Электрод и способ определения биоэлектрического потенциала
Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к способам определения биоэлектрического потенциала с помощью комплекта электродов. В способах определения биоэлектрического потенциала используют одноразовые электроды для измерения электрических потенциалов на коже животного или человека. Каждый из них включает носитель; три датчика, расположенных на носителе таким образом, что линии, проходящие через центры соответствующих пар датчиков, задают два линейно независимых направления; средства для съемного прикрепления электродов к коже; соединения с внешним оборудованием; и визуальную индикацию предварительно заданной ориентации электрода. Для измерения электрических потенциалов в предварительно заданных местоположениях в них размещают электрод из комплекта электродов таким образом, чтобы два линейно независимых направления, задаваемых электродом в первом местоположении, совпадали с двумя линейно независимыми направлениями электрода во втором местоположении. С каждым из электродов соединяют беспроводной передатчик, и принимают от каждого передатчика передаваемые им сигналы. В другом варианте способа каждый электрод имеет, по меньшей мере, три датчика, расположенных так, что линии, идущие через центры соответствующих пар датчиков, задают два линейно независимых направления. Каждым из указанных датчиков на каждом электроде измеряют электрический потенциал кожи, передают сигналы, отражающие, по меньшей мере, две разности между парами потенциалов, и определяют электрический потенциал в первом местоположении относительно базисного местоположения на основании принятых сигналов. В третьем варианте способа в первом местоположении измеряют электрический потенциал (VAr) в первой базисной точке, измеряют электрический потенциал (VAdirX) в точке, находящейся в первом направлении от первой базисной точки, определяют первую разность (VAdirX)-(VAr) электрических потенциалов, измеряют электрический потенциал (VAdirY) в точке, находящейся во втором направлении от первой базисной точки, определяют вторую разность (VAdirY)-(VAr) электрических потенциалов, передают сигналы, отражающие первую и вторую разности электрических потенциалов. В базисном местоположении измеряют электрический потенциал (VRr) во второй базисной точке, измеряют электрический потенциал (VRdirX) в точке, находящейся в третьем направлении от второй базисной точки, определяют третью разность (VRdirX)-(VRr) электрических потенциалов, измеряют электрический потенциал (VRdirY) в точке, находящейся в четвертом направлении от второй базисной точки, определяют четвертую разность (VRdirY)-(VRr) электрических потенциалов и передают сигналы, отражающие третью и четвертую разности электрических потенциалов, принимают переданные сигналы, и определяют электрический потенциал первого местоположения относительно базисного местоположения. Для реализации способов измерения электрических потенциалов на коже животного или человека, применяют систему, содержащую микропроцессор, выполненный с возможностью осуществления шагов приема и определения в указанных выше способах. Использование группы изобретений позволит расширить арсенал имеющихся способов определения биоэлектрического потенциала. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерению электрического поверхностного потенциала посредством электродов, прикрепленных к коже животного или человека. Использование изобретения, в частности, включает в себя электрокардиографию (ЭКГ), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и электромиографию (ЭМГ).
Уровень техники
При измерении ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ к коже пациента, человека или животного прикрепляется несколько электродов, каждый из которых имеет датчик. Каждый датчик на каждом электроде измеряет электрический потенциал на относительно небольшом участке - как правило, несколько миллиметров в диаметре - на коже непосредственно под датчиком. Обычно между датчиком и кожей используется электропроводящая контактная среда. Измеренные электрические потенциалы передаются через отдельные проводники в устройство, которое измеряет, регистрирует и/или вычисляет измеренные потенциалы, например, путем определения разностей между электрическими потенциалами на электродах и их линейных комбинаций. Такие системы давно используются для мониторинга и диагностики.
Документ US 4583549 и некоторые другие описывают гибкий электрод для ЭКГ, включающий гибкий лист с несколькими электрокардиографическими электродами, расположенными на нем в соответствии с анатомически правильным размещением грудных электрокардиографических электродов.
Документ US 5724984 описывает электрод с центральным измерительным сегментом и несколькими периферийными измерительными сегментами, симметрично расположенными вокруг центрального измерительного сегмента.
Документ US 6577893 описывает комплексное беспроводное медицинское диагностическое и контрольное оборудование с двумя или более электродами и беспроводным передатчиком для передачи измеренных сигналов электродов.
Документ US 2002/0045836 А1 раскрывает способ подсчета стандартных отведений ЭКГ на основании ряда более мелких измерений. Способ основан на размещении комплекта датчиков в прямоугольнике с продольной осью вдоль стандартного отведения ЭКГ. Стандартное отведение ЭКГ рассчитывается на основании ряда допущений.
Документ US 6295466 В1 описывает электрод, содержащий три датчика, расположенных ортогонально. Чтобы найти модуль вектора, описывающий величину изменения электрического поля в местах расположения датчиков, выходные данные (выводы) от трех датчиков комбинируются. Однако никакой информации относительно стандартной ЭКГ или направления изменения поля не предоставляется.
Сигналы ЭКГ возникают в результате координированного возбуждения и сокращения сердечных мышц, являющегося причиной кровообращения в теле. Сигнал ЭКГ начинается в SA узле (синоатриальном узле) и инициирует сокращение миокарда предсердия, вызывающее зубец (волну) Р, распространяющийся вниз по центральной линии сердца. AV узел (атриовентрикулярный узел) и пучок Гиса возбуждаются, тем самым инициируется возбуждение желудочков. Сначала возбуждается межжелудочковая перегородка (мышца, которая разделяет два желудочка), что вызывает зубец (волну) Q по мере распространения сигнала вниз по центральной линии сердца. Затем возбуждаются свободные наружные стенки желудочков, что вызывает зубцы R и S. Далее возбуждение распространяется от верхушки сердца вверх по центральной линии и завершает комплекс QRS. Зубец Т возникает в результате реполяризации наружных стенок желудочков, распространяясь фактически от верхушки сердца вверх по центральной линии, но с обратной полярностью сигнала, в результате приводя к кажущемуся движению вниз в направлении верхушки. И, наконец, может обнаружиться небольшой зубец U, который возникает в результате позднего возбуждения желудочков. Форма записанных сигналов ЭКГ зависит от места расположения электродов и полярности записи.
Сигнал ЭКГ, используемый в диагностике, имеет источником измерение разности биопотенциалов между разными участками тела. Существует несколько различных стандартов записи/формирования сигнала ЭКГ, и здесь они обсуждаться не будут. Для этого можно обратиться к любому базовому медицинскому учебнику. В дальнейшем, в качестве наглядного примера взяты три стандартных электрокардиографических отведения - отведения от конечностей (I, II, III), образующие треугольник Эйнтховена [10]. Традиционно места расположения электродов при стандартном отведении находятся на правой руке (RA), левой руке (LA) и левой ноге (LL). В некоторых клинических применениях электроды для конечностей без потери информации помещают на туловище рядом с конечностями [5], [8].
Отведения от конечностей определяют как разности потенциалов, записываемые между тремя электродами. В частности:
I=VRA-VLA
II=VRA-VLL
III=VLA-VLL.
где Vxx - это потенциал, зарегистрированный под электродом XX (уравнение I).
Помимо основных стандартных отведений от конечностей, по тем же трем зарегистрированным потенциалам можно рассчитать однополюсные отведения от конечностей, называемые также усиленными отведениями. Вместе стандартные отведения от конечностей и однополюсные отведения от конечностей образуют векторную систему, составленную из 6 векторов.
aVR=VRA-(VLA+VLL)/2
aVL=VLA-(VRA+VLL)2
aVF=VLL-(VRA+VLA)/2
В традиционных электрокардиографических записях сигналы ЭКГ записываются как разность между двумя потенциалами на двух различных участках тела. Разность напряжений измеряется относительно базисной точки, которая принимается в качестве "нулевого потенциала" на теле. Это означает, что сигнал всегда определяется относительно одной общей точки на теле. Данная базисная точка может быть одним участком или электродом, помещенным на участке тела, на который оказывается минимальное влияние со стороны интересующего потенциала тела, или же базисом может быть один или несколько потенциалов или электродов. Эта зависимость от базисной точки (точек) ограничивает возможности передачи сигнала одного электрода через небазисную линию передачи, например, беспроводным способом. Обычно это возможно только тогда, когда можно осуществить связь по меньшей мере между двумя электродами, например, с помощью пары проводов, соединяющих два электрода с передатчиком.
Обычно каждый датчик имеет свой собственный проводник, соединяющий датчик с измерительным и/или вычислительным устройством. При наличии нескольких электродов и соответствующего количества отдельных проводников существует риск путаницы проводников и соединения датчиков не с нужными вводами устройства. Подвижность пациента, к телу которого прикреплен комплект таких электродов, ограничена длиной проводников. В оборудовании, получающем питание от сети переменного тока, электроды должны иметь исключительно хорошую изоляцию от источника переменного тока с тем, чтобы гарантировать безопасность пациента.
В большинстве имеющихся в настоящее время систем телеметрического мониторинга пациентов, к пациенту прикрепляется набор электродов, при этом каждый электрод соединяется проводником с общим передатчиком, который носит пациент. Такие системы также имеют проводники, которые ограничивают свободу и подвижность пациента.
Таким образом, имеется потребность в одноразовом электроде, способе измерения разности потенциалов между различными точками на теле без необходимости в общем напряжении между точками, а также в системе, которая позволяет выполнять беспроводную передачу сигналов, представляющих собой измеренные на каждом электроде потенциалы. Есть также потребность в более подробной информации по биоэлектрическому потенциалу под электродом, такой как направление распространения биопотенциала.
Раскрытие изобретения
Изобретение предлагает решение этой проблемы, представляя новый тип комплекта электродов, новый способ измерения сигнала ЭКГ и новую систему измерения сигнала ЭКГ. Одноразовый комплект электродов настоящего изобретения выполнен с возможностью прикрепления к коже животного или человека в местоположениях, обычно используемых для прикрепления электродов с одним отведением, имеющих одну точку измерения.
Каждый электрод в комплекте электродов содержит по меньшей мере три датчика или точки измерения. По меньшей мере три датчика располагаются так, чтобы задать два линейно независимых направления. Таким образом можно измерять разность электрических потенциалов в каждом из двух направлений. Сигналы, отражающие измеренные разности потенциалов, могут быть переданы беспроводным образом или по проводам на обрабатывающее устройство для преобразования в электрические потенциалы, которые практически соответствуют обычным потенциалам, получаемым с помощью проводных электродов с одним датчиком. Варианты осуществления способов преобразования представлены ниже.
С помощью способа по данному изобретению определяется или оценивается электрический потенциал в местоположении каждого электрода относительно электрического потенциала в базисном местоположении, исходя из измеренных разностей потенциалов между соответствующими парами датчиков электродов. Электрические потенциалы могут быть определены как численные значения, соответствующие, например, традиционным электрокардиографическим измерениям посредством электродов с одним ответвлением, имеющих одну точку измерения, или же электрические потенциалы могут быть определены как векторные величины, имеющие две координаты, которые определяют размер (численное значение) и направление, например направление распространения измеренного сигнала.
В одномерном случае потенциал тела может рассматриваться как распространяющийся сигнал, который будет проходить под точками измерения электрода с заданной скоростью распространения. Несмотря на то, что потенциалы действия, возникающие в результате деятельности сердечной мышцы, помещены "далеко" от электродов, сигнал будет распространяться под электродами благодаря объемной проводимости остального тела.
Когда две измерительные точки электрода помещаются рядом друг с другом, то обе они будут измерять одну и ту же волну, получающийся дифференциал между двумя точками измерения будет небольшим, и, если расстояние между точками измерения известно, можно измерить градиент в направлении средней линии. Таким образом может быть выполнено дифференцирование проходящего потенциала тела по времени и пространству. В этом случае потенциал тела можно оценить посредством интегрирования измеренного сигнала. Интегрирование дает в результате приближенное значение величины проходящего потенциала.
Если расстояние между точками измерения электродов большое, так что полная потенциальная волна может вписаться между двумя точками измерения, то запись будет функционировать не как дифференциал, а как полная запись потенциала сигнала под электродом. В этом случае необходимость в интегрировании отсутствует.
Использование двух точек измерения, как это описано выше, работает для одномерного пространства, в котором две точки измерения можно разместить таким образом, что центральная линия точек измерения параллельна направлению, в котором перемещается волна потенциала. Если волна потенциала перемещается в направлении, отличном от центральной линии, то измеренная разность потенциалов будет меньше, а если волна потенциала перемещается перпендикулярно средней линии двух точек измерения, то точки измерения будут по существу измерять один и тот же сигнал, так что регистрируемая разность между двумя точками измерения будет (почти) нулевой. Из этого следует, что для получаемой в результате записанной амплитуды ориентация двух точек измерения является ключевой.
Изобретение предусматривает электрод с по меньшей мере тремя датчиками или точками измерения, расположенными так, что линии, идущие через центры соответствующих пар датчиков, задают по меньшей мере два линейно независимых, т.е. различных направления. В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере два линейно независимых направления перпендикулярны друг другу. Чтобы получить две разности потенциалов, представляющие векторные координаты двумерного вектора, соответствующего двумерному градиенту в любой момент времени, производятся измерения с использованием двух пар датчиков.
Настоящее изобретение наряду с различными вариантами его осуществления охарактеризовано в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает электрод с тремя датчиками и кнопочным соединением с отдельными датчиками.
Фиг.2 изображает электрод, схожий с электродом по фиг.1, но с четырьмя датчиками.
Фиг.3 изображает электрод, схожий с электродом на фиг.4 с четырьмя датчиками и проводящей полоской, используемой в качестве антенны.
Фиг.4 изображает электрод с тремя датчиками и краевым соединением с отдельными датчиками, в котором краевой соединитель можно присоединить к беспроводному передатчику.
Фиг.5 изображает электрод, присоединенный к передатчику по фиг.4.
Фиг.6 изображает электрод с четырьмя датчиками и проводящей полоской, используемой в качестве антенны, соединенный с беспроводным передатчиком.
Фиг.7 изображает систему с несколькими электродами, присоединенными к отдельным беспроводным передатчикам, и приемник, принимающий сигналы, передаваемые передатчиками.
Фиг.8 иллюстрирует принципы измерений в данном изобретении.
Фиг.9 иллюстрирует эффект изменения расстояния между точками измерения электрода.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан первый электрод 10 с носителем - несущей (монтажной) пластиной 11 и тремя датчиками 12, 13, 14 на одной стороне несущей пластины, выполненной предпочтительно из гибкого материала. Пластина 11 имеет L-образный контур. Три датчика имеют размер несколько миллиметров в диаметре, и могут быть любого подходящего типа, например Аg или AgCl. На электроде имеется надлежащее связующее для прикрепления электрода к коже животного или человека, а на каждом из датчиков имеется электропроводящая среда, такая как гель, для создания электрического контакта между датчиками и кожей. Прямая линия между центрами датчиков 12 и 13 перпендикулярна прямой линии между центрами датчиков 13 и 14. Два датчика 12 и 13 могут быть использованы как одна пара датчиков, а два датчика 13 и 14 могут быть использованы как другая пара датчиков, при этом датчик 13 является общим для обеих пар. Проводники могут быть соединены с каждым из датчиков любым подходящим образом, например посредством защелкивания.
На фиг.2 показан второй электрод 20 аналогичной конструкции с несущей пластиной 21 и четырьмя датчиками 22, 23, 24 и 25. Пластина 21 имеет крестовидный контур. Прямая линия между центрами датчиков 22 и 24 перпендикулярна прямой линии между центрами датчиков 23 и 25. Два датчика 22 и 24 могут быть использованы как одна пара датчиков, а два датчика 23 и 25 могут быть использованы как другая пара датчиков, так что ни один из датчиков не является общим для обеих пар.
На фиг.3 показан третий электрод 30 с конструкцией, аналогичной электроду 20, имеющий несущую пластину 31 и четыре датчика 32, 33, 34 и 35 на несущей пластине. Несущая пластина 31 имеет круглый контур. Кроме того, электрод 30 снабжен электропроводящей полоской 36, нанесенной на пластину, и соединителем 37 для соединения полоски 36 с внешним оборудованием для приема сигналов от внешнего оборудования с целью беспроводной их передачи с помощью электропроводящей полоски, которая в этом случае выступает в качестве передающей антенны, как будет объяснено ниже. Антенна 36 и ее соединитель 37 изолированы так, что не вступают в электрический контакт с кожей пациента, когда электрод прикреплен к пациенту. Антенна может иметь и любую другую подходящую форму, отличную от той, которая показана здесь.
На фиг.4 показан электрод 40 с конструкцией, аналогичной конструкции электрода 10 на фигуре 1. Несущая пластина 41 электрода 40 имеет язычок 42, отходящий от края пластины. Электропроводящие полоски на пластине проходят от каждого из датчиков к язычку, при этом по меньшей мере концевой участок каждого проводника открыт, так что с каждым датчиков можно осуществить электрический контакт.
На фиг.4 показан также беспроводной передатчик 50 с отверстием в виде прорези 51 для приема язычка 42 электрода 40. Передатчик 50 имеет контакты (непоказанные, но, известные как таковые) для установления электрического контакта с соответствующими контактами на язычке 42 электрода 40.
Фиг.5 представляет собой вид сбоку передатчика 50 с язычком 42, вставленным в прорезь, а электрод 40 согнут так, чтобы он лежал вблизи боковой стороны передатчика, к которой он прикрепляется предпочтительно с помощью связующего. Открытая сторона электрода имеет связующее или другое подходящее средство для съемного прикрепления электрода к коже пациента так, что при этом датчики имеют электрический контакт с кожей. В показанной конфигурации электрод 40 и передатчик 50 выполнены, таким образом, с возможностью прикрепления к коже пациента.
На фиг.6 показан электрод 60 с конструкцией, аналогичной конструкции электрода 40 на фиг.4. Однако пластина имеет дополнительную проводящую полоску 61, проходящую по периферии пластины и присоединенную к передатчику 50, так что проводящая полоска 61 представляет собой передающую антенну, которая может принимать электрические сигналы с передатчика 50 для их передачи проводящей полоской 61, играющей роль антенны.
В вариантах осуществления на фиг.4 и 6 электропроводящие полоски на пластине, включая антенную проводящую полоску 61, изолированы так, что не входят в электрический контакт с кожей пациента при прикреплении электродов к коже пациента.
На фиг.7 показана система с несколькими электродами, присоединенными к отдельным беспроводным передатчикам 50, и беспроводной приемник 70, получающий сигналы, передаваемые с передатчиков. Электроды и передатчики могут прикрепляться к коже пациента в предварительно заданных местоположениях. Передатчики передают сигналы, представляющие собой измеренные потенциалы, а приемник 70 получает сигналы, передаваемые со всех передатчиков.
Квалифицированный специалист, такой как врач или помощник врача, который занимается прикреплением к пациенту традиционных электрокардиографических электродов с одним датчиком, сможет прикреплять электроды в предварительно заданных местоположениях, установленных с учетом анатомии пациента. Эти местоположения определяются с точностью, которая позволяет осуществлять сравнение повторяемых измерений, выполняемых на одном пациенте и измерений, выполняемых на разных пациентах. Повторяемые измерения на одном пациенте могут быть выполнены, например, с короткими или длинными интервалами между ними, а возможно и другим персоналом. Измерения, выполненные на разных пациентах, используются, например, для статистических целей. Для обеспечения высокой диагностической ценности важно, чтобы электроды прикреплялись в предварительно заданных местоположениях каждый раз с высокой точностью, т.е. в предписанных пределах, которые устанавливаются с учетом анатомии пациента с точностью, присущей квалифицированному специалисту.
Таким образом, электроды данного изобретения имеют достаточно малый размер для того, чтобы все датчики находились в пределах участка, который может покрываться электродом с одним датчиком, обычно используемым для измерения электрических потенциалов на пациентах. Электроды имеют размер, который позволяет прикрепить к коже пациента несколько электродов в соответствующих местоположениях, которые обычно используются для измерения электрических потенциалов, при этом ни один из электродов не накладывается на другой. На практике это означает, что все датчики находятся внутри окружности диаметром 70 мм или менее. На фиг.1, 2, 4 и 6 такая окружность показана пунктирной линией, а круглый электрод на фиг.3 также находятся в пределах такой окружности.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Оператор прикрепляет электрод данного изобретения в каждом местоположении, обычно выбираемом оператором электрокардиографического оборудования при прикреплении электрода с одной точкой измерения. Если беспроводной передатчик не является составной частью электрода, то оператор прикрепляет туда также беспроводной передатчик 50. Это проиллюстрировано также на фиг.8, в которой одно местоположение выбрано в качестве базисного местоположения R, а другое местоположение выбрано в качестве первого местоположения А. Способ в соответствии с одним аспектом изобретения раскрывает способ определения или оценки электрических потенциалов в первом местоположении А по отношению к базисному местоположению R. Как правило, электроды будут прикрепляться еще в нескольких дополнительных местоположениях, в которых должны быть определены электрические потенциалы по отношению к базисному местоположению R, но для простоты на фиг.8 показано только одно такое местоположение А.
Например, в измерении отведения I в стандартном измерении ЭКГ используются два электрода - один на правой руке и один на левой руке. Положение на правой руке будет первым местоположением А, описанным выше, а местоположение на левой руке будет ранее описанным базисным местоположением R. В измерении отведения II в стандартном измерении ЭКГ используются два электрода - один на правой руке (первое местоположение А) и один на левой ноге (базисное местоположение R). В измерении отведения III в стандартном измерении ЭКГ опять-таки используются два электрода - один на левой руке (первое местоположение А) и один на левой ноге (базисное местоположение R).
После прикрепления электродов к телу в первом варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением в первом местоположении А выполняются следующие шаги:
измеряется электрический потенциал (VAr) в первой базисной точке,
измеряется электрический потенциал (VAdirX) в точке, находящейся в первом направлении от первой базисной точки,
определяется первая разность (VAdirX)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirX) в точке, находящейся в первом направлении от первой базисной точки, и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке,
передаются сигналы, отражающие первую разность электрических потенциалов,
измеряется электрический потенциал (VAdirY) в точке, находящейся во втором направлении от первой базисной точки,
определяется вторая разность (VAdirY)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirY), в точке, находящейся во втором направлении от первой базисной точки, и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке, и
передаются сигналы, отражающие вторую разность электрических потенциалов.
Соответствующие операции выполняются в каждом из дополнительных местоположений и в базисном местоположении R. Приемник принимает переданные сигналы, и электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) определяется как разность между величиной первого вектора, заданного первой и второй разностями электрических потенциалов, и величиной базисного вектора, заданного третьей и четвертой разностями электрических потенциалов.
В другом варианте осуществления изобретения электроды располагаются так, что линейно независимые направления электрода в первом местоположении по существу совпадают с линейно независимыми направлениями электрода в базисном местоположении, и в первом местоположении А выполняются следующие шаги:
измеряется электрический потенциал (VAr) в первой базисной точке,
измеряется электрический потенциал (VAdirX) в точке, находящейся в направлении X от первой базисной точки,
определяется первая разность (VAdirX)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirX) в точке, находящейся в направлении X от первой базисной точки и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке,
передаются сигналы, отражающие первую разность электрических потенциалов,
измеряется электрический потенциал (VAdirY) в точке, находящейся в направлении Y от первой базисной точки,
определяется вторая разность (VAdirY)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirY) в точке, находящейся в направлении Y от первой базисной точки, и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке,
передаются сигналы, отражающие вторую разность электрических потенциалов.
Соответствующие операции выполняются в каждом из дополнительных местоположений и в базисном местоположении R. Приемник принимает переданные сигналы, и электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) определяется как сумма первой разности между первой разностью электрических потенциалов и третьей разностью электрических потенциалов и второй разности между второй разностью электрических потенциалов и четвертой разностью электрических потенциалов.
В предпочтительном варианте осуществления предпочтение отдается беспроводной передаче, но и использование проводной передачи через электрические проводники также возможно.
Фиг.8 иллюстрирует основную концепцию изобретения по мониторингу биопотенциала как разности между двумя точками измерения электрода, отстоящими друг от друга на известное расстояние, соответственно, DX и DY. Это делается по двум линейно независимым направлениям X, Y, предпочтительно перпендикулярным друг другу. Электроды данного изобретения прикрепляются в первом местоположении А и в базисном местоположении R соответственно. В первом местоположении А разность потенциалов на каждой паре датчиков измеряется как разность электрических потенциалов между локальным базисным датчиком (Vr) и каждым из датчиков (VAdirX или VAdirY) по заданному направлению, что дает:
VAX=VAdirX-VAr
VAY=VAdirY-VAr
Когда два линейно независимых направления, заданных линиями, идущими через центры соответствующих пар датчиков, перпендикулярны друг другу, длина или величина сигнала в двух измерениях, может быть вычислена как:
В том случае, когда точки измерения находятся далеко друг от друга сравнительно с длиной сигнала, проходящего под электродом, эта величина пропорциональна общей величине сигнала, проходящего под электродом. Более того, при определении физиологической функции может использоваться не только величина общего сигнала, но также может быть определено направление, откуда происходит сигнал, относительно положения электрода, например, двигается ли сигнал к электроду или от него и в каком направлении. Однако, если должна использоваться информация о направлении, то важно знать ориентацию электрода.
Получающаяся суммарная величина сигнала, например длина суммы двух направленных векторов, не содержит никакой информации о направлении проходящего сигнала. При расчете получающихся отведений ЭКГ на основании величин векторов, измеренных электродами, размещенными в каждом из трех местоположений на конечностях, результат будет моделировать абсолютную величину традиционного электрокардиологического отведения (I, II, III). В данном конкретном случае, когда информация о направлении векторов не используется, знать ориентацию электродов по настоящему изобретению не требуется. Это снижает требования к надлежащей ориентации электродов при их установке на теле.
Если желательно знать направление прохождения сигнала, то необходимо знать ориентацию электродов по изобретению. Электрод 40 на фиг.4 особенно для этого подходит, поскольку он снабжен язычком 42, выступающим в качестве визуальной индикации ориентации электрода. Электрод в таком случае можно поместить так, что его язычок 42 отходит в предварительно заданном направлении, например вверх или вниз. В других случаях электрод может быть снабжен средствами визуальной индикации, которые могут представлять анатомическую характеристику тела. Например, электроды могут быть снабжены схемой тела. Ориентация электрода может в таком случае быть произведена таким образом, чтобы схематически изображенное тело было сориентировано так же, как тело пациента, на котором устанавливается электрод. В этом случае даже для неквалифицированного персонала правильная установка электродов, исключающая возможность ошибок, становится простой задачей.
Электроды данного изобретения, как и традиционные электрокардиографические электроды, устанавливаются в стандартизированных местоположениях на коже пациента. Электроды записывают сигналы в направлениях x и y и передают два сигнала в виде разностного сигнала между общей базисной точкой и записывающим электродом на монитор, подключенный к приемнику. Это позволяет получить сигнал относительно локального базиса, который может передаваться беспроводным образом с помощью традиционной радиотехники или технологии цифровой передачи (например, Bluetooth, Zigbee, WIFI, WLAN, и т.п.), или же иного подходящего средства беспроводной передачи. Это позволяет получить 2 сигнала для каждого электрода, следовательно, 6 сигналов от 3 электродов, с тем чтобы выполнить обычную девиацию ЭКГ с 3 отведениями. После того как сигналы переданы, их можно преобразовать в традиционное электрокардиографическое отведение.
В нижеследующем описании рассматриваются два основных типа способов преобразования измеренных разностей потенциалов в традиционные электрокардиографические отведения (например, I, II, III, aVR, aVL, aVF). Первый тип основан на величинах векторов. Однако было обнаружено, что основанные на описанных здесь электродах способы оценки стандартных отведений ЭКГ могут быть усовершенствованы посредством учета информации о направлении потенциала. Второй тип, таким образом, основан на отдельных векторных компонентах векторов измеренных разностей потенциалов. В первом типе способа ориентация датчиков значения не имеет. Во втором же типе способа ориентация датчиков имеет значение.
1. Отведения от конечностей на основании длины каждой разности.
Способ, основанный на длинах исходных сигналов, например:
Способ, основанный на длинах сигналов, проинтегрированных по времени, например:
Способ, основанный на величинах векторов, проинтегрированных по времени, например:
2. Отведения для конечностей на основании величины разностей с учетом направлений.
Способ, основанный на одинаковой ориентации/направлении электродов, например:
Способ, основанный на интегрировании по размеру электродов по направлениям, например:
Способ, основанный на фильтровании средней величины по направлению, например:
Чтобы получить все другие отведения II, III, aVR, aVL и aVF могут быть произведены соответствующие расчеты.
Коэффициент усиления в вышеприведенных формулах как правило можно установить в единицу (1). Это законно, поскольку в большинстве случаев фактическая величина сигнала ЭКГ не критична; существенными скорее являются общая форма и распределение сигнала ЭКГ по времени. Поэтому в большинстве случаев коэффициентом усиления можно пренебречь.
В различных обстоятельствах могут использоваться различные описанные выше способы. Как упоминалось выше, расстояние между датчиками на каждом электроде оказывает влияние на измеряемый сигнал. Влияние расстояния можно проследить на фиг.9. Когда расстояние больше, чем длина сигнала, измерение разности между двумя датчиками является хорошим отображением фактического сигнала, проходящего под электродом. Если расстояние меньше, чем длина сигнала, то измерение разности между двумя датчиками оказывается дифференциалом сигнала, проходящего датчики.
Поскольку длина сигнала у разных людей отличается в зависимости от различных характеристик тела, то для разных людей сигнал должен интерпретироваться по-разному. Например, если исследуемый человек имеет относительно быстрый сигнал, то сигнал, проходящий под датчиками, будет относительно коротким, и сигнал целиком будет вписываться между датчиками. В этом случае разностный сигнал отражает фактический сигнал под датчиками. Тогда используется такой тип способа, который основан на мгновенных сигналах. Однако, если исследуемый человек имеет относительно медленный сигнал, то сигнал, проходящий под датчиками, будет относительно длинным, и между датчиками будет вписываться лишь часть сигнала. В этом случае разность, измеренная электродом, будет в большей степени отражать производную. Следовательно, в этом случае используется способ с интегрированием.
В некоторых случаях можно представить себе использование сочетания различных способов. Например, способ на основе мгновенных сигналов может быть скомбинирован со способом на основе интегрирования. Два вычисления могут быть скомбинированы множеством различных способов. Одним из примеров является линейная комбинация результата, полученного способом на основе мгновенных сигналов (Sinst), и результата, полученного способом на основе интегрируемых сигналов (Sint).
S=KSinst+(1-K)Sint
Здесь К является константой в диапазоне между 0 и 1. В том случае, когда больший вес нужно придавать проинтегрированным данным, К будет малым. В том случае, когда больший вес нужно придавать мгновенным данным, К будет большим. Можно также предположить, что К является функцией времени, так что различные сигналы имеют больший вес в различные моменты времени.
Один из способов выбора наилучшего способа для конкретной ситуации заключается в том, чтобы сравнить конечный электрокардиографический сигнал, рассчитанный указанными способами, с одновременно записанными "реальными" соотношениями ЭКГ. Например, электрод по настоящему описанию может быть закреплен в том же месте, что и традиционный электрод. Традиционный электрод может быть использован для "настройки" используемого способа для расчета результата на основе сигналов, которые измерены электродом по настоящему описанию. Чтобы сравнить схожесть отведений от конечностей, полученных способом данного изобретения, с традиционными отведениями от конечностей, были рассчитаны коэффициенты корреляции (rXY) одновременных записей.
Функция взаимной корреляции:
Функция взаимной ковариации:
Коэффициент корреляции:
Коэффициент корреляции может использоваться для вычисления подобия двух линейно независимых сигналов. Вообще говоря, когда сигналы идентичны, коэффициент корреляции будет равняться 1, а когда сигналы инвертированы друг относительно друга, коэффициент корреляции будет равняться -1. Коэффициент корреляции может использоваться, таким образом, как степень подобия.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Erwin Kreyszig, "Advanced Engineering Mathematics", 1993, 7th ed., John Wiley & sons, Inc. New York. ISBN: 0-471-59989-1.
[2] Erik Sandoe, Bjarne Sigurd, "Arrhythmia Diagnosis and management", 1984, Fachmed AG, Germany. ISBN: 3-905 598-00-0.
[3] R.F. Schmidt, "Fundamentals of Neurophysiology", 1981, 3rd ed., Springer Verlag, Нью-Йорк. ISBN: 0-387-96147-x.
[4] S. Grimmes, ⌀.G. Martinsen "Bioimpedance & Bioelectricity", 2000, Academic Press, London. ISBN: 0-12-303260-1.
[5] John G. Webster, "Medical instrumentation, Application and design", 1998, 3rd ed., John Wiley & sons Inc. ISBN: 0-471-15368-0 25.
[6] Josephe D. Bronzino, 'The Biomedical Engineering Handbook", 1995, CRC Press Inc. ISBN: 0-8493-8346-3.
[7] F. B. Sachse, C. D. Werner, K. Meyer-Waarden, O. Dösse, "Applications of the Visible Man Dataset in Electrocardiology: Calculation and Visualization of Body Surface Potential Maps of a Complete Heart Cycle", The National Library of Medicine.
[8] "Electrode Placement Guide", Cardiology, 2003, AMBU A/S.
[9] K. Sam Shanmugan, A.M. Breipohl, "Random signals", 1988, John Wiley Sons Inc., New York. ISBN:0-471-61274-x.
[10] Einthoven W., "The different forms of the human electrocardiogram and their signification", Lancet 1912(1): 853-861.
1. Способ измерения электрических потенциалов в предварительно заданных местоположениях на коже животного или человека, состоящий в том, что
размещают в каждом из предварительно заданных местоположений электрод из комплекта электродов, содержащего по меньшей мере два одноразовых электрода для измерения электрических потенциалов на коже животного или человека, при этом каждый из указанных по меньшей мере двух одноразовых электродов содержит носитель; по меньшей мере три датчика, размещенных на носителе и расположенных таким образом, что линии, проходящие через центры соответствующих пар датчиков, задают, по меньшей мере, два линейно независимых направления; средства для съемного прикрепления электродов к коже животного или человека с обеспечением электрического контакта датчиков с кожей; соединения с внешним оборудованием для передачи соответствующих измеренных электрических потенциалов от датчиков на внешнее оборудование; и визуальную индикацию предварительно заданной ориентации электрода, при этом указанная визуальная индикация представляет анатомическую характеристику тела, так что электрод, прикрепленный в первом предварительно заданном местоположении, и электрод, прикрепленный во втором предварительно заданном местоположении, ориентированы таким образом, что два линейно независимых направления (X, Y), задаваемых электродом в первом местоположении (А), по существу, совпадают с двумя линейно независимыми направлениями (X, Y) электрода во втором местоположении (R),
соединяют с каждым из электродов беспроводной передатчик, выполненный с возможностью приема от датчиков измеренных электрических потенциалов, а также передачи сигналов, отражающих измеренные электрические потенциалы, и
принимают от каждого передатчика передаваемые им сигналы.
2. Способ определения электрического потенциала первого местоположения (А) на коже животного или человека относительно базисного местоположения (R) на коже животного или человека, состоящий в том, что
прикрепляют электроды в первом местоположении (А) и в базисном местоположении (R), причем каждый электрод имеет, по меньшей мере, три датчика, расположенных так, что линии, идущие через центры соответствующих пар датчиков, задают два линейно независимых направления, а электрод, прикрепленный в первом местоположении, и электрод, прикрепленный в базисном местоположении, ориентированы таким образом, что два линейно независимых направления (X, Y), задаваемые электродом в первом местоположении (А), по существу, совпадают с двумя линейно независимыми направлениями (X, Y) электрода в базисном местоположении (R),
измеряют каждым из датчиков на каждом электроде электрический потенциал кожи,
передают сигналы, отражающие, по меньшей мере, две разности между парами потенциалов, измеренных соответствующими парами датчиков на каждом электроде,
принимают переданные сигналы и
определяют электрический потенциал в первом местоположении (А) относительно базисного местоположения (R) на основании принятых сигналов.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметры, отражающие мгновенную амплитуду биоэлектрического поля в животном или в человеке.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметры, отражающие мгновенную полярность биоэлектрического поля в животном или в человеке.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметры, отражающие мгновенное направление распространения биоэлектрического поля в животном или в человеке.
6. Способ определения электрического потенциала в первом местоположении (А) относительно базисного местоположения (R) на коже животного или человека, состоящий в том, что
прикрепляют электроды из комплекта электродов, содержащего по меньшей мере два одноразовых электрода для измерения электрических потенциалов на коже животного или человека, при этом каждый из указанных по меньшей мере двух одноразовых электродов содержит носитель; по меньшей мере три датчика, размещенных на носителе и расположенных таким образом, что линии, проходящие через центры соответствующих пар датчиков, задают, по меньшей мере, два линейно независимых направления; средства для съемного прикрепления электродов к коже животного или человека с обеспечением электрического контакта датчиков с кожей; соединения с внешним оборудованием для передачи соответствующих измеренных электрических потенциалов от датчиков на внешнее оборудование; и визуальную индикацию предварительно заданной ориентации электрода, при этом указанная визуальная индикация представляет анатомическую характеристику тела в первом местоположении (А) и в базисном местоположении (R) так, что электрод, прикрепленный в первом местоположении, и электрод, прикрепленный в базисном местоположении, ориентированы таким образом, что два линейно независимых направления (X, Y), задаваемые электродом в первом местоположении (А), по существу, совпадают с двумя линейно независимыми направлениями (X, Y) электрода в базисном местоположении (R), причем
в первом местоположении (А)
измеряют электрический потенциал (VAr) в первой базисной точке, измеряют электрический потенциал (VAdirX) в точке, находящейся в первом направлении от первой базисной точки,
определяют первую разность (VAdirX)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirX) в точке, находящейся в первом направлении от первой базисной точки, и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке,
измеряют электрический потенциал (VAdirY) в точке, находящейся во втором направлении от первой базисной точки,
определяют вторую разность (VAdirY)-(VAr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VAdirY) в точке, находящейся во втором направлении от первой базисной точки, и электрическим потенциалом (VAr) в первой базисной точке,
передают сигналы, отражающие первую и вторую разности электрических потенциалов, причем в базисном местоположении (R)
измеряют электрический потенциал (VRr) во второй базисной точке, измеряют электрический потенциал (VRdirX) в точке, находящейся в третьем направлении от второй базисной точки,
определяют третью разность (VRdirX)-(VRr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VRdirX) в точке, находящейся в третьем направлении от второй базисной точки, и электрическим потенциалом (VRr) во второй базисной точке,
измеряют электрический потенциал (VRdirY) в точке, находящейся в четвертом направлении от второй базисной точки,
определяют четвертую разность (VRdirY)-(VRr) электрических потенциалов между электрическим потенциалом (VRdirY) в точке, находящейся в четвертом направлении от второй базисной точки, и электрическим потенциалом (VRr) во второй базисной точке, и
передают сигналы, отражающие третью и четвертую разности электрических потенциалов,
принимают переданные сигналы и
определяют электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) на основании первой, второй, третьей и четвертой разностей потенциалов.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) основан на разности между величиной первого вектора, задаваемого мгновенными первой разностью и второй разностью электрических потенциалов, и величиной базисного вектора, задаваемого мгновенными третьей разностью и четвертой разностью электрических потенциалов.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) основан на разности между величиной первого вектора, задаваемого проинтегрированными первой разностью и второй разностью электрических потенциалов, и величиной базисного вектора, задаваемого проинтегрированными третьей разностью и четвертой разностью электрических потенциалов.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисной точки (R) основан на разности между проинтегрированной по времени величиной первого вектора, задаваемого мгновенными первой разностью и второй разностью электрических потенциалов, и проинтегрированной по времени величиной базисного вектора, задаваемого мгновенными третьей разностью и четвертой разностью электрических потенциалов.
10. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) определяют как сумму первой разности между первой разностью электрических потенциалов и третьей разностью электрических потенциалов и второй разности между второй разностью электрических потенциалов и четвертой разностью электрических потенциалов.
11. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) определяют как сумму первой разности между проинтегрированной величиной первой разности электрических потенциалов и проинтегрированной величиной третьей разности электрических потенциалов и второй разности между проинтегрированной величиной второй разности электрических потенциалов и проинтегрированной величиной четвертой разности электрических потенциалов.
12. Способ по п.6, отличающийся тем, что электрический потенциал первого местоположения (А) относительно базисного местоположения (R) определяют как сумму первой разности между скользящим средним первой разности электрических потенциалов и скользящим средним третьей разности электрических потенциалов и второй разности между скользящим средним второй разности электрических потенциалов и скользящим средним четвертой разности электрических потенциалов.
13. Система определения электрических потенциалов на коже животного или человека, содержащая микропроцессор, выполненный с возможностью осуществления шагов приема и определения в способе, охарактеризованном в любом из пп.2-12.
