CC BY
45
УДК: 616-71
АППАРАТНО-ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОГО КАРДИОРЕСПИРАТОРНОГО МОНИТОРИНГА
И.К. МЕШКОВСКИЙ1, В .И. КУЗНЕЦОВ2, С.А. ТАРАКАНОВ3, Н.И. РЫЖАКОВ1, А.А. РАССАДИНА3
Контактное лицо: Рассадина Анна Александровна, тел. (812) 376-38-52, 8-950-047-25-58,
e-mail: [email protected]
1 Кафедра физики и техники оптической связи Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики;
2 Общество с ограниченной ответственностью «Конструкторское бюро современных технологий Санкт-Петербургского Государственного Университета ИТМО»;
3 Центр медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий Национального Исследовательского Университета Информационных Технологий, Механики и Оптики.
Аннотация: Вниманию читателя предлагается аппаратно-программно-алгоритмический комплекс дистанционного кардиореспираторного мониторинга в режиме реального времени, предназначенный для измерений ЭКГ и дыхательного ритма. Прибор разработан для длительной постоянной диагностики в течении 1 месяца и более. Области применения АПАК охватывают:
■ кардиологический мониторинг при нарушении сердечно-сосудистой деятельности пациента;
■ диагностика апноэ, бронхиальной астмы и др. нарушений дыхания;
■ диагностика физических нагрузок в спортивной медицине и космонавтике;
■ эпилептические приступы;
■ клинические испытания лечебных препаратов и транквилизаторов.
Ключевые слова: Дистанционный мониторинг, кардиореспираторная диагностика, телемедицина.
APPARATUS-PROGRAM-ALGORITHMIC COMPLEX OF REMOTE CARDIORESPIRATORY
MONITORING
I.K.MESHKOVSKY1, V.I. KUZNETSOV2, S.A. TARAKANOV3, N.I. RYZHAKOV1, A.A. RASSADINA3 Tel.: (812) 376-38-52, 8-950-047-25-58, e-mail: [email protected]
1 Chair of physics and equipment of optical communication of National Research University of Information Technologies, Mechanics and Opticians;
2 Limited liability company «Design office of modern technologies of the St. Petersburg State University ITMO»;
3 Center of medical, ecological instrumentation and biotechnologies of National Research University of Information Technologies, Mechanics and Opticians.
Аbstract: The apparatus-program-algorithmic complex remote cardiorespiratory monitoring in real time, intended for measurements of an electrocardiogram and a respiratory rhythm is offered to attention of the reader. The device is developed for long continuous diagnostics within 1 month and more. Scopes of APAK cover:
■ cardiological monitoring at violation of cardiovascular activity of the patient;
■ diagnostics of violations of breath, bronchial asthma, etc. breath violations;
■ diagnostics of physical activities in sports medicine and astronautics;
■ epileptic attacks;
■ clinical tests of medical preparations and tranquilizers.
Key words: Remote monitoring, cardiorespiratory diagnostics, telemedicine.
Введение
Актуальной задачей современной медицины является создание дистанционного диагностического устройства объединяющего в себе функции кардиологического и респираторного мониторинга. В настоящее время активно развивается кардиологический мониторинг [3, 5-7, 10, 11, 13, 14, 17, 19-23], тогда как респираторному мониторингу уделяется гораздо меньше внимания в научном мире [1, 2, 4, 8, 9, 12,
15, 16, 18]. Вместе с тем, дыхание человека отражает многие патологические изменения в организме, позволяет выявить нарушения в функционировании сердечно-сосудистой системы. Возможность непрерывного дистанционного кардиореспираторного мониторинга играет важную роль в сохранении жизни и здоровья пациентов во многих отраслях медицинского знания. В частности, такие приборы необходимы для мониторинга состояния здоровья больных с различными нарушениями сердечно-сосудистой деятельности, мониторинга нарушений дыхания во время сна и при бронхиальной астме, при выполнении и регулировании физических нагрузок во время профессиональных спортивных тренировок, при наблюде-
нии за больными эпилепсией, для проведения клинических испытаний различных лечебных препаратов и транквилизаторов.
Авторами статьи был выполнен аналитический обзор 23 источников, опубликованных за период 2006-2012 гг. В рассмотренной литературе затрагивались различные аспекты кардиологического и респираторного мониторинга физиологических параметров человека. Для развития современной дистанционной диагностической медицины, существующие решения, представленные на мировом рынке, обладают рядом недостатков: недостаточным по длительности временем автономной работы (не более двух дней для холтеровских кардиологических датчиков) или невозможностью работать в режиме непрерывной диагностики (транстелефонные системы), отсутствием режима передачи и обработки данных в реальном масштабе времени, обратная связь пациента со специалистом возможна только посредством телефонных переговоров.
В центре медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий НИУ ИТМО (г. СПб) в сотрудничестве с кафедрой физики и техники оптической связи НИУ ИТМО и ООО «КБСТ ИТМО» с учетом требований, предъявляемых к современному дистанционному диагностическому оборудованию, разработан макет аппаратно-программно-алгоритмического комплекса (АПАК) дистанционного кар-диореспираторного мониторинга. Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Особенности работы АПАК предлагаются вниманию читателей в настоящей публикации.
Особенности работы АПАК
Авторами статьи, с учетом предъявляемых к современному диагностическому оборудованию требований, разработан уникальный АПАК дистанционного кардиореспираторного мониторинга в режиме реального времени.
Устройство способно определять такие нарушения сердечно-сосудистой деятельности, как: асистолия желудочков сердца, фибрилляция желудочков сердца, пароксизмальная желудочковая тахикардия, выпадение QRS-комплексов, желудочковые экстрасистолы, наджелудочковые экстрасистолы, тахикардия, брадикардия, желудочковая экстрасистолия, полиморфная желудочковая экстрасистолия, наджелу-дочковая экстрасистолия, желудочковая бигеминия, желудочковая тригеминия, мерцательная аритмия, появление эпизодов апноэ. Также АПАК определяет и анализирует ритм и глубину дыхания.
Инновационность АПАК заключается:
■ в интегрированной системе кардиологического и респираторного мониторинга в одном устройстве;
■ в осуществлении удаленного мониторинга в течении длительного периода (месяц и более) в режиме реального времени.
Отличительными особенностями прибора, по сравнению с приборами конкурентов, являются автоматическая передача сигнала без участия человека, портативность и удобство в эксплуатации. Для дистанционной передачи сигнала в АПАК применены современные методы телемедицины.
Особенности устройства АПАК
Основными элементами АПАК являются:
■ носимое пациентом портативное диагностическое устройство - система кардиреспираторного мониторинга (далее СКМ);
■ телефон-трансвитер (сотовый телефон пациента);
■ сервисное оборудование дистанционного диагностического центра (далее ДДЦ).
Специально для АПАК разработано оригинальное программное обеспечение.
Эксплуатационные возможности АПАК включают:
■ многосуточное наблюдение и регистрация ЭКГ и ускорения придвижении грудной клетки в процессе дыхания;
■ предварительная обработка сигнала в СКМ;
■ автоматическое распознавание СКМ диагностически значимых кардиореспираторных нарушений в реальном времени и их классификация по степени опасности;
■ сигнализация пациенту об угрожающих здоровью состояниях, в том числе, при отсутствие связи с сервером ДДЦ, и индикация уровня угрозы выявленных нарушений на мониторах ДДЦ;
■ длительное наблюдение в режиме реального времени за реакцией сердечно-сосудистой и дыхательной систем на лечебные мероприятия, дозированные физические нагрузки и медикаментозные воздействия.
Алгоритм дистанционного мониторинга АПАК можно представить в виде следующей схемы (рис. 1).
СКМ осуществляет регистрацию сигналов кардиографии и акселерометрии (измерения ускорения при движении грудной клетки). Для синхронизации данных устройство снабжено часами реального времени.
Рис. 1. Алгоритм дистанционного мониторинга АПАК
Кардиологический мониторинг в АПАК осуществляется методом отведений по Небо с помощью трех электродов (опционально еще один электрод может использоваться как «земляной»). Такой метод не требует крепления электродов к конечностям, но достаточно точно отражает основные характеристики ЭКГ.
Для измерения параметров дыхания в устройстве реализован акселерометрический метод. Микроминиатюрный акселерометр фиксирует любое изменение своего положения в пространстве. Фильтрация сигналов дыхательной системы при движении грудной клетки от посторонних (например, разговоры) осуществляется специальным программным обеспечением. По показаниям ускорения происходит запись и анализ ритма дыхания, его глубины, апноэтических эпизодов и прочее.
Питание СКМ осуществляется от аккумуляторной батареи. В устройстве предусмотрена функция приоритетного отчета: если пациент ощущает дискомфорт, испытывает нарушения дыхания или сердцебиения, чувствует боль в сердце или груди и др., он может нажать на специальную кнопку на приборе, и вся информация о его текущем состоянии будет передана на сервер ДДЦ в приоритетном режиме.
Передача сигналов в ДДЦ осуществляется в режиме реального времени через сотовый телефон диагностируемого. Во избежание большого расхода электрической энергии, возникающего при длительной передаче информации посредством мобильных сотовых сетей, в носимом пациентом диагностическом устройстве, а также в телефоне-трансивере реализован дополнительный алгоритм, позволяющий выявлять критические отклонения параметров ЭКГ и ускорения, осуществляющий сжатие хранимой и передаваемой информации.
ДДЦ осуществляет наблюдения за состоянием сердечно-сосудистой и дыхательной системами пациента как в режиме реального времени, так и по записям в архиве; информирует, консультирует, или осуществляет срочную медицинскую помощь пациенту по результатам мониторинга.
Заключение
Уникальность АПАК дистанционного кардиореспираторного мониторинга заключается в проведении удаленной диагностики кардиологических и респираторных параметров в течение длительного периода времени (месяц и более) в реальном масштабе времени. Тогда как современные дистанционные кардиологические и респираторные устройства не могут работать в режиме реального времени при передаче и обработке данных. Важной особенностью АПАК является его способность одновременно снимать как характеристики сердечной деятельности, так и дыхательных процессов и синхронизировать их по времени.
Мониторинг и распознавание нарушений сердечно-сосудистой деятельности и дыхания с привязкой по времени позволяет значительно упростить процесс диагностирования. Врач может просматривать запись снятых диаграмм только в те моменты, когда прибор зафиксировал нарушения ритма или какие-либо другие отклонения. Врач так же может просматривать снимаемые характеристики, как в режиме
реального времени, так и из архива на сервере ДДЦ. СКМ способно само в случае необходимости подавать экстренные сигналы - при остановке дыхания и серьезных нарушениях.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Al-Salaymeh, A. Bi-directional flow sensor with a wide dynamic range for medical applications I A. Al-Salaymeh, J. Jovanovic, F. Durst II Medical Engineering and Physics. - 2008. - V. 2б (8). - P. б23-б37.
2. Balleza, M. Monitoring of Breathing Pattern at Rest by Electrical Impedance Tomography I M. Balleza, J. Fornos, N. Calaf [et al.] II Archivos de Bronconeumologia ((English Edition)). - 200б. - V. 43 (б). - P. 300303.
3. Baron-Esquivias, G. Transtelephonic electrocardiography for managing out-of-hospital chest pain emergencies I G. Baron-Esquivias, J.J. Santana-Cabeza, R. Haro [et al.] II Journal of Electrocardiology. - 20ІІ. - V. 44 (б). - P. 755-7б0.
4. Ciaccio, E. Measurement and monitoring of electrocardiogram belt tension in premature infants for assessment of respiratory function I E. Ciaccio, M. Hiatt, T. Hegyi, G. Drzewiecki II Biomed. Eng. Online. - 2007. - V. І9. - P. б-І3.
5. Dorn, R. A 3-channel ECG measuring system for wireless applications I R. Dorn, M. Volker, H. Neubauer [et al.] II MeMeA 200б - International Workshop on Medical Measurement and Applications, Benevento, Italy, 20-2І April. - 200б. - P. 49-52.
6. Fujiki, A. QTIRR relation during atrial fibrillation based on a single beat analysis in 24-h Holter ECG: The role of the second and further preceding RR intervals in QT modification I A. Fujiki, R. Yoshioka, M. Sa-kabe, S. Kusuzaki II Journal of Cardiology. - 20ІІ. - V. 57 (3). - P. 2б9-274.
7. Goni, A. Architecture, cost-model and customization of real-time monitoring systems based on mobile biological sensor data-streams I A. Goni, A. Burgos, L. Dranca [et al.] II Computer Methods and Programs in Biomedicine. - 2009. - V. 9б (2) - P. І4І-І57.
8. Huang, C. A wearable yarn-based piezo-resistive sensor I C. Huang, C. Shen [et al.]II Sensors and Actuators A: Physical. - 2008. - V. І4І (2). - P. 39б-403.
9. Jourand, P. Textile Integrated Breathing and ECG Monitoring System I P. Jourand, H. Clercq, R. Corthout, R. Puers II Procedia Chemistry. - 2009. - V. І (І). - P. 722-725.
10. Kouidi, E. Transtelephonic electrocardiographic monitoring of an outpatient cardiac rehabilitation programme I E. Kouidi, A. Farmakiotis, N. Kouidis, A. Deligiannis II Clin. Rehabil. - 200б. - V. 20. - P. ІІ00-ІІ04.
11. Kulkarni, P. mPHASiS: Mobile patient healthcare and sensor information system I P. Kulkarni, Y. Oz-turk II Journal of Network and Computer Applications. - 20ІІ. - V. 34 (i). - P. 402-4І7.
12. Laukhin, V. Flexible All-organic Highly Tenzo-resistive bi Layer Films as Weightless Strain and Pressure Sensors for Medical Devices I V. Laukhin, E. Laukhina II Sensor Devices 20ІІ: The Second International Conference on Sensor Device Technologies and Applications. - 20ІІ. - P. І5І-І54.
13. Lee, H. J. Ubiquitous healthcare service using Zigbee and mobile phone for elderly patients I H.J. Lee, S.H. Lee, K. Ha [et al.] II International Journal of Medical Informatics. - 2009. - V. 78 (3). - P. І93-І98.
14. Lucani, D. A portable ECG monitoring device with Bluetooth and Holter capabilities for telemedicine applications I D. Lucani, G. Cataldo, J. Cruz [et al.] II Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference, New York City, USA, Aug 30-Sept 3. - 200б. - P. 5244-5247.
15. Morillo, D.S. An accelerometer- based device for sleep apnea screening I D.S. Morillo, J.L.R. Ojeda, L.F.C. Foix, A.L. Jimenez II IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed. - 20І0. - V. І4 (2). - P. 49І-499.
16. Nakano, H. Automatic detection of sleep-disordered breathing from a single-channel airflow record I H. Nakano, T. Tanigawa, N. Furukawa, S. Nishima II Eur. Respir. J. - 2007. - V. 29 (4). - P. 728-73б.
17. Picard, R.W. Relative subjective count and assessment of interactive technologies applied to mobile monitoring of stress I R.W. Picard, K.K. Liu II International Journal of Human-Computer Studies. - 2007. -V._65 (4). - P. 3бІ-375.
18. Rauhala, E. Periodic limb movement screening as an additional feature of Emfit sensor in sleep-disordered breathing studies I E. Rauhala, J. Virkkala, S.-L. Himanen II Journal of Neuroscience Methods. -2009. - V. І78 (i). - P. І57-І6І.
19. Rothman, S. The diagnosis of cardiac arrhythmias: a prospective multi-center randomized study comparing mobile cardiac outpatient telemetry versus standard loop event monitoring I S. Rothman, J. Laughlin, J. Seltzer [et al.] II J. Cardiovasc. Electrophysiol. - 2007. - V. І8 (3). - P. 24І-247.
20. Sneha, S. Enabling ubiquitous patient monitoring: Model, decision protocols, opportunities and challenges I S. Sneha, U. Varshney II Decision Support Systems. - 2009. - V. 46 (3) - P. 606-6І9.
21. Su, C.J. Mobile multi-agent based, distributed information platform (MADIP) for wide-area e-health monitoring I C.J. Su II Computers in Industry. - 2008. - V. 59 (i). - P. 55-68.
22. Warren, I. Telehealth: A Mobile Service Platform for Telehealth / I. Warren, T. Weerasinghe [et al.] // Procedia Computer Science. - 2011. - V. 5. - P. 681-688.
23. Winkler, S. A new telemonitoring system intended for chronic heart failure patients using mobile telephone technology - Feasibility study / S. Winkler, M. Schieber, S. Lucke [et al.] // International Journal of Cardiology. - 2011. - Vol. 153. - Is. 1. - P. 55-58.
