Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма
Владельцы патента RU 2559940:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма. Способ заключается в излучении электромагнитного СВЧ-сигнала, приеме интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определении параметров жизнедеятельности организма. При этом излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии, после чего вводят функцию S(t) - такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии:
Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма.
Известен способ исследования вегетативной дисфункции путем проведения кардиоинтервалографии и определения величины индекса напряжения регуляторных систем (ИН) при проведении пробы положения в виде максимального сгибания вперед головы и удержания ее в таком положении в течение 5 мин (Патент РФ №2237431, МПК А61В 5/0452).
Недостатком данного способа является контактность используемого метода электрокардиографии, длительность подготовки, недостаточное количество полезной информации на выходе.
Известен способ диагностики вегетативной дисфункции, включающий проведение кардиоинтервалографии путем регистрации у больного ЭКГ во II стандартном отведении с последующей математической обработкой ЭКГ, включающей измерение R-R-интервалов и расчет величины индекса напряжения регуляторных систем (ИН) в условных единицах (у.е.) по формуле Баевского с последующим проведением по величине ИН дифференциальной диагностики ваготонии, эйтонии и симпатикотонии. ЭКГ регистрируют трижды с интервалами 5 мин и каждый раз рассчитывают ИН (Патент РФ №2242923, МПК А61В 5/0452).
Недостатком данного способа является контактность используемого метода электрокардиографии, длительность подготовки, малое количество полезной информации на выходе.
Также известен способ диагностирования сердечно-сосудистой системы, в котором регистрируют кардиоинтервалы пациента, измеряют их длительность, образуют динамический ряд кардиоинтервалов, исключая из ряда экстрасистолы, формируют автокорреляционную функцию упомянутого ряда, осуществляют преобразование автокорреляционной функции в автокорреляционную матрицу и судят о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента. Регистрацию кардиоинтервалов осуществляют путем снятия плетизмограммы пациента (Патент РФ №2442529, МПК А61В 5/0295, А61В 5/0452).
Недостатками вышеизложенного способа являются контактность используемого метода плетизмограммы, недостаточно выведенных коэффициентов для оценки работы сердечно-сосудистой системы.
Наиболее близким является способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма, включающий излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, перед определением параметров отраженный сигнал когерентно складывают с излучаемым электромагнитным сигналом, выделяют основную гармонику в спектре суммарного сигнала, по которой определяют частоту движения грудной клетки организма, а по максимальной величине амплитуд гармоник, входящих в спектр, определяют амплитуду движений грудной клетки организма вследствие сердцебиения и дыхания, по полученным параметрам судят о соответствии норме физиологических параметров жизнедеятельности организма (Патент РФ №2295911, МПК А61В 5/05).
Однако в данном способе вследствие невозможности задержки дыхания на большой промежуток времени не производится оценка параметров сердечного ритма ввиду трудностей, связанных с необходимостью исключить дыхательные движения, в частности индексов вариабельности сердечного ритма Баевского, для точного расчета которых требуется не менее 100 кардиоинтервалов; не производится восстановление формы сердечных сокращений.
Задача настоящего способа заключается в бесконтактном определении параметров вариабельности сердечного ритма, фиксации формы сердечных сокращений большого количества кардиоинтервалов.
Технический результат, достигаемый заявляемым решением, заключается в снижении погрешности измерения за счет исключения из регистрируемого сигнала влияния дыхания.
Поставленная задача достигается тем, что способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма включает излучение электромагнитного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение параметров жизнедеятельности организма, согласно решению излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии; вводят функцию S(t) такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии:
где С(а,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ1, определяемые с помощью соотношения:
a - коэффициент масштабирования; b - коэффициент сдвига; ψ2 - производная от базисной вейвлет-функции ψ1; восстанавливают функцию движения плечевой артерии:
по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо; dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем; ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия; ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма; ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема радиоволнового автодина на диоде Ганна, позволяющего реализовать заявляемый способ. На фиг.2 представлено сравнение нормированной функции движения плечевой артерии f(t) и ЭКГ со II отведения.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - СВЧ-датчик;
2 - генератор;
3 - приемник;
4 - источник питания;
5 - аналого-цифровой преобразователь;
6 - компьютер;
7 - рупорная антенна;
8 - обследуемый организм.
Способ заключается в следующем.
Предлагаемый способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма включает излучение электромагнитного сигнала, прием отраженного сигнала, который когерентно складывается с излучаемым электромагнитным сигналом, восстановление формы движения участка тела человека, где ближе всего к поверхности расположена плечевая артерия, связанного с сердцебиением, определение параметров сердечной деятельности организма путем расчета индексов вариабельности сердечного ритма по Баевскому, по которым судят о состоянии сердечной деятельности человека.
Излучение электромагнитного сигнала с помощью СВЧ-генератора 2 (фиг.1) через рупорную антенну 7 направляют на область локтя человека 8. Отраженное излучение принимают через ту же рупорную антенну и когерентно складывают с излученным электромагнитным сигналом. Суммарный интерференционный сигнал выбирают в качестве информативного сигнала. Результат сложения - информативный сигнал - выделяют с помощью детектора 3 и подают на аналого-цифровой преобразователь 5 для последующей его цифровой обработки на компьютере 6. Полученный сигнал очищают от шумов и восстанавливают содержащуюся в нем форму пульсовой волны.
Теоретическое обоснование методики измерений.
В основу метода контроля периодических движений области руки, где ближе всего к поверхности расположена плечевая артерия, вследствие сердечных сокращений с помощью автодина на диоде Ганна положена зависимость изменения режима его работы под действием СВЧ-сигнала, отраженного от области руки. Для направленного зондирования живого объекта СВЧ-датчик снабжался рупорной антенной. Конструктивно-измерительный прибор состоит из выносного датчика с рупором и цифрового блока индикации, соединенных между собой кабелем. Измерительный датчик представляет собой волноводную секцию (сечение канала 23÷10 мм2). В качестве активного элемента использовался диод типа 3А723, помещенный в зазор стержневого держателя. Частота и мощность СВЧ-генератора могла перестраиваться в результате перемещения поршня и изменения питающего напряжения на диоде Ганна. В блоке индикации измерительного прибора проводится обработка сигнала СВЧ-генератора и отображение информации в аналоговой или цифровой форме. Предусмотрена возможность подключения к блоку индикации осциллографического индикатора, анализатора спектра сигнала механических колебаний, и имеется возможность сопряжения прибора с микро-ЭВМ. Блок схема радиоволнового автодина на диоде Ганна представлена на фиг.1.
Для восстановления формы сложного непериодического движения отражателя использовалась методика, основанная на одновременном измерении интерференционного сигнала и его производной.
Переменная составляющая интерференционного сигнала имеет вид:
где A - амплитудный коэффициент, определяемый амплитудами токов, t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны зондирующего излучения, f(t) - функция, характеризующая продольные движения объекта.
Далее мы будем рассматривать нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала:
Функция, характеризующая продольные движения объекта, может быть представлена в виде:
Здесь ψ1 - базисная вейвлет-функция, C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ1, определяемые с помощью соотношения:
Функция S(t) выбрана таким образом, чтобы ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствовал спектру восстанавливаемого сигнала:
Запишем ее с учетом выражения для нормированной составляющей интерференционного сигнала:
где ψ2 - производная от базисной вейвлет-функции ψ1.
Имеет смысл в дальнейшем рассматривать только такие вейвлет-функции ψ1(t), у которых существует производная, в свою очередь являющаяся вейвлетом. В данной работе использовались вейвлет-функция МНАТ, имеющая вид:
Сравнивая интегральные представления функций f(t) и S(t) (выражения (1) и (3) соответственно), можно увидеть, что они отличаются базисной вейвлет-функцией и постоянной величиной
Затем, используя полученные вейвлет-коэффициенты, выполним обратное преобразование, используя базис ψ1:
Для оценки адекватности данной методики одновременно с измерениями формы движения области руки радиоволновым методом производилась фиксация электрокардиограммы испытуемого.
Рассчитывались параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо; dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов;
Результаты, полученные по вышеизложенной методике, а именно значения вариабельности сердечного ритма, а также аналогичные значения, рассчитанные по электрокардиограмме, представлены в таблице, а также рассчитаны относительные отклонения этих параметров. Таблица иллюстрирует соответствие результатов, полученных предложенным бесконтактным способом, с результатами, рассчитанными по ЭКГ, полученными контактным способом.
