RU2128004C1 - Способ анализа электрофизиологических сигналов и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, к автоматизированным способам анализа электрофизиологических сигналов, а именно электрокардиосигнала, и устройствам для их реализации. В способе анализа электрофизиологических сигналов регистрируют электрокардиосигнал, в котором выделяют R-зубцы кардиокомплекса, измеряют RR-интервалы, формируют числовой ряд значений RR-интервалов. B полученном ряду выделяют локальные минимумы (точки переключения первого ранга), определяющие волны первого порядка. Последовательность выделенных локальных минимумов тоже представляет числовой ряд с собственными локальными минимумами (точки переключения второго ранга), определяющими волны второго порядка. Затем выделяют волны более высоких порядков. Специфическими информативными признаками онкологического процесса являются последовательности двухинтервальных волн, специфическими информативными признаками токсического воздействия, в том числе и наркотического, являются последовательности трехинтервальных волн. Устройство для реализации способа содержит блок выделения специфических информативных признаков. Способ и устройство позволяют выявить асимптоматичных больных независимо от нозологической формы онкологического заболевания, в том числе на ранней стадии. 2 с.п.ф-лы, 11 ил.

Description

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, к автоматизированным способам анализа электрофизиологических сигналов, а именно электрокардиосигнала, и устройствам для их реализации. Изобретение может быть использовано в клинической и поликлинической практике для определения специфических информативных признаков функционального состояния, в частности, онкологических заболеваний и патологических состояний, вызванных воздействием токсических (наркотических) средств.

Известны три группы математических методов, применяющихся для анализа электрофизиологических сигналов: статистический, корреляционный и спектральный, которые могут использоваться как в различных сочетаниях, так и самостоятельно. Все эти методы предполагают усреднение обрабатываемой информации за эпоху анализа.

Известен способ оценки функционального состояния систем организма и устройство для его реализации [1]. Способ включает выделение RR - интервалов и спектральный анализ кардиоритмограммы, причем выборка содержит минимум 360 RR - интервалов, а спектр строят по логарифмической шкале частот. При этом определяют минимумы спектральной плотности, выделяют по ним сердечную, легочную, сосудистую и метаболическую функциональные системы, рассчитывают по формулам показатель количества информации (КИ) каждой из систем и, сопоставляя полученные показатели с расчетными, судят об уровне регуляторных процессов (оптимальный, нормальный, условно-нормальный, неэффективный). Метод спектрального анализа предполагает усреднение обрабатываемых данных за эпоху анализа.

Известны способ и устройство для автоматизированного анализа электрофизиологических сигналов [2], реализующие метод рангового анализа, выбранные в качестве прототипа.

В соответствии с данным способом вычисление искомых параметров осуществляют на основе выделения из исследуемого сигнала специальных опорных точек, которые в дальнейшем используются как точки отсчета для вычислительных процедур, направленных на получение информативных признаков. В качестве точек отсчета предложены точки переключения (точки минимумов). Для выполнения операции ранжирования исходный аналоговый сигнал предварительно дискретизируют, в полученной решетчатой функции выделяют все ее локальные минимумы, образующие точки отсчета первого ранга. Точки отсчета второго ранга получают путем выделения всех локальных минимумов из точек отсчета первого ранга. Аналогично выделяют точки отсчета третьего и последующих рангов.

Заканчивают ранжирование либо при исчерпании точек переключения, либо после выхода за пределы информативности исследуемых показателей с точки зрения целей решаемой задачи. По выделенным точкам отсчета рассчитываются интегральные и усредненные характеристики исследуемых электрофизиологических сигналов.

Устройство [2] содержит, по существу, три последовательно включенных функциональных блока. 1 - блок преобразования сигнала, к которому относятся датчик, усилитель, элемент сравнения, ячейки И, ИЛИ, триггеры, генератор импульсов, делитель частоты, таймер, пульт, счетчик, сумматор, осуществляющие дискретизацию и аналого-цифровое преобразование сигнала с датчика в динамический ряд числовых значений. Этот ряд подают на блок 2 - блок выделения точек переключений, состоящий из последовательно включенных блоков переключений, шифратора, ячейки И, элемента задержки. Блок 2 выделяет точки отсчета всех рангов, которые подаются в блок 3 - вычислитель. В нем рассчитываются интегральные и усредненные показатели исследуемого сигнала.

Недостаток, присущий примененному в [2] способу анализа информации и устройству для его реализации состоит в усреднении обрабатываемых данных. При этом полностью теряются специфические информативные признаки, содержащиеся в последовательности параметров биоритмических сигналов. Как показали исследования, проведенные авторами, именно в этих последовательностях проявляются признаки функционального состояния, в частности, онкологических заболеваний и патологических состояний, вызванных воздействием токсических (наркотических) средств.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для выявления и анализа специфических информативных признаков функционального состояния, в частности, онкологических заболеваний и патологических состояний, вызванных воздействием токсических (наркотических) средств, по кардиоритмограмме.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в способе анализа электрофизиологических сигналов, включающем выделение из исследуемого сигнала опорных точек переключения (минимумов) первого ранга, получение точек отсчета второго ранга путем выделения всех локальных минимумов из точек отсчета первого ранга, определение аналогичным образом точек отсчета третьего и последующих рангов новым является то, что исходной для анализа информацией служит числовой ряд значений следующих друг за другом RR - интервалов, в котором выделяют локальные минимумы первого порядка. Совокупность RR - интервалов между ними образует волну первого порядка, в которой подсчитывают количество интервалов от одного локального минимума до интервала, предшествующего следующему локальному минимуму. В полученном ряду локальных минимумов первого порядка выделяют собственные локальные минимумы, определяющие волны второго порядка, за интервалы в этих волнах принимают волны первого порядка. Аналогичным образом выделяют волны третьего и более высоких порядков. Специфическими информативными признаками онкологического процесса являются повторяющиеся последовательности двухинтервальных волн, а специфическими информативными признаками токсического (наркотического) воздействия являются последовательности трехинтервальных волн.

Сущность заявляемого устройства для реализации способа состоит в том, что в устройстве для анализа электрофизиологических сигналов, состоящем из последовательно включенных функциональных блоков:
блока выделения точек переключений, выделяющего из поступившего на его вход ряда последовательных значений исследуемого сигнала локальные минимумы (точки переключения), вычислительного блока дисплея новым является то, что между "блоком выделения точек переключений" и вычислительным блоком введен блок выделения специфических информативных признаков.

На фиг. 1 приведен фрагмент ритмограммы, поясняющий принцип выделения точек переключения.

Фиг. 2 иллюстрирует правило подсчета количества интервалов в волне первого порядка.

На фиг. 3 приведен фрагмент ритмограммы с последовательностями двухинтервальных волн.

На фиг. 4 представлена функциональная схема устройства.

На фиг. 5 изображен алгоритм работы блока выделения точек переключений.

На фиг. 6 изображен алгоритм работы блока выделения специфических информативных признаков.

На фиг. 7-10 приведены фрагменты ритмограмм, иллюстрирующие варианты последовательностей двухинтервальных волн.

На фиг. 11 приведен фрагмент ритмограммы, содержащей последовательности трехинтервальных волн.

Примечание: на фигурах, иллюстрирующих фрагменты ритмограмм, по оси ординат отложена длительность RR - интервала в относительных единицах.

Способ реализуется следующим образом. Известными методами с использованием известных устройств, например анализатора ритма (3), снимают ритмограмму, представляющую собой последовательность временных интервалов между соседними сокращениями сердца (RR - интервалов) за эпоху анализа:
τ₁, τ₂, ..., τ_i,..., τ_j-1, τ_j, (1)
где τ_i - длительность RR - интервала;
j - общее количество RR - интервалов.

В ряду (1) выделяют локальные минимумы по принципу:
τ_k-1 > τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{k}}$ < τ_k+1, (2)
где k - текущий номер RR - интервала (на фиг. 1 k-1; k; k+1 соответствуют номерам RR - валов 4, 5 и 6).

Преобразуют числовой ряд (1) в форму
τ₁, τ₂,.., τ_l-1,¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{l}}$ , τ_l+1, τ_m-1,¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{m}}$ , τ_m+1,..(3)
где где ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{l}}$ и ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{m}}$ - последовательные локальные минимумы числового ряда (1) (на фиг.1 локальные минимумы соответствуют номерам RR - интервалов 5, 10, 14, 20, 24, 28, 33, 37 и 42).

Совокупность RR-интервалов между соседними локальными минимумами образует волну первого порядка
w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ , w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{2}}$ , ..., w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{n}}$ ,.., w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{p-1}}$ , w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{p}}$
где n - текущий номер волны первого порядка;
p - количество волн первого порядка, выделенных за эпоху анализа.

Подсчитывают количество RR - интервалов между соседними минимумами от ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{l}}$ до τ_m-1, т.е. от минимального RR - интервала с номером 1 до RR - интервала, предшествующего следующему минимальному значению числового ряда ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{m}}$ Правило подсчета количества интервалов в волне первого порядка проиллюстрировано на фиг.2. Интервал ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{m}}$ не может одновременно принадлежать волнам w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ и w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{2}}$ иначе волна w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{2}}$ будет начинаться раньше, чем закончится волна w $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{1}}$ . Минимальное количество RR - интервалов в волне w¹ равняется двум.

Последовательность выделенных локальных минимумов из ряда (3) сама по себе представляет числовой ряд
¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{1}}$ , ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{2}}$ , ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{r}}$ ,.., ¹τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{s-1}}$ , ¹τ_s (5)
из которого аналогично (2) выделяют собственные локальные минимумы ²τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{min}}{\text{m}}$ (на фиг. 1 номера интервалов 5, 24 и 42), определяющие волны второго порядка w². За интервалы в этих волнах принимают волны первого порядка. Количество интервалов в волне второго порядка равняется общему количеству волн первого порядка, входящих в нее. В зависимости от продолжительности эпохи анализа аналогичным образом выделяют волны третьего и более высоких порядков. Специфическим информативным признаком наличия онкологического процесса являются последовательности двухинтервальных волн (на фиг. 3 соответствуют интервалам с 26 по 44), а специфическим информативным признаком токсического (наркотического) воздействия - последовательности трехинтервальных волн (на фиг.11 соответствуют номерам интервалов с 4 по 22 и с 34 по 52).

Устройство, фиг.4, состоит из последовательно включенных функциональных блоков: блока выделения переключений 1, блока 2 - выделения специфических информативных признаков, выполненного на стандартных элементах цифровой микроэлектроники, вычислительного блока 3 и связанных с ним дисплея 4 и клавиатуры 5.

Устройство работает следующим образом.

На вход блока выделения переключений 1 подают последовательный ряд значений RR - интервалов (не менее 500), полученный из кардиосигнала обследуемого пациента известными способами и устройствами, например, (3) и записывают во входной регистр блока. Затем каждое из значений ряда сопоставляют с предыдущим и последующим в соответствии с алгоритмом фиг.5, выявляют все интервалы с минимальной длительностью, характеризующиеся тем, что предыдущий и последующий интервалы больше данного. Результаты этого (первого) разложения в виде значений локальных минимумов образуют вторичный ряд разложения и т.д. до исчерпания точек переключения. В алгоритме приняты следующие идентификаторы: j - общее количество RR - интервалов; h - порядок волны, n - промежуточная переменная; ^hn - номер волны в последовательности волн порядка h; k₁, k₂, k₃ - промежуточные переменные; k_h,1, k_h,2, k_h,3 - буферные переменные для хранения текущей триады RR - интервалов или трех последовательных локальных минимумов порядка h; χ - промежуточная переменная, для хранения τ_i при h= 1 или ^hτ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{max}}{\text{i}}$ при h>1; i - текущий номер RR - интервала; ^hL_n - текущее значение количества интервалов в волне порядка h; ^hN - количество интервалов в волне порядка h.

Массив последовательностей волн всех порядков подают на входной регистр блока 2, который подсчитывает количество интервалов в волнах и выделяет следующие одна за другой двух- и трехинтервальные волны, являющиеся специфическими информативными признаками. В алгоритме (фиг.6) работы блока 2 приняты следующие идентификаторы: h - максимальный порядок волны; 1 - текущий порядок волны от 1 до h; n - номер волны в последовательности волн (от 1 до j/2); M - длина последовательности двух- или трехинтервальных волн; A_m - массив последовательностей из m двух- или трехинтервальных волн.

Результаты анализа по волнам всех порядков передаются в вычислительный блок 3 и отображаются на дисплее 4. С клавиатуры 5 вводятся данные о пациенте.

Высокая чувствительность и специфичность заявляемого способа подтверждаются проведенными клиническими испытаниями.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа анализа состоит в возможности его применения для выявления асимптоматичных больных независимо от нозологической формы онкологического заболевания, в том числе на ранней стадии; при массовых профилактических обследованиях населения; для контроля за качеством лечения, а также выявления признаков токсического (наркотического) воздействия различных средств.

Пример 1. На фиг.1 приведен фрагмент ритмограммы больного И. 1945 г.р., история болезни N 571, госпитализированного в онкологический диспансер с предварительным диагнозом: Рак легкого? На ритмограмме этого пациента отсутствуют признаки онкологического процесса в виде последовательностей двухинтервальных волн. В результате клинического обследования был установлен диагноз: Обострение хронической пневмонии.

Пример 2. На фиг. 3 приведен фрагмент ритмограммы больного Г. 1957 г.р., история болезни N 442, находившегося на стационарном лечении в онкологическом диспансере с клинически подтвержденным диагнозом: Рак легкого. На ритмограмме больного имеются признаки онкологического процесса (последовательность двухинтервальных волн - RR - интервалы с 26 по 44, выделенная окружностью).

Пример 3. На фиг. 7 - 10 приведены фрагменты ритмограмм, иллюстрирующие варианты последовательностей двухинтервальных волн, выделенных овальными линиями.

На фиг. 7 признаки онкологического процесса содержатся в волнах первого порядка.

На фиг. 8 признаки онкологического процесса содержатся в волнах второго порядка.

На фиг. 9 признаки онкологического процесса содержатся в волнах третьего порядка.

На фиг. 10 признаки онкологического процесса содержатся в волнах первого и второго порядков.

Пример 4. На фиг. 11 приведен фрагмент ритмограммы, содержащей последовательности трехинтервальных волн, выделенные овальными линиями.

Источники информации
1. RU 2039523 C1, A 61 B 5/04, 1995.

2. SU 1360698 A1, A 61 B 5/02, 1987.

3. RU 2004190 C1, кл. A 61 B 5/024, 1993.

Claims (2)

1. Способ анализа электрофизиологических сигналов, предусматривающий выделение из исследуемого сигнала локальных минимумов, построение волн первого и более высоких порядков и выявление информативных признаков функционального состояния, отличающийся тем, что исследуемым сигналом служит кардиосигнал, снимают ритмограмму RR-интервалов, волну первого порядка строят по совокупности RR-интервалов между соседними локальными минимумами, волну второго порядка строят по выделенным собственным локальным минимумам волны первого порядка и далее строят волны третьего и более высоких порядков, подсчитывают количество интервалов в волнах первого и более высоких порядков, а в качестве специфических информативных признаков функционального состояния используют последовательности равноинтервальных волн.

2. Устройство для анализа электрофизиологических сигналов, состоящее из блока выделения переключений и вычислительного блока, отличающееся тем, что между блоком выделения переключений и вычислительным блоком введен блок выделения специфических информативных признаков, подсчитывающий количество интервалов от локального минимума до следующего локального минимума, выделяющий последовательности из двух- и трехинтервальных волн, длину последовательностей и их массив, при этом вычислительный блок связан с дисплеем и клавиатурой.

Images