RU2303389C1

RU2303389C1 - Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека (варианты)

Info

Publication number: RU2303389C1
Application number: RU2005136176/14A
Authority: RU
Inventors: Николай Романович Белашенков (RU); Николай Романович Белашенков; Александр Иосифович Лопатин (RU); Александр Иосифович Лопатин
Original assignee: Николай Романович Белашенков; Александр Иосифович Лопатин
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-07-27

Abstract

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии. Способ состоит в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), осуществляют ее аналого-цифровое преобразование и формируют массив f(t_n), выделяют переменную составляющую фонограммы h(t_n), формируют вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), осуществляют спектральное преобразование вспомогательного массива b(t_n) и формируют полученный в результате этого преобразования массив g(ω_n), осуществляют частотную фильтрацию массива g(ω_n), выделяя сигнал

в интервале 0<ω_n< Ω, где 20 Гц< Ω<100 Гц, осуществляют обратное спектральное преобразование массива

, диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме полученной в результате этого преобразования зависимости

или выделяют переменную составляющую фонограммы h(t), определяют вспомогательную функцию b(t), содержащую знакопостоянные значения функции h(t), осуществляют усреднение значений функции b(t) по интервалам времени 10 мс<Δt<50 мс, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме полученной в результате этого усреднения зависимости

. Оба варианта способа обеспечивают повышение точности и достоверности результатов определения функционального состояния сердечнососудистой системы человека. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, и может быть использовано при осуществлении функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека во время проведении медицинских обследований с целью выявления патологий сердца и кровеносных сосудов. Изобретение также может быть использовано при осуществлении долговременного непрерывного мониторинга режимов работы сердца в том числе сердца человеческого плода при наблюдении протекания беременности у женщин.

Патологии сердечно-сосудистой системы являются одной из основных причин преждевременной смерти людей. Выявление нарушений работы сердца и основных кровеносных сосудов при медицинских обследованиях может своевременно установить причины этих нарушений и способствовать снижению риска возникновения необратимых последствий. При этом основное значение имеет достоверная диагностика функционального состояния сердечно-сосудистой системы. Как известно из медицинской практики, важным фактором принятия решения о направлении лечения заболеваний сердца и сосудов является возможность долговременного наблюдения режимов их функционирования. При однократных или эпизодических обследованиях врач-кардиолог испытывает серьезные трудности при диагностике тех или иных отклонений, т.к. отсутствие данных о предыдущих обследованиях во многих случаях не позволяет принять однозначное решение о выборе рекомендаций или путей лечения пациентов. Особую важность проблема ранней диагностики имеет при определении функционального состояния сердца и сосудов плода при мониторинге протекания беременности у женщин. В этих случаях диагностика затруднена тем, что такие традиционные и наиболее распространенные методы ее осуществления как, например, электрокардиография (ЭКГ) или ультразвуковая диагностика, либо невозможны, либо могут иметь определенные ограничения как по медицинским, так и по иным основаниям.

Самым известным и распространенным методом диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека начиная со II века до н.э. продолжает оставаться аускультация, т.е. прослушивание опытным врачом-кардиологом шумов работы сердца и сосудов человека непосредственно с помощью стетоскопа, фонендоскопа или с помощью иных приборов, регистрирующих акустические сигналы и преобразующих полученные фонограммы в приемлемый для анализа вид. При этом опыт и знания врача являются единственным субъективным критерием оценки получаемых результатов.

Известен способ оценки функционального состояния сердца (патент РФ №2067417, МКИ А61В 5/0452, опубл. 10.10.1996), состоящий в регистрации морфологических элементов ЭКГ с последующим расчетом амплитудно-временных показателей работы сердца.

Недостатком данного способа является низкая достоверность диагностики функционального состояния сосудистой системы, связанная с невозможностью определения ряда патологий таких, например, как стеноз артерий или сердечная недостаточность.

Известен способ оценки функционального состояния сердца (см. А.Н.Ананьев // Медицинская техника. 1979, №2, с.5-9), при котором осуществляют классификацию ЭКГ по спектральным характеристикам путем определения амплитудных и фазовых спектров с помощью рядов Фурье и сравнения полученных результатов с показателями тест-ЭКГ.

Недостатком данного метода является то, что он предусматривает только общий анализ элементов ЭКГ без учета энергетического уровня миокарда, что также уменьшает достоверность исследований.

