируемое детектором 17 из ППС. При превышении мгновенного значения ППС над пороговым напряжением на выходе КМП 11 формируется импульс СИ, этот процесс поясняется на фиг. 6, где приведены пороговое напряжение (ПОРОГ), ППС (фиг. 6а) и СИ (фиг. 6б). Форма порогового напряжения (фиг. 6а) относительно ППС соответствует работе стандартного пикового детектора, постоянная времени которого должна быть порядка 1,5 с. Детектор нуля 4 (см. фиг. 3) работает следующим образом. Триггер Шмитта (ТШ) 12 имеет постоянный порог срабатывания на уровне нуля и осуществляет импульсное преобразование ППС, как показано на фиг. 7. Выходные импульсы ТШ приведены на фиг. 7б. Эти импульсы подаются на первые входы преобразователей фронт-импульс (ПФИ1 и ПФИ2) 13 и 14, на вторые входы которых подается импульс разрешения (фиг. 7в). ПФИ1 срабатывает по переднему фронту входных импульсов, а ПФИ2 соответственно по заднему, в результате формируются импульсы в моменты появления точек I и D (фиг. 7г,д).

Формирователь рабочего интервала 5 (фиг. 4) включает два одновибратора (ОВ1 и ОВ2) 15 и 16. ОВ1 запускается при подаче СИ и вырабатывает импульс задержки длительностью Т_з 150 мс. По заднему фронту этого импульса ОВ2 вырабатывает импульс "окна" длительностью около 200 мс.

Устройство работает следующим образом. Фотоплетизмограф (ФПГ) 1 вырабатывает пульсовой сигнал, отображающий изменения оптической плотности исследуемого биообъекта, вызванные пульсирующим кровотоком. Форма пульсового сигнала приведена на фиг. 5а, где отмечены характерные точки кривой 1: А начало подъема пульсовой волны; B точка быстрого кровотока; С вершина пульсовой волны; I инцизура пульсовой волны; D дикротический зубец пульсовой волны.

В процессе работы устройство должно выделить значения пульсового сигнала в точках I и D и произвести деление V_D/V_I. Точки I и D являются точками локальных экстремумов, поэтому для выделения их используется производная пульсового сигнала, приведенная на фиг. 5б.

Как известно, в точках локальных экстремумов некоторой функции значения производной этой функции равны нулю, поэтому точкам I и D на пульсовой кривой (см. фиг. 5а) соответствуют точки I' и D' на пересечении производной этой кривой с нулевой осью (см. фиг. 5б). Нулевые значения точек I' и D' являются удобным признаком для их распознавания, однако этим же признаком обладают точки A' и C' (см. фиг. 5б). Поэтому для распознавания требуется дополнительный признак, характерный только для точек I и D. Этим признаком является временной интервал, в котором присутствуют точки I и D и отсутствуют точки А и С. Этот интервал можно определить следующим образом. Известно, что у различных людей и при различной частоте пульса достаточно стабильными сохраняются координаты точек С и I относительно точки А по временной оси, т.е. t_С, t_I ≈ const. Но точку А распознать тяжело, поэтому предлагается распознавать точку В, которая имеет особенный признак максимальное значение производной на участке периода одного пульсового удара. Координата точки В приблизительно равна t_B ≈ t_C/2 Теперь, зная координату точки В, можно сформировать импульс такой длительности и таким образом задержанный относительно точки В, что в интервале его существования будут присутствовать только точки I и D. Иначе говоря, этот импульс будет определять "окно", в котором разрешен поиск точек I и D. Начало этого "окна" t_нач. должно соответствовать условию t_C < t_нач < t_I Обозначив задержку t_нач. относительно точки В как Т_з, вышеприведенное условие преобразуют следующим образом: t_C < t_B + Т_з < t_I t_C t_B < Т_з < t_I t_B Известно, что для разных случаев t_C ≈ 130 мс и t_I ≈ 315 мс, тогда вышеприведенное условие определится как:
65 (мс) < Т_з < 250 (мс)
В данном устройстве, например, выбрано Т_з 150 мс. Координата окончания "окна" t_кон. должна обеспечивать выполнение следующего условия
t_кон. > t_D На практике это обеспечивается, если
t_кон. ≈ t_нач. + 200 мс Работа устройства осуществляется по функциональной схеме (см. фиг. 1). Для выделения производной пульсового сигнала предназначен дифференциатор (ДИФ) 2. Детектор нуля (ДН) 4 вырабатывает на первом и втором выходе короткие (около 2 мс) импульсы (см. фиг. 5г) в моменты времени t_I и t_D, соответствующие точкам перехода производной через "ноль" I и D. Эти импульсы подаются на вторые входы устройств выборки-хранения (УВХ) 6 и 7, которые в эти моменты времени производят выборку значений пульсового сигнала соответственно в точках I и D.

На второй вход ДН 4 подается импульс разрешения ИР (см. фиг. 5в), задающий "окно", в котором осуществляется поиск точек I и D. Для выработки "окна" используются формирователь синхроимпульса (ФСИ) 3 и формирователь рабочего интервала (ФРИ) 5. ФСИ 3 распознает точку В и вырабатывает синхроимпульс СИ в момент ее появления (см. фиг. 5в). ФРИ 5 по сигналу СИ вырабатывает импульс ИР в интервале t_нач. t_кон. который и задает "окно" для работы детектора "нуля" 4. Таким образом, на выходе УВХ 6 периодически выделяется амплитудное значение точки I, а на выходе УВХ 7 соответственно точки D. Эти сигналы подаются на аналоговый делитель (ДЕЛ) 8, который осуществляет деление V_D/V_I. Результат деления выводится на регистратор (РЕГ) 9. Описанное устройство представляет собой одну из возможных реализаций способа.

Таким образом, заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют расширить область применения за счет возможности определения жизнедеятельности в условиях повышенного шума.

Формула изобретения

1. Способ исследования дыхательных функций сердечно-сосудистой системы путем регистрации колебательного процесса, идущего от органов человека, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа путем определения сердечно-функционального состояния торакоабдаминального насоса, регистрируют колебательный процесс тока крови, выделяют амплитуды инцизуры и докротического зубца пульсограммы, далее рассчитывают показатель торакоабдаминального насоса

H амплитуда инцизуры пульсограммы;
H_д амплитуда дикротического зубца пульсограммы,
и при увеличении ПТН относительно исходной величины в процессе проведения лечебных мероприятий судят о состоянии функции торакоабдоминального насоса.

2. Устройство для исследования дыхательных функций сердечно-сосудистой системы, содержащее соединенные последовательно датчик и блок предварительной обработки, а также регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в него введены соединенные последовательно дифференциатор, формирователь синхроимпульсов, формирователь рабочего интервала, детектор нуля, первый блок выборки-хранения и делитель, выход которого соединен с входом регистратора, второй блок выборки-хранения, выход которого подключен к второму входу делителя, а первый вход к второму выходу детектора нуля, вход которого соединен с выходом дифференциатора, вход которого подключен к выходу блока предварительной обработки и вторым входам первого и второго блоков выборки-хранения.