Способ выявления аритмии электрокардиосигнала в реальном времени и устройство для его осуществления

Изобретение относится к медицине, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для выявления синусовой и других аритмий. Способ выявления наличия аритмии электрокардиосигнала в реальном времени заключается в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени. В q первых кардиоциклах выделяют опорные точки, определяют длительности этих кардиоциклов, определяют среднюю длительность этих кардиоциклов и число дискретных отсчетов N, соответствующее этой длительности, на основании которого задают пороговое значение изменения длительности кардиоцикла. Также в течение q первых кардиоциклов определяют среднюю мощность Р₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5P₀ и Δ₂=0.5Р₀ и пороговое значение изменения длительности кардиоцикла N_пор=kN, где k=0.25. На каждом шаге дискретизации определяют суммарную мощность следующих друг за другом N отсчетов, сравнивают полученное значение суммарной мощности с пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂ и подсчитывают число поочередно взятых отсчетов суммарной мощности, превышающих Δ₁ или не превышающих Δ₂. В случае достижения в результате подсчета порогового значения N_пор изменения длительности кардиоцикла формируют сигнал о наличии аритмии. Устройство для реализации способа содержит фильтр, блок дискретизации, генератор тактовых импульсов, блок формирования опорных точек, блок определения значения средней длительности кардиоциклов, счетчик кардиоциклов, формирователь порогового значения изменения длительности кардиоцикла, три компаратора, блок возведения в квадрат, блок определения средней мощности отсчетов, блок определения суммарной мощности отсчетов, два формирователя пороговых уровней, схему ИЛИ, счетчик импульсов. Изобретения позволяют повысить надежность определения наличия аритмий в реальном времени в условиях воздействия на ЭКС шумов и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса, что обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека. 2 н.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для выявления синусовой аритмии и других видов аритмий, таких как брадикардия, тахикардия, экстрасистолия. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности определения наличия аритмии.

В системах автоматической оценки параметров электрокардиосигнала (ЭКС), в частности в устройствах холтеровского мониторирования, одной из основных задач является оценка степени вариабельности сердечного цикла, т.е. выявление наличия аритмий, которые являются диагностическим показателем нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, в частности нарушение проводимости прохождения импульсов возбуждения водителя ритма.

Известен способ, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что выделяют несколько (восемь) соседних RR-интервалов и определяют длительность каждого из них. Вычисляют среднее значение RR_cp этих RR-интервалов. Затем определяют текущее значение RR_i RR-интервала. Определяют разность между RR_i и RR_cp. В случае если формируется сигнал наличия аритмии.

Недостатками данного способа являются:

1. Необходимость выделения опорных точек в каждом кардиоцикле (КЦ) при определении RR_i. Методу выявления аритмии будут присущи те же недостатки, что и методу выделения опорных точек.

2. Надежность выявления аритмии снижается при наличии экстрасистолических комплексов и импульсных помех. Экстрасистолические комплексы и импульсные помехи могут давать ложные опорные точки или приводить к пропуску таковых.

3. Зависимость от формы элементов ЭКС. Некоторые виды форм элементов ЭКС могут приводить к появлению ложных опорных точек или к пропуску таковых.

4. Отсутствует функциональная взаимосвязь с текущей частотой сердечного ритма.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипу) является способ выявления аритмии, заключающийся в том, что выделяют несколько соседних RR-интервалов и определяют длительность каждого из них. Вычисляют среднее значение RR_cp этих RR-интервалов. Затем определяют текущее значение RR_i RR-интервала. Сравнивается зависимость между RR_i и RR_cp с N_пор. В случае если формируется сигнал наличия аритмии [2].

Несмотря на то, что появляется функциональная взаимосвязь с текущей частотой сердечного ритма, недостатками метода будут недостатки методов выделения начала кардиоцикла, снижение надежности выявления при наличии экстрасистол и импульсных помех, зависимость от формы элементов кардиоцикла.

Предлагаемый способ выявления наличия аритмии ЭКС позволяет устранить указанные недостатки прототипа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В течение q первых кардиоциклов определяют среднюю мощность p₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5Р₀ и Δ₂=0.5Р₀ и пороговое значение изменения длительности кардиоцикла N_пор=kN, где 0<k<1, далее на каждом очередном шаге дискретизации определяют суммарную мощность следующих друг за другом N отсчетов, сравнивают полученное значение суммарной мощности с пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов суммарной мощности, превышающих Δ₁ или не превышающих Δ₂, причем в случае достижения в результате подсчета порогового значения N_пор изменения длительности кардиоцикла формируют сигнал о наличии аритмии.

Предлагаемый способ основан на следующих факторах:

1. Потенциальная энергия сердца в стационарном режиме величина постоянная, зависящая от таких факторов как объем крови, сопротивления сосудов, психологического состояния и т.п. Если потенциальная энергия системного процесса цикла сердца меняется, то должна меняться и его топологическая структура. При этом сердце, как системный процесс, стремится ее удержать в норме за счет изменений частоты сокращения, ширины отдельных зубцов, коррекции амплитуд и положения изолинии.

2. Энергии всех кардиоциклов одного ЭКС незначительно отличаются друг от друга.

3. Энергия комплексов ЭКС различна: так энергия QRS-комплекса намного больше энергии Р-зубца и практически всегда превышает энергию Т-зубца. Поэтому наибольший вклад в энергию кардиоцикла вносит QRS-комплекс [3].

Рассмотрим энергетический анализ ЭКС с помощью временного окна: интервала времени, занимаемого несколькими (N) соседними отсчетами ЭКС, следующими с периодом дискретизации. Временное окно необходимо перемещать по оси времени с шагом, равным одному интервалу дискретизации. При этом на каждом шаге определяется энергия Е N отсчетов ЭКС U_i во временном окне:

Пусть имеется электрокардиосигнал, у которого длительности всех кардиоциклов равны 0,9 с (фиг.1, а).

Рассмотрим три случая.

1. Зададим временное окно равное длительности КЦ, т.е. равное 0,9 с и построим график зависимости энергии отсчетов, попавших во временное окно, от времени. Поскольку длительности кардиоциклов не меняются, то на каждом шаге временное окно содержит все отсчеты только одного КЦ, а следовательно, энергия будет постоянна (фиг.1, б).

2. Зададим временное окно больше длительности КЦ, например, равное 1,1 с и построим график зависимости энергии отсчетов, попавших во временное окно, от времени. Здесь временное окно на каждом шаге содержит не только все отсчеты одного кардиоцикла, но и часть отсчетов соседнего. Если отсчетами соседнего кардиоцикла являются отсчеты Т, Р зубцов или интервалов, то энергия является минимальной (такой же, как в случае 1) или незначительно отличается от минимального уровня. Если же отсчетами соседнего КЦ являются отсчеты QRS-комплекса, то происходит значительное увеличение значения энергии (фиг.1, в). Энергия будет максимальной до тех пор, пока временное окно не будет содержать только один QRS-комплекс и это время равно разности между длительностью временного окна и длительностью кардиоцикла, т.е. 0,2 с.

3. Зададим временное окно меньше длительности КЦ, например равное 0,7 с, и построим график зависимости энергии отсчетов, попавших во временное окно, от времени. Здесь временное окно на каждом шаге содержит только часть отсчетов одного кардиоцикла. Если этими отсчетами являются отсчеты QRS-комплекса, Т или Р зубцов, то энергия является максимальной (такой же, как в случае 1) или незначительно отличается от максимального уровня. Если же во временное окно не попадает QRS-комплекс, то происходит значительное уменьшение значения энергии (фиг.1, г). Энергия будет минимальной до тех пор, пока временное окно не будет содержать QRS-комплекс нового КЦ и это время равно разности между длительностью кардиоцикла и длительностью временного окна, т.е. 0,2 с.

Таким образом, задав временное окно длительностью порядка длительности кардиоцикла, можно по изменению энергии сигнала во временном окне определить длительность последнего КЦ, а следовательно, и степень вариабельности сердечного цикла. Этот факт можно использовать для выявления аритмии ЭКС.

Рассмотрим кардиосигнал, у которого все длительности меняются от кардиоцикла к кардиоциклу: длительности первого КЦ равна 0,9 с, второго - 1,1 с, третьего - 0,9 с, четвертого - 0,7 с, пятого - 0,9 с, шестого - 0,8 с (фиг.2, а). Зададим временное окно длительностью равной длительности первого кардиоцикла, т.е. 0,9 с и построим график зависимости энергии отсчетов, попавших во временное окно, от времени (фиг.2, б). Вначале временное окно будет содержать только один первый КЦ и энергия ЭКС будет представлять собой постоянный уровень (случай 1). Поскольку длительность второго КЦ увеличилась, а длительность временного окна осталась неизменной, то в течение некоторого промежутка времени (равного разности длительности кардиоцикла и длительности временного окна, т.е. 0,2 с) во временном окне не будет присутствовать QRS-комплекс и энергия будет минимальной (случай 3). Длительность третьего КЦ равна длительности временного окна, и энергия представляет собой постоянный уровень, равный энергии одного кардиоцикла. Длительность четвертого КЦ равна 0,7 с стала меньше длительности временного окна. Это приведет к тому, что в течение некоторого промежутка времени (равного разности длительности временного окна и длительности кардиоцикла, 0,2 с) во временном окне будет присутствовать два QRS-комплекса и энергия будет максимальна (случай 2). Пятому кардиоциклу будет соответствовать постоянный уровень, а шестому - всплеск длительностью 0,1 с.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени. В q первых кардиоциклах выделяют опорные точки, определяют длительности этих кардиоциклов, определяют среднюю длительность этих кардиоциклов и число дискретных отсчетов N, соответствующее этой длительности. На основе обобщения врачебного опыта выбирается пороговое значение изменения длительности кардиоцикла N_пор=kN, где 0<k<1 и формируется временное окно, равное этой длительности. В течение q первых кардиоциклов определяют среднюю мощность P₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5Р₀ и Δ₂=0.5P₀. Первый пороговый уровень находится выше суммарной мощности одного кардиоцикла Р₀ и его превышение свидетельствует о том, что длительность КЦ стала меньше длительности временного окна. Второй пороговый уровень находится ниже суммарной мощности КЦ Р₀ и его не превышение свидетельствует о том, что длительность кардиоцикла стала больше длительности временного окна. Задают движение временного окна и на каждом шаге определяют суммарную мощность отсчетов ЭКС, попавших во временное окно, и сравнивают полученное значение с двумя пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂. Значение суммарной мощности большее порогового уровня Δ₁ свидетельствует об уменьшении длительности КЦ относительно среднего значения длительности (увеличении частоты сердечных сокращений), а значение суммарной мощности, меньшее Δ₂, свидетельствует об увеличении длительности КЦ относительно среднего значения длительности (уменьшении частоты сердечных сокращений). Подсчитывают число поочередно взятых отсчетов мощности, превышающих Δ₁ или не превышающих Δ₂, причем в случае превышения в результате подсчета порогового значения N_пор изменения длительности КЦ формируют сигнал наличия аритмии.

Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выявить наличие аритмии ЭКС для широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы элементов в условиях действия шумов и присутствия экстрасистолических комплексов.

Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:

- фиг.1 - энергетический анализ ЭКС с помощью временных окон различной длительности;

- фиг.2 - энергетический анализ ЭКС с меняющимися длительностями кардиоциклов с помощью временного окна;

- фиг.3 - функциональная схема устройства;

- фиг.4 - вариант реализации блока 4 формирования опорных точек;

- фиг.5 - вариант реализации счетчика кардиоциклов 5;

- фиг.6 - вариант реализации блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов;

- фиг.7 - вариант реализации формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла;

- фиг.8 - вариант реализации блока 10 определения средней мощности отсчетов;

- фиг.9 - вариант реализации блока 11 определения суммарной мощности отсчетов;

- фиг.10 - вариант реализации первого формирователя порогового уровня 12;

- фиг.11 - вариант реализации второго формирователя порогового уровня 13;

- фиг.12 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в течение предварительного анализа (в течение первых q кардиоциклов);

- фиг.13 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности выявления наличия аритмии электрокардиосигнала при действиях шумов и вариациях форм элементов кардиоцикла, и реализации предложенного способа в устройство, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом блока дискретизации, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом блока дискретизации, управляющим входом блока формирования опорных точек и первым информационным входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход блока дискретизации подключен к информационному входу блока формирования опорных точек, выход последнего подключен к входу счетчика кардиоциклов и к второму информационному входу блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход счетчика кардиоциклов соединен с управляющим входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход последнего подключен к входу формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла, выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, выход первого компаратора является выходом устройства, дополнительно введены блок возведения в квадрат, блок определения средней мощности отсчетов, блок определения суммарной мощности отсчетов, первый и второй формирователи пороговых уровней, второй и третий компараторы, схема ИЛИ, счетчик импульсов, причем выход блока дискретизации соединен с входом блока возведения в квадрат, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому управляющему входу блока определения средней мощности кардиоцикла, к управляющему входу блока определения суммарной мощности отсчетов и к счетному входу счетчика импульсов, выход блока возведения в квадрат соединен с информационным входом блока определения средней мощности отсчетов и первым информационным входом блока определения суммарной мощности отсчетов, выход счетчика кардиоциклов соединен с вторым управляющим входом блока определения средней мощности отсчетов, выход блока определения значения средней длительности кардиоцикла подключен к второму информационному входу блока определения суммарной мощности отсчетов, выход блока определения средней мощности отсчетов соединен с входом первого формирователя порогового уровня и входом второго формирователя порогового уровня, выход блока определения суммарной мощности отсчетов подключен к первому входу второго компаратора и второму входу третьего компаратора, выход первого формирователя порогового уровня соединен с вторым входом второго компаратора, а выход второго формирователя порогового уровня соединен с первым входом третьего компаратора, выход второго компаратора и выход третьего компаратора подключены к первому и второму входам схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля счетчика импульсов, выход счетчика импульсов подключен к первому входу первого компаратора.

Устройство состоит (фиг.3) из фильтра 1, блока 2 дискретизации, генератора тактовых импульсов 3, блока 4 формирования опорных точек, счетчика кардиоциклов 5, блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов, формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла 7, компараторов 8, 14, 15, блока 9 возведения в квадрат, блока 10 определения средней мощности отсчетов, блока 11 определения суммарной мощности отсчетов, формирователей пороговых уровней 12, 13, схемы 16 ИЛИ, счетчика импульсов 17.

На вход фильтра 1, являющегося входом устройства, поступает ЭКС. Выход фильтра 1 соединен с первым входом блока дискретизации 2, выход генератора тактовых импульсов 3 соединен с вторым входом блока 2 дискретизации, управляющим входом блока 4 формирования опорных точек, первым информационным входом блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов, первым управляющим входом блока 10 определения средней мощности отсчетов, управляющим входом блока 11 определения суммарной мощности отсчетов и счетным входом счетчика импульсов 17. Выход блока 2 дискретизации подключен к информационному входу блока 4 формирования опорных точек и к входу блока 9 возведения в квадрат. Выход блока 4 формирования опорных точек соединен с входом счетчика кардиоциклов 5 и вторым информационным входом блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов. Выход счетчика кардиоциклов 5 подключен к управляющему входу блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов и к второму управляющему входу блока 10 определения средней мощности отсчетов. Выход блока 7 определения значения средней длительности кардиоциклов подключен к входу формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла 7 и к второму информационному входу блока 11 определения суммарной мощности отсчетов. Выход формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла 7 соединен с вторым входом первого компаратора 8, выход которого является выходом устройства. Выход блока 9 возведения в квадрат подключен к информационному входу блока 10 определения средней мощности отсчетов и к первому информационному входу блока 11 определения суммарной мощности отсчетов. Выход блока 11 определения суммарной мощности отсчетов соединен с первым входом второго компаратора 14 и вторым входом третьего компаратора 15. Выход блока 10 определения средней мощности отсчетов подключен к входу первого формирователя порогового уровня 12 и к входу второго формирователя порогового уровня 13, выход первого формирователя порогового уровня 12 соединен с вторым входом второго компаратора 14, а выход второго формирователя порогового уровня 13 соединен с первым входом третьего компаратора 15. Выход второго компаратора 14 и выход третьего компаратора 15 подключены к первому и второму входам схемы 16 ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля счетчика импульсов 17, выход последнего подключен к первому входу первого компаратора 8.

Реализовать данное устройство можно как в аналоговой, так и в цифровой форме. В качестве примера приведем реализацию устройства в цифровой форме.

Блок 4 формирования опорных точек может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.4. Он содержит два компаратора 18 и 19, два формирователя пороговых уровней 20 и 21, три схемы И 22, 24 и 25, счетчик 23. Первый вход первого компаратора 18 и второй вход второго компаратора 19 являются информационным входом блока 4. Второй вход первого компаратора 18 подключен к выходу первого формирователя порогового уровня 20, а первый вход второго компаратора 19 подключен к выходу второго формирователя порогового уровня 21. Выход первого компаратора 18 соединен с первым входом первой схемы И 22, а выход второго компаратора 19 - со вторым входом этой схемы. Выход первой схемы И 22 подключен к входу "Установка нуля" (R) счетчика 23 и к первому входу второй схемы И 24. Второй вход схемы И 24 является управляющим входом блока 4. Выход схемы И 24 соединен с входом "Счет" (С) счетчика 23, разрядные выходы которого подключены к соответствующим входам третьей схемы И 25. Выход третьей схемы И 25 является выходом рассматриваемого блока.

Счетчик кардиоциклов 5 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.5. Он содержит счетчик импульсов 26, резистор 27, конденсатор 28, схему И 29 и триггер 30. Счетный вход (С) счетчика импульсов 26 является входом блока 5. Входы установки нуля (R) счетчика 26 и триггера 30 через резистор 27 соединены с питанием +Е_п и через конденсатор 28 - с общим проводом. Разрядные выходы счетчика импульсов 26 подключены к соответствующим входам схемы И 29. Выход схемы И 29 соединен с входом установки единицы (S) триггера 30, выход которого является выходом рассматриваемого блока.

Блок 6 определения значения средней длительности кардиоциклов может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.6. Он содержит первый и второй счетчики импульсов 31 и 32, триггер 33, резистор 34, конденсатор 35, делитель 36 и регистр 37. Счетный вход (С) первого счетчика импульсов 31 является первым информационным входом блока 6, а счетный вход (С) второго счетчика импульсов 32 и вход установки единицы (S) триггера 33 - вторым информационным входом этого блока. Входы установки нуля (R) триггера 33 и регистра 37 через резистор 34 соединены с питанием +Е_п и через конденсатор 35 - с общим проводом. Выход триггера 33 подключен к входам установки нуля (R) первого 31 и второго 32 счетчиков импульсов. Выход первого счетчика импульсов 31 соединен с первым входом делителя 36, а выход второго счетчика импульсов 32 - с вторым входом этого делителя. Выход последнего подключен к входу данные (D) регистра 37, счетный вход этого регистра является управляющим входом рассматриваемого блока, а выход регистра 37 - его выходом.

Блок 7 формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.7. Он содержит схему ИЛИ 38 и сдвиговый регистр 39. Разрядные входы схемы ИЛИ 38 и вход данные (D) сдвигового регистра 39 являются входом данного блока, а выход регистра 39 - его выходом. Выход схемы ИЛИ 38 соединен со счетным входом (С) регистра 39.

Блок 10 определения средней мощности отсчетов может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.8. Он содержит накапливающий сумматор 40, счетчик импульсов 41, резистор 42, конденсатор 43, делитель 44 и регистр 45. Счетные входы (С) накапливающего сумматора 40 и счетчика импульсов 41 являются первым управляющим входом блока 10. Входы установки нуля (R) накапливающего сумматора 40, счетчика импульсов 41 и регистра 45 через резистор 42 соединены с питанием +Е_п и через конденсатор 43 - с общим проводом. Вход данные (D) накапливающего сумматора 40 является информационным входом блока 10. Выход накапливающего сумматора 40 соединен с первым входом делителя 44, а выход счетчика импульсов 41 - с вторым входом этого делителя. Выход последнего подключен к входу данные (D) регистра 45, счетный вход (С) этого регистра является вторым управляющим входом рассматриваемого блока, а выход регистра 45 - его выходом.

Блок 11 определения суммарной мощности отсчетов может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.9. Он содержит сдвиговый регистр 46, мультиплексор 47, сумматор 48 и делитель 49. Счетный вход (С) сдвигового регистра 46 является управляющим входом данного блока, а вход данные (D) этого регистра - первым информационным входом. Выход сдвигового регистра 46 подключен к входу данных (D) мультиплексора 47. Вход управления (А) мультиплексора 47 и второй вход делителя 49 являются вторым информационным входом рассматриваемого блока. Выход мультиплексора 47 соединен с входом сумматора 48, выход последнего подключен к первому входу делителя 49. Выход делителя 49 является выходом рассматриваемого блока.

Блок 12 первого формирователя пороговых уровней может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.10. Он содержит схему ИЛИ 50, первый второй сдвиговый регистр 51, сумматор 52. Разрядные входы схемы ИЛИ 50, вход данные (D) сдвигового регистра, первый вход сумматора 52 являются входом данного блока. Выход схемы ИЛИ 50 соединен со счетным входом (С) сдвигового регистра 51, выход которого подключен к второму входу сумматора 52. Выход последнего является выходом рассматриваемого блока.

Блок 13 второго формирователя порогового уровня длительности может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.11. Он содержит схему ИЛИ 53 и сдвиговый регистр 54. Разрядные входы схемы ИЛИ 53 и вход данные (D) сдвигового регистра 54 являются входом данного блока, а выход регистра 54 - его выходом. Выход схемы ИЛИ 53 соединен со счетным входом (С) регистра 54 [4].

Устройство работает следующим образом. Фильтр 1 предварительной обработки электрокардиосигнала производит получение сигнала с тела пациента, выполняет обычные операции: усиливает ЭКС, освобождает его от действия различных помех. Очищенный от действия помех ЭКС поступает на информационный вход блока 2 дискретизации, где под действием импульсных сигналов, имеющих период повторения, равный периоду дискретизации, и поступающих с выхода генератора 3 тактовых импульсов (фиг.12, а, фиг.13, а), преобразуется в совокупность дискретных (цифровых) отсчетов сигнала, следующих с периодом дискретизации Δt (фиг.12, 6, фиг.13, б).

Можно выделить два периода работы устройства:

1. Предварительный анализ ЭКС, при котором определяется средняя длительность кардиоцикла и средняя мощность отсчетов (фиг.12).

2. Непосредственный анализ ЭКС, при котором выявляется наличие аритмии (фиг.13).

Выходной сигнал счетчика кардиоциклов 5 определяет период работы устройства: низкий логический сигнал задает предварительный анализ ЭКС, высокий - его анализ.

Дискретные отсчеты ЭКС поступают на информационный вход блока 4 формирования опорных точек, где под действием импульсных сигналов, имеющих период повторения, равный периоду дискретизации, и поступающих с выхода генератора 3 тактовых импульсов, на выходе блока 4 формируется сигнал высокого уровня при определении начала каждого КЦ (фиг.12, д). Выходной сигнал блока 4 поступает на вход блока 5 и второй информационный вход блока 6, которые по переходу логического сигнала низкого уровня в высокий считают число кардиоциклов. Блок 6 также считает число тактовых импульсов, поступающих на первый информационный вход. После того как блок 5 сосчитает заданное число кардиоциклов, на его выходе происходит переход логического сигнала низкого уровня в высокий (фиг.12, е). Этот сигнал поступает на управляющий вход блока 6 и на второй управляющий вход блока 10. В момент появления высокого логического сигнала на управляющем входе блока 6 на его выходе появляется сигнал равный отношению числа импульсов, соответствующих заданному числу кардиоциклов, к этому числу КЦ (значение RR_cp на фиг.12, ж). Этот сигнал будет существовать на выходе блока до конца анализа. На выходе блока 7 формируется пороговое значение изменения длительности КЦ, равное, например, четверти значения выходного сигнала блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов (значение N_пор на фиг.12, ж).

Дискретные отсчеты ЭКС поступают на блок 9 возведения в квадрат, который формирует энергию отсчетов ЭКС (фиг.12, в). Сигнал с выхода блока 9 поступает на информационный вход блока 10 определения средней мощности отсчетов и на первый информационный вход блока 11 определения суммарной мощности отсчетов. До тех пор пока на втором управляющем входе блока 10 присутствует логический сигнал низкого уровня, на выходе блока 10 существует нулевое значение сигнала (фиг.12, з). За это время происходит счет тактовых импульсов, поступающих на первый управляющий вход, и определяется сумма отсчетов, поступающих на информационный вход. В момент перехода на втором управляющем входе блока 10 логического сигнала низкого уровня в высокий происходит определение отношения суммы отсчетов, поступающих на информационный вход, к их числу. Это значение появляется на выходе блока 10 и существует до конца анализа (значение Р₀ на фиг.12, з). Выходной сигнал блока 10 поступает на входы первого и второго формирователей пороговых уровней. На выходе первого формирователя порогового уровня 12 появляется сигнал, соответствующий первому пороговому уровню (значение Δ₁ на фиг.12, з). На выходе второго формирователя порогового уровня 13 появляется сигнал, соответствующий второму пороговому уровню (значение Δ₂ на фиг.12, з).

Блок 11 определения суммарной мощности отсчетов под действием импульсных сигналов, имеющих период повторения, равный периоду дискретизации, и поступающих с выхода генератора 3 тактовых импульсов на управляющий вход, запоминает и суммирует N последних отсчетов сигнала, поступающих на первый информационный вход. Число N определяется сигналом, поступающим на второй информационный вход. Во время преданализа, когда на этот вход поступает нулевое значение, емкость буфера блока 11 максимальна и выходной сигнал будет возрастать (фиг.12, г). Сигнал, поступающий на первый информационный вход блока 11, уменьшит емкость буфера блока 11, выходной сигнал которого будет зависеть от текущей длительности КЦ (фиг.13, г).

Компаратор 14 сравнивает выходной сигнал блока 11 с выходным сигналом блока 12, а компаратор 15 - выходной сигнал блока 11 с выходным сигналом блока 13. Когда выходной сигнал блока 11 превышает первый пороговый уровень или не превышает второго порогового уровня, то на выходе первого (фиг.13, д) или второго (фиг.13, е) компараторов соответственно появляется логический сигнал высокого уровня, поступающий на вход схемы ИЛИ 16. В этот же момент сигнал высокого уровня (фиг.13, ж) появляется на входе установки нуля счетчика импульсов 17, разрешая тем самым счет тактовых импульсов, поступающих на счетный вход с выхода генератора 3 тактовых импульсов. Как только выходной сигнал счетчика импульсов 17 (фиг.13, з), поступающий на первый вход первого компаратора 8, превысит выходной сигнал формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла 7, поступающий на второй вход компаратора 8, то на выходе компаратора 8 появится логический сигнал высокого уровня, сигнализирующий о наличии аритмии (фиг.13, и). Если выходной сигнал блока 11 находится между первым и вторым пороговым уровнем, то на входе установки нуля счетчика импульсов 17 появляется логический сигнал низкого уровня, который устанавливает счетчик импульсов 17 в начальное состояние и запрещает счет тактовых импульсов.

Для удобства отображения все цифровые сигналы на фиг.12-13 представлены в аналоговом виде.

Ниже приведено более подробное описание работы некоторых блоков устройства.

Блок 4 формирования опорных точек работает следующим образом. Компараторы 18 и 19 (например, микросхемы К561ИП2) сравнивают амплитуду каждого отсчета, поступающего на информационный вход блока 4, соответственно с пороговыми уровнями, формируемыми первым 20 и вторым 21 формирователями пороговых уровней (представляющие собой, например, набор резисторов, соединенных с общей и питающей шинами соответствующим образом). Если амплитуды отсчетов не выходят за пороговые уровни, на выходах компараторов устанавливаются сигналы высокого уровня, в противном случае - сигналы низкого уровня. Схема И 22 (например, микросхема К1564ЛЛ1) является для сигналов низкого уровня схемой ИЛИ, поэтому сигнал низкого уровня появляется на выходе схемы И 22 каждый раз, когда амплитуды отсчетов ЭКС превышают пороговые уровни. Этот сигнал поступает на вход "Установка нуля" (R) счетчика 23 (например, микросхема К561ИЕ10) и устанавливает последний в начальное нулевое состояние всякий раз, когда амплитуды дискретных отсчетов превысят пороговые уровни. Когда же амплитуды дискретных отсчетов ниже пороговых уровней, на выходе схемы И 22 присутствует сигнал высокого уровня, который поступает на первый вход схемы И 24 (например, микросхема К561ЛА8) и разрешает прохождение на ее выход тактовых импульсов с управляющего входа блока 4. Импульсы, прошедшие через схему И 24 на вход "Счет" (С), считаются счетчиком 23. Соответствующие разрядные выходы счетчика 23 подключены к входам схемы И 25 (например, микросхема К561ЛА8). Входы схемы И 25 соединены с выходами счетчика 23 таким образом, чтобы сигнал на выходе этой схемы появлялся только в тот момент времени, когда счетчик сосчитает определенное заданное число импульсов. Начало импульса на выходе схемы И 25 принимается за начало очередного кардиоцикла.

Счетчик кардиоциклов 5 работает следующим образом. В момент включения питания данного блока конденсатор 28 представляет собой фактически проводник с нулевым сопротивлением, в результате чего в этот момент на входы установки нуля (R) счетчика 26 (например, микросхема К561ИЕ10) и триггера 30 (например, К561ТР2) поступает логический сигнал низкого уровня, который устанавливает их в начальное состояние. Через некоторое время сопротивление конденсатора по постоянному току будет фактически бесконечно, и на входы установки нуля (R) счетчика 26 и триггера 30 будет поступать логический сигнал высокого уровня. Счетчик 26 считает переходы логического сигнала низкого уровня в высокий, поступающие на его счетный вход и соответствующие началу очередного КЦ. Соответствующие разрядные выходы счетчика 26 подключены к входам схемы И 29 (например, микросхема К561ЛА8). Входы схемы И 29 соединены с выходами счетчика 26 таким образом, чтобы сигнал на выходе этой схемы появлялся только в тот момент времени, когда счетчик сосчитает определенное заданное число импульсов. Выходной сигнал схемы И 29 «опрокидывает» триггер 29, и на его выходе появляется логический сигнал высокого уровня, существующий до конца анализа.

Блок 6 определения значения средней длительности кардиоцикла работает следующим образом. Конденсатор 35 при включении питания устанавливает триггер 33 (например, К561ТР2), счетчики 31, 32 (например, микросхемы К5 61 НЕ 10) и регистр 37 (например, микросхема К1561ИР14) в начальное состояние. Сигнал начала первого КЦ устанавливает на выходе триггера 33 логический сигнал высокого уровня, который разрешает счет импульсов счетчикам 31 и 32. Счетчик 31 считает тактовые импульсы, поступающие с выхода генератора 3 на первый информационный вход блока 6, а счетчик 32 - число кардиоциклов. Делитель 36 (например, К561ИЕ8) определяет отношение числа тактовых импульсов к числу КЦ. В момент появления логического сигнала высокого уровня на управляющем входе, на выходе данного блока появляется сигнал, соответствующий числу отсчетов среднего по длительности КЦ.

Формирователь порогового значения изменения длительности кардиоцикла 7 работает следующим образом. В течение преданализа на вход блока поступает сигнал нулевого значения. Как только на входе блока 7 появится сигнал ненулевого значения, на выходе схемы ИЛИ 38 (например, микросхема К1564ЛЛ1) появится логический сигнал высокого уровня, который запишет в сдвиговый регистр 39 (например, микросхема К561ИР6) входной сигнал блока 7. На выходе данного блока появится сигнал, равный, например, четверти входного сигнала блока 7. Этот сигнал будет существовать на выходе блока до конца анализа.

Блок 10 определения средней мощности отсчетов работает следующим образом. Конденсатор 43 при включении питания устанавливает накапливающий сумматор 40 (например, микросхема К555ИК4), счетчик 41 (например, микросхема К561ИЕ11) и регистр 45 (например, микросхема К1561ИР14) в начальное состояние. Под действием тактовых импульсов, поступающих на первый управляющий вход блока 10, происходит счет этих импульсов счетчиком 41 и сложение накапливающим сумматором 40 значения сигнала, поступающего на информационный вход, с предыдущим значением суммы. Делитель 44 (например, К561ИЕ8) производит деление выходного значения сумматора 40 на выходной сигнал счетчика 41. В момент появления на втором управляющем входе блока 10 логического сигнала высокого уровня происходит запись выходного сигнала делителя 44 в регистр 45 и появление этого значения на выходе блока 10, которое будет существовать до конца анализа.

Блок 11 определения суммарной мощности отсчетов работает следующим образом. Под действием тактовых импульсов, поступающих на управляющий вход, происходит запоминание и сдвиг регистром 46 отсчетов сигнала, поступающих на первый информационный вход блока 11. Сдвиговый регистр может быть выполнен путем соединения схем сдвигающих регистров (например, К561ИР6), число которых равно разрядности сигнала. Со сдвигового регистра 46 запомненные отсчеты через мультиплексор 47 (реализованный, например, на микросхемах 1564КП15) поступают на сумматор 48. Управление мультиплексора осуществляется сигналом, поступающим на второй информационный вход блока. Мультиплексор построен таким образом, что он пропускает число отсчетов, соответствующих сигналу на втором информационном входе. Сумматор 48 может быть выполнен на основе микросхем, например, К561ИМ1, соединенных с выходами мультиплексора 47 соответствующим образом. Выходной сигнал сумматора 48 делителем 49 (например, микросхема К561ИЕ8) делится на сигнал, поступающий на второй информационный вход данного блока 11. Таким образом, на выходе блока 11 на каждом шаге дискретизации формируется суммарная мощность отсчетов ЭКС.

Первый формирователь порогового уровня 12 работает следующим образом. В течение преданализа на вход блока поступает сигнал нулевого значения. Как только на входе блока 12 появится сигнал ненулевого значения, на выходе схемы ИЛИ 50 (например, микросхема К1564ЛЛ1) появится логический сигнал высокого уровня, который запишет в сдвиговый регистр 51 (например, микросхема К561ИР6) входной сигнал блока 12. На выходе сдвигового регистра появится половина значения входного сигнала, которая поступает на первый вход сумматора 52 (например, микросхема К561ИМ1). На второй вход сумматора 52 подается входной сигнал, в результате чего на его выходе формируется сигнал, равный полтора значения входного сигнала блока 12.

Второй формирователь порогового уровня 13 работает следующим образом. В течение преданализа на вход блока поступает сигнал нулевого значения. Как только на входе блока 13 появится сигнал ненулевого значения, на выходе схемы ИЛИ 53 (например, микросхема К1564ЛЛ1) появится логический сигнал высокого уровня, который запишет в сдвиговый регистр 54 (например, микросхема К561ИР6) входной сигнал блока 13. На выходе данного блока появится сигнал, равный половине входного сигнала блока 13. Этот сигнал будет существовать на выходе блока до конца анализа.

Блок 1 может быть реализован на микросхеме К174УН19, блок 2 - на микросхеме К1107ПВ1Б, блок 3 - на микросхеме КР531ГП, блок 9 - на микросхеме К561ИП5, блок 8, 14, 15 - на микросхеме К561ИП2, блок 16 - на микросхеме 1564ЛЛ1, блок 17 -на микросхеме К561ИЕ10 [5].

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении надежности определения наличия аритмии в реальном времени в условиях воздействия на ЭКС шумов и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности). Надежное выявление аритмии обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.

Литература

1. Пупко И.Д. Долгов В.К. Проблемы вычислительной диагностики. - Л.: 1969, с.41-51.

2. Худяков А.В., Яшков В.Т. Радиоэлектроника, физика, математика в биологии и медицине. Новосибирск, 1971, с.39-43.

3. 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.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2000. с.89. Рис.2.33.

5. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, «НТЦ Микротех», 1998 г. - 376 с.

1. Способ выявления аритмии электрокардиосигнала в реальном времени, заключающийся в том, что электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени, в q первых кардиоциклах выделяют опорные точки, определяют длительности этих кардиоциклов, определяют среднюю длительность этих кардиоциклов и число дискретных отсчетов N, соответствующее этой длительности, на основании которого задают пороговое значение изменения длительности кардиоцикла, отличающийся тем, что в течение q первых кардиоциклов определяют среднюю мощность Р₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5 P₀ и Δ₂=0.5 P₀ и пороговое значение изменения длительности кардиоцикла N_пор=kN, где 0<k<1, далее на каждом очередном шаге дискретизации определяют суммарную мощность следующих друг за другом N отсчетов, сравнивают полученное значение суммарной мощности с пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов суммарной мощности, превышающих Δ₁ или не превышающих Δ₂, причем в случае достижения в результате подсчета порогового значения N_пор изменения длительности кардиоцикла формируют сигнал о наличии аритмии.

2. Устройство выявления аритмии электрокардиосигнала в реальном времени, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом блока дискретизации, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом блока дискретизации, управляющим входом блока формирования опорных точек и первым информационным входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход блока дискретизации подключен к информационному входу блока формирования опорных точек, выход последнего подключен к входу счетчика кардиоциклов и к второму информационному входу блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход счетчика кардиоциклов соединен с управляющим входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход последнего подключен к входу формирователя порогового значения изменения длительности кардиоцикла, выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, выход первого компаратора является выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок возведения в квадрат, блок определения средней мощности отсчетов, блок определения суммарной мощности отсчетов, первый и второй формирователи пороговых уровней, второй и третий компараторы, схема ИЛИ, счетчик импульсов, причем выход блока дискретизации соединен с входом блока возведения в квадрат, выход генератора тактовых импульсов подключен к первому управляющему входу блока определения средней мощности кардиоцикла, к управляющему входу блока определения суммарной мощности отсчетов и к счетному входу счетчика импульсов, выход блока возведения в квадрат соединен с информационным входом блока определения средней мощности отсчетов и первым информационным входом блока определения суммарной мощности отсчетов, выход счетчика кардиоциклов соединен с вторым управляющим входом блока определения средней мощности отсчетов, выход блока определения значения средней длительности кардиоцикла подключен к второму информационному входу блока определения суммарной мощности отсчетов, выход блока определения средней мощности отсчетов соединен с входом первого формирователя порогового уровня и входом второго формирователя порогового уровня, выход блока определения суммарной мощности отсчетов подключен к первому входу второго компаратора и второму входу третьего компаратора, выход первого формирователя порогового уровня соединен с вторым входом второго компаратора, а выход второго формирователя порогового уровня соединен с первым входом третьего компаратора, выход второго компаратора и выход третьего компаратора подключены к первому и второму входам схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом установки нуля счетчика импульсов, выход счетчика импульсов подключен к первому входу первого компаратора.