СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА ОПЕРАТОРА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области эргатических систем и может быть использовано для определения показателей вариабельности сердечного ритма оператора человеко-машинных систем. Способ, реализованный в устройстве, обеспечивает повышение достоверности определения функционального состояния оператора в режиме реального времени.

Анализ вариабельности сердечного ритма является методом оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека-оператора, в частности общей активности регуляторных механизмов, нейрогуморальной регуляции сердца, соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы.

Известен способ, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что выделяют QRS-комплексы электрокардиосигнала и определяют длительности каждого RR-интервала. Подставляя полученные значения длительностей в формулы, вычисляют значения показателей вариабельности сердечного ритма. В частности, значение средней длительности кардиоцикла определяется по формуле:

стандартное отклонение полного массива нормальных кардиоинтервалов -

среднеквадратичная разностная характеристика -

где T_j - длительность j-го RR-интервала, Q - число RR-интервалов.

Недостатками данного способа являются:

1. Зависимость от формы элементов ЭКС. Некоторые виды форм элементов ЭКС могут приводить к ложному выделению QRS-комплексов или к пропуску таковых.

2. Импульсные помехи могут приводить к ложному выделению QRS-комплексов или к пропуску таковых.

3. Надежность выделения QRS-комплексов снижается при увеличении частоты сердечных сокращений.

Известен способ выявления аритмии, реализованный в устройстве [2], который является наиболее близким к предлагаемому способу (прототип). Данный способ, заключающийся в том, что определяют длительности q первых кардиоциклов, среднюю длительность этих кардиоциклов, число дискретных отсчетов N, соответствующее этой длительности, среднюю мощность P₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5P₀ и Δ₂=0.5P₀ и пороговое значение изменения длительности кардиоцикла N_пор=kN, где 0<k<1. Далее на каждом очередном шаге дискретизации определяют суммарную мощность следующих друг за другом N отсчетов, сравнивают полученное значение суммарной мощности с пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂, подсчитывают число поочередно взятых отсчетов суммарной мощности, превышающих Δ₁ или не превышающих Δ₂, причем в случае достижения в результате подсчета порогового значения N_пор изменения длительности кардиоцикла формируют сигнал о наличии аритмии.

Недостатком данного способа является то, что выходной сигнал свидетельствует только о наличии аритмии, и не несет информацию о показателях вариабельности сердечного ритма, которая может использоваться для определения функционального состояния человека-оператора.

Предлагаемый способ определения показателей вариабельности сердечного ритма оператора в режиме реального времени позволяет устранить указанные недостатки прототипа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Электрокардиосигнал фильтруют, дискретизируют по времени. В q первых кардиоциклах выделяют опорные точки, определяют длительности этих кардиоциклов, определяют среднюю длительность этих кардиоциклов и число дискретных отсчетов N, соответствующее этой длительности, и формируют временное окно равное этой длительности. В течение q первых кардиоциклов определяют среднюю мощность P₀ отсчетов, формируют два пороговых уровня мощности Δ₁=1.5P₀ и Δ₂=0.5P₀. Первый пороговый уровень находится выше суммарной мощности одного кардиоцикла P₀ и его превышение свидетельствует о том, что длительность кардиоцикла стала меньше длительности временного окна. Второй пороговый уровень находится ниже суммарной мощности кардиоцикла P₀ и его непревышение свидетельствует о том, что длительность кардиоцикла стала больше длительности временного окна. Задают движение временного окна и на каждом шаге определяют суммарную мощность отсчетов электрокардиосигнала, попавших во временное окно, и сравнивают полученное значение с двумя пороговыми уровнями Δ₁ и Δ₂. Значение суммарной мощности большее порогового уровня Δ₁ свидетельствует об уменьшении длительности кардиоцикла относительно среднего значения длительности (увеличении частоты сердечных сокращений), а значение суммарной мощности меньшее Δ₂ свидетельствует об увеличении длительности кардиоцикла относительно среднего значения длительности (уменьшении частоты сердечных сокращений). Подсчитывают число поочередно взятых отсчетов мощности, превышающих Δ₁ и не превышающих Δ₂. На каждом кардиоцикле определяют число отсчетов, соответствующее средней длительности всех кардиоциклов. Полученные значения числа отсчетов выходящих за уровни Δ₁ и Δ₂, числа отсчетов, соответствующее средней длительности всех кардиоциклов, числа отсчетов, соответствующего средней длительности q первых кардиоциклов, используются для вычисления значений параметров вариабельности сердечного ритма.

При работе с дискретными отсчетами величины T_j можно заменить числом дискретных отсчетов j-го кардиоцикла N_j, умноженным на период дискретизации Δt:

Формулу (1) с учетом (4) можно переписать в виде

где - число дискретных отсчетов, приходящихся на один кардиоцикл средней длительности,

Таким образом

Формулу (2) с учетом (4) и (6) можно переписать в виде

Формулу (3) с учетом (4) можно переписать в виде

Рассмотрим Q соседних кардиоциклов одного электрокардиосигнала. Эти кардиоциклы в зависимости от их числа дискретных отсчетов по отношению к величине N можно разделить на три группы:

а) m кардиоциклов с числом отсчетов N_d, N_d>N, где 0≤d≤m, a 0≤m≤q;

б) l кардиоциклов с числом отсчетов N_b, N_b<N, где 0≤b≤l, а 0≤l≤q;

в) a кардиоциклов с числом отсчетов N_z, N_z=N, где 0≤z≤a, