Разработка и исследование микроэлектронного монитора параметров гемодинамики
Автор: Алдонин Г.М.
Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu
Статья в выпуске: 1 т.4, 2011 года.
Бесплатный доступ
В лаборатории медицинского приборостроения Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФиРЭ) Сибирского федерального университета (СФУ) разработаны аппаратно-программные комплексы (АКП) на базе холтеровских кардиомониторов МКМ-09 с возможностью дистанционной передачи информации о функциональном состоянии организма в диагностический центр. Эти комплексы обладают достаточной универсальностью и доступностью для широкого применения в клинической практике, в амбулаторных и бытовых условиях. АПК позволяет извлекать дополнительную информацию из совместного анализа различных биосигналов и их производных, например информацию о состоянии магистральных сосудов и изменении артериального сосудистого тонуса по скорости распространения пульсовой волны. Отличием программного обеспечения АПК на базе МКМ-09 является обеспечение структурного анализа биопроцессов и биосигналов нелинейными методами теории самоорганизации. Структурная организация биопроцессов (кардиоритма) и биосигналов биосистем выявляется при их вейвлет-преобразованиях. Она наглядно отражается на вейвлет-диаграммах и биопроцессов, и биосигналов.
Мониторинг функционального состояния организма, аппаратно-программные средства, телемедицина, рекордеры холтеровского типа, кардиоритм, электрокардиосигнал, пульсовая волна кровотока, артериальное давление, время распространения пульсовой волны
Короткий адрес: https://sciup.org/146114567
IDR: 146114567
Текст научной статьи Разработка и исследование микроэлектронного монитора параметров гемодинамики
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. Аппаратно–программный комплекс мониторинга функционального состояния организма человека на основе разработанного в лаборатории медицинского приборостроения Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФиРЭ) Сибирского федерального университета (СФУ) микрокардиомонитора холтеровского типа МКМ-09 (рис. 1) с расширенными функциональными возможностями, в отличие от существующих в стране и за рубежом, позволяет извлекать дополнительную информацию из совместного анализа различ-

Рис. 1. Рекордер МКМ-08
ных биосигналов и их производных, например фотоплетизмографическую информацию о состоянии сосудов и изменении артериального сосудистого тонуса по скорости распространения пульсовой волны.
Средства и методы
Холтеровский кардиомонитор МКМ-09 предназначен для накопления в режиме of-line и on-line КИ электрокардиосигналов (ЭКС) и пульсовой волны (ПВ) кровотока, сведений фонокардиограммы (ФКГ) и данных о сосудистом тонусе в цифровом виде от 5 мин до 24 ч. Сигналы передаются в персональный компьютер (ПК) для последующей их обработки и статистического, спектрального и структурного анализа кардиоинформации.
Аналоговая часть прибора содержит два канала: канал электрокардиосигнала и канал ПВ, к которым подключены, соответственно, электроды ЭКГ и фотоплетизмографический датчик. В цифровую часть входит микроконтроллер, АЦП, жидкокристаллический (ЖК) дисплей, кнопки управления, индикатор R-зубца и ММС карты памяти. АЦП по команде микроконтроллера преобразовывает аналоговый сигнал усилителей, приходящих на входы цифровой части. В зависимости от выбранного режима эти сигналы либо сохраняются в карте памяти, либо по интерфейсу USB передаются на компьютер.
С помощью кнопок управления и меню на ЖК-панели выполняется 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 их обработки.
АПК обеспечивает возможность передачи данных в удаленный кардиоцентр по телекоммуникационным каналам связи посредством e-mail, файлообменного сервера, серверного ПО системы телемедицинского on-line и of-line наблюдения за пациентами. Записанные в прибор данные передаются в ПК через USB-интерфейс либо переносом картой памяти. При применении USB-интерфейса загрузка данных в ПК осуществляется через ММС, наличие графического дисплея позволяет проводить измерения с использованием питания от ПК в режиме on-line.

Рис. 2. Структура кардиологической телемедицины
Предусмотрена возможность дистанционной передачи информации через сети сотовой связи. АПК содержит три канала: канал ПВ, канал ЭКС и канал ФКС. Каждый канал имеет 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.
На рис. 2 приведена структура кардиологической телемедицины на базе АПК, использующая существующую инфокоммуникационную 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 их в виде графического файла. В сети сотовых операторов графический файл в виде MMS-сообщения передается лечащему врачу. Схема реализации телемедицины посредством мобильных 3G/4G 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 по интернету передаем как .wav или графический файл – 70 – в кардиологический центр. Для передачи могут быть использованы почтовые серверы (mail), файловые серверы (ftp), веб-серверы (web) с загрузкой файлов и разграниченным доступом. Могут применяться веб-серверы самого кардиологического центра. Приоритетными сетями передачи данных являются 3G/4G или наземные с коммутируемым доступом (dial-up по телефонным линиям). Все приведенные методы передачи обеспечивают передаваемые объемы биоинформации.
Результаты
Для объективного анализа состояния сердечно-сосудистой системы необходим постоянный контроль проводящей нервной системы и сосудистой системы сердца, статистический и спектральный анализ биосигналов каждой из систем [4-6]. На рис. 4, 5 приведены примеры отчетов диагностики ФСО.
Программное обеспечение «KSRG» и «Диагностика» проводит анализ основных параметров гемодинамики: КИГ, ЭКГ, ПВ, ФКГ, контроль изменения артериального давления (АДср . ) на основе измерения времени распространения пульсовой волны (ВРПВ), определяются восемнадцать параметров по вариабельности сердечного ритма (ВСР-диагностики) [2], индекс напряжения (ИН) (стресс-индекс), индекс эффективности (ИЭ) коррекции функционального состояния организма, индекс сосудистого тонуса (ИСТ) .
Обеспечивается суточное мониторирование кардиосигналов для дальнейшей обработки и передачи лечащему врачу по существующей инфокоммуникационной инфраструктуре, в частности, по сотовой связи (рис. 4, б ). Фонокардиография обеспечивает регистрацию сердечных тонов и сердечных шумов. Фотоплетизмография применяется для исследования артериальной системы у человека, дает возможность оценить состояние артерий эластического и мышечного типа, состояние венозного, артериального давления.
Отличием программного обеспечения АПК на базе МКМ-08 является обеспечение структурного анализа биопроцессов и биосигналов нелинейными методами теории самоорганизации. Структурная организация биопроцессов (кардиоритма) и биосигналов биосистем выявляется при их вейвлет-преобразованиях. Она наглядно отражается на вейвлет-диаграммах (рис. 3, 4).
В ренормгрупповом подходе скелетные функции (скелетоны) вейвлет-преобразования как картина линий локальных экстремумов поверхностей выявляют структуру анализируемого процесса, а скейлинги – масштабную инвариантность или самоподобие (рис. 5). Оценкой структурной организации гомеостаза в ультраметрическом пространстве служит фрактальная размерность деревьев Кейли.
Биосистемы как высокоорганизованные структуры обладают гармонической квази-кристаллической симметрией и фрактальной самоорганизацией по принципу масштабноинвариантного самоподобия. В синергетическом аспекте это определяет их фрактальную структуру с выраженным самоподобием их элементов, имеющих масштабный порядок, или скейлинг. Фрактальная структура квазикристаллического типа, масштабно-инвариантное самоподобие (скейлинг), спектр вида 1/f β являются признаками самоорганизации в природных системах и критерием структурной устойчивости биосистем. Установление определенного скейлинга представляет интерес в диагностике нормы, преморбидности и патологии состоя-
Fatpetn №М 14-11-19% П2Я Громе **4мм 1й(мдем,21пц Кербеле*, г рогршш

। -Н——-----I———--в 0.к ед e.is ед е 25 ез е $ ел влвги

б
а

в
Рис. 3. Фурье – а и вейвлет- спектр КИГ – б, определение ее фрактальной размерности – в


Динамика гистограмм кардиоритма
Динамика спектра кардиоритма

а б
Рис. 4. Примеры отчетов ВСР-диагностики – а и передача отчетов по сотовой связи – б
а
б


в

Рис. 5. ФКС, ЭКГ, ПВ – а, их вейвлет-преобразование – б и скелетоны – в
ния здоровья, а фрактальная размерность деревьев Кейли вейвлет-диаграмм есть количественная мера структурной организации биосистем.
При мониторинге сердечно-сосудистой системы важно контролировать изменение артериального давления (АД). В последнее время все больший интерес проявляется к контролю состояния артериального и венозного сосудистого тонуса по скорости распространения пульсовой волны [3]. Линейная скорость кровотока по артериям обычно не превышает 0,5 м/с. С возрастом эластичность сосудов снижается, и это приводит к увеличению скорости распространения пульсовой волны, что позволяет количественно оценить с помощью измерения времени распространения пульсовой волны (ВРПВ) параметры кровотока в сосудах различных отделов кровеносной системы. Совместный анализ ЭКС и ПВ дает возможность мониторировать состояние артериального давления с помощью ВРПВ, поэтому 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 распространения пульсовой волны (ВРПВ), которая измеряется по отсчетам задержки между R-зубцом ЭКС максимумом ПВ (рис. 6, а ).
Алгоритм измерения ВРПВ ПО KSRG заключается в следующем. Отсчеты из массива данных на интересующем интервале наблюдений подвергаются фильтрации вначале вычислением скользящего среднего -Xi по ЭКС и ПВ:
T I —+-- 2
X , — - £ X , (1)
T T
-
I —--
- где Т – интервал усреднения, Xi – текущие отсчеты. Затем для более точного определения R-зубца ЭКС вычисляется скользящее среднее Xj по ЭКС:

а

б

Опыт с пережиманием руки в плече
Опыт с пережиманием руки в предплечье
в
Рис . 6. Совместная запись сигналов ЭКГ и ПВ и измерение времени распространения пульсовой волны (ВРПВ) в фазе систолы (верхняя линия) и диастолы (нижняя линия) – а, опыты с определением заужения сосуда – б, в
X j = X j
—
T
’ = +2
Е х, ■
T Tj j=—
Для повышения помехоустойчивости определения ВРПВ по значениям Xj строится гистограмма, имеющая характерную «полочку», которая определяет уровень порога истинного R- зубца (рис. 6, б). После этого определяется точка максимального значения R- зубца (пик ЭКС), максимум и минимум пульсовой волны. Временной отрезок между ними ΔТ означает ВРПВ в систолической – τс и диастолической фазе – τд :
Т макс ПВ Т макс ЭКС Тд; Т мин ПВ Т макс ЭКС Тс .
Проводили опыты с определением места заужения просвета в сосуде (например, для опре-делениия места образования атеросклеротических бляшек, рис.6, б ). Эксперименты показали такую возможность при фотоплетизмографическом анализе.
Измеряется расстояние от сердца до датчика ПВ и время от вершины пульсовой волны, за которое пульсовая волна проходит путь от сердца. На фотоплетизмограммах определяются отклонения в виде флуктуаций формы пульсовой волны и её время от вершины пульсовой волны, а также местонахождение заужения артерий:
L = ^.L аё eil ,
teil где £6л _расстояние от сердца до предполагаемого местоположения заужения артерии, t6n - вре-лл мя распространения пульсовой волны от вершины ПВ до флуктуации, tкон - время распространения пульсовой волны от вершины ПВ до вершины дикротической волны, Lкон – расстояние от сердца до измеряемой точки. На рис. 6 отражен опыт с пережиманием руки жгутом в плече (а) и в предплечье (б). tбЛ = 61 мс, а tкон = 205 мс. Расстояние от сердца до измеряемой точки Lкон = 92 см. Таким образом;
и = -61 • 92 = 28ni .
Обсуждение результатов
Для оценки состояния ФСО целесообразно объединить основные характеристики сосудистого тонуса в общие функционалы в виде индексов.
О пределения модифицированного фотоплетизмографического индекса (МФПИ) Его отличие от применяемого на практике ФПИ в том, что для его вычисления не требуется определение постоянной составляющей венозного кровотока, что существенно упрощает и облегчает определение индекса, поскольку величина венозного кровотока значительно превышает пульсации артериальной крови, точное определение индекса в связи с этим трудоемко. Определяется модифицированный фотоплетизмографический индекс по следующим формулам:
МФПИ=(А 1 /А2)^100 %,
МФПИ=(А2 /А 3 )^100 %,
где А 1 - амплитуда пульсовой волны в положении «рука внизу»; А2 - в положении «рука на уровне сердца»; А3 – в положении «рука вверху».
На рис. 7 показана зависимость амплитуды пульсовой волны от различных положений руки относительно вертикали.
О пределения индекса сосудистого тонуса (ИСТ) (4), величина которого, с одной стороны, зависит от ВРПВ, а с другой - отражает разность ВРПВ в систолической ( тс ) и диастолической τ д : фазах

Рис. 7. Фотоплетизмограмма при различных положениях руки
ист=тт . (5)
Статистическая обработка данных, представленная на рис. 9, дает основание считать оценку ВРПВ достоверной ввиду ее близости к нормальному закону распределения.


-♦-САД
-НАД
-*- Пульс
в

Таблица 1. Измерение ЧСС, ДАД, САД на мониторе BPLab и ВРПВ на МКМ-08
ФИО |
Возраст |
Этап |
САД |
ДАД |
Пульс |
Разность |
Среднее |
||
Е. Е. |
20 |
До |
122 |
63 |
87 |
0,176 |
0,176 |
0,176 |
0,176 |
После |
156 |
84 |
102 |
0,150 |
0,144 |
0,156 |
0,150 |
||
Восстановление |
133 |
70 |
83 |
0,180 |
0,186 |
0,180 |
0,182 |
Рис . 8. Измерение ВРПВ рекордером МКМ-09 – а; ЧСС, САД и ДАД на 3-х этапах на мониторе BPLab – б;в – ВРПВ семи пациентов на пяти этапах: 1 – до нагрузки; 2 – после нагрузки в 5 приседаний; 3 – 10; 4 – 15 и 5 – 20 приседаний
а



Рис. 9. Нормированные значения ВРПВ ( а) и распределение разностей ВРПВ и САД ( б)
Заключение
Аппаратно-программные средства контроля за функциональным состоянием организма (ФСО) разработаны для кардиолога, терапевта, валеолога, психолога, специалистов по функциональной диагностике и могут использоваться как в клинических, так и в бытовых условиях. АПК на базе холтеровских кардиомониторов МКМ-08 имеют возможность дистанционной передачи информации о ФСО в диагностический центр.
В отличие от существующих в стране и за рубежом аналогов АКП позволяет извлекать дополнительную информацию из совместного анализа различных биосигналов и их производных, он обладает достаточной универсальностью и доступностью для широкого применения в клинической практике, в амбулаторных и бытовых условиях.
Отличием программного обеспечения АПК МКМ-08 является обеспечение структурного анализа биопроцессов и биосигналов нелинейными методами теории самоорганизации. Структурная организация биопроцессов (кардиоритма) и биосигналов биосистем выявляется при их вейвлет-преобразованиях.
Статья публикуется при поддержке Программы развития Сибирского федерального университета.