CC BY
34
УДК 615.47:681.2
Г. М. Алдонин, канд. техн. наук, С. П. Желудько, канд. техн. наук, В. Б. Новиков, инженер, Д. И. Ноженков, аспирант, Сибирский федеральный университет
Холтеровский монитор контроля параметров гемодинамики
Ключевые слова: мониторинг функционального состояния организма, аппаратно-программные средства, телемедицина, рекордеры холтеровского типа, кардиоритм (КР), электрокардиосигнал (ЭКС), фонокардиосигнал (ФКС), пульсовая волна (ПВ) кровотока и фотоплетизмография, артериальное давление (АД), измерение времени распространения пульсовой волны (ВРПВ), ВСР-диагностика, статистический, спектральный и структурный анализ кардиоинформации
Полифункциональный, длительный анализ кардиосигналов представляет большой интерес для дифференциальной диагностики нормы и патологии сердечно-сосудистой системы. В статье приводятся аппаратно-программные средства, позволяющие проводить глубокий мониторинг функционального состояния организма.
В связи с широким распространением сердечно-сосудистых заболеваний необходимо создание средств оперативного контроля сердечно-сосудистой деятельности (ССД) с возможностью дистанционной передачи информации о функциональном состоянии организма (ФСО) в диагностический центр.
С этой целью в лаборатории медицинского приборостроения Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета (СФУ) для ряда задач медицинских исследований разработана серия аппаратно-программных комплексов анализа функционального состояния организма. Разработанные аппаратно-программные комплексы (АПК) [1] обладают универсальностью и доступностью для широкого применения как в клинической практике, так и в амбулаторных и бытовых условиях. Разработана серия рекордеров для .АПК холтеровского типа с различными функциональными возможностями и различной стоимости следующего назначения.
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-01 предназначен для накопления кардиоинтервалов (КИ) в режиме о:Е-1те в твердотельном запоминающем устройстве (статическом ОЗУ) от 5 мин до 2 ч с последующей обработкой на персональном компьютере (ПК).
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-02 предназначен для накопления КИ в режиме о:Е-1те от 5 мин до 4 ч с выводом информации на ЖК-монитор или записи по тревоге (при возникнове-
нии аритмий) 16 фрагментов по 32 кардиоцикла (16 кардиоциклов до и 16 после возникновения аритмии).
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-03 предназначен для накопления КИ в режиме of-line в твердотельном запоминающем устройстве (статическом ОЗУ) от 5 мин до 24 ч с последующей обработкой на ПК.
На рис. 1 представлены АПК на базе рекордера МКМ-03, на рис. 2 — рекордер МКМ-03.
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-04 предназначен для накопления в режиме of-line и on-line КИ, электрокардиосигналов (ЭКС) и пульсовой волны (ПВ) кровотока в цифровом виде от 5 мин до 24 ч. Сигналы передаются в ПК для последующей обработки и статистического, спектрального и структурного анализа кардиоинформации на ПК. Функциональная схема кардиомони-тора МКМ-04 приведена на рис 3.
Аналоговая часть прибора содержит два канала: канал ЭКС и канал ПВ, к которым подключены соответственно электроды ЭКГ и фотоплетиз-мографический датчик. Усилитель содержит активные фильтры для уменьшения воздействия
Рис. 1\ АПК на базе рекордера МКМ-03
Системы мониторинга и диагностики здоровья
Рис.2\ Рекордер МКМ-03
помех и исключения сетевой наводки. Сигналы с аналоговой части подаются на аналоговые входы цифровой части.
В цифровую часть входит микроконтроллер, АЦП, жидкокристаллический (ЖК) дисплей, кнопки управления, индикатор R-зубца и ММС-карта памяти. АЦП по команде микроконтроллера преобразовывает аналоговый сигнал усилителей, приходящих на входы цифровой части. В результате первичной обработки сигналов в цифровом виде детектируется R-зубец, который в дальнейшем выводится на индикатор R-зубца. Индикатор оповещает пользователя об установившемся сигнале, что свидетельствует о том, что можно начинать запись данных. В зависимости от типа приемника данных эти сигналы либо сохраняются в карте памяти, либ о по интерфейсу USB передаются на компьютер. С помощью кнопок управления и ЖК-монитора выполняются управление прибором и считывание статусной информации по работе.
Для дальнейшей обработки сигналов и формирования базы данных сигналы в цифровом виде передаются в ПК для последующей обработки.
АПК обеспечивает возможность передачи данных в удаленный кардиоцентр по телекоммуникационным каналам связи посредством e-mail, фай-лообменного сервера, серверного ПО системы телемедицинского on-line и of-line наблюдения за пациентами. Записанные в прибор данные передаются в ПК через интерфейс USB либо переносом картой памяти.
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-05 предназначен для длительного наблюдения в режиме of-line и on-line от 5 мин до 24 ч КИ, ЭКС и ПВ кровотока.
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-06 предназначен для длительного наблюдения и накопления КИ от 5 мин до 24 ч в режиме of-line в твердотельном запоминающем устройстве на основе флэш-памяти.
Микроэлектронный кардиомонитор МКМ-07 предназначен для длительного наблюдения автономно и в режиме on-line кардиоинтервалов кар-диоритма (КР), ЭКС и ПВ кровотока и фонокардио-граммы (ФКГ).
На базе МКМ-07 (рис. 4) был разработан микроэлектронный кардиомонитор МКМ-08 (рис. 5), отличительными особенностями которого является наличие графического дисплея; загрузка данных в ПК осуществляется через ММС. Применение интерфейса USB позволяет проводить измерения с использованием питания от ПК в режиме on-line.
Предусмотрена возможность дистанционной передачи информации через сети сотовой связи. АПК содержит три канала: канал ПВ, канал ЭКС и канал ФКС. Каждый канал сдержит датчик-преобразователь, который воспринимает измеряемый физиологический параметр и преобразует его в электрический сигнал, усилитель, фильтр. Аналоговый сигнал преобразуется в АЦП, код накапливается в запоминающем устройстве, и с помощью микроконтроллера обрабатывается и отображается на экране дисплея рекордера МКМ-08.
Аппаратно-программный комплекс мониторинга функционального состояния организма человека на основе рекордера холтеровского типа (МКМ-08) с расширенными функциональными возможностями позволяет извлекать дополнительную информацию из совместного анализа различных биосигналов и их производных, например фотоплетизмог-рафическую информацию о состоянии магистральных сосудов и изменении артериального сосудистого тонуса по скорости распространения пульсовой волны.
На рис. 6 приведена структура кардиологической телемедицины на базе АПК с каналом ЭКГ, ПВ и ФКГ, использующая существующую инфо-
ДЭКС
R
N ДПВ
ММС
о -Э"
> -3»
Усилитель | биосигналов
Кнопки управления
МК
Интерфейс SPI
In О In 1
3227"
ЖК-дисплей
Индикатор R-зубца
Принтер
Рис. 3 Функциональная схема МКМ-04
№ 1(7)/2010 J"
биотехносфера
Рис.4\ Рекордер МКМ-07
коммуникационную инфраструктуру посредством мобильных беспроводных и проводных технологий.
На рекордере МКМ-08 накапливаются данные о биосигналах и посредством Bluetooth или интерфейсного кабеля USB предаются в смартфон или PDA. Есть возможность с помощью программы «Теледиагностика» обработать и представить в виде графического файла. В сети сотовых операторов графический файл в виде MMS-сообщения передается лечащему врачу. Схема реализации телемедицины посредством мобильных ЗС/4С-технологий на базе АПК выглядит следующим образом. На рекордере МКМ-08 накапливаются данные о биосигналах и посредством Bluetooth или интерфейсного кабеля USB передаются в ноутбук.
Используя 3G W-CDMA-модем или 4G Wi-Max-модем, которые могут быть встроены в ноутбук непосредственно, через операторов связи посредством Интернет передаем как .wav или графический файл в кардиологический центр. Для передачи могут быть использованы как почтовые серверы (mail), файловые серверы (ftp), веб-серверы (web) с загрузкой файлов и разграниченным доступом, так и веб-серверы самого кардиологического цент-
Рис. 51 АПК на базе рекордера МКМ-08
ра. Приоритетными сетями передачи данных являются 3G/4G или наземные коммутируемым доступом (dial-up по телефонным линиям). Все приведенные методы передачи обеспечивают передаваемые объемы информации о биосигналах.
Для объективного анализа состояния сердечнососудистой системы необходимы постоянный контроль проводящей нервной системы и сосудистой систем сердца, статистический и спектральный анализ биосигналов каждой из систем. На рис. 7 приведены примеры отчетов диагностики ФСО.
Программное обеспечение «KSRG» и «Диагностика» позволяет анализировать основные параметры гемодинамики (ЭКГ, ФПГ, КИГ), контролировать изменение артериального давления (АД ) на
ср
основе измерения времени распространения пульсовой волны (ВРПВ), определять восемнадцать параметров ВСР-диагностики (по вариабельности сердечного ритма) [2], индекс напряжения (ИН) (стресс-индекс), индекс эффективности (ИЭ) коррекции функционального состояния организма, индекс сосудистого тонуса (ИСТ) [3].
Обеспечивается суточное мониторирование кар-диосигналов для дальнейшей обработки и передачи лечащему врачу. Фонокардиография обеспечивает регистрацию сердечных тонов и сердечных шумов. Фотоплетизмография применяется для исследования артериальной системы у человека, дает возможность оценить состояние артерий эластического и мышечного типов, состояние венозного, артериального давления.
Особенно важно контролировать изменение АД. В последнее время все больший интерес проявляется к контролю состояния артериального и венозного сосудистого тонуса по скорости распространения пульсовой волны [4].
Совместный анализ ЭКС и ПВ позволяет мони-торировать состояние АД с помощью измерения ВРПВ. Линейная скорость кровотока по артериям обычно не превышает 0,5 м/с. С возрастом эластичность сосудов снижается, и это приводит к увеличению скорости распространении ПВ.
В клинической практике широко используются методы, позволяющие количественно оценить с помощью ВРПВ параметры кровотока в сосудах различных отделов кровеносной системы. Наряду с мониторингом ЭКС, ФКС и ПВ существует возможность теми же аппаратными средствами контролировать такой важный показатель ФСО, как состояние сосудистого тонуса и его реакцию на какие-либо воздействия.
Изменение состояния артериального сосудистого тонуса сказывается на времени ВРПВ, которая измеряется по отсчетам задержки между R-зубцом ЭКС максимумом ПВ (рис. 8, 9).
Алгоритм измерения ВРПВ ПО KSRG (рис. 10) заключается в следующем. Отсчеты из массива данных на интересующем интервале наблюдений подвергаются фильтрации вначале вычислением
Радиовышка
Wi-Fi (Bluetoeth) GSM
Смартфон пациента
КПК
Принтер
Рис. б\ Структура кардиологической телемедицины на основе МКМ-08
Рис. 7| Примеры отчетов диагностики ФСО
№ 1(7)/2010j
биотехносфера
Рис. 8| Совместная запись сигналов ЭКГ и ПВ
пациент: ööi'b ¿О-ИУ-^ОИЬ 1 г. ¡и ULI) t'U t.m. мВ Z5Z 236 ZZ4 210 196 182 168 154 140 126 112 98 84 70 56 42 28 14
17 168 -168 72 17 г 172
'а
ПБ
-Ч 7V h WMi IMVI ■ r-W
-- ^ kr- -4t т- -А: 1- -Aj-
7.20 7.68 8.16 8.64 9.12 9.60 10.08 10.56 11.04 11.52 сек. Рис. Измерение ВРПВ рекордером МКМ-08
скользящего среднего Хг по ЭКС и ПВ:
. т 1=+—
~ 1 2 x = 1 у Х'
1 ,=_т_ =-
где Т — интервал усреднения; Xi — текущие отсчеты.
Затем для более точного определения R-зубца ЭКС вычисляется скользящее среднее Xj по ЭКС:
. т 1 '=+2 х, = х, _— у х,.
1 1 гр 1
1 . т =-
Для повышения помехоустойчивости определения ВРПВ по значениям Xj строится гистограмма, имеющая характерную «полочку», которая определяет уровень порога истинного R-зубца (рис. 11). После этого определяются точка максимального значения R-зубца (пик ЭКС), максимум и минимум пульсовой волны. Временной отрезок между ними ДТ означает ВРПВ в систолической тс и диа-столической фазе тд фазах:
Т - Т = т ;
1 max ПВ 1 max ЭКС V
Т - Т = т
1 min ПВ 1 max ЭКС V
Для оценки состояния ФСО целесообразно объединить основные характеристики сосудистого тонуса в общий функционал в виде индекса сосудистого тонуса Ис т, который, с одной стороны, зависит от ВРПВ, а с другой — отражает разность
Вычисление гистограммы х,
i г
TXmun - TXjmax о ВРПВ
Конец
Рис. 10\ Алгоритм измерения ВРПВ
^xij 100
50
«Полочка» определения R-зубца ЭКС
Оь
50
100
150
Рис. 111 Статистическая фильтрация R-зубца
ВРПВ в систолической тс и диастолической тд фазах:
И = ТТ.
с-т Т
Экспериментальные измерения задержки ВРПВ от изменения САД приведены в табл. 1 и на рис. 12-15 ВРПВ изменялось за счет изменения давления при
нагрузке. В качестве нагрузки использовались приседания от 5 до 20 раз. Разность ВРПВ до, после и во время восстановления показывает однозначную связь ВРПВ с АД в сосуде, измеренным сертифицированными амбулаторными мониторами ВРЪаЬ и автоматическим монитором кровяного давления
Таблица 1|
Измерение САД, ДАД, ЧСС на мониторе BPLab и ВРПВ на МКМ-08
ФИО Возраст Этап САД ДАД Пульс ВРПВ, с Среднее
Е. Е. М. 20 лет До нагрузки 122 63 87 0,176 0,176 0,176 0,176
После нагрузки 156 84 102 0,150 0,144 0,156 0,150
Восстановление 133 70 83 0,180 0,186 0,180 0,182
ВРПВ, мс 250,0
мм рт. ст 200
ВРПВ, мС 0,200
200,0
150,0
100,0
50,0 0
Г
Рис. 14
Рис. 13
Рис. 12
Измерение ВРПВ рекордером МКМ-08:
абсцисса: 1 — до нагрузки: 2 — во время нагрузки: 3 — после нагрузки
а)
190 . 185 g 180 « 175 й 165 $160 Я155 м150 * 145 tí-140
2 130
С112205
Измерение САД, ДАД и 'ЧСС на мониторе ВРЬаЬ:
— пульс; абсцисса: 1 —
до нагрузки: 2 — во время нагрузки: 3 — 'после нагрузки
ВРПВ для различных состояний организма семи пациентов:
абсцисса: 1 — до нагрузки:
2 — 'после нагрузки в 5 присе-
дании; 3 — 'после 10 'приседа-
нии: 4 — 'после 15 приседании:
5 — 'после 20 приседании
В
П0,170 Р
В0,165
Рис. 15
Графики САД, ДАД, ЧСС монитором PBLab ( ф) и автоматическим монитором давления A&D Medical (-Ш—) (а)и ВРПВ с монитором МКМ-08(б):
абсцисса: 1 — до нагрузки: 2 — после 5 приседании; 3 — после 10 приседании; 4 — после 15 приседании; 5 — после 20 приседании: 6 — восстановление
№ 1(73/2010 J"
биотехносфера
Разность ВРПВ и САД
СЧ
Ы
Оч
oq
и н
^
а н
10 11 12 13
Рис. 16
Нормированные значения ВРПВ различных пациентов:
——— — до нагрузки; И — после нагрузки; — восстановление
0,00650,001140,0015,0001770,00250,00275
Рис. 17
Статистическая оценка распределения разностей ВРПВ и САД:
1 — изменение ВРПВ: 32; 2 — изменение САД: 24
A&D Medical, и ВРПВ, измеренным монитором МКМ-08.
Статистическая обработка данных, представленная на рис. 16, 17, дает основание считать оценку ВРПВ достоверной в виду ее близости к нормальному закону распределения.
Аппаратно-программные средства контроля ФСО разработаны для автоматизации работы врача — специалиста по функциональной диагностике, кардиолога, терапевта, физиолога, психолога для оценки функционального состояния пациента и могут использоваться как в клинических, так и в бытовых условиях.
I Л и т е р а т у р а I
1. Алдонин Г. М. Робастность в природе и технике. М.: Радио и связь, 2003, 367 с.
2. Баевский Р. М., Иванов Г. Г., Рябыкина Г. Г. Современное состояние исследований по вариабельности сердечного ритма в России // Компьютерная электрокардиография на рубеже столетий: Материалы Междунар. симп. М., 1999. С. 21-25.
3. Алдонин Г. М. Аппаратно-программные средства медицинской диагностики: Учеб. пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. 146 с.
4. Кац В. А., Клочков В. А., Дементиевский В. А., Шерстюкова О. Н. Аппаратура для контроля среднего артериального давления. Свидетельство на полезную модель РФ № 35064 Ш. Опубл. 27.12.2003.
