Способ автоматизированного определения чсс

Изобретение относится к медицине, в частности к способу автоматизированного определения частоты сердечных сокращений (ЧСС) находящегося в движении пользователя с помощью носимых устройств, осуществляющих измерение ЧСС с использованием оптических технологий. На этапе инициализации осуществляют два первоначальных накопления измеренных значений величин ЧСС. Первое накопление производится при задании уровня двигательной активности, характерного для профессиональной, спортивной либо других видов деятельности пользователя. Второе накопление осуществляется непосредственно сразу после завершения первого при условии соблюдения минимального уровня двигательной активности. На основе данных значений строятся две гистограммы распределения, которые используют для анализа уровня суммарного влияния дестабилизирующих факторов на истинное значение ЧСС, для чего определяется коэффициент комплексного влияния дестабилизирующих факторов, который используется в дальнейшем на этапе измерений. Этап измерений содержит повторяемые циклы накопления искаженных значений ЧСС, в каждом из которых строится гистограмма распределения полученных значений ЧСС с определением минимального и максимального значений ЧСС, а также истинного значения ЧСС для данного цикла. Достигается повышение точности измерения ЧСС при наличии произвольных непериодических движений человека без использования дополнительного датчика движения более эффективным и надежным способом. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины, в частности, к способу автоматизированного определения частоты сердечных сокращений (ЧСС) пользователя, находящегося в движении.

Уровень техники

Точное автоматизированное определение текущих биопараметров человека, среди которых ЧСС относится к одним из наиболее информативных, является в настоящее время актуальной научной и технической задачей. Ее эффективное решение в настоящее время востребовано при создании на новом технологическом уровне:

- систем управления надежностью человеческого фактора, осуществляющих непрерывный мониторинг текущего психоэмоционального состояния операторов управления для обеспечения надежного безаварийного функционирования важных, либо опасных объектов экономики;

- систем планирования и контроля физической нагрузки спортсменов;

- систем безопасности, реализующих функции идентификации личности на основе анализа совокупности биопараметров человека.

- медицинских систем мониторинга состояния больных и людей с хроническими заболеваниями.

Последняя задача имеет особую актуальность в связи с необходимостью проведения массовых обследований людей в период пандемии.

Все вышеперечисленные задачи требуют определения величины ЧСС с максимально возможной точностью.

В настоящее время широко используется оптический способ автоматизированной оценки ЧСС человека, реализуемый в большинстве носимых биометрических систем, имеющих контакт с кожей человека. Типичными примерами таких систем являются биометрические браслеты, кулоны, кассы и броши.

Оптический способ определения ЧСС характеризуется высокой технологичностью и возможностью реализации в виде малогабаритных носимых устройств. Оптический способ определения ЧСС основан на определении мощности светового потока, отраженного от кровеносных сосудов, артерий, периферийных кровеносных капилляров.

Кровенаполнение таких биологических объектов в основном определяется сердечной моторикой. Однако дыхательная активность человека и его двигательная активность, сопровождающиеся напряжением соответствующих мышц, также приводят к появлению скачков давления в указанных биологических объектах. Прямая реализация такого способа регистрации ЧСС приводит к искажению истинных значений ЧСС за счет, как правило, регистрации дополнительные импульсы давления, не связанные с сердечной моторикой человека. Это приводит к возникновению ошибок и снижению точности определения ЧСС.

Необходимо отметить, что воздействие таких дополнительных импульсов давления крови, которые могут вызвать существенную модуляцию диаметра вышеназванных биологических объектов человека, может быть более значимым и многоплановым. Так, в зависимости от технологии изготовления электронных цепей интегрального оптического датчика давления, которые для стабилизации их параметров часто имеют цепи обратной связи, появление мощных отраженных световых сигналов может привести к их перегрузке и появлению так называемых «мертвых» временных интервалов, в течение которых обычные импульсы кровяного давления регистрироваться не будут.

