Устройство для непрерывного слежения за деятельностью сердца

 

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам для передачи электрокардиосигналов по радиоканалам, и может быть использовано в учреждениях практического здравоохранения, в том числе и в системе скорой помощи, в системе дистанционных консультативных центров. Устройство содержит электроды, предварительный усилитель, микропроцессор, первый блок сравнения, блоки памяти верхнего и нижнего уровней, регулируемый первый пороговый блок, блок формирования сигнала тревоги, магнитный регистратор, блок звуковой сигнализации, генератор высокой частоты, амплитудный модулятор, генератор модулирующего кода, фазовый манипулятор, усилитель мощности, передающую антенну, приемную антенну, блок перестройки, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель, первую линию задержки, ключ, амплитудный ограничитель, синхронный детектор, вторую линию задержки, фазовый детектор, первый и второй измерители ширины спектра, удвоитель фазы, второй блок сравнения и второй пороговый блок. Изобретение позволяет повысить надежность дистанционного слежения за деятельностью сердца наблюдаемого человека. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к области медицинской техники, а именно к конструкции устройств для передачи электрокардиосигналов по радиоканалам, и может быть использовано в учреждениях практического здравоохранения, в том числе и в системе скорой помощи, в системе дистанционных консультативных центров.

Известны устройства для непрерывного слежения за деятельностью сердца и для диагностики заболеваний сердца (авт. свид. СССР 1827164, патент РФ 1811380).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для непрерывного слежения за деятельностью сердца" (патент РФ 1814538, А 61 В 5/04, 1990), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обеспечивает получение объективной информации о состоянии сердца наблюдаемого человека в реальных производственных условиях и об остро развивающихся сердечно-сосудистых нарушениях.

Однако стремление к получению данных о деятельности сердца наблюдаемого человека (водителя транспорта, рабочего и пациента с различными сердечно-сосудистыми нарушениями) в реальных условиях работы характерно для современной физиологии труда еще в большей мере, чем для наблюдений за спортсменом. С одной стороны, важно учитывать условия производственной сферы, в которых выполняется работа, с другой стороны, необходимо изучение не кратковременных отрезков работы, имеющих большое значение для спортсмена с его максимальным напряжением, а продолжительная производственная деятельность с учетом особенностей функциональных сдвигов в разные моменты рабочего дня и т.п. В лаборатории подобные наблюдения провести нельзя.

Во многом поставленные задачи не могут быть решены без радиоканала, он необходим там, где: а) трудовая деятельность связана со значительными перемещениями или вообще не имеется постоянного рабочего места; б) условия производства не позволяют разместить исследовательскую аппаратуру вблизи рабочего места и вести от исследуемого длинные провода к аппаратуре, установленной на определенном расстоянии от него.

Кроме того, проводная линия, ограничивая свободу передвижения исследуемого, является существенным психологическим фактором, осложняющим условия исследования и могущим исказить его результаты.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности дистанционного слежения за деятельностью сердца наблюдаемого человека.

Это достигается за счет того, что устройство для непрерывного слежения за деятельностью сердца, содержащее последовательно включенные электроды и предварительный усилитель, микропроцессор, последовательно соединенный с блоком формирования сигнала тревоги, подключенным к блоку звуковой сигнализации и магнитному регистратору, при этом микропроцессор выполнен в виде первого блока сравнения, блоков памяти верхнего и нижнего уровней и регулируемого первого порогового блока, выход которого является выходом микропроцессора, входом которого является вход первого блока сравнения, который подключен соответственно к блокам памяти верхнего и нижнего уровней и к первому пороговому блоку, снабжено амплитудным модулятором, генератором высокой частоты, генератором модулирующего кода, фазовым манипулятором, усилителем мощности, передающей и приемной антеннами, смесителем, гетеродином, усилителем промежуточной частоты, блоком перестройки, обнаружителем, двумя линиями задержки, ключом, амплитудным ограничителем, синхронным и фазовыми детекторами, причем к выходу предварительного усилителя последовательно подключены амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилитель мощности и передающая антенна, к приемной антенне последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты и обнаружитель, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, вход гетеродина соединен с выходом блока перестройки, вход которого соединен с выходом обнаружителя, к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом синхронного детектора.

Кроме того, электроды в устройстве выполнены с возможностью прикрепления к биполярным грудным отведениям. Это позволяет повысить помехоустойчивость путем снижения помех, обусловленных физиологическими причинами.

Для повышения помехоустойчивости за счет стабилизации величины переходного сопротивления электроды выполнены в виде чашечных электродов, заполненных пастой с возможностью их крепления к коже пациента (креолом и дополнительно лентой лейкопластыря).

Электроды могут быть выполнены также в виде жидкостных электродов-присосок.

Кроме того, обнаружитель устройства выполнен в виде последовательно включенных удвоителя фазы, измерителя ширины спектра второй гармоники, второго блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом измерителя ширины спектра сигнала, и второго порогового блока, управляющий вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом обнаружителя, при этом входы удвоителя фазы и измерителя ширины спектра сигнала объединены и являются входом обнаружителя.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1 и 2. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг.3.

Устройство содержит последовательно включенные электроды 1, предварительный усилитель 2, амплитудный модулятор 12, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 высокой частоты, фазовый манипулятор 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 модулирующего кода, усилитель мощности 15 и передающую антенну 16, последовательно включенные приемную антенну 17, смеситель 20, второй вход которого через гетеродин 19 соединен с выходом блока 18 перестройки, управляющий вход которого подключен к выходу обнаружителя 22, усилитель 21 промежуточной частоты, обнаружитель 22, второй вход которого через первую линию задержки 23 соединен с его выходом, ключ 24, второй вход которого соединен с выходом усилителя 21 промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 25 и синхронный детектор 26, второй вход которого соединен с выходом ключа 24, микропроцессор 3, блок 8 формирования сигнала тревоги и блок 10 звуковой сигнализации, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя 25, линию задержки 27, фазовый детектор 28, второй вход которого соединен с выходом ключа 24, и магнитный регистратор 9, второй и третий входы которого соединены с выходами блока 8 формирования сигнала тревоги и синхронного детектора 26 соответственно. Обнаружитель 22 содержит последовательно включенные удвоитель фазы 30, второй измеритель 31 ширины спектра, второй блок 32 сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого измерителя 29 ширины спектра, и второй пороговый блок 33, управляющий вход которого соединен с выходом первой линии задержки 23, а выход является выходом обнаружителя 22, при этом входы первого измерителя 29 ширины спектра и удвоителя фазы 30 объединены и являются входом обнаружителя 22.

В качестве блока перестройки используется, как правило, генератор пилообразного напряжения. Его назначением является изменение частоты гетеродина 19 по линейному закону. В этом случае супергетеродинный приемник называется панорамным приемником. В ряде случаев генератор пилообразного напряжения одновременно выполняет функцию генератора развертки, формируя линейную (горизонтальную) развертку луча на экране ЭЛТ (см., например, Мартынов В.А., Селихов Ю. И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. М., "Сов. радио", 1980. с.21. рис. 1.8).

В процессе поиска частоты перестройка приемника иногда осуществляется с помощью электрического мотора, который по определенному закону согласованно изменяет настройку входной цели, усилителя высокой частоты и гетеродина. Одновременно мотор управляет устройством формирования частотной развертки на экране ЭЛТ (см. , например, Вакин С.А., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М., "Сов. радио", 1968, с.386, рис. 10.3, 10.4).

Устройство для непрерывного слежения за деятельностью сердца работает следующим образом.

Электроды 1 крепятся на наблюдаемом человеке (спортсмене, водителе транспорта, рабочем, пациенте с различными сердечно-сосудистыми нарушениями и заболеваниями и т.п.) в местах снятия ЭКГ, от которых в значительной степени зависит качество снимаемой электрокардиограммы. При этом возникают помехи, обусловленные физиологическими причинами (артефакты) и помехи, связанные с методическими моментами.

Помехи, обусловленные физиологическими причинами, зависят от биопотенциалов скелетных мышц и обычно считаются главным фактором, затрудняющим регистрацию биотоков сердца при активной мышечной деятельности. Для уменьшения указанных помех электроды 1 необходимо подключать в биполярных грудных отведениях. Это объясняется тем, что в области грудной клетки амплитуда ЭКГ имеет наибольшее значение, а грудные мышцы не принимают активного участия в двигательном процессе. Среди двухполюсных грудных отведений целесообразно использовать отведения Небо, при которых три электрода располагаются следующим образом.

Первый электрод располагается справа у места прикрепления III ребра к грудине. Второй - на уровне V ребра по левой среднеключистской линии. Третий электрод на уровне IV ребра по средней подмышечной линии слева. Система отведений Небо включает отведения: А - между первым и вторым электродами; Д - между первым и третьим электродами; I - между вторым и третьим электродами.

Достоинством этих отведений является то, что они в определенной мере отражают биопотенциалы боковой и задней стенок сердца.

Помехи второй группы, связанные с методическими моментами, в принципе более существенны, и борьба с ними играет основную роль. К ним относятся помехи двоякого рода: а) помехи от смещения электродов при толчках и сотрясения, неизбежно возникающие в динамических условиях; б) электрические помехи и искажения, имеющие подчас довольно сложную природу.

Смещение электродов вызывает помехи в связи с тем, что оно сопровождается кратковременным изменением переходного сопротивления между электродами и кожей. Помехи электрического характера многообразны, причем почти все они выражаются тем значительнее, чем больше величина сопротивления переходного контакта между электродами и кожей.

Для борьбы с методическими помехами и искажениями необходимо а) стабилизировать величину переходного сопротивления; б) сделать эту величину не только постоянной, но и возможно меньше.

Первое достигается либо применением чашечных электродов, заполняемых пастой и прикрепляемых к коже клеолом и дополнительно лентами лейкопластыря, либо использованием жидкостных электродов-присосок. Последние обеспечивают повышенную надежность в связи с тем, что крепление производится комбинированным способом (приклеиванием клеем и присасыванием), а кроме того, жидкий электролит представляет абсолютную гомогенную контактную среду, свойства которой существенно не меняются при интенсивном потоотделении исследуемого.

Второе - снижение переходного сопротивления достигается путем комплексной обработки по Водолазскому П.А., поскольку высокое электрическое сопротивление кожи обусловлено свойствами как рогового слоя эпидермиса путем протирания образивной пастой (мыльный крем с тонкомолотой пемзой в соотношении 4: 1) и последующее очищение и обезжиривание кожи смесью Никифорова (спирт и эфир в соотношении 1:1).

Регистрируемый электродами 1 кардиосигнал m(t) (фиг.3,а), пройдя через предварительный усилитель 2, поступает на первый вход амплитудного модулятора 12, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 11 высокой частоты (фиг. 3,б) U₁(t) = V₁•Cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤T₁, где V₁, ω₁, ϕ₁, T₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания.

На выходе амплитудного модулятора 12 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM) (фиг.3,в)
U₂(t) = V₂[1+m(t)]•Cos(ω₁t+ϕ₁), 0≤t≤T₁,
где V₂=1/2K₁•V₁; K₁ - коэффициент передачи амплитудного модулятора; m(t) - закон амплитудной модуляции; AM - сигнал U₂(t) поступает на первый вход фазового манипулятора 14, на второй вход которого поступает модулирующий код M(t) (фиг. 3, г), в котором в цифровом коде содержатся краткие сведения о наблюдаемом человеке, например, фамилия год рождения и т.п. На выходе фазового манипулятора 14 образуется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (AM - ФМн) (фиг.3,д)

где V₃= 1/2K₂•V₂; K₂ - коэффициент передачи фазового манипулятора; ϕ_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фаза, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3,г), причем ϕ_к(t) = const при Kτ₃<t<(R+1)τ₃ и может изменяться скачком при t = Kτ₃, т.е. на границах между элементарными посылками (K = 1, 2,..., N - 1); τ₃,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T₁(T₁= Nτ₃).
Данный сигнал после усиления в усилителе мощности 15 излучается передающей антенной 16 в эфир, принимается приемной антенной 17 и поступает на первый вход смесителя 20, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 19
U_г(t) = V_г•Cos(ω_гt+πγt²+ϕ_г), 0≤t≤T_п,
где V_г, ω_г, ϕ_г, T_п - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения; скорость изменения частоты гетеродина в заданном диапазоне частот Df.

На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 21 промежуточной частоты выделяется напряжение разностной (промежуточной) частоты

где V₄=1/2K₃•V₃•V_r; K₃ - коэффициент передачи смесителя; ω_пр = ω₁-ω_г ω_пр = ϕ₁-ϕ_г.
Это напряжение представляет собой сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией, фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (AM - ФМн - ЛЧМ). Оно поступает на вход обнаружителя 22, состоящего из первого 29 и второго 31 измерителей ширины спектра, удвоителя фазы 30 и порогового блока 33.

На выходе удвоителя фазы 30 образуется напряжение

в котором фазовая манипуляция уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью T₁ сигнала тогда как ширина спектра Δf_c принимаемого сигнала определяется длительностью τ_з его элементарных посылок т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра входного сигнала

Следовательно, при умножении фазы АМ-ФМн-ЛЧМ-сигнала на два его спектр "сворачивается" в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить АМ-ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе устройства меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_c входного сигнала измеряется с помощью измерителя 29, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью измерителя 31. Напряжения V_с и V₂, пропорциональные Δf_c и Δf₂ соответственно, с выходов измерителей 29 и 31 ширины спектра поступают на два входа блока 32 сравнения. Так как _c>>V₂, то на выходе блока 32 сравнения образуется положительный импульс, который сравнивается с пороговым напряжением V_nop в пороговом блоке 33. Пороговое напряжение V_nop превышается только при обнаружении АМ-ФМн-сигнала. При превышении порогового уровня V_nop в пороговом блоке 33 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 18 перестройки, переводя его в режим остановки, на вход линии задержки 23 и на управляющий вход ключа 24, открывая его. В исходном состоянии ключ 24 всегда закрыт.

C этого момента времени просмотр заданного диапазона частот Df и поиск АМ-ФМн-сигналов прекращается на время регистрации обнаруженного АМ-ФМн-сигнала, которое определяется временем задержки τ₁ линии задержки 23.

При прекращении перестройки гетеродина 19 усилителем 21 промежуточной частоты выделяется напряжение

которое через открытый ключ 24 поступает на входы амплитудного ограничителя 25 и синхронного детектора 26. На выходе амплитудного ограничителя 25 образуется ФМн-сигнал (фиг.3,е)

где V_о - порог ограничения, который поступает на второй вход синхронного детектора 26 и на входы линии задержки 27 и фазового детектора 28. В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 26 образуется низкочастотное напряжение
U_н1 (t) = V_н1[1+m(t)],
где V_н1=1/2K₄•V₄•V₀; K₄ - коэффициент передачи синхронного детектора,
пропорциональное исходному кардиосигналу m(t). Это напряжение поступает на вход блока 5 сравнения микропроцессора 3, в котором происходит сравнение регистрируемого сигнала конкретного пациента с установленным для нормального человека верхним и нижним предельно-допустимыми уровнями, поступающими на блок 5 сравнения с блоков 4 и 6 памяти верхнего и нижнего уровней. При отклонении значения регистрируемого сигнала за предельно-допустимые его величины срабатывает регулируемый пороговый блок 7, включая блок 10 звуковой индикации и магнитный регистратор 9. Последний осуществляет запись в течение 5-10 секунд и регистрацию патологического процесса на портативную кассету. Питание устройства осуществляется от портативного источника тока (не показано).

Линия задержки 27 и фазовый детектор 28 обеспечивают детектирование ФМн-сигнала U₅(t) (фиг.3,е) методом относительной фазовой манипуляции, который свободен от явления "обратной работы". При этом время задержки τ₂ линии задержки 27 выбирается равной длительности τ_э элементарных посылок (τ₂ = τ_э) (фиг. 3, з). В этом случае опорным напряжением для последующей элементарной посылки служит предыдущая элементарная посылка. На выходе линии задержки 27 образуется напряжение (фиг.3,з)

которое поступает на второй вход фазового детектора 28. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение (фиг.3,и)
U_н2(t) = V_н2•Cosϕ_k(t),
где V_н2=1/2K₅•V₀ ²; K₅ - коэффициент передачи фазового детектора,
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.3,г). Это напряжение фиксируется магнитным регистратором 9.

Следовательно, магнитный регистратор 9 обеспечивает регистрацию сведений о пациенте и его патологические данные о сердечно-сосудистой системе.

Время задержки τ₁ линии задержки 23 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать сведения о пациенте и его патологические данные о сердечно-сосудистой системе на магнитную кассету. По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки 23 поступает на вход сброса обнаружителя 22 (порогового блока 33) и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом блок 18 перестройки переводится в режим перестройки, а ключ 24 закрывается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. С этого момента времени просмотр заданного частотного диапазона Df и поиск АМ-ФМн-сигналов продолжается.

В случае обнаружения следующего АМ-ФМн-сигнала работа устройства происходит аналогичным образом.

Устройство может быть выполнено в модификациях, предназначенных для пациентов с различными сердечно-сосудистыми нарушениями, заболеваниями или предрасположенностями к ним (аритмии, пред- и послеинфарктное состояния, экстрасистолия, ишемическая болезнь сердца), вводится эталонная информация в микропроцессор, с которой будет осуществляться сравнение регистрируемых сигналов. Например, у больного с предрасположенностью к пароксимальной тахикардии будет отслеживаться частота сердечных циклов, в случае экстрасистолии - периодичность, число и форма экстрасистол, при ишемии миокарда программное устройство будет настроено на сравнение амплитуды, направленности и длительности зубцов и интервалов ЭКГ.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает дистанционное получение объективной информации о состоянии сердца в реальных условиях социально-производственной жизни, осуществляет индивидуализированный дистанционный контроль за деятельностью сердца конкретного пациента, оперативно оповещает о появлении ранних объективных признаков острых сердечных нарушений и, следовательно, повышает эффективность терапевтических и реабилитационных мероприятий. При этом дистанционный контроль осуществляется одновременно за деятельностью сердца нескольких пациентов, радиосигналы которых используют различные частоты и модулирующие коды, которые передают кроме кардиосигналов еще и сведения о пациентах. Устройство может быть использовано в профилактических кардиологических исследованиях, в практической работе с соответствующим контингентом, в спортивной медицине, авиакосмических полетах, в целях диагностики и предупреждения нарушений и отклонений сердечной деятельности у водителей автотранспорта.

Формула изобретения

1. Устройство для непрерывного слежения за деятельностью сердца, содержащее последовательно включенные электроды и предварительный усилитель, микропроцессор, последовательно соединенный с блоком формирования сигнала тревоги, подключенным к блоку звуковой сигнализации и магнитному регистратору, при этом микропроцессор выполнен в виде первого блока сравнения, блоков памяти верхнего и нижнего уровней и регулируемого первого порогового блока, выход которого является выходом микропроцессора, входом которого является вход первого блока сравнения, который подключен соответственно к блокам памяти верхнего и нижнего уровней и к первому пороговому блоку, отличающееся тем, что оно снабжено амплитудным модулятором, генератором высокой частоты, генератором модулирующего кода, фазовым манипулятором, усилителем мощности, передающей и приемной антеннами, смесителем, гетеродином, усилителем промежуточной частоты, блоком перестройки, обнаружителем, двумя линиями задержки, ключом, амплитудным ограничителем, синхронным и фазовыми детекторами, причем к выходу предварительного усилителя последовательно подключены амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилитель мощности и передающая антенна, к приемной антенне последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты и обнаружитель, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, вход гетеродина соединен с выходом блока перестройки, вход которого соединен с выходом обнаружителя, к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены ключ, второй вход которого соединен с выходом обнаружителя, амплитудный ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, а выход подключен ко входу микропроцессора, к выходу амплитудного ограничителя последовательно подключены вторая линия задержки и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, а выход подключен к второму входу магнитного регистратора, третий вход которого соединен с выходом синхронного детектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды прикреплены к биполярным грудным отведениям.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде чашечных электродов, заполненных пастой с возможностью их крепления к коже пациента.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде жидкостных электродов-присосок.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обнаружитель выполнен в виде последовательно включенных удвоителя фазы, измерителя ширины спектра второй гармоники, второго блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом измерителя ширины спектра сигнала, и второго порогового блока, управляющий вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом обнаружителя, при этом входы удвоителя фазы и измерителя ширины спектра сигнала объединены и являются входом обнаружителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3