Способ определения пульса человека
Владельцы патента RU 2318432:
Общество с ограниченной ответственностью ООО "Курсор-С" (RU)
Изобретение относится к области контроля состояния здоровья человека и может использоваться при разработке и модернизации автономной аппаратуры комплексного контроля состояния здоровья и безопасности человека. Технический результат заключается в точном определении пульса человека, что позволяет быстро оценить состояние его сердечной деятельности и в случае необходимости произвести немедленную госпитализацию. Измерение пульса производится с помощью микромеханического акселерометра, который производит преобразование ускорения механического воздействия, приложенного к нему, в напряжение постоянного тока. При расположении датчика на груди в области сердца фиксируются слабые колебания сердечной мышцы, возникающие в процессе сердцебиения, что позволяет определить частоту и ритмичность пульса после цифровой обработки сигнала акселерометра в режиме реального времени. При этом не ограничивается двигательная активность человека. 2 ил.
Изобретение относится к области контроля состояния здоровья человека и может использоваться при разработке и модернизации автономной аппаратуры комплексного контроля состояния здоровья и безопасности человека в режиме реального времени.
Одним из основных параметров для определения физического состояния является сердечная деятельность, которая характеризуется частотой и ритмичностью пульса. В медицине пульс определяется как периодические толчкообразные колебания стенок кровеносных сосудов, обусловленные сокращениями сердца /1/.
Можно выделить три основных способа определения пульса:
- определение пульса с помощью пальпации крупных артерий, чаще всего лучевой артерии (на сочленении предплечья с лучезапястным суставом) /2/;
- использование электродов, воспринимающих электрические импульсы сердца /1, 3/;
- осциллометрический способ на основе изменения давления воздуха в манжете при прохождении крови через сдавленный участок артерии (пульс определяется совместно с давлением) /1, 3/.
Первый способ является самым распространенным и часто применяемым в медицине. Недостатки этого способа:
а) низкая точность измерения;
б) субъективность полученных данных.
Второй способ (использование электродов) применяется в пульсометрах, кардиографах и устройствах контроля физической нагрузки /4/. Недостатки этого способа:
а) необходимость непосредственного контакта электродов (как минимум, должно быть два электрода) с телом человека в области сердца и передача данных, получаемых с электродов, блоку обработки данных. Такая передача, как правило, в современных устройствах осуществляется по проводам или по радиоканалу /4/, что ограничивает движения человека и вызывает определенные неудобства;
б) точность определения пульса определяется количеством, материалом и техническими характеристиками электродов.
Третий способ (осциллометрический) применяется в тонометрах (устройства для измерения давления) и системах мониторинга артериального давления /5/. Недостатки этого способа заключаются в следующем:
а) принцип работы тонометров предполагает неподвижное состояние человека во время измерения пульса (и давления), т.е. полностью ограничена двигательная активность человека в момент измерения пульса;
б) громоздкость необходимого для измерения пульса оборудования (манжета, способ накачки манжеты воздухом);
в) пульс определяется как вспомогательная величина при определении давления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ, описанный в патенте RU 2268639 «Способ пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека» /6/.
В данном патенте предлагается с помощью компьютера и пьезоэлектрического датчика с высокой точностью, непрерывно в течение необходимого времени регистрировать дифференциальные сфигмограммы и по ним проводить анализ одновременно двух основных характеристик пульса:
- ритмичности;
- пульсовых колебаний артериального давления, вызванных периодическим выбросом ударного объема крови в аорту.
По фрагменту пульсограммы, которая создается с помощью специального алгоритма обработки первичных данных на компьютере, длительностью не менее 2 мин (стандартная длительность - 5 мин) измеряют и анализируют временные показатели, характеризующие сердечный ритм и его вариабельность. Затем вычисляют калибровочный коэффициент для перевода условных единиц компьютерной "оцифровки" в общепринятые единицы измерения артериального давления крови (АД, мм рт.ст.) и путем интегрирования по соответствующим площадям кардиоциклов на выбранном фрагменте пульсограммы определяют в мм рт.ст. величины пульсового прироста АД крови на различных этапах сердечного цикла. По этим величинам рассчитывают все амплитудно-временные кардиогемодинамические показатели, зависящие от АД. Обеспечивается непрерывный мониторинг изменений амплитудно-временных параметров пульсограммы, получение расчетных данных практически в реальном масштабе времени. По результатам статистического и спектрального анализов вариабельности измеренных показателей оценивают функциональное состояние и характер вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы обследуемого путем сравнения измеренных величин показателей со среднестатистическими числовыми значениями этих же показателей. Данный способ имеет следующие недостатки:
- измерение пульса происходит в состоянии относительного покоя обследуемого;
- основным условием точности и достоверности результата является правильная расстановка «кодирующих» точек в соответствии с алгоритмом первичной обработки данных, требующая процедуры дополнительного уточнения, которая визульно проверяется пользователем на компьютере и корректируется вручную, т.е. присутствует субъективная составляющая в формировании результата;
- используемый пьезокерамический датчик фиксирует только толчкообразные движения стенок крупных сосудов и должен быть расположен в непосредственной близости от кровеносного сосуда (сонная артерия, вена большого пальца руки);
- для обработки сигнала с пьезодатчика используется спектральный и статистический анализ, что требует подключения датчика к компьютеру и тем самым ограничивает двигательную активность обследуемого.
Цель предлагаемого изобретения - увеличение точности определения пульса человека без ограничения его двигательной активности и оценка состояния сердечной деятельности в режиме реального времени.
Среди характеристик пульса можно выделить две основные: частота и ритмичность.
Частоту пульса подсчитывают в течение минуты при аритмии (неправильном ритме) и в течение 30 секунд при правильном ритме. Измеряется частота пульса в [ударах/мин], она составляет у взрослых в нормальном состоянии 60...80 уд/мин, при эмоциональном напряжении и физических нагрузках может достигать 100 уд/мин без вреда для здоровья. Частота пульса ниже 40 уд/мин и выше 100 уд/мин свидетельствует об опасности для здоровья /1, 2/.
Ритмичность пульса оценивается по интервалам между ударами (импульсами) пульса. В норме различия между этими интервалами не превышает 0,15 с, причем на вдохе пульс учащается, а на выдохе урежается /1, 2/.
Предлагаемый способ определения пульса основан на использовании трехосевого микромеханического акселерометра.
Микромеханический акселерометр производит преобразование ускорения механического воздействия, приложенного к нему, в напряжение постоянного тока. Динамические характеристики (максимальная скорость изменения воздействия) и чувствительность (минимально различимый уровень ускорения в сочетании с низким уровнем шума) обеспечивают возможность для измерений механических воздействий в достаточно широком амплитудном диапазоне - от слабых механических колебаний до ударных воздействий в 10g (где g - ускорение свободного падения). При расположении датчика на груди в области сердца данное свойство позволяет зафиксировать слабые колебания сердечной мышцы, возникающие в процессе сердцебиения, которые, собственно, и отражают пульс. При этом не требуется наличия электродов, т.к. датчик располагается вместе блоками обработки и беспроводной передачи данных в одном устройстве (конструктивно устройство представляет собой единый блок), и не ограничивается двигательная активность человека.
Для определения частоты и ритмичности пульса предлагается последовательность действий по обработке сигнала акселерометра, графическое изображение которой приведено на фиг.1, где
1 - датчик (трехосевой механический акселерометр);
2 - оцифровка сигналов;
3 - выделение импульсов пульса;
4 - амплитудная селекция;
5 - временной анализ импульсов;
6 - расчет параметров пульса.
Графическое представление данных показано на фиг.2, где:
1 - сигнал после оцифровки и выделения импульсов пульса (блоки 1, 2 в алгоритме обработки);
2 - сигнал после амплитудной селекции (блок 4 в алгоритме обработки);
3 - сигнал после временной расстановки импульсов (блок 5 в алгоритме обработки).
X, Y, Z - выходные сигналы акселерометра по осям X, Y, Z соответственно. Эти сигналы представляют собой непрерывные функции времени (выходные сигналы акселерометра - аналоговые) и являются проекциями вектора ускорения на оси ортогональной системы координат.
Первым этапом обработки сигналов с акселерометров является перевод этих сигналов в цифровую форму: X→XD(t), Y→YD(t), Z→ZD(t), где t - переменная времени.
После оцифровки сигналов акселерометра происходит выделение импульсов пульса (второй этап обработки). Для этого каждый из 3-х сигналов подвергается цифровой фильтрации, т.е. происходит выделение сигнала с характеристиками пульса, которые были описаны выше:
где H(t) - передаточная функция.
Использование фильтра предназначено для подавления механических воздействий на акселерометр, не причастных к пульсу (заведомо более низкочастотных и более высокочастотных) и для устранения постоянной составляющей, что облегчает задачу определения параметров пикового детектора.
Третьим этапом обработки является амплитудная селекция сигналов, что позволяет фиксировать импульсы в определенной амплитудной области. Px(t), Py(t), Pz(t) - сигналы после амплитудной селекции.
Полученные сигналы записываются в память с сохранением последовательности импульсов и временных характеристик, на основании которых далее происходит определение частоты и ритмичности пульса. Таким образом, в памяти хранятся временные последовательности сигналов в ортогональной системе координат, которые в каждый момент времени представляют собой проекции вектора пульса на оси X, Y, Z. Чтобы определить пульс, вычисляется длина вектора пульса по формуле:
По полученным величинам частоты и ритмичности пульса проводится контроль состояния сердечной деятельности человека.
В результате экспериментов по определению пульса взрослого мужчины 30 лет, работающего в офисе во время измерения, получены следующие данные. При помощи датчика КХМ52-1050, расположенного на груди в области сердца, зафиксирован импульсный сигнал с периодом порядка 750 мс, что соответствует нормальной частоте пульса 80 уд/мин. Длительность импульса составляет порядка (80...90) мс, амплитуда (0,03...0,04) g, при этом форма и параметры импульса сохраняются достаточно стабильно. Соотношение амплитуды импульса пульса и посторонних колебаний после предварительной фильтрации составило порядка 2. При обработке полученного сигнала фильтром, настроенным на параметры импульса пульса, уровень посторонних колебаний может быть снижен как минимум в 4 раза, кроме того, устраняется постоянная составляющая сигнала, что облегчает задачу установки порога для расчета длительности между импульсами пульса и, соответственно, частоты пульса.
Применение данного изобретения дает возможность точного определения пульса человека и контроля состояния его сердечной деятельности без отрыва от повседневной жизни.
Источники информации
1. Краткая медицинская энциклопедия в 2-х томах. / Под ред. академика РАН В.И.Покровского. М., НПО «Медицинская энциклопедия», 1999 г.
2. Краткая медицинская энциклопедия. Изд. 2-е. / Под ред. академика Б.В.Петровского. М., «Советская энциклопедия», 1989 г.
3. Зайченко К.В., Жаринов О.О., Кулин А.Н., Кулыгина Л.А., Орлов А.П. Съем и обработка биоэлектрических сигналов. Учебное пособие. / Под науч. ред. профессора К.В.Зайченко. Санкт-Петербург, СПбГУАП, 2001 г.
4. Патент RU №2268639, «Мониторная система физиологических параметров».
5. Патент RU №2271735, «Способ диагностики артериальной гипертензии».
6. Патент RU №2268639, «Способ пульсометрической оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека» - прототип.
Способ определения пульса человека, включающий преобразование пульсовых колебаний с помощью датчика в электрические, последующую их оцифровку и обработку с вычислением значений частоты и ритмичности пульса, отличающийся тем, что в качестве датчика используют трехосевой микромеханический акселерометр, выходные сигналы которого являются проекциями вектора ускорения от воздействия пульсовых колебаний сердечной мышцы на оси ортогональной системы координат, а при обработке сигналов осуществляют выделение импульсов пульса путем цифровой фильтрации оцифрованных сигналов, амплитудную селекцию импульсных сигналов, их временной анализ и вычисление модуля вектора пульса по трем его проекциям.