Медицинская практика показывает, что достоверная информация о функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы в большей степени содержится в фонограмме работы сердца и артерий, чем в ЭКГ. Это связано с тем, что электрические импульсы, инициирующие сердечные сокращения, являются лишь необходимым, но недостаточным условием его нормальной работы. При этом наиболее информативная часть данных содержится в низкочастотном спектре акустического сигнала, регистрация которого сопряжена со значительными техническими трудностями. Так, например, брадикардия проявляется, как правило, в диапазоне частот от 0.1 Гц, а именно в этом диапазоне существенным образом проявляются посторонние шумы, связанные с дыханием человека. Высокочастотная составляющая сигнала фонограммы, источником которой является турбулентное движение крови внутри полостей сердца и сосудов, информации о функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы не содержит. Вместе с тем именно этот высокочастотный шум и регистрируется акустическим приемником.

Известен метод диагностики сердечной деятельности (патент США №6575916, опубл. 10.06.2003), состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений, осуществляют фильтрацию сигнала в спектральном диапазоне от 0.1 до 30 Гц, регистрируют акустические сигналы, связанные с дыханием человека в спектральном диапазоне от 0.1 до 2 Гц, а о функциональном состоянии сердца судят по величине и форме полученных сигналов.

Известен метод диагностики патологии сердца (патент США №6898459, опубл. 24.05.2005), состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений, регистрируют ЭКГ, выделяют индивидуальные кардиоциклы, определяют систолический интервал и суб-интервал для каждого кардиоцикла, осуществляют спектральное Фурье или вейвлет-преобразование полученных сигналов, формируют двумерные время-частотные массивы данных, измеряют энергию каждого систолического суб-интервала в систолическом интервале, усредняют полученные значения энергии по последовательности зарегистрированных систолических интервалов, а степень патологии определяют по величине отклонения значения энергии систолического суб-интервала исследуемого сердца от энергии систолического суб-интервала здорового сердца.

Недостатком данного метода является сложность реализации и низкая достоверность получаемых результатов, связанная с необходимостью сравнения данных пациента с данными так называемого "здорового" сердца абстрактного среднестатистического человека.

Наиболее близким по совокупности признаков и выбранным за прототип является способ анализа звуковых сигналов сердца (патент США №5687738, опубл. 18.11.1997), состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений и дыхания в течение определенного промежутка времени, осуществляют ее аналого-цифровое преобразование с фиксированной частотой дискретизации, формируют массив данных шумов сердца, соответствующий одной фазе дыхания, осуществляют быстрое Фурье преобразования данных, относящихся к каждому акустическому сигналу удара сердца, выполняют усреднение полученных в результате этого данных, после чего отображают результат усредненного Фурье преобразования для последующей диагностики.

Основным недостатком описанного выше способа является низкая достоверность определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека и низкая точность ранней диагностики ее патологий. Кроме этого способ-прототип является сложным, а получаемые в результате его осуществления данные содержат много избыточной информации, что затрудняет ее обработку, накопление, передачу и последующее использование.

Заявляемый способ направлен на достижение технического результата, состоящего в повышении достоверности и точности определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека с одновременным упрощением осуществления способа и сокращением количества получаемой с его помощью информации до уровня минимально необходимого для диагностики и мониторинга.

Достижение технического результата обеспечивается за счет получения информации о временной диаграмме огибающей акустического сигнала, обусловленного сердечными сокращениями, без шумов.

Сущность первого варианта заявляемого способа состоит в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), осуществляют ее аналого-цифровое преобразование и формируют массив f(t_n), выделяют переменную составляющую фонограммы h(t_n), формируют вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), осуществляют спектральное преобразование вспомогательного массива b(t_n) и формируют полученный в результате этого преобразования массив g(ω_n), осуществляют частотную фильтрацию массива g(ω_n), выделяя сигнал

в интервале частот 0<ω_n< Ω, где 20 Гц< Ω<100 Гц, осуществляют обратное спектральное преобразование массива

, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме полученной в результате этого преобразования зависимости

.

Кроме того, вспомогательный массив b(t_n) может быть сформирован следующим образом:

Сущность второго варианта заявляемого способа состоит в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), выделяют переменную составляющую фонограммы h(t), определяют вспомогательную функцию b(t), содержащую знакопостоянные значения функции h(t), осуществляют усреднение значений функции b(t) по интервалам времени 10 мс<Δt<50 мс, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме полученной в результате этого усреднения зависимости

.

Кроме того, вспомогательная функция b(t) может быть определена следующим образом:

Сущность изобретения поясняется диаграммами, представленными на фиг.1-3. На фиг.1 показаны временная диаграмма акустического сигнала f(t) сердечных сокращений здорового пациента (фиг.1а), ее спектр р(ω), полученный в результате непосредственного Фурье-преобразования (фиг.1б), ее спектр g(ω), полученный заявляемым способом (фиг.1в), а также восстановленная в результате реализации заявляемого способа по п.1 формулы изобретения временная диаграмма сигнала сердечных сокращений без шумов q₁(t) (фиг.1 г). На фиг.1д приведен соответствующий фрагмент временной диаграммы сигнала сердечных сокращений q₂(t), полученной из диаграммы акустического сигнала сердечных сокращений здорового пациента f(t) (фиг.1a) в результате реализации способа по п.2 формулы изобретения при усреднении знакопостоянных значений функции переменной составляющей фонограммы по интервалам времени. На фиг.2, 3 приведены такие же зависимости для акустических сигналов сердечных сокращений пациентов, страдающих сердечной недостаточностью и стенозом аорты соответственно.

Как известно, фонограмма сердечных сокращений имеет особенность, состоящую в относительно стабильной периодичности регистрируемого сигнала f(t). Эта особенность открывает возможность использования спектрального преобразования квазипериодического сигнала с выделением низкочастотной модуляционной составляющей за счет усреднения по большому количеству периодов. В этом смысле заявляемый способ может иметь аналогию в радиотехнике, позволяющую выделить низкочастотный сигнал речи, передаваемый с помощью амплитудной модуляции высокочастотной составляющей несущей радиоволны. Действительно, если выделить переменную составляющую электрического сигнала фонограммы либо аналоговым способом, пропуская сигнал от акустического приемника через электрическую цепь, содержащую конденсатор, либо цифровым способом, производя аналого-цифровое преобразование функции f(t) и вычитание среднего по интервалу регистрации значения сигнала из каждого значения элемента массива данных f(t_n), получить в результате этого соответствующий массив данных h(t_n), затем осуществить детектирование полученного сигнала и сформировать вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), например, путем осуществления операции преобразования по модулю

, после чего применить к полученным данным преобразование Фурье

, то в итоге будет получен массив данных спектра акустического сигнала исходной фонограммы, содержащий информацию о модуляции высокочастотного шума низкочастотным сигналом сердечных сокращений, форма которого и является объектом диагностики. Для отображения искомого сигнала сердечных сокращений

в заявляемом по п.1 формулы изобретения способе предлагается осуществлять частотную фильтрацию массива g(ω), выделяя сигнал

в интервале частот 0<ω_n< Ω, где 20 Гц< Ω<100 Гц, и производить обратное спектральное преобразование массива

, в результате которого и будет получен искомый массив

значений функции

. Интервал допустимых значений верхней границы спектрального диапазона частотной фильтрации Ω установлен авторами экспериментально, принимая во внимание два обстоятельства: при выборе значения Ω>100 Гц в результирующем сигнале

возрастает высокочастотная шумовая составляющая, затрудняющая диагностику функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека; при жесткой спектральной селекции ( Ω<20 Гц) результирующий сигнал

деформируется, в результате чего снижается достоверность производимой диагностики.

Заявляемый способ может быть осуществлен без применения спектральных преобразований и спектральной фильтрации (см. п.2 формулы) за счет усреднения знакопостоянных значений функции переменной составляющей фонограммы f(t) по фиксированным интервалам времени. Такая операция является полным аналогом частотной фильтрации во временном представлении.

Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, включающего акустический приемник, расположенный на груди пациента вблизи проекции сердца и электрически соединенный с блоком обработки цифровых данных, например, портативным компьютером или коммуникатором через аналого-цифровой преобразователь. При этом блок обработки цифровых данных может быть снабжен дисплеем и модулем памяти для хранения информации о предшествующих измерениях. Блок обработки цифровых данных также должен быть снабжен программными средствами для выполнения необходимых вычислений.

Заявляемый по п.1 формулы изобретения способ осуществляют следующим образом. С обследуемого человека, функциональное состояние сердечно-сосудистой системы которого подлежит определению, любым известным способом снимают фонограмму сердечных сокращений f(t) в течение промежутка времени, достаточного для регистрации нескольких кардиоциклов. Число регистрируемых циклов должно быть не менее трех, а максимальное значение не ограничено. Затем полученную аналоговую фонограмму переводят в массив цифровых данных f(t_n) путем осуществления аналого-цифрового преобразования с частотой дискретизации достаточной для достижения необходимой точности (как показывают эксперименты, значение частоты дискретизации 400 Гц удовлетворяет предъявляемым требованиям). Затем выделяют переменную составляющую сигнала h(t_n) и рассчитывают значения вспомогательного массива b(t_n), которые получают из значений массива h(t_n), например, путем применения операции преобразования по модулю

. Далее осуществляют Фурье преобразование массива b(t_n) и получают в результате массив данных спектра акустического сигнала исходной фонограммы g(ω_n):

Далее устанавливают значение граничной частоты спектрального диапазона частотной фильтрации Ω, осуществляют частотную фильтрацию массива g(ω_n), выделяя сигнал

в интервале частот 0<ω_n< Ω, где 20 Гц< Ω<100 Гц, и производят обратное спектральное преобразование массива

, в результате которого получают искомый массив

значений временной диаграммы сигнала сердечных сокращений

, по данным которого судят о функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы человека.

Заявляемый по п.2 формулы изобретения способ осуществляют следующим образом. Прежде всего с обследуемого человека любым известным способом снимают фонограмму сердечных сокращений f(t) в течение промежутка времени, достаточного для регистрации по меньшей мере одного полного кардиоцикла. Далее осуществляют выделение переменной составляющей этого сигнала и формирование соответствующей функции h(t). После этого выполняют операцию детектирования сигнала h(t) и формирование из него знакопостоянной функции b(t), например, путем применения операции преобразования по модулю

. Затем производят усреднение значений функции b(t) по заданным временным интервалам 10 мс<Δt<50 мс и получают в результате этого функцию

, по форме которой судят о функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы человека.

Пример 1.

На фиг.1(а-д) представлены результаты относящиеся к анализу функционального состояния сердечно-сосудистой системы здорового человека. На фиг.1а приведена оригинальная фонограмма сердечных сокращений f(t). На фиг 1б представлен ее спектр р(ω), полученный непосредственным Фурье-преобразованием зависимости f(t), в спектральном интервале от 0 до 150 Гц. Как видно из фиг.1б, основная мощность спектрального сигнала в этом случае сосредоточена в высокочастотном (шумовом) диапазоне. На фиг.1в представлен спектр исходной фонограммы g(ω), полученный заявляемым способом, в спектральном интервале от 0 до 150 Гц. Видно (см. фиг.1в), что основная мощность спектрального сигнала в данном случае сосредоточена в низкочастотном (информационном) диапазоне и может быть использована для дальнейшего анализа. На фиг.1г представлена временная диаграмма кардиоцикла здорового человека q₁(t), восстановленная в результате обратного Фурье-преобразования спектрального массива, полученного после частотной фильтрации в диапазоне от 0 до 25 Гц. Для сравнения на фиг.1д представлен фрагмент временной диаграммы сигнала сердечных сокращений q₂(t), полученной из диаграммы акустического сигнала сердечных сокращений здорового пациента f(t) (фиг.1a) в результате реализации способа по п.2 формулы изобретения с усреднением значений вспомогательной функции b(t) по временным интервалам Δt=40 мс.

Пример 2

На фиг.2(а-д) приведены результаты, аналогичные результатам, представленным в примере 1, для пациента, страдающего сердечной недостаточностью.

Пример 3

На фиг.3(а-д) приведены результаты, аналогичные результатам, представленным в примере 1, для пациента, страдающего стенозом аорты.

Данные примеров иллюстрируют возможность определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека заявляемым способом, подтверждают простоту диагностики и достоверность различий полученных результатов для различных случаев нормы и патологии.

Таким образом, в заявляемом изобретении предложен способ более достоверного и точного определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека на основе применения новой процедуры анализа фонограммы сердечных сокращений.

Claims

1. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека, состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), осуществляют ее аналого-цифровое преобразование и формируют массив f(t_n), отличающийся тем, что выделяют переменную, составляют фонограмму h(t_n), формируют вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массивам h(t_n), осуществляют спектральное преобразование вспомогательного массива b(t_n) и формируют полученный в результате этого преобразования массив g(ω_n), осуществляют частотную фильтрацию массива g(ω_n), выделяя сигнал

, в интервале 0<ω_n< Ω, где 20 Гц< Ω<100 Гц, осуществляют обратное спектральное преобразование массива

, диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме, полученной в результате этого преобразования зависимости

.

2. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный массив b(t_n) формируют следующим образом:

3. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный массив b(t_n) формируют следующим образом:

4. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека, состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), отличающийся тем, что выделяют переменную составляющую фонограммы h(t), формируют вспомогательную функцию b(t), содержащую знакопостоянные значения функции h(t), осуществляют усреднение значений функции b(t) по интервалам времени 10 мс<Δt<50 мс, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по форме, полученной в результате этого усреднения зависимости

.

5. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по п.4, отличающийся тем, что вспомогательную функцию b(t) формируют следующим образом:

6. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по п.4, отличающийся тем, что вспомогательную функцию b(t) формируют следующим образом: