Способ регистрации латентной электрокардиограммы всех разделов четырехкамерного сердца и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2633347:
Федеральное бюджетное учреждение "Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Красноярском крае" (RU)
Группа изобретений относится к области медицинской техники, а именно к средствам диагностики состояния сердечной деятельности. Способ регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца состоит в том, что биопотенциалы с ЭКГ-электродов, установленных на теле пациента, усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС), затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования ЭКС, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК), при этом массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования ЭКС и затем производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы и выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее на дисплее ППК. Устройство состоит из системы грудных ЭКГ-электродов, блока усилителя ЭКС, микропроцессорного АЦП, блока хранения данных и дистанционной передачи через wi-fi-устройство на вход блока обработки ЭКС, реализованного на ППК. В устройство дополнительно включены блок вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы и блок вейвлет-преобразования ЭКС. Использование изобретений позволяет расширить арсенал средств диагностики состояния сердечной деятельности. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области медицинской техники для диагностики состояния сердечной деятельности методом структурно-топологического анализа проводящей системы сердца человека, а именно к способу и устройству для регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца по методу Алдонина.
Уровень техники
Известен комплекс для диагностики сердечной деятельности (Пат. RU №2093068, опубл. 20.10.1997). Он представляет собой электрокардиограф, содержащий электроды отведений, подключенные к входам буферного усилителя, последовательно соединенные с его выходом первый коммутатор, дифференциальный усилитель, блок выделения переменной составляющей, микропроцессорный контролер, взаимодействующий посредством контроллера дисплея по шине передачи данных с дисплеем.
Недостатком этого аналога является невозможность выявления конкретной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца, локализации и точного определения области нарушения сердечной деятельности.
Известен комплекс для экспресс-диагностики сердца, предназначенный для диагностики сердечно-сосудистой системы человека (Пат. RU №55266, опубл. 10.08.2006), содержащий последовательно соединенные с электродной системой блок усилителя-преобразователя электрокардиографических сигналов (ЭКС), блок обработки электрокардиографических сигналов, выполненный на основе микропроцессора, блок визуализации электрокардиографических сигналов и средство отображения информации, блок визуализации портрета сердца, блок представления интегральной оценки и блок представления текстовых заключений.
Способ известной экспресс-диагностики сердца заключается в использовании, например, 4-х электродов. Правую и левую руки пациента, а также его правую и левую голень в местах наложения электродов электродной системы обезжиривают смесью Никифорова (спирт и эфир в соотношении 1:1). Затем смачивают контактную поверхность электродов физиологическим раствором или высокоэлектропроводным гелем (ЭКГ гелем). Производят наложение электродов на подготовленные места на конечностях пациента. Посредством установленной электродной с пациента снимают биопотенциалы и подают их на вход блока усилителя-преобразователя электрокардиографических сигналов. В этом блоке на каждом канале происходит независимое усиление сигналов биопотенциала, преобразование их из аналоговой в цифровую форму и уплотнение кардиографических сигналов всех четырех каналов для последующей передачи в ПК по USB шине. В ПК снятые и преобразованные электрокардиографический сигналы поступают в блок обработки электрокардиографических сигналов, в котором последовательно осуществляется фильтрация, выделение похожих электрокардиографических (ЭКГ) комплексов и вычисление изменений амплитуд сигналов для отдельных участков похожих ЭКГ комплексов. Например, ЭКГ сигналы отведений с отметками синхронизации приводятся к виду, характеризующему флуктуации амплитуды. Произведенные этим блоком преобразованные сигналы передаются в блок хранения данных, блок анализа электрокардиографических сигналов и блок визуализации электрокардиографических сигналов. В блоке анализа электрокардиографических сигналов в соответствии с информационно-топологической моделью дисперсионного картирования о малых колебаниях электрокардиограммы (реализующей метод анализа электромагнитного излучения миокарда по низкоамплитудным флуктуациям электрокардиограммы) на основе полученного массива изменений амплитуд происходит анализ работы сердца пациента. Результаты анализа посредством блока визуализации портрета сердца отображаются на общем или первом индивидуальном дисплее в легко идентифицируемой зрительно 3D форме. Аналогично, поступающая из блока обработки электрокардиографических сигналов на вход блока представления интегральной оценки и вход блока представления текстовых заключений информация дополнительно обрабатывается и визуализируется на общем, втором или третьем индивидуальных дисплеях в виде таблиц. Подаваемые из блока анализа электрокардиографических сигналов на вход блока визуализации электрокардиографических сигналов электрические сигналы трансформируются на экране общего или четвертого индивидуального дисплея в электрокардиограмму классического вида.
Данное техническое решение принимается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является отсутствие детальной информации о электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца при прохождении возбуждения по проводящей сети сердца человека, что существенно затрудняет диагностику ишемических заболеваний сердца (ИБС), а также невозможность постоянного дистанционного контроля ЭКГ вне клиники.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности локализации и оперативности неинвазивного определения нарушений в проводящей нервной сети сердца (ПНСС), получение детальной информации об электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца при прохождении возбуждения по всем фрагментам проводящей сети сердца и постоянный дистанционный контроль ПНСС без ограничения подвижности пациента.
Поставленная задача решается способом регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца, заключающимся в том, что биопотенциалы с ЭКГ-электродов, установленных на теле пациента, усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС), затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования ЭКС, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК), отличающимся тем, что массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования ЭКС и затем производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, и выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее на дисплее ППК (на фиг. не показан); устройством регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца для осуществления способа, состоящим из системы грудных ЭКГ-электродов для съема биопотенциалов ЭКС с пациента и подключенных на вход блока усилителя ЭКС для усиления биопотенциалов ЭКС, выход которого подключен ко входу блока микропроцессорного аналого-цифрового преобразования ЭКС, для последующей передачи массива цифрованных данных ЭКС в блок хранения данных и передачи дистанционно через wi-fi-устройство на вход блока обработки ЭКС, реализованного на ППК, отличающимся тем, что в устройство дополнительно включены блок вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы; блок вейвлет-преобразования ЭКС, вход которого подключен к выходу блока аналого-цифрового преобразования ЭКС, выход блока вейвлет-преобразования ЭКС подключен ко входу блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы ЭКС, где производится выделение скрытой (латентной) ЭКГ, причем выход блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы подключен ко входу блока обработки электрокардиографических сигналов для покадровой визуализации всех фаз работы проводящей системы сердца.
Техническая сущность и принцип действия предложенного способа и устройства для его осуществления поясняются следующими графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 изображен нормальный ЭКС сигнал и результат его обработки путем вейвлет-преобразования;
- на фиг. 2 представлены фазы распространения возбуждения ЭКГ по фрагментам проводящей сети в левом и правом предсердии и на вейвлет-диаграммах.
Значком {} и желтым цветом показано прохождение возбуждения по фрагментам проводящей сети сердца: т. 1 - левого предсердия, т. 2 - правого предсердия, т. 3 - суммарная Р-волна;
- на фиг. 3 представлены фазы распространения возбуждения ЭКГ по фрагментам проводящей сети по межжелудочковой перегородке, левому и правому желудочкам и на вейвлет-диаграммах.
Значком {} и желтым цветом показано прохождение возбуждения по фрагментам проводящей сети сердца: т. 4 - распространение возбуждения по межжелудочковой перегородке, т. 5 - распространение возбуждения по левому и правому желудочкам;
- на фиг. 4 маркерами обозначены временные рамки образования Р-волны;
- на фиг. 5 маркерами обозначено время возникновения QRS-комплекса и конкретно фазы формирования R-зубца;
- на фиг. 6 изображен процесс реполяризации левого и правого желудочков (Т-зубец);
- на фиг. 7 представлена блок-схема устройства, реализующего способ регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца.
Сущность изобретения
Возбуждение от водителя ритма сердца распространяется по ПНСС в виде одиночных волн (солитонов). Волна возбуждения распространяется вначале в правое и затем в левое предсердие, достигая атриовентрикулярного (АВ) узла. Затем волна распространяется по межжелудочковой перегородке через пучок Гиса и проходит по правой и левой ножкам пучка Гиса и разветвляется по волокнам Пуркинье на миокарде левого и правого желудочков, вызывая их сокращение.
При прохождении возбуждения по ветвям нервных волокон на каждом фрагменте при изменении сечения ветвей сети возникают флуктуации, формирующие спектр сигнала. Проводящая сеть ветвится со скейлингом, близким к "золотому сечению", что объясняет формирование Фурье-спектра ЭКС вида , и вейвлет-спектра ЭКС в виде самоподобных фракталов, каждый из которых отражает прохождение возбуждения по соответствующему сегменту проводящей сети сердца. Таким образом, с помощью вейвлет-преобразования можно выявить структуру процесса возбуждения как картину линий локальных экстремумов вейвлет-диаграммы. Вейвлет-преобразование ЭКС является наиболее адекватным пространственно-временным отображением фаз и амплитуд возбуждения в ПНСС. Задавая определенные вейвлет-сечения по частотной оси вейвлет-диаграммы, можно получить латентную ЭКГ, отображающую весь процесс прохождения возбуждения от пейсмейкера по сегментам проводящей сети сердца.
Традиционная электрокардиограмма не отображает фазы и время возбуждения отдельных волн, в частности левого и правого предсердий [Дубровин В.И., Твердохлеб Ю.В. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ЭКГ-СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ISSN 1607-3274. Радioeлектронiка, iнформатика, управлiння. 2011. №1; Sagar Singh Rathore, Naveen Dewangan. WAVELET: A TECHNIQUE FOR ANALYSIS OF ECG. // URL: http://ww.ijetae.com/Volume2Issue3.html]. В медицинской практике в настоящее время игнорируется сложный характер Р-волны в ЭКС. Вейвлет преобразование дает частотную и временную информацию по ЭКГ, позволяя обнаруживать волны возбуждения левого и правого предсердий, в миокарде левого и правого желудочков и сложный характер реполяризации ПНСС в фазе Т-волны в сигнале ЭКГ.
На фиг. 4 маркерами обозначены временные рамки образования Р-волны. Структура Р-волны наблюдается как сумма отдельных волн левого и правого предсердий. Данный метод преобразования ЭКГ сигнала отражает истинное распространение возбуждения по миокарду левого и правого желудочков. Маркерами обозначено время возникновения QRS-комплекса и конкретно R-зубца. QRS - комплекс отображает волну возбуждения, распространяющуюся по желудочкам в разных направлениях и в разные моменты времени, при этом на ЭКГ формируются зубцы Q, R и S. Зубцы Q и S отражают начало и конец распространения возбуждения по межжелудочковой перегородке, а зубец R - по миокарду левого и правого желудочков.
На обычном ЭКГ невозможно отразить конкретное формирование R-зубца, а именно распространение возбуждения по миокарду левого и правого желудочков, однако вейвлет-преобразование отражает фазы формирования R-зубца (фиг. 5), проявляется смена направления возбуждения от межжелудочковой перегородки, на обратное к волокнам Пуркинье, охватывающих левый и правый желудочек.
Маркерами на фиг. 5 обозначено время возникновения QRS-комплекса и конкретно R-зубца. Можно предположить, что на вейвлет-диаграмме R-зубца проявляется смена направления возбуждения от межжелудочковой перегородки, на обратное направление к волокнам Пуркинье, охватывающих левый и правый желудочек.
Фаза реполяризации предсердий происходит в период деполяризации желудочков, вследствие чего реполяризация предсердий на электрокардиограмме не выявляется - она поглощается комплексом, отражающим деполяризацию желудочков.
Зная, что зубец Т характеризует процесс реполяризации (возвращение желудочков к исходному состоянию), можно предположить, что на вейвлет-преобразовании отражается последовательность реполяризации левого и правого желудочков (фиг. 6).
Таким образом, все элементы вейвлет-диаграммы отображают тонкую структуру процессов происходящих в проводящей системе сердца, фазовые и амплитудные отношения во всех разделах четырехкамерного сердца. Выявление патологий требует более детальной интерпретации отображения электрокардиосигнала в вейвлет-диаграмме. Приведенный метод анализа показывает необходимость такого подхода к записи электрических процессов сердца на основе вейвлет-преобазования.
В способе диагностики сердца (фиг. 7), заключающемся в том, что ЭКС получают путем съема биопотенциала с ЭКГ-электродов, установленных на теле пациента, подключенных к блоку усилителя электрокардиосигнала, который в свою очередь подключен к блоку обработки ЭКС, выполненному на основе микропроцессора, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером, дополнительно введена процедура вейвлет-преобразования ЭКС и процедура сечения в определенном масштабе вейвлет-диаграммы ЭКС, за счет которой получают отображение латентной ЭКГ в виде различных сечений ЭКГ, отображаемых на дисплее планшетного персонального компьютера.
На фиг. 7 представлена блок-схема устройства, реализующего способ регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца.
Устройство состоит из комплекта грудных ЭКГ-электродов 2 для съема биопотенциалов ЭКС с пациента 1 и подключенных на вход блока усилителя ЭКС 3, где происходит усиление биосигналов. Выход блока усилителя ЭКС 3 соединен с блоком микропроцессорного аналого-цифрового преобразования ЭКС 4 для последующей передачи биосигналов в виде массива цифровых данных в блок хранения данных 8 и дистанционно через wi-fi-устройство 9 в блок обработки ЭКС 8, реализованный на планшетном персональном компьютере (ППК). В устройство дополнительно включены блок вейвлет-преобразования ЭКС 5, вход которого подключен к выходу блока аналого-цифрового преобразования ЭКС 4, выход блока вейвлет-преобразования ЭКС 5 подключен ко входу блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы 6, где с помощью вейвлет-сечения в определенном масштабе вейвлет-диаграммы ЭКС производится выделение скрытой (латентной) ЭКГ, причем выход блока 6 подключен ко входу блока обработки ЭКС (дисплей ППК) 8 для покадровой визуализации всех фаз работы проводящей системы сердца.
1. Способ регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца, заключающийся в том, что биопотенциалы с ЭКГ-электродов, установленных на теле пациента, усиливают в блоке усилителя электрокардиографических сигналов (ЭКС), затем преобразуют в цифровую форму данных ЭКС блоком аналого-цифрового преобразования ЭКС, к которому подключен блок хранения данных и wi-fi-устройство для беспроводной связи с планшетным персональным компьютером (ППК), отличающийся тем, что массив цифровых данных ЭКС подвергают вейвлет-преобразованию в блоке вейвлет-преобразования ЭКС и затем производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы и выявляют электрическую активность различных сегментов проводящей нервной системы сердца в блоке обработки ЭКС и отображают ее на дисплее ППК.
2. Устройство регистрации латентной электрической активности всех разделов четырехкамерного сердца для осуществления способа по п. 1, состоящее из системы грудных ЭКГ-электродов для съема биопотенциалов ЭКС с пациента и подключенных на вход блока усилителя ЭКС для усиления биопотенциалов ЭКС, выход которого подключен ко входу блока микропроцессорного аналого-цифрового преобразования ЭКС, для последующей передачи массива цифрованных данных ЭКС в блок хранения данных и передачи дистанционно через wi-fi-устройство на вход блока обработки ЭКС, реализованного на ППК, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены блок вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы; блок вейвлет-преобразования ЭКС, вход которого подключен к выходу блока аналого-цифрового преобразования ЭКС, выход блока вейвлет-преобразования ЭКС подключен ко входу блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы, производят вейвлет-сечение вейвлет-диаграммы ЭКС в блоке вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы ЭКС, где производится выделение латентной ЭКГ, причем выход блока вейвлет-сечения вейвлет-диаграммы подключен ко входу блока обработки электрокардиографических сигналов для покадровой визуализации всех фаз работы проводящей системы сердца.
