Устройство для анализа ритма сердца •

 

Союз Советских

Социалистических

Реснублин

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

<ц824988

/ л

К АВТОРСКОМУ СВИДИВДЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (51)М. Кл. (22) Заявлено 150579 (21} 2764922/28-13

А 61 В 5/02 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.0<81.Бюллетень N9 16

Дата опубликования описания 300481 (53) УДК 615.475 (088. 8) М.A Розенблат, А.А. Ромащев, Ю.И. Арефьев,.

А.Н. Крештал и Э.М. Кутерман (72) Авторы изобретения

I г: -.:-.

Ордена Ленина институт проблем управления, и 1-ый ! 1

Московский ордена Ленина и ордена ТрудовоГС) гласного

Знамени медицинский институт им. И.М. Сеченова (71) Заявитель (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА РИТМА

СЕРДЦА

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим кардиологическим устройствам.

Известно устройство для анализа ритма сердца, предназначенное для измерения сердечных сокращений с отбраковкой ложных RR-интервалов путем сравнения их с заданным допуском f1 J, 10

Недостатком этого устройства является большая погрешность измерения, обусловленная, в частности, необходимостью субъектного выбора допуска (" Нормы), и весьма ограниченное число характеристик (частота пульса и число анормальных RR-интервалов).

Более совершенным является устройство для анализа ритма сердца, которое содержит датчик, формирователь и измерительный контур, состоящий из конвертера, блока управления памятью, адресного регистра, регист" ра, триггера, программного блока, таймера и блоков, обеспечивающих обра ботку и регистрацию непрерывных медицинских данных (2) .

Однако это устройство не обеспечивает при работе исключение анормальных RR-интервалов и учет неста- 3() ционарности сердечного ритма, что снижает надежность -контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы.

Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию, что затрудняет его эксплуатацию.

Цель изобретения — повышение надежности контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента путем исключения аноимальных RR-ин- тервалов и учета нестационарности сердечного ритма на основе скользящей выборки, а также упрощения устройства.

Поставленная цель достигается тем,, что в устройстве для анализа ритма сердца, содержащем датчик, входной формирователь импульсов и измерительный контур, последний содержит преобразователь время-напряжение, вычислитель статических характеристик, выполненный на основе управляемых дискретных усреднителей с памятью, управляемый дискретный сглаживающий фильтр с памятью, два управляемых двухпороговых элемента и логическую схему совпадения, причем выход формирователя подключен ко входу преобразователя время-напряжение и первому входу схемы совпадения, второй

824988 вход которой соединен с выходом первого управляемого двухпорогового элемента, а выход — с управляющими входа-. ми дискретного сглаживающего фильтра с памятью и вычислителя статистических характеристик, вход которого подключен к выходу преобразователя времянапряжение, выход центрированного зна чения вычислителя статйстических характеристик соединен с информационным входом управляемого дискретного fG сглаживающего фильтра с памятью и информационным входом первого управляемого двухпорогового элемента, выход дискретного сглаживающего фильтра с памятью подключен к информационному входу второго управляемого . двухпорогового элемента1 выход среднеквадратического отклойения вычислителя статистических характеристик соединен с управляющими входами первого и второго двухпороговых элемен- 20 тов.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для анализа ритма сердца на фиг. 2 блок-схема вычислителя статистичес- 25 ких характеристик; на фиг. 3 — пример выполнения схемы управляемого дискретного усреднителя с памятью на фиг. 4 — характеристики управляемых двухпороговых элементов; на фиг. 5 — основные временные диаграммы работы устройства. устройство (фиг. 1) содержит входной формирователь 1 импульсов, преобразователь 2 время-напряжение, вычислитель 3 статистических характеристик, логическую схему 4 совпадения, управляемый дискретный сгла.живающий фильтр 5 с памятью и два управляемых двухпороговых элемента б и 7 . Выход формирователя 1 соединен 4Ц со входом преобразователя 2 и первым входом схемы 4, второй вход которой подключен к выходу элемента б;

Выход схемы 4 соединен с управляющим входом 8 вычислителя 3 и управляющим 4 входом 9 фильтра 5, вход последнего и информационный вход 10 элемента б подключены к выходу 11 центрированного значения случайного процесса вычислителя 3. Управляющие входы 12 и 13 элементов б и 7 соединены с выходом 14 вычислителя 3, а информа ционный вход 15 элемента 7 подключен к выходу фильтра 5. Выходы 14, 16 и 17 вычислителя 3 и выходы 18 и

19 элементов 6 и 7 являются выходами устройства.

Вычислитель 3 статических характеристик (фиг. 2) содержит центрирующий фильтр, измеритель среднвквадратического отклонения (СКО). Центри- 60 рующий фильтр содержит усрвднитель

20 и блок 21 вычитания. Измеритель

СКО включает в себя квадратор 22, усреднитель 23 и блок 24 извлечения квадратного корня. кроме того, вычис- 65 литель статических характеристик содержит блок 25 деления.

На вход центрирующего фильтра подается исследуемый случайный процесс

Х (r). С выходов 14, 16 и 17, являющихся выходами устройства, снимаются соответственно значения оценок

СКО математического ожидания(МО) и коэффициента вариации (V), а с выхода 11 блока 21 вычитания — центрированное значение Х (t) входного процесса Х (t). Отличительной особенностью вычислителя является то, что усреднители 20 и 23 выполнены по схеме управляемых дискретных уср@днителей с памятью. Подобные усреднители используются для нехождеиия оценки. среднего значения как непрерывных, так и дискретных случайнвж процессов. В первом случае непрерывный процесс Х (t) квантуется во щммени в соответствии с частотой иИпульсов управления (выборок), поступающих на вход 8, во втором случае импульсы управления подаются одновременно с приходом очередной джскреты Х прбцесса fX>$ . B обоих дяучаях текущая оценка среднего значения (или MO) в„ процесса на каждом маге вычисляется по формуле

Д=1 где Х вЂ” значение непрерывного или дискретного процесса в момент времени

Пример конкретной технической реализации управляемого дискретного усреднителя (ДУ) с памятью приведен на фиг. 3. В состав усреднителя входят блок 26 вычитания, блок 27 деления на i, ключ 28 и аналоговый интегратор 29, причем с приходом очередного, (i+1.)-го,импульra управления

ыоэффициент деления изменяет свое значение с 1/i на 1/(.i+1), а ключ 28 замыкается на некоторое короткое времи д действия выборки процесса, в течение которого на выходе усреднителя устанавливается значение оцен. ки m, соответствующее совокупности вйборок объемом (i+1) . В промежутке между импульсами управления (выборок) выходной параметр не меняется, т.е. усреднитель запоминает предыдущее значение оценки пР„ вплоть до прихода очередного импульса управления. Аналогично работает и вычислитель, если в нем использовать усреднители подобного типа, так как пересчет оценок MO, CKO u V происходит лишь при поступлении очередного импульса управления, а в промежутке между ними на выходах вычислителя запоминаются значения оценок, соответствующие последнему импульсу управления.

Дискретный сглаживающий фильтр 5 с памятью (фиг. 1) в отличие от- рас824988

М-а х„() = — С х.. (z) 3=0

Изменение .во времени скользящего среднего X N (i) можно испольэовать для обнаружения нестационарности (тренда) в случайном процессе. Величиной, имеющей сходные свойства со скользящим средним, является экспоненциально сглаженная величина. Схема усреднителя (фиг. 3) при фиксированном значении коэффициента передачи блока 27 деления, т.е. при

1/i = 1/N = const, дает на выходе экспоненциально сглаженную величину

Х!!., близкую по своим свойствам к

1 ,скользящему среднему на выборке объема 2N. Фильтр 5 обладает памятью и сохраняет значение экспоненциально сглаженной величины в промежутках между импульсами управления.

На.фиг. 4а представлена характе- ристика управляемого двухпорогового элемента 6. Из характеристики видно, что на выходе элемента устанавливается значение +1, если на его информационный вход 10 поступает напряжение, величина которого по модулю меньше порогового знаЧения, т.е..когда () выходах устройства получают оценки искомых параметров, соответствующие всем измеренным RR-интервалам. смотренных усреднителей должен образовывать на выходе величину, аналогичную скользящему среднему Х (!) ,по N последним выборкам процесса

i0«).! 0„1 (3)

При IUD>i) tUl на выходе элемента б устанавливается нуль.

Характеристика управляемого двухпорогового элемента 7 представлена на фиг. 4б. Выходной параметр 01! элемента описывается выражением

+1, если U sx 4+ I Un!

Ug. О, если - lUn1(011 <+10„1 (4)

-1, если Uз„(iUд)

Пороги 10 1 элемента 6 автомати- чески устанавливаются пропорционально текущей оценке CKG о» согласно равенству !

Un = КЬ (s) где К„ — постоянная.

Аналогичным образом устанаВлива+ ются пороги второго элемента 7

0 и К 2.б (6) где К вЂ” постоянная.

Устройство работает следующим образом.

На вход формирователя 1 (фиг. 1) подается ЭКС, который преобразуется в стандартные импульсы длительностью временные интервалы Т! между . которыми равны по величине соответст-, вующим длительностям кардиоциклов или RR-,èíòåðâàëàì (фиг. 5а, б). Преобразователь 2 построен таким образом, что задний фронт сформированного импульса сбрасывает его в исход .oe (нулевое) состояние, из которого выходное напряжение преобразователя

2 линейно возрастает вплоть до при. хода очередного импульса. На i — ом шаге амплитуда пилообразного напряжения пропорциональна длительности

Т„ i-ого кардиоцикла. Для простоты изложения положим, что на выходе 16 вычислителя 3 образуется напряжение

U, численно равное среднему значе. с! (О нию Тср длительностей кардиоциклов, т.e. U = Тср. Аналогично напряжения ® и 0 будем считать численно равными соответственно оценкей СКО и центрированному значению процесса (Т„). Напряжения U и U снимают1S ся соответственно с выходов 14 и 11

О вычислителя 3, Ug = 6, U = Т„. - Тс

Как видно из фиг. 1, на управляющий вход 8 вычислителя 3 и управляющий вход 9 фильтра 5 импульсы проходят лишь в том случае, если на второй вход логической схемы 4 с выхода 18 элемента 6 поступает логическая единица. Но выход 18 элемента б в соответствии с формулами (3) и .(5) принимает единичное значение только тогда, когда на его информационный вход

10 поступает напряжение 0 з„, величина которого удовлетворяет условию !

0„1 = lUi (tuhi = К,в" = K„UG т.е. вычислитель 3 включает в совокупность выборок среднее значение

T„- длительности кардиоцикла, если оно попадает в поле допуска шириной 2К, 06 (фиг. 5 в). Если же 101 > К„ ° 0,, то напряжение на выходе 18 элемента б принимает нулевое значение, блокирующее схему 4, и импульс управления не поступает на вычислитель 3 и фильтр 5 (фиг. 5r) при этом состояния выходов вычислителя и фильтра

4О не изменяются и, следовательно, временной интервал Т, не удовлетворяющий условию (3), исключается из анализа. Поставив счетчик на выходе элемента б, можно определить число

45 (или частоту) анормальных кардиоциклов за время анализа. Можно показать, что для исключения только тех RR-ин- тервалов, которые обусловлены нарушениями ритма сердца (например экстрасистолами или артефактами), следует выбрать К.« 3. В этом случае при высислении оценок MO СКО и У устройство включает в совокупность выборок только те RR-интервалы, которые характеризуют базовый синусовый ритм. В тех случаях, когда необходимо провести анализ по всем выборкам, следует подключить выход формирователя 1 ко входам, 8 и 9 вычислителя и фильтра, минуя схему 4, при этом на

Рассмотрим работу устройства при

65 обнаружении тренда.

824988

Формула изобретения

На вход фильтра поступает цент ированный процесс U . Если процесс стационарный, то экспоненциальное сглаживание приводит к тому, что на; выходе фильтра 5 появляется сигнал

U, величина которого близка к нулю. При наличии тренда значение сигнала U p существенно отличается от нуля. Наличие или отсутствие тренда в случайном процессе можно установить только н вероятностном смысле °

В связи с этим зададимся некоторой близкой к 1 вероятностью того,, что в случайном процессе имеется тренд (процесс нестационарен). Можно,най1 ти такое пороговое значение 1Ор1, достижение которого напряжением О р может с заданной вероятностью с характеризовать наличие тренда в анализируемом случайном процессе. Например, при использовании фильтра

5 с коэффициентом передачи блока 27 деления, равным 1/М = О,1 (фиг. 3), и при Ы = 0,95, величина порога О„1 должна быть равной 0,5 Од, где ОД напряжение,. численно равное текущей оценке СКО процесса.

Элемент 7 выполняет функцию сравнения выходного напряжения U > образующегося на нходе 15 фильтра 5, с пороговым напряжением К О, поступающим на управляющий вход 13 элемента 7, Как видно с фиг. 4б,при

lUвх1 = tu„t) 1Ор1 =!К О(5! на выходе 19 элемента 7 возникает сигнал Ой = s i gn U тр, т.е. (+1) или (-1), в зависимости от знака напряжения О на входе 15 фильтра 5.

Появленйе сигнала (+1) на выходе элемента 7 с вероятностью с характеризует тенденцию к увеличению, а (-1) — тенденцию к уменьшению U I.

Следовательно, в первом случае частота пульта с вероятностью с постепенно уменьшается (длительности Т„. возрастают), а во втором — увеличива« ется (длительности Т уменьшаются).

На основе предлагаемого устройства создан прибор для оперативного анализа ритма сердца, позволяющий одновременно и непрерывно в реальном масштабе времени определять текущее среднее значение (частота пульса), среднеквадратическое отклонение (нестабильность ритма сердца) и коэффициент вариации (относительная нестабильность ритма сердца) длительностей RR-интервалов, выделять, подсчитывать и исключать из выборки RR. — èíòåðâàëû анормальной длительности, связанные с. нарушениями ритма сердца или артефактами, и обнаруживать нестационарность (тренд) в частоте 1 итма сердца. Погрешности измерения среднего значения и среднеквадратического отклонения RR-интервалов не превышают соответственно1 и 3%.

Таким образом, конструкция предлагаемого устройства обеспечивает высокую надежность контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента путем исключения анормаль-, ных RR-интервалов и учета нестационарности сердечного ритма на основе скользящей выборки.

Устройство для анализа ритма сердца, содержащее датчик, нходной формирователь импульсон и измерительный контур, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности контроля за состоянием сердечно-сосудистой системы пациента путем исключения анормальных RR-интервалов и учета нестационарности сердечного ритма на основе скользящей выборки, а также упрощения устройства, измерительный контур содержит преобразователь время-напряжение, вычислитель статических характеристик, выполненный на основе управляемых дискретных усреднителей с памятью, управляемый дискретный сглаживающий фильтр с памятью, два управляемых двухпорогоных элемента и логическую схему совпадения, причем выход формирователя подключен ко входу преобразователя времянапряжение и первому нходу схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом первого управляемого . двухпорогоного элемента, а выход — с управляющими входами дискретного сглаживающего фильтра с памятью и вычислителя статических характеристик, вход которого подключен к выходу преобразователя время-напряжение, выход центриронанного значения вычислителя статических характеристик соединен с информационным входом управляемого дискретного сглаживающего фильтра с памятью и информационным входом перaoro управляемого днухпорогового элемента, выход дискретного сглаживающего фильтра с памятью подключен к информационному входу второго управляемого двухпорогового элемента, выход среднеквадратического отклонения вычислителя статистических характеристик соединен с управляющими входами первого и второго двухпороговых элементов.

Источники информации, принятые во вннмание при экспертизе

1. Патент CtIIA Р 3633569, кл. 128, опублик.02.05.76.

2 ° Устройство для анализа физиологических процессов. Проспект фирмы Йthon Kohden, Япония, Моде! АТАС-501, 1977< с. 3-5, (прототип).

824988

Составитель Л. Соловьев

Техред М. Голинка Корректор Н. Бабинец

Редактор К. Лембак г филиал ППП "Патент"., г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 2447/54 Тираж 687 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5