Способ определения ударного объема сердца
Владельцы патента RU 2515534:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО ТГТУ (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, кардиохирургии и функциональной диагностике. Осуществляют наложение двух токовых и двух измерительных электродов на определенные участки тела. Производят регистрацию реограммы и дифференциальной реограммы. Определяют площади между изолинией и кривой реограммы слева и справа от точки реограммы, соответствующей окончанию систолы и началу диастолы левого желудочка сердца. Измеряют гемоглобин крови. При этом ударный объем сердца определяют по калибровочной характеристике отношения площадей между изолинией и кривой реограммы с функцией нормированного объема от гемоглобина крови. Способ позволяет повысить точность более чем в 3 раза на адаптивном диапазоне, априори регламентируемом нормируемыми значениями гемоглобина двух пациентов с известными значениями ударного объема сердца. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано в различных ее отраслях, таких, например, как кардиология, кардиохирургия, функциональная диагностика.
Известен способ определения ударного объема сердца [Stringer W.W., Hansen J.E., Wasserman К. Cardiac output estimated noninvasivelly from oxygen uptake during exercise // J. Appl. Physiol. 1997. - V.82. - №3. - PP.908-912], заключающийся в измерении потребления кислорода организмом в течение одной минуты, измерении содержания связанного кислорода в литре артериальной и литре смешанной венозной крови, вычислении артериовенозной разности по кислороду, делении величины потребленного кислорода за одну минуту на артериовенозную разность по кислороду, а полученную величину минутного объема кровообращения делят на частоту сердечных сокращений и получают усредненную величину ударного объема сердца при условии, что были посчитаны все сердечные сокращения в течение минуты, когда измерялось потребления кислорода организмом.
Это классический принцип измерения A. Fick, известный с 1870 г. Он безупречен по замыслу, но имеет существенный недостаток, не преодоленный до нашего времени, - это необходимость отбирать образцы артериальной и смешанной венозной крови для определения в них количества связанного газообразного кислорода или углекислого газа.
Известен способ определения ударного объема сердца [Kubicek W.G. Impedance pletysmography. United States Patent Office. Patent N 3340867, September 12, 1976], заключающийся в регистрации реограммы четырехэлектродным способом и графической экстраполяции для получения электрического эквивалента ударного объема сердца. Для этого один из двух токовых электродов размещают на лбу, а другой - на голени пациента, один из двух измерительных электродов - на шее, а второй - на грудной клетке на уровне мечевидного отростка. Измеряют расстояние (L) между измерительными электродами, регистрируют реограмму (РГ), дифференциальную РГ (ДРГ), фонокардиограмму (ФКГ) с одновременным определением базового сопротивления (Z). По кривой РГ измеряют максимальную скорость нарастания реографического сигнала () по ФКГ - интервал времени между первым и вторым тонами сердца (Т). Расчет ударного объема сердца (Q) осуществляют по градуировочной характеристике
,
где р - удельное электрическое сопротивление тканей.
Однако способ имеет малую точность определения ударного объема сердца, так как коэффициент корреляции этого способа с эталонным способом Фика составляет всего 0,31 у женщин и 0,32 у мужчин.
За прототип принят способ определения ударного объема сердца [см. Патент №2134059 (РФ), А61В 5/04, 1996], заключающийся в том, что два токовых и два измерительных электрода накладывают на определенные участки тела. Так, один из токовых электродов - на правое предплечье, а второй - в области левого плечевого сустава, один из измерительных электродов - на правый плечевой сустав, а второй - в области шестого межреберья слева по передней подмышечной линии. Регистрируют РГ, ДРГ с одновременным определением базового сопротивления (Z в Ом), затем определяют амплитуду РГ комплекса (ΔZ в Ом), местоположение точки РГ, соответствующей окончанию систолы и началу диастолы левого желудочка, а также размеры площадей между изолинией и кривой РГ слева (Sd в Ом·мс) и справа (S1 в Ом·мс) от найденной точки, массу тела (m в кг) и гемоглобин крови (Нb в г/л), после чего производят вычисление ударного объема сердца (Q в мл) по градуировочной характеристике
Недостатком прототипа является низкая точность из-за статистического и линейного характера градуировочной характеристики, а также большого количества измеряемых величин, которые вносят дополнительную инструментальную погрешность.
Технической задачей является повышение точности определения ударного объема сердца на адаптивном диапазоне, априори регламентируемым нормируемыми значениями гемоглобина двух пациентов с известными значениями ударного объема сердца.
Техническая задача достигается тем, что в способе определения ударного объема сердца накладывают два токовых и два измерительных электрода на определенные участки тела, регистрируют реограмму (РГ) и дифференциальную РГ (ДРГ), определяют площади между изолинией и кривой РГ слева (Sl) и справа (Sd) от точки РГ, соответствующей окончанию систолы и началу диастолы левого желудочка сердца, измеряют гемоглобин крови (Нb), в отличие от прототипа, ударный объем сердца определяют по калибровочной характеристике (Q) отношения площадей между изолинией и кривой реограммы с функцией V(Hb) нормированного объема от гемоглобина крови
2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, функцию нормированного объема калибруют априори на нижней и верхней границах адаптивного диапазона, с различной калибровкой для мужчин и для женщин, по двум измеренным значениям гемоглобина у двух пациентов с известным значением ударного объема сердца, по ним регистрируют предельный гемоглобин Нb0 и предельный ударный объем сердца V0, которые служат для определения ударного объема сердца по калибровочной характеристике.
За эталон принимается метод Фика.
Предлагаемый способ включает 2 этапа.
1) Определение ударного объема сердца по отношению площадей между изолинией и кривой РГ.
2) Калибровка по эталонным значениям гемоглобина для определения действительных значений ударного объема сердца.
1. Для определения ударного объема сердца регистрируют РГ и ДРГ следующим образом: два токовых и два измерительных электрода накладывают на определенные участки тела, причем один из токовых электродов - на правое предплечье, а второй - в области левого плечевого сустава, один из измерительных электродов - на правый плечевой сустав, а второй - в области шестого межреберья слева по передней подмышечной линии. ДРГ регистрируют для облегчения поиска точки РГ, соответствующей окончанию систолы и началу диастолы левого желудочка: на РГ проецируют ДРГ в точке начала ее отрицательной фазы. Ударный объем сердца определяют по калибровочной характеристике
по отношению площадей между изолинией и кривой реограммы 
и функции нормированного объема от гемоглобина крови V(Hb).
2. Функция нормированного объема имеет следующий вид
где V0 - предельное значение ударного объема сердца;
Нb0 - предельное значение гемоглобина.
Параметры V0 и Нb0 однозначно эксперименту определяют калибровочную характеристику, поэтому их принимают за информативные параметры.
При калибровке измеряют значения гемоглобина в нижней Нb1 и в верхней Нb2 границах нормируемого диапазона измерений ударного объема сердца у пациентов с известными значениями нормированного ударного объема сердца V1 и V2 (см. фиг.1). Информативные параметры находят по функции (1) из системы двух уравнений для первого и второго измерения:
Делят первое уравнение системы на второе
и приводят его к виду, удобному для логарифмирования:
Логарифмируют обе части полученного уравнения и выражают информативный параметр Нb0:
Составляют систему уравнений из инверсной функции (1) для расчета параметра V0:
Делят второе уравнение системы на первое
Учитывая, что
,
где 
- коэффициент кратности ударного объема сердца конечной и начальной точки диапазона,
находят алгоритм регистрации предельного значения ударного объема сердца
В результате вычислений получаем следующие значения информативных параметров для мужчин (см. фиг.1а)
V0=153,489, Hb0=-176,65,
и для женщин (см. фиг.1б)
V0=8,514, Hb0=170,96.
Полученные параметры V0 и Нb0 однозначно определяют характеристику эксперимента по зависимости (1), поэтому их принимают за информативные параметры и строят графики функции нормированного объема от гемоглобина крови V(Hb), различные для мужчин и для женщин (фиг.1).
Анализируя графики, представленные на фиг.1 легко заметить, что построенные калибровочные кривые для мужчин и для женщин имеют разный угол наклона и кривизну. Этим объясняется необходимость разделения пациентов по половому признаку.
Покажем адекватность функции нормированного объема от гемоглобина крови V (фиг.1, 2) экспериментальным зависимостям Vэ (фиг.1,1), отражающим физику процесса.
Относительное отклонение от эксперимента вычисляется по формуле
для которых относительное отклонение в среднем не превышает 2%, что доказывает адекватность предлагаемого способа калибровки относительно эксперимента.
Для оценки эффективности калибровки определяют относительное отклонение рассчитанных величин ударного объема крови от эталонных величин, определенных по методу Фика. Результаты оценки сведены в таблицу 1.
| Таблица 1 | ||||||
| № п/п | Пол | Величина ударного объема крови | Погрешность способа-прототипа | Погрешность предлагаемого способа |
||
| Метод Фика (эталон) | Способ-прототип | Предлагаемый способ | ||||
| 1 | м | 85,96 | 93,778 | 80,001 | 9,158 | 6,878 |
| 2 | м | 90,96 | 74,559 | 90,96 | 18,031 | 2,863·10-4 |
| 3 | м | 72,6 | 68,538 | 73,536 | 5,595 | 1,289 |
| 4 | м | 76,2 | 70,716 | 76,2 | 7,197 | 6,292·10-4 |
| 5 | м | 79,01 | 87,507 | 74,716 | 10,754 | 5,435 |
| 6 | ж | 60,4 | 63,167 | 60,588 | 4,581 | 0,311 |
| 7 | ж | 60,98 | 62,53 | 61,445 | 2,542 | 0,763 |
| 8 | ж | 64,94 | 65,702 | 64,94 | 1,173 | 7,22·10-4 |
| 9 | ж | 102,48 | 98,978 | 102,481 | 3,417 | 8,135·10-4 |
| 10 | ж | 69,3 | 80,56 | 65,081 | 16,248 | 6,089 |
На фиг.2 представлены графики зависимости рассчитанных значений ударного объема сердца по предлагаемому способу (фиг.2, 1), по способу-прототипу (фиг.2, 2) и по методу Фика (фиг.2, 3) для i-го пациента.
Из таблицы 1 видно, что предлагаемый способ повышает точность определения ударного объема сердца более чем в 3 раза по сравнению с прототипом, что следует из относительной оценки η средних погрешностей прототипа ε1 и предлагаемого способа ε2
Таким образом, определение действительного значения ударного объема сердца по калибровочной характеристике отношения площадей реограммы с функцией нормированного объема дифференцированного для мужчин и женщин по информативным параметрам, в отличие от известных решений, повышает точность более чем в 3 раза на адаптивном диапазоне, априори регламентируемом нормируемыми значениями гемоглобина двух пациентов с известными значениями ударного объема сердца.
1. Способ определения ударного объема сердца, включающий наложение двух токовых и двух измерительных электродов на определенные участки тела, регистрацию реограммы (РГ) и дифференциальной РГ (ДРГ), определение площади между изолинией и кривой РГ слева (Sl) и справа (Sd) от точки РГ, соответствующей окончанию систолы и началу диастолы левого желудочка сердца, измерение гемоглобина крови (Нb), отличающийся тем, что ударный объем сердца определяют по калибровочной характеристике (Q) отношения площадей между изолинией и кривой реограммы с функцией V(Hb) нормированного объема от гемоглобина крови
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что функцию нормированного объема калибруют априори на нижней и верхней границах адаптивного диапазона, с различной калибровкой для мужчин и для женщин, по двум измеренным значениям гемоглобина у двух пациентов с известными значениями ударного объема сердца, по ним регистрируют предельный гемоглобин Нb0 и предельный ударный объем сердца V0, которые служат для определения ударного объема сердца по калибровочной характеристике.