Таблица | ||||||||
Индексы вариабельности сердечного ритма, рассчитанные по ЭКГ и восстановленному сигналу СВЧ | ||||||||
№ | Индекс | Мо, с | АМо, % | dX, с | ИН, у.е. | ИВР, у.е. | ВПР, у.е. | ПАПР, у.е. |
Наиболее часто встречаемое значение кардиоинтервалов | Доля кардиоинтервалов, соотвествующих значению Мо, в % к объему выборки | Разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардио интервалов |
Индекс напряженности регуляторных систем | Индекс вегетативного равновесия | Вегетативный показатель ритма | Показатель адекватности процессов регуляции | ||
Испытуемый 1 до нагрузки | Восстановленный сигнал | 0,8 | 40 | 0,3 | 83,3 | 133,3 | 4,2 | 50 |
ЭКГ | 0,83 | 37,3 | 0,26 | 84,3 | 140 | 4,52 | 44,9 | |
Отклонение, % | 3,61 | 7,24 | 15,38 | 1,19 | 4,79 | 7,08 | 11,36 | |
Испытуемый 1 после нагрузки | Восстановленный сигнал | 0,75 | 47,6 | 0,25 | 126,9 | 190,4 | 5,3 | 63,5 |
ЭКГ | 0,742 | 45,9 | 0,236 | 133 | 194 | 5,78 | 62,8 | |
Отклонение, % | 1,08 | 3,70 | 5,93 | 4,59 | 1,86 | 8,30 | 1,11 | |
Испытуемый 2 до нагрузки | Восстановленный сигнал | 1,1 | 21,5 | 0,4 | 24,4 | 53,8 | 2,3 | 19,5 |
ЭКГ | 1,04 | 20,8 | 0,38 | 26,6 | 55,6 | 2,56 | 20 | |
Отклонение, % | 5,77 | 3,37 | 5,26 | 8,27 | 3,24 | 10,16 | 2,50 | |
Испытуемый 2 после нагрузки | Восстановленный сигнал | 1 | 24,2 | 0,4 | 30,2 | 60,5 | 2,5 | 24,2 |
ЭКГ | 1,05 | 21,5 | 0,39 | 26,4 | 55,3 | 2,46 | 20,5 | |
Отклонение, % | 4,76 | 12,56 | 2,56 | 14,39 | 9,40 | 1,63 | 18,05 |
Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма, включающий излучение электромагнитного СВЧ-сигнала, прием интерференционного сигнала, являющегося суммой падающего и отраженного электромагнитного излучения, определение параметров жизнедеятельности организма, отличающийся тем, что излучаемый электромагнитный СВЧ-сигнал направляют на область расположения плечевой артерии, интерференционный сигнал представляют в виде U(t)=cos(θ+(4π/λ)f(t)), где t - время, θ - начальная фаза сигнала, λ - длина волны излучаемого электромагнитного СВЧ-сигнала, f(t) - функция движения плечевой артерии; вводят функцию S(t) такую, что ее спектр с точностью до постоянного множителя соответствует спектру функции движения плечевой артерии:
где C(a,b) - коэффициенты вейвлет-разложения функции f(t) по базису ψ1, определяемые с помощью соотношения:
a - коэффициент масштабирования; b - коэффициент сдвига; ψ2 - производная от базисной вейвлет-функции ψ1; восстанавливают функцию движения плечевой артерии:
по функции движения плечевой артерии рассчитывают параметры вариабельности сердечного ритма: Мо - наиболее часто встречаемое значение R-R-интервалов; АМо - доля кардиоинтервалов, соответствующих значению Мо, dx - разность между длительностью наибольшего и наименьшего кардиоинтервалов; ИН=АМо/(2∗Мо∗dx) - индекс напряжения регуляторный систем; ИВР=Амо/dx - индекс вегетативного равновесия; ВПР=1/(Мо∗dx) - вегетативный показатель ритма; ПАПР=Амо/Мо - показатель адекватности процессов регуляции.