Аналогичные недостатки свойственны также и датчикам ЭКГ. При этом независимо от конкретной технологии изготовления таких датчиков, предполагающих наличие либо прямого электрического контакта с поверхностью кожи человека, либо емкостной связи с ней, вышеназванные дестабилизирующие факторы также приводят к искажению величины регистрируемой ЧСС. Так, при использовании прямого контакта с поверхностью кожи человека высокая двигательная активность, например, при активном занятии спортом, может приводить к модуляции сопротивления приповерхностного слоя кожи, а также контактного сопротивления между электродами датчика и кожей. При использовании датчиков ЭКГ с емкостной связью высокий уровень двигательной активности приводит к модуляции величины емкости между измерительным электродом и поверхностью кожи. В результате могут возникать паразитные импульсы, аналогичные импульсам, вызванных сердечной моторикой.

Увеличение уровня двигательной активности человека, либо увеличением интенсивности его дыхательной моторики приводит к увеличению ошибки в измерении величины ЧСС. При этом отклонения от истинного значения ЧСС могут иметь как положительные, так и отрицательные значения, что обусловливается превалированием тех, либо иных рассмотренных выше дестабилизирующих факторов. По этой причине простое усреднение величины ЧСС на некотором временном интервале, как правило, не позволяет в полной мере устранить негативное воздействие этих дестабилизирующих факторов.

Потребность в повышении точности измерения ЧСС существует как для уже выпускающихся носимых биометрических приборов, так и для вновь разрабатываемых. В первом случае желательно иметь способ повышения точности измерений ЧСС, который может быть реализован на основе встроенного в носимый прибор микропроцессорного ядра, на уже созданных образцах приборах в виде микропрограммного обеспечения. В этом случае также желательна возможность программно-аппаратной реализации способа на приемной стороне биоинформации при сетевом использовании прибора. При втором варианте реализации способа желательно иметь возможность его программно-аппаратного воплощения в составе носимого прибора.

Известен общий способ оценки индивидуальной инвариантной величины ЧСС (Патент РФ №2487659, опубл. 20.07.2013). Способ применим для различного типа датчиков КГР и предполагает выполнение операции усреднения значений величины ЧСС на некотором временном интервале. Недостатком способа является отсутствие учета влияния двигательной и дыхательной активностей на оцениваемую инвариантную величину ЧСС, которая в дальнейшем используется для осуществления мониторинга состояния человека.

Также известен способ повышения точности определения величины ЧСС в мониторе сердечного ритма за счет применения полосовой фильтрации сигнала от датчика ЭКГ (Патент США №5738104 «Монитор сердечного ритма на основе ЭКГ», опубл. 14.04.1998). Последовательно соединенные фильтры низких и верхних частот образуют полосовой фильтр, ориентированный на устранение сигналов, выходящих за допустимые пределы возможного изменения величины ЧСС у человека. Недостатком подхода является невозможность устранения помех при определении величины ЧСС, обусловленных его дыхательной и двигательной активностью, с частотами, попадающими в рабочий диапазон полосового фильтра.

Известен способ определения ЧСС на основе оптической технологии для человека, находящегося в покое (Патент РФ №2709776 «Система мониторинга частоты сердечных сокращений», опубл. 19.12.2019). Основным недостатком способа является возможность определения ЧСС для человека, находящегося в покое. С этой целью способ предполагает выполнение специальных операций по выявлению моментов времени, в течение которых человек находится в покое и в течение которых возможна регистрация ЧСС. Это обстоятельство ограничивает сферу возможного применения способа, например, для людей, профессиональная, спортивная, либо производственная деятельность которых постоянно, либо достаточно продолжительное время сопряжена с двигательной активностью различного уровня.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ повышения точности определения ЧСС при наличии активных движений человека, предполагающий использование наряду с датчиками пульса дополнительного датчика движений (Патент США US 8945017 В2 «Носимый монитор сердечного ритма», опубл. 25.09.2014). Способ предполагает возможность использования в качестве датчика пульса либо оптического датчика фотоплетизмограммы, либо датчика ЭКГ. В качестве датчика движений предполагается использовать датчик линейных и угловых ускорений, либо гироскоп.

Повышение точности определения ЧСС в соответствии с данным способом осуществляется за счет комплексной обработки сигналов от датчика ЧСС и датчика движений с выделением их периодических составляющих. С этой целью на первом этапе осуществляется Фурье преобразование входных сигналов с выделением их спектров. После этого на втором этапе осуществляется очистка спектра сигнала ЧСС от периодических компонент, содержащихся в полученном спектре сигналов датчика движения. Очищенный таким образом спектр сигнала ЧСС используется для его точного определения. При этом операция очистки спектра может быть выполнена как аппаратно, так и программно.

Это дает возможность повысить точность определения величины ЧСС при наличии интенсивных периодических движений, например, вращение педалей велосипеда, либо велотренажера, бег, подтягивание. Периодические физические движения человека обусловливают появление ярко выраженных частотных максимумов в получаемых спектрах сигналов датчика движения. Наличие таких ярко выраженных сигналов является основой реализуемости рассматриваемого способа на практике.

К основному недостатку способа следует отнести его недостаточную эффективность при наличии случайных неповторяющихся движений человека. Такая ситуация характерна, например, для поведения операторов управления важными объектами, при котором оператор, как правило, осуществляет мало повторяющиеся движения, наклоны и повороты. Для таких ситуаций в спектре сигналов датчика движений практически не содержится ярко выраженных максимумов, соответствующих периодичному характеру движения человека. Частотный спектр в таких случаях может представлять собой некоторый плавающий уровень, обработка информации о котором не позволит существенным образом повысить точность регистрации сигнала ЧСС.

Другим недостатком способа является необходимость использования дополнительного датчика движения, а также специального микропроцессорного элемента для обработки, как правило, трехмерных сигналов датчика движений, что приводит к усложнению всей измерительной системы, а также к повышению ее энергопотребления.

Наибольшие затруднения вызывает использование способа в тех случаях, когда величина ЧСС практически полностью совпадает с частотой периодических движений человека. В таких случаях основной максимум спектра сигнала датчика движений совпадает с максимумом спектра сигнала ЧСС, что приводит к проблеме очистки спектра последнего.

Существенным функциональным недостатком способа является некорректная обработка сигнала ЧСС для людей, имеющих хронические заболевания, приводящие к быстрым изменением величины ЧСС.

К недостаткам способа также следует отнести необходимость достаточно продолжительного накопления сигналов датчика ЧСС и датчика движений для получения спектров необходимого качества.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание более эффективного и надежного способа повышения точности автоматизированного определения ЧСС с помощью носимых устройств при наличии произвольных непериодических движений человека. Это достигается за счет обоснованного выделения из регистрируемого распределения ЧСС ее истинного значения с учетом действующих механизмов влияния на нее дестабилизирующих факторов, включая двигательную и дыхательную активность человека, особенности функционирования и реакций на перегрузки, в первую очередь, входных аналоговых цепей датчика ЧСС, а также индивидуальные особенности кожного покрова человека.

Частной технической задачей, решаемой в рамках общей технической задачи, является реализация возможности микропрограммной реализации способа для уже выпускаемых образцов носимых биометрических приборов, возможность его программно-аппаратной реализации в составе интегральной микросхемы для вновь разрабатываемого прибора, а также в виде программно-аппаратной реализации на приемной стороне при сетевом использовании прибора.

Раскрытие сущности изобретения

Объектом изобретения является способ автоматизированного определения ЧСС с помощью носимых устройств, осуществляющих измерение ЧСС с использованием оптических технологий при наличии произвольных непериодических движений человека, характеризующийся тем, что

содержит два последовательно выполняемых этапа - этап инициализации и этап измерений,

этап инициализации выполняется единовременно при начале использования носимого биометрического устройства либо периодически при изменении условий его эксплуатации пользователем; на этапе осуществляются два первоначальных накопления для М₀>100 измеренных значений величин ЧСС, причем первое из них производится при задании уровня двигательной активности, характерного для его профессиональной, спортивной либо других видов деятельности, второе накопление осуществляется непосредственно сразу после завершения первого при условии соблюдения минимального уровня двигательной активности,

на основе данных значений строятся две гистограммы распределения N₀₁(ЧСС) и N₀₂(ЧСС),

полученные таким образом гистограммы N₀₁(ЧСС) и N₀₂(ЧСС) используются для анализа уровня суммарного влияния дестабилизирующих факторов, таких как двигательная активность, специфика программно-аппаратной реализации способа оптической регистрации ЧСС, состояние кожного покрова человека, на истинное значение ЧСС_и, для чего определяется коэффициент комплексного влияния дестабилизирующих факторов α, который используется в дальнейшем на этапе измерений:

где ЧСС_мах01 и ЧСС_мин01 - соответственно максимальное и минимальное значения ЧСС для первой гистограммы,

ЧСС_cp01 и ЧСС_ср02 - соответственно средние значения ЧСС для первой и второй гистограмм:

этап измерений содержит повторяемые циклы i=1, 2,… накопления M_i искаженных значений ЧСС_i,

в каждом цикле строится гистограмма распределения полученных значений ЧСС_i - N(ЧСС_i),

в каждом цикле для полученной гистограммы N(ЧСС) определяются минимальное ЧСС_iмин и максимальное ЧСС_iмах значения ЧСС,

далее истинное значение ЧСС_iИ для данного цикла рассчитывается по формуле:

где ЧСС_cpi - среднее значение ЧСС для цикла i:

Как экспериментально установили авторы, исследуя амплитудные распределения получаемых значений ЧСС, в зависимости от уровня двигательной активности человека:

практически прямо пропорционально увеличивается разброс получаемых значений ЧСС;

- амплитудное распределение получаемых величин ЧСС, как правило, имеет несимметричную форму относительно среднего значения ЧСС для гистограммы;

- значения регистрируемой ЧСС, как правило, увеличиваются.

Последний факт объясняется тем обстоятельством, что двигательная активность предполагает сокращение мышц, которое приводит к модуляции давления в кровеносных сосудах и капиллярах. При этом возникают ложные импульсы положительного и отрицательного давления. В силу того, что сердечный ритм для большинства физических нагрузок характеризуется невысокой скважностью, меньшей единицы (Скважность - безразмерная величина, определяющая отношение периода следования (повторения) импульсов к длительности импульса), то вероятность наложения положительного импульса давления на промежуток между импульсами давления, обусловленных сердечной активностью, существенно больше, чем вероятность наложения отрицательного маскирующего импульса на сердечный импульс давления.

Все вышесказанное относится также и к искажениям, обусловленным дыхательной активностью человека.

Это обстоятельство существенным образом снижает точность определения среднего значения ЧСС, полученного простым сложением и нормировкой на число слагаемых. При этом с ростом уровня двигательной активности величина ошибки возрастает.

Соответственно, предложено осуществить коррекцию среднего значения ЧСС, полученного рассмотренным выше образом. Для этого используется коэффициент комплексного влияния дестабилизирующих факторов α. Данный коэффициент определяет пропорцию отклонения получаемого среднего значения ЧСС от ее истинного значения ЧСС_iи в зависимости от получаемого разброса в значениях ЧСС (ЧСС_iмax - ЧСС_iмин).

В силу того, что данный коэффициент персонально ориентированный, то есть, его величина зависит, в том числе, от состояния (толщины и прозрачности) кожного покрова конкретного человека, плотности капилляров в подкожном слое и других индивидуальных характеристик, предложено осуществить его точное индивидуальное определение на этапе инициализации.

В дальнейшем на этапе измерений данный коэффициент используется для пропорционального пересчета величины коррекции. Для этого используется линейная модель зависимости величины коррекции от величины разброса ЧСС, которая, как было сказано ранее, прямо зависит от уровня двигательной активности для большинства типов физической нагрузки.

Такой подход дает возможность достаточно точно скорректировать искажения среднего значения ЧСС_ср, обусловленные дестабилизирующими факторами.

Дополнительно в случае присутствия внешних дестабилизирующих факторов, например, мощных вибрационных сигналов, характерных для скоростного транспорта, способ предусматривает определение минимальных и максимальных значений ЧСС в получаемых гистограммах с учетом порога дискриминации величиной 1-2% от числа М₀ либо М_i.

Дополнительно в случае значительных изменений в уровне двигательной активности приводящих к существенным изменениям в диапазоне разброса ЧСС предлагается пропорциональным образом изменять число значений ЧСС использующихся для построения очередной гистограммы:

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена общая блок-схема для осуществления способа в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 2 представлена блок-схема этапа инициализации в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 3 представлена блок-схема этапа измерений в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 4 представлена блок-схема этапа инициализации в соответствии с пп. 1 и 2 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 5 представлена блок-схема этапа измерений в соответствии с пп. 1 и 2 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 6 представлена блок-схема этапа измерений в соответствии с пп. 1 и 3 формулы настоящего изобретения.

На Фиг. 7 представлена блок-схема этапа измерений в соответствии с пп. 1, 2 и 3 формулы настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен в виде:

1. Специализированного микропрограммного обеспечения, реализуемого на основе имеющегося микропроцессорного ядра носимого биометрического прибора. Данный вариант реализации наилучшим образом подходит при реализации способа на уже выпускаемых носимых устройствах, в которых невозможно осуществить аппаратных модернизаций.

2. Специализированного программного обеспечения, реализуемого на персональных компьютерах, осуществляющих получение, обработку и представление биометрических данных в случае сетевого использования биометрических устройств.

3. Специализированной аппаратной реализации при разработке новых моделей носимых биометрических устройств. В этом случае часть выполняемых операций в соответствии с настоящим изобретением может быть реализована аппаратно в составе заказных интегральных микросхем.

При этом последовательность и состав выполняемых в соответствии с изобретением операций для всех вариантов его реализации остается постоянным.

На Фиг. 1 представлена общая блок-схема (обозначено 1) для осуществления способа в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения, который содержит два последовательно выполняемых этапа - этап инициализации (шаг 2) и этап измерений (шаг 3).

На Фиг. 2 представлена блок-схема шага 2 в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения. Этап инициализации выполняется единовременно при начале использования носимого биометрического устройства, либо периодически при изменении условий его эксплуатации пользователем осуществляются два первоначальных накоплений М₀>100 измеренных значений величин ЧСС, причем первое из них производиться при задании уровня двигательной активности, характерного для его профессиональной, спортивной, либо других видов деятельности, второе накопление осуществляется непосредственно сразу после завершения первого при условии соблюдения минимального уровня двигательной активности. Это позволяет выявить расхождение между истинным значением ЧСС и ее измеренным с помощью носимого устройства значением для наиболее типичных видов деятельности пользователя.

Этап инициализации включает в себя выполнение следующих операций:

- осуществление двух первоначальных накоплений (шаг 4);

- построение гистограмм (шаг 5);

- определение коэффициента комплексного влияния

дестабилизирующих факторов α (шаг 6).

На основе данных, полученных на шаге 4 на шаге 5 строятся две гистограммы распределения N₀₁(ЧСС) и N₀₂(ЧСС).

Полученные таким образом гистограммы N₀₁(ЧСС) и N₀₂(ЧСС) используются на шаге 6 для анализа уровня суммарного влияния дестабилизирующих факторов, таких как двигательная активность, специфика работы входных узлов применяемой микросхемы, состояние кожного покрова человека, на истинное значение ЧСС_iи, для чего определяется коэффициент комплексного влияния дестабилизирующих факторов α, который используется в дальнейшем на этапе измерений:

где ЧСС_мax01 и ЧСС_мин01 - соответственно максимальное и минимальное значения ЧСС для первой гистограммы,

ЧСС_ср01 и ЧСС_ср02 - соответственно средние значения ЧСС для первой и второй гистограмм:

На Фиг. 3 представлена блок-схема этапа измерений на шаге 3 в соответствии с п. 1 формулы настоящего изобретения. Шаг 3 содержит следующую последовательность выполняемых операций:

- накопление зашумленных значений ЧСС в цикле i (шаг 7);

- построение гистограммы в цикле i (шаг 8);

- определение минимального и максимального значений ЧСС в цикле i (шаг 9);

- расчет истинного значения ЧСС в цикле i (шаг 10).

В каждом повторяющемся цикле на шаге 7 осуществляется накопление M_i зашумленных данных, на основе которых на шаге 8 строится гистограмма распределения полученных значений ЧСС_i - N(ЧСС_i).

В каждом цикле на шаге 9 для полученной гистограммы N(ЧСС_i) определяются минимальное ЧСС_iмин максимальное ЧСС_iмах значения ЧСС.

Далее на шаге 10 определяется истинное значение ЧСС_iи по формуле:

где ЧСС_cpi - среднее значение ЧСС для цикла i:

Для реализации изобретения в соответствии с п. 1 и п. 2 его формулы определение минимальных и максимальных значений ЧСС в получаемых гистограммах осуществляется с учетом порога дискриминации величиной 1-2% от числа М₀ либо M_i. Это дает возможность повысить точность определения ЧСС в случае присутствия внешних дестабилизирующих факторов, например, мощных вибрационных сигналов, характерных для скоростного транспорта. Данные операции осуществляются на этапе инициализации на шаге 11 (Фиг. 4), а также на этапе измерений на шаге 12 (Фиг. 5).

Для реализации изобретения в соответствии с пп. 1 и 3 его формулы определение значения M_i+1 осуществляется с учетом расширения гистограммы, полученной в предыдущем цикле:

Это дает возможность сохранить высокую точность определения ЧСС при наличии значительных изменений в уровне двигательной активности, приводящих к существенным изменениям в диапазоне разброса ЧСС. Данная операция осуществляется на шаге 13 (Фиг. 5).

Для реализации изобретения в соответствии с пп. 1, 2 и 3 его формулы одновременно выполняются рассмотренные выше операции. Так, для этапа измерений данные операции одновременно выполняются на шаге 13 и шаге 14 (Фиг. 7).

1. Способ автоматизированного определения ЧСС с помощью носимых устройств, осуществляющих измерение ЧСС с использованием оптических технологий при наличии произвольных непериодических движений человека, характеризующийся тем, что

содержит два последовательно выполняемых этапа - этап инициализации и этап измерений,

этап инициализации выполняется единовременно при начале использования носимого биометрического устройства либо периодически при изменении условий его эксплуатации пользователем, осуществляются два первоначальных накопления М₀>100 измеренных значений величин ЧСС, причем первое из них производится при задании уровня двигательной активности, характерного для его профессиональной, спортивной либо других видов деятельности, второе накопление осуществляется непосредственно сразу после завершения первого при условии соблюдения минимального уровня двигательной активности,

на основе данных значений строятся две гистограммы распределения N₀₁(ЧCC) и N₀₂(ЧCC),

полученные таким образом гистограммы N₀₁(ЧCC) и N₀₂(ЧCC) используются для анализа уровня суммарного влияния дестабилизирующих факторов, таких как двигательная активность, специфика программно-аппаратной реализации способа оптической регистрации ЧСС, состояние кожного покрова человека, на истинное значение ЧСС_и, для чего определяется коэффициент комплексного влияния дестабилизирующих факторов α, который используется в дальнейшем на этапе измерений:

где ЧCC_мax01 и ЧCC_мин01 - соответственно максимальное и минимальное значения ЧСС для первой гистограммы, ЧCC_cp01 и ЧСС_ср02 - соответственно средние значения ЧСС для первой и второй гистограмм:

этап измерений содержит повторяемые циклы i=1, 2, … накопления M_i искаженных значений ЧСС_i,

в каждом цикле строится гистограмма распределения полученных значений ЧСС_i - N(ЧСС_i),

в каждом цикле для полученной гистограммы N(ЧСС_i) определяются минимальное ЧCC_iмин и максимальное ЧСС_iмах значения ЧСС,

далее истинное значение ЧСС_iи для данного цикла рассчитывается по формуле:

где ЧCC_cpi - среднее значение ЧСС для цикла i:

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что определение минимальных и максимальных значений ЧСС в получаемых гистограммах осуществляется с учетом порога дискриминации величиной 1-2% от числа М₀ либо M_i.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что определение значения M_i+1 осуществляется с учетом расширения гистограммы, полученной на предыдущем этапе: