Способ выявления альтернаций т-зубца электрокардиосигнала в режиме реального времени и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при контроле альтернации амплитудно-временных параметров Т-зубца электрокардиосигнала от кардиоцикла к кардиоциклу и их анализе для выявления отклонений от нормы. Способ характеризуется последовательностью следующих действий. Электрокардиосигнал (ЭКС) фильтруют, корректируют дрейф изолинии, дискретизируют по времени, в каждом кардиоцикле выделяют опорную точку, в движущемся временном окне формируют значения мощности Р сигнала и значения спектральных коэффициентов в базисе функций Уолша W0, W1, и W3. В момент совпадения временного окна с Т-зубцом ЭКС запоминают значения спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, определяющие параметры формы Т-зубца текущего кардиоцикла, для каждых двух следующих друг за другом кардиоциклов формируют значения разностей спектральных коэффициентов ΔW0, AW1, и AW3 между запомненными текущими и предыдущими значениями W0, W1, и W3, сравнивают значения разностей ΔW0, ΔW1, и ΔW3 с пороговыми уровнями и в случае превышения какой-либо из разностей соответствующего порогового уровня фиксируют наличие альтернации Т-зубца. Устройство содержит блок формирования электрокардиосигнала, блок первичной обработки электрокардиосигнала, блок дискретизации, блок выделения опорной точки, блок запоминания дискретных отсчетов ЭКС, блок определения мощности данной совокупности запомненных отсчетов, блоки запоминания текущего и предыдущего значения мощности, блок сравнения текущего и предыдущего значения мощности, блок формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, блок запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, блок запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, блок формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, блок памяти пороговых уровней и блок сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, выход которого является выходом устройства. Изобретения обеспечивают повышение достоверности выявления альтернаций вне зависимости от закона изменения параметров формы Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при контроле альтернации амплитудно-временных параметров Т-зубца электрокардиосигнала (ЭКС) от кардиоцикла к кардиоциклу и их анализе для выявления отклонений от нормы. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности выявления изменений параметров формы Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу.

Ишемическая болезнь сердца (ИБС) остается важной проблемой в кардиологии. Известно, что одной из наиболее частых причин смерти у больных с ИБС является внезапная сердечная смерть (ВСС). При этом степень риска развития ВСС у пациентов не одинакова. По существующим сейчас представлениям немаловажное место в оценке неблагоприятного исхода занимают возможности инструментальных методов исследования. Альтернация Т зубца ЭКС является неинвазивным тестом, использование которого позволяет получить важную информацию о предрасположенности пациента к развитию жизнеопасных аритмий [1].

Понятие «электрическая альтернация» характеризует наличие морфологической разнородности электрокардиографических комплексов. Альтернация Т-зубца - изменение формы, полярности или амплитуды Т-зубца в нескольких следующих друг за другом кардиоциклах (фиг.1). Электрическая альтернация является признаком электрической нестабильности сердца, которая развивается при изменении процессов реполяризации.

В зависимости от возможности визуального контроля альтернацию условно подразделяют на макроальтернацию и микроальтернацию.

Известен способ [2], при котором макроальтернация оценивается по стандартной ЭКГ и при проведении статических нагрузочных проб по динамике непрерывно регистрируемой электрокардиограммы. Критериями наличия альтернации являются изменения амплитуды, полярности и формы ST-сегмента и Т-зубца.

Недостатками данного способа являются:

1. Макроальтерация не является надежным диагностическим признаком, в то время как микроальтерация оказалась высокоспецифичным и чувствительным признаком для выявления риска аритмических осложнений (желудочковой тахикардии и внезапной смерти).

2. В то же время на основании электрокардиограммы, регистрируемой на бумажном носителе, невозможно выявить признаки микроальтернации Т-зубца.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения альтернации Т-зубца [3], основанный на анализе ЭКС в частотной области и предположении, что амплитуда Т-зубца при наличии альтернации медленно изменяется по синусоидальному закону с частотой, совпадающей с частотой альтернации по амплитуде и фазе. Способ заключается в том, что сформированный электрокардиосигнал фильтруют, корректируют дрейф изолинии, дискретизируют, выделяют в каждом кардиоцикле вершину R-зубца, принимаемую за опорную точку, отрезок ЭКС, находящийся от 60 мс до 290 мс от этой точки, полагают участком, принадлежащим Т-зубцу. Этот отрезок для каждого из кардиоциклов делится на интервалы длительностью 10 мс, и в каждом из интервалов вычисляется площадь между ЭКС и изоэлектрической линией. Полученные значения фильтруют с помощью фильтра Баттерворта 16 порядка с целью демодуляции и подавления высокочастотных изменений Т-зубца. К полученному сигналу применяют метод спектрального анализа и, в случае обнаружения в спектре сигнала составляющей на частоте, близкой к 0.5 от частоты сердечных сокращений (ЧСС), делают вывод о наличии альтернации.

Недостатками данного способа являются следующие.

1. Предположение, что амплитуда Т-зубца при наличии альтернации изменяется по синусоидальному закону, приводит к методической погрешности выявления альтернации, обусловленной тем, что в действительности закон изменения амплитуды Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу при альтернации имеет характер, отличающийся от синусоидального. При этом оказывается невозможным обнаружить альтернации Т-зубца с частотами, отличающимися от 0.5 ЧСС.

2. Известным способом может быть определена только альтернация амплитуды Т-зубца, и не могут быть выявлены альтернации таких диагностически важных параметров, как наличие и направление наклона Т-зубца относительно изолинии, наличие и выраженность выгнутости или вогнутости Т-зубца, изменение знака Т-зубца.

Предлагаемый способ позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить достоверное выявление альтернаций Т-зубца, в том числе и микроальтернаций, в режиме реального времени.

Установлена однозначная взаимосвязь между параметрами формы элементов электрокардиосигнала и спектральными коэффициентами разложения элемента ЭКС в базисе функций Уолша, упорядоченных по Пэли [5, 6]. Таким образом, значениями спектральных коэффициентов могут служить интегральными информативными признаками параметров формы элементов ЭКС. При этом спектральный коэффициент для нулевой составляющей WO отражает степень смещения элемента относительно нулевой (изоэлектрической) линии, коэффициент для первой составляющей W1 - наличие и направление наклона относительно изолинии, коэффициент для третьей составляющей W3 - наличие и выраженность выгнутости или вогнутости элемента. Таким образом, набор из трех значений спектральных составляющих W0, W1 и W3 позволяет количественно охарактеризовать основные параметры формы элемента электрокардиосигнала, в том числе и Т-зубца. На фиг.2 представлены различные варианты формы Т-зубца и количественно и качественно характеризующий их набор спектральных коэффициентов. В случае, если Т-зубец симметричен относительно точки середины интервала существования Тс между началом Тн и окончанием Тк Т-зубца (фиг.2, а, б), то значения и знак W0 отражают амплитуду и положение Т-зубца относительно изоэлектрической линии, а значения и знак W3 - выраженность и характер выпуклости или вогнутости. Спектральный коэффициент W1 в этом случае равен нулю. Если же вершина Т-зубца смещена относительно центра интервала (фиг.2, в, г), то знак и значение спектрального коэффициента W1 позволяют оценить направление и выраженность смещения. Значение и знак W3, как и в предыдущем случае, оценивают выраженность и характер выпуклости или вогнутости.

Сравнение между собой значений спектральных коэффициентов W0, W1 и W3, вычисленных на интервале существования Т-зубца для двух следующих друг за другом кардиоциклов позволяет выявить любые значимые изменения формы Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу, то есть установить факт наличия альтернации.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В каждом кардиоцикле выделяют отсчет сигнала (опорную точку), соответствующий началу ST-сегмента, и запоминают N отсчетов ЭКС, следующих после отсчета, соответствующего опорной точке. При этом число N определяют из условия

где T_Tmin - минимально возможная длительность зубца Т,

Δt - период дискретизации ЭКС,

m - целое число, кратное четырем,

int(а/b) - означает взятие целого от деления а на b.

По значениям N запомненных отсчетов формируют в базисе функций Уолша спектральные коэффициенты W0, W1, и W3, соответствующие нулевой, первой и третьей функциям Уолша, а также определяют мощность Р данной совокупности N отсчетов, запоминают полученное текущее значение мощности Р. Далее на каждом очередном шаге дискретизации исключают из совокупности N запомненных отсчетов ЭКС первый (ближайший к опорной точке) и добавляют очередной (N+1)-й отсчет, формируя этим новую совокупность N отсчетов, которые запоминают и по значениям этих отсчетов формируют новые текущие значения спектральных коэффициентов W0, W1, W3 и определяют мощность Р данной новой совокупности N отсчетов. Сравнивают полученное текущее значение мощности с предыдущим значением, полученном на предыдущем шаге дискретизации, в случае, если текущее значение мощности оказывается меньше предыдущего, формируют сигнал, разрешающий запоминание текущих значений спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, определяющих параметры формы Т-зубца (постоянную составляющую, смещение максимального значения Т-зубца относительно его середины и выраженность квадратичности) текущего кардиоцикла. Для каждых двух следующих друг за другом кардиоциклов формируют значения разностей спектральных коэффициентов ΔW0, ΔW1, и ΔW3 между запомненными текущими и предыдущими значениями W0, W1, и W3. Сравнивают значения разностей ΔW0, ΔW1, и ΔW3 с пороговыми уровнями и в случае превышения какой-либо из разностей соответствующего порогового уровня фиксируют наличие альтернаций Т-зубца.

Операция выделения опорной точки, то есть отсчета электрокардиосигнала, определяющего начало ST-сегмента может быть реализована на основе действий и устройств, описанных в [7].

Выбор числа N запоминаемых отсчетов сигнала обусловлен следующим. Интегральными информативными признаками параметров формы Т-зубца служат значениями спектральных коэффициентов разложения анализируемого сигнала в базисе функций Уолша, упорядоченных по Пэли. Для дискретного представления сигнала при его спектральном преобразовании используются дискретные функции Уолша, в нашем случае это три упорядоченные по Пэли функции W0(j), W1(j), W3(j) (показаны пунктиром на фиг.4). Отсюда следует, что минимальное число дискретных отсчетов, которыми представлены упомянутые выше функции, равно четырем. В общем случае число дискретных отсчетов m, описывающих три указанные дискретные функции Уолша, должно быть кратно четырем. Поскольку увеличение числа отсчетов, которыми описываются дискретные функции, увеличивают вычислительные затраты при определении спектральных коэффициентов разложения сигнала в рассматриваемом базисе, то при практической реализации способа для определения числа N отсчетов сигнала целесообразно принять m=4.

Минимальное число дискретных отсчетов, которыми можно представить после дискретизации ЭКС Т-зубец определяется отношением минимальной длительности Т-зубца T_Tmin к периоду дискретизации Δt. Так как число N дискретных отсчетов может быть только целым числом и, в соответствии с вышеизложенным, кратно четырем, то оно должно определяться из условия

где T_Tmin - минимально возможная длительность зубца Т,

Δt - период дискретизации ЭКС,

m - целое число, кратное четырем,

int(a/b) - означает взятие целого от деления а на b.

Например, для частоты дискретизации 250 отсчетов/с, стандартной для записи ЭКС, что соответствует Δt=4 мс, и T_T=132 мс значение N составит:

N дискретных отсчетов ЭКС, отстоящих один от другого на расстоянии периода дискретизации Δt, образуют временное окно длительностью Δt·N (фиг.3, а), в котором и будет производиться формирование спектральных коэффициентов W0, W1, W3.

Установлено [8], что сужение временного интервала, на котором вычисляются значения спектральных коэффициентов, относительно границ элемента электрокардиосигнала не оказывает влияния на качественный характер спектра, в отличие от случая, когда длительность временного окна превышает длительность элемента. Таким образом, выбор ширины временного окна, близкой к минимальному значению длительности зубца Т, является предпочтительным и универсальным в случае естественной вариабельности длительности Т-зубца у различных пациентов.

По амплитудным значениям u_i запомненных N отсчетов на каждом k-м шаге дискретизации формируют спектральные коэффициенты W0, W1, W3, используя операции суммирования и усреднения по N:

Аналогично определяют мощность данной совокупности N отсчетов

Возможные варианты реализации операции формирования спектральных коэффициентов W0, W1, W3 приведены в [6].

Таким образом, на каждом очередном шаге дискретизации электрокардиосигнала формируются изменяющиеся во времени значения функций, представляющих собой значение мощности Р совокупности N отсчетов во временном окне длительностью Δt·N (фиг.3, б) и значения спектральных коэффициентов W0, W1, W3, вычисленных во временном окне той же длительности (фиг.3, в, г, д). В момент времени, когда положение временного окна совпадает Т-зубцом (фиг.3, а), функция Р достигает локального максимума P_Tmax. Значения спектральных коэффициентов W0, W1 и W3 в этот момент времени плюс-минус один период дискретизации Δt наиболее точно характеризуют параметры формы Т-зубца в текущем кардиоцикле, поэтому их и запоминают для последующего сравнения одноименных спектральных коэффициентов в соседних кардиоциклах и формирования значений разностей ΔW0, ΔW1 и ΔW3.

Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выявить факт наличия альтернации не только амплитуды, но и параметров формы Т-зубца вне зависимости от закона их изменения от кардиоцикла к кардиоциклу.

Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:

- фиг.5 - структурная схема устройства, реализующего предложенный способ,

- фиг.6 - вариант реализации блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС,

- фиг.7, фиг.8 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Для достижения технического эффекта, заключающегося в расширении возможных вариантов альтернаций Т-зубца, которые могут быть выявлены в режиме реального времени, и в повышении достоверности выявления этих альтернаций вне зависимости от закона изменения параметров формы Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу, и реализации предложенного способа в устройство, содержащее последовательно соединенные блок формирования электрокардиосигнала, блок первичной обработки электрокардиосигнала, осуществляющий фильтрацию ЭКС и коррекцию дрейфа изолинии, блок дискретизации, введены блок выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, блок запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, блок определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов, блок запоминания текущего значения мощности P_j, блок запоминания предыдущего значения мощности P_j-1, блок сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1, блок формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, блок запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, блок запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, блок формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, блок памяти пороговых уровней и блок сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, причем выход блока дискретизации соединен с входом блока выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента и первым входом блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, выход блока выделения опорной точки подключен к второму входу блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, выход которого соединен с входами блока определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов и блока формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, W3, выход блока определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов соединен с входом блока запоминания текущего значения мощности P_j, выход которого подключен к входу блока запоминания предыдущего значения мощности P_j-1 и к первому входу блока сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1, второй вход указанного блока соединен с выходом блока запоминания предыдущего значения мощности P_j-1, выход блока формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, W3 соединен с первым входом блока запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, выход которого подключен первому к входу блока запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла и к первому входу блока формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, второй вход последнего соединен с выходом блока запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, вторые входы блоков запоминания спектральных коэффициентов текущего и предыдущего кардиоциклов и третий вход блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС подключены к выходу блока сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1, выход блока формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов соединен с первым входом блока сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, второй вход которого подключен к блоку памяти пороговых уровней, выход блока сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями является выходом устройства.

Устройство состоит (фиг.5) из блока 1 формирования электрокардиосигнала, блока 2 первичной обработки электрокардиосигнала, осуществляющего фильтрацию ЭКС и коррекцию дрейфа изолинии, блока 3 дискретизации, блока 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, блока 6 определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов, блока 7 запоминания текущего значения мощности P_j, блока 8 запоминания предыдущего значения мощности P_j-1, блока 9 сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1, блока 10 формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, блока 11 запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, блока 12 запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, блока 13 формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, блока 14 памяти пороговых уровней и блока 15 сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями.

Блок 1 формирования электрокардиосигнала формирует сигнал одного из стандартных электрокардиографических отведений. Для выявления альтернаций Т-зубца обычно используют II-е стандартное отведение. Выход блока 1 формирования электрокардиосигнала подключен к входу блока 2 первичной обработки электрокардиосигнала, выход которого соединен с входом блока 3 дискретизации, выход последнего подключен к входу блока 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, и к первому входу блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, выход блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС соединен с входами блока 6 определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов и блока 10 формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, выход блока 6 определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов подключен к входу блока 7 запоминания текущего значения мощности P_j, выход которого соединен с входом блока 8 запоминания предыдущего значения мощности P_j-1 и с первым входом блока 9 сравнения текущего значения мощности Р, и предыдущего значения мощности P_j-1, второй вход которого подключен к выходу блока 8 запоминания предыдущего значения мощности P_j-1, выход блока 9 сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1 соединен с третьим входом блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС и со вторыми входами соответственно блока 11 запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла и блока 12 запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, первый вход блока 11 запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла подключен к выходу блока 10 формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3, а выход соединен с первым входом блока 12 запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла и первым входом блока 13 формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, второй вход последнего подключен к выходу блока 12 запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, а выход - к первому входу блока 15 сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, второй вход которого соединен с выходом блока 14 памяти пороговых уровней, выход блока 15 сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями является выходом устройства.

Блок 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента может быть выполнен на основе устройства, описанного в [7].

Один из возможных вариантов реализации блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС показан на фиг.6. Он состоит из формирователя импульсов «Пуск» 16, АЦП 17, регистрового запоминающего устройства 18, логического элемента И 19 и счетного триггера 20. Аналоговый вход АЦП 17 и вход формирователя 16 импульсов «Пуск» соединены между собой и являются входом 1 блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, который соединен с выходом блока 3 дискретизации. Второй вход блока 5 (обозначен как Вход 2 на фиг.6) запоминания N дискретных отсчетов ЭКС соединен с первым входом логического элемента И 19 и входом R установки нуля счетного триггера 20, вход 3 блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС соединен с вторым входом логического элемента И 19. Разрядные выходы АЦП 17 соединены с входами данных D регистрового запоминающего устройства 18. Выход АЦП 17 «Готовность данных» соединен с входом С (Запись) регистрового запоминающего устройства 18. Выход логического элемента И 19 соединен со входом С (Счетный вход, срабатывающий по фронту) счетного триггера 20. Выход счетного триггера 20 соединен со входом R (Установка нуля) регистрового запоминающего устройства 18. Разрядные выходы регистрового запоминающего устройства являются выходом блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС.

Блок 10 формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, и W3 может быть выполнен на основе устройства, описанного в [6].

Устройство работает следующим образом. Блок 1 формирования электрокардиосигнала (фиг.5) формирует сигнал одного из стандартных электрокардиографических отведений, например II-го. Этот сигнал в блоке 2 первичной обработки электрокардиосигнала фильтруется с целью ослабления влияния флуктуационных помех и помехи промышленной частоты. Здесь же осуществляется коррекция дрейфа изолинии, то есть устраняется низкочастотная аддитивная помеха с помощью фильтра высоких частот или путем выделения сигнала дрейфа изолинии с помощью сплайн-аппроксимации с последующим вычитанием полученного сигнала из исходного электрокардиосигнала [9]. Очищенный от действия помех электрокардиосигнал (фиг.1) поступает на вход блока 3 дискретизации, где преобразуется в совокупность дискретных отсчетов, следующих с периодом дискретизации Δt (на фиг.7, а показан фрагмент ЭКС, включающий ST-сегмент и Т-зубец).

С выхода блока 3 дискретизации дискретные отсчеты ЭКС поступают на вход блока 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, и на первый вход блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС (фиг.5).

Отсчеты ЭКС, принимаемые за опорные точки в каждом кардиоцикле и соответствующие началу ST-сегмента, показаны в виде точек на фиг.8, а. На выходе блока 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, формируются сигналы (фиг.8, б), обеспечивающие разрешение (например, подачей импульса низкого потенциала (фиг.8, б) на второй вход блока 5) запоминания поступающих на первый вход блока 5 дискретных отсчетов ЭКС.

В блоке 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС осуществляются запоминание N отсчетов ЭКС и операции исключения на каждом очередном шаге дискретизации из числа запомненных отсчетов ЭКС ближайшего к опорной точке отсчета и добавления очередного, вновь сформированного отсчета. Поскольку более удобно запоминать цифровые сигналы, на входе блока 5 может быть включен аналого-цифровой преобразователь 17, выполненный, например, на микросхеме 1113ПВ1 (фиг.6). Запоминание N значений дискретных отсчетов ЭКС осуществлено с помощью сдвигающего регистрового запоминающего устройства 18.

Работа блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС заключается в следующем. АЦП 17 на каждом очередном шаге дискретизации включается в режим преобразования сигналом «Пуск», сформированным из дискретных отсчетов ЭКС формирователем 16, и преобразует значение каждого из отсчетов ЭКС, поступающих из блока 3, в двоичный код. Разрядные выходы АЦП 17 подключены к соответствующим входам данных (D) регистрового запоминающего устройства 18. Запись данных в регистровое запоминающее устройство осуществляется при наличии высокого потенциала на входе R сигналом с выхода «Готовность» АЦП 17 «Конец преобразования». Первым в регистровое запоминающее устройство 18 в ячейку с номером 1 записывается двоичный код отсчета ЭКС, расположенного первым после точки, соответствующей началу ST-сегмента (опорной точки). На каждом очередном шаге дискретизации этот код продвигается по регистровому запоминающему устройству из ячейки в ячейку. После заполнения всех N ячеек регистрового запоминающего устройства 18 в ячейке с номером N будет записан двоичный код отсчета ЭКС, расположенного ближе к опорной точке, чем отсчеты, коды которых записаны в ячейки с номерами N-1, N-2, …, 1. Для вычисления мощности в блоке 6 и спектральных коэффициентов в блоке 10 будут использоваться коды N отсчетов, хранящиеся в ячейках с номерами N, N-1, N-2, …, 1. На каждом очередном шаге дискретизации в ячейку регистрового запоминающего устройства с номером 1 будет записан код очередного отсчета ЭКС, содержимое каждой ячейки переместится в соседнюю ячейку, а из регистрового запоминающего устройства будет исключен хранившийся в ячейке с номером N код ближайшего к началу кардиоцикла отсчета ЭКС.

В блоке 6 определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов значения каждого запомненного отсчета, поступающего с выхода блока 5 запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, возводятся в квадрат, суммируются, и полученная сумма делится на число отсчетов N. Этим обеспечивается определение мощности Р текущей совокупности N отсчетов.

Значение полученной мощности Р запоминается в блоке 7 и используется в дальнейшем как текущее значение мощности P_j. На следующем шаге дискретизации сигнал с выхода блока 7 запоминания текущего значения мощности P_j поступает на вход блока 8, где запоминается уже как предыдущее значение мощности P_j-1. Сигналы с выходов блоков 7 и 8 запоминания текущего P_j и предыдущего P_j-1 значений мощности совокупностей N отсчетов поступают соответственно на первый и второй входы блока 9 сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1. Форма зубца Т изменяется во времени монотонно, поэтому функция мощности Р, определяемая на каждом шаге дискретизации в скользящем окне постоянной длительности Δt·N, является унимодальной (фиг.7, б).

Параллельно с определением мощности Р из той же совокупности N отсчетов на каждом шаге дискретизации в блоке 10 формируются спектральные коэффициенты в базисе функций Уолша. Значения данных коэффициентов, изменяющиеся на каждом шаге дискретизации, условно показаны на фиг.7, в. Сигналы, характеризующие сформированные спектральные коэффициенты, с выхода блока 10 поступают на первый вход блока 11 запоминания. При этом запоминание спектрального коэффициента разрешается только в момент времени, когда текущее мощности P_j впервые становится меньше предыдущего значения P_j-1. Данный момент времени отстоит на один шаг дискретизации Δt от момента достижения функцией мощности Р локального максимума, обусловленного тем, что текущие N отсчетов образует временное окно, положение которого совпадает с положением Т-зубца. В момент времени, когда очередное значение мощности N отсчетов P_j впервые становится меньше предыдущего значения P_j-1 (на фиг.7, б, г отсчет P_j показан выделением) на выходе блока 9 формируется сигнал низкого уровня (фиг.8, в), который поступает на второй вход блока 11 запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла и на второй вход блока 12 запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла. При появлении сигнала низкого уровня значения W0, W1, и W3 с выхода блока 11 запоминаются в блоке 12 как значения спектральных коэффициентов для предыдущего кардиоцикла, после чего в блоке 11 запоминаются новые текущие значения W0, W1, и W3 с выхода блока 10 (на фиг.7, в, д запоминаемые отсчеты показаны выделением).

Максимум мощности Р, обусловленный совпадением локализации временного окна с положением Т-зубца, является локальным (фиг 3, б). Для того чтобы исключить возможность формирования на выходе блока 9 импульса низкого потенциала в другие моменты времени (например, при достижении локального максимума, обусловленного появлением QRS-комплекса следующего кардиоцикла), в устройстве может быть реализована процедура, разрешающая поиск локального максимума только на интервале ST-T и запрещающая поиск на других участках кардиоцикла. Вариант реализации данной функции на основе логического элемента И 19 и счетного триггера 20 представлен на фиг.6.

Вход R (Установка нуля) регистрового запоминающего устройства 18 предназначен для разрешения считывания данных с его выхода или обнуления содержимого запоминающего устройства. Значение R=1 переводит регистровое запоминающее устройство в режим разрешения считывания, при R=0 содержимое регистрового запоминающего устройства сбрасывается и на выходе появляется код, состоящий из нулей. В момент выделения опорной точки на выходе блока 4 выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, формируется импульс низкого потенциала (фиг.8, б), поступающий на первый вход логического элемента И 19 и на вход R установки нуля триггера 20. Таким образом, в момент выделения начала ST-сегмента в каждом кардиоцикле триггер 20 устанавливается в состояние «Ноль» (фиг.8, д). Элемент И 19 для сигналов низкого уровня выполняет логическую функцию ИЛИ. Сигнал на выходе элемента И 19 (фиг.8, г) задерживается относительно сигнала, соответствующего началу ST-сегмента (фиг.8, б). По нарастанию фронта импульса на выходе логического элемента И 19 (фиг.8, г) счетный триггер 20 меняет состояние и формирует сигнал высокого уровня (фиг.8, д), поступающий на вход R регистрового запоминающего устройства 18 и разрешающий запись данных в запоминающее устройство и считывание данных с его выхода. При этом формируются значения мощности сигнала в блоке 6 и спектральных коэффициентов W0, W1 и W3 в блоке 10 на каждом шаге дискретизации.

В момент времени, когда текущее мощности P_j становится меньше предыдущего значения P_j-1, на выходе блока 9 формируется импульс низкого уровня (фиг.8, в), который поступает на второй вход логического элемента И 19. Длительность импульса должна быть достаточной для того, чтобы до момента его окончания было выполнено запоминание значений W0, W1, и W3 предыдущего кардиоцикла в блоке 12 и значений W0, W1, и W3 текущего кардиоцикла в блоке 11. По нарастанию фронта импульса на выходе логического элемента И 19 (фиг.8, г) счетный триггер 20 меняет состояние и формирует сигнал низкого уровня, поступающий на вход R регистрового запоминающего устройства, при котором выходные сигналы на выходах последнего имеют нулевые значения до прихода следующего разрешающего импульса с выхода блока 4 (фиг.8, д). В очередном кардиоцикле сигналом низкого уровня (фиг.8, б), соответствующим началу ST-сегмента, подтверждается нулевое состояние счетного триггера 20, и далее повторяется процесс формирования сигнала разрешения работы запоминающего устройства (фиг.8, д).

Таким образом, после запоминания текущих значений спектральных коэффициентов W0, W1 и W3 на выходах блоков 6 (фиг.7, г) и 10 (фиг.7, д) будут удерживаться нулевые значения до момента обнаружения опорной точки, соответствующей началу ST-сегмента в следующем кардиоцикле.

В блоке 13 производится формирование разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 между текущими и предыдущими значениями спектральных коэффициентов W0, W1 и W3 для двух следующих друг за другом кардиоциклов. Полученные значения разностей поступают на первый вход блока 15 сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, второй вход которого соединен с выходом блока 14 памяти пороговых уровней. Значения пороговых уровней могут быть заданы в соответствии с медицинскими рекомендациями, приведенными в [2]. В случае превышения какой-либо из разностей соответствующего порогового уровня на выходе блока 15, являющегося выходом устройства, формируется сигнал, свидетельствующий о наличии альтернации в текущем кардиоцикле.

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в расширении возможных вариантов альтернаций Т-зубца, которые могут быть выявлены в режиме реального времени, и в повышении достоверности выявления этих альтернаций вне зависимости от закона изменения параметров формы Т-зубца от кардиоцикла к кардиоциклу, что в свою очередь обеспечивает более качественное диагностирование заболеваний сердечно-сосудистой системы человека, позволяющее оказывать адекватные терапевтические воздействия на пациента, у которого выявлена возможность возникновения жизнеопасных аритмий.

Литература

1. Радзевич А.Э., Попов В.В., Князева М.Ю. Значение турбулентности сердечного ритма и альтернации Т-волны в диагностике электрической нестабильности миокарда // Российский кардиологический журнал, №5, 2006. с.93-99.

2. Попов В.В., Буланова Н.А., Князева М.Ю., Радзевич А.Э. Современные подходы к оценке электрической нестабильности миокарда у больных с ишемической болезнью сердца // Медицина, №2, 2006. с.11-14.

3. United States Patent 5,560,370. Verrier, et al. Method and apparatus for prediction of cardiac electrical instability by simultaneous assessment of T-wave altemans and QT interval dispersion. October 1, 1996.

4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982. С.187-189.

5. O.V.Melnik New integrated methods of elements of electrocardiosignal morphology parameters estimation // ESBME 2006 Proceedings, S5.12

6. Патент РФ №2242164, А61В 5/0402 В 5/0452. Способ выявления информативных параметров ST-сегмента и устройство для его осуществления.

7. Патент РФ №2261653, А61В 5/0402 В 5/0452. Способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени и устройство для его осуществления.

8. Мельник О.В., Михеев А.А. Оценка достоверности спектральных показателей формы ST-сегмента с учетом характера выбора временного окна преобразования // Международная научно-техническая конференция «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Материалы конференции. Рязань, 2003 г.

9. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ / А.Л.Барановский, А.Н.Калиниченко, Л.А.Манило и др.: Под ред. А.Л.Барановского и А.П.Немирко. М.: Радио и связь. 1993. С.194-204.

1. Способ для выявления альтернаций Т-зубца электрокардиосигнала в режиме реального времени, заключающийся в том, что электрокардиосигнал (ЭКС) фильтруют, корректируют дрейф изолинии, дискретизируют по времени, отличающийся тем, что в каждом кардиоцикле выделяют опорную точку, соответствующую началу ST-сегмента, запоминают N отсчетов ЭКС, следующих после отсчета, соответствующего опорной точке, при этом число N определяют из условия
,
где T_tmin - минимально возможная длительность зубца Т;
Δt - период дискретизации ЭКС;
m - целое число, кратное четырем;
int(a/b) - означает взятие целого от деления а на b,
по значениям N запомненных отсчетов формируют в базисе функций Уолша спектральные коэффициенты W0, W1, и W3, соответствующие нулевой, первой и третьей функциям Уолша, а также определяют мощность Р данной совокупности N отсчетов, запоминают полученное текущее значение мощности Р, далее на каждом очередном шаге дискретизации исключают из совокупности N запомненных отсчетов ЭКС ближайший к опорной точке и добавляют очередной (N+1)-й отсчет, формируя этим новую совокупность N отсчетов, которые запоминают и по значениям этих отсчетов формируют новые текущие значения спектральных коэффициентов W0, W1, W3 и определяют мощность Р данной новой совокупности N отсчетов, сравнивают полученное текущее значение мощности с предыдущим значением, полученном на предыдущем шаге дискретизации, в случае, если текущее значение мощности оказывается меньше предыдущего, формируют сигнал, разрешающий запоминание текущих значений спектральных коэффициентов W0, W1 и W3, определяющих параметры формы Т-зубца для текущего кардиоцикла, для каждых двух следующих друг за другом кардиоциклов формируют значения разностей спектральных коэффициентов ΔW0, ΔW1 и ΔW3 между запомненными текущими и предыдущими значениями W0, W1 и W3, сравнивают значения разностей ΔW0, ΔW1 и ΔW3 с пороговыми уровнями и в случае превышения какой-либо из разностей соответствующего порогового уровня фиксируют наличие альтернации Т-зубца.

2. Устройство для выявления альтернаций Т-зубца электрокардиосигнала в режиме реального времени, содержащее последовательно соединенные блок формирования электрокардиосигнала, блок первичной обработки электрокардиосигнала, осуществляющий фильтрацию и коррекцию дрейфа изолинии, блок дискретизации, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента, блок запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, блок определения мощности данной совокупности запомненных N отсчетов, блок запоминания текущего значения мощности, блок запоминания предыдущего значения мощности, блок сравнения текущего значения мощности и предыдущего значения мощности, блок формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1 и W3, блок запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, блок запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, блок формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, блок памяти пороговых уровней и блок сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, причем выход блока дискретизации соединен с входом блока выделения отсчета электрокардиосигнала (опорной точки), соответствующего началу ST-сегмента и первым входом блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, выход блока выделения опорной точки подключен к второму входу блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС, выход которого соединен с входами блока определения мощности данной совокупности запомненных N отсчетов и блока формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициентов W0, W1, W3, выход блока определения мощности Р данной совокупности запомненных N отсчетов соединен с входом блока запоминания текущего значения мощности, выход которого подключен к входу блока запоминания предыдущего значения мощности и к первому входу блока сравнения текущего значения мощности и предыдущего значения мощности, второй вход указанного блока соединен с выходом блока запоминания предыдущего значения мощности, выход блока формирования в базисе функций Уолша спектральных коэффициенты W0, W1, W3 соединен с входом блока запоминания спектральных коэффициентов текущего кардиоцикла, выход которого подключен к входу блока запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла и к первому входу блока формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов, второй вход последнего соединен с выходом блока запоминания спектральных коэффициентов предыдущего кардиоцикла, вторые входы блоков запоминания спектральных коэффициентов текущего и предыдущего кардиоциклов и третий вход блока запоминания N дискретных отсчетов ЭКС подключены к выходу блока сравнения текущего значения мощности P_j и предыдущего значения мощности P_j-1, выход блока формирования значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 одноименных спектральных коэффициентов двух следующих друг за другом кардиоциклов соединен с первым входом блока сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями, второй вход которого подключен к блоку памяти пороговых уровней, выход блока сравнения значений разностей ΔW0, ΔW1, ΔW3 с пороговыми уровнями является выходом устройства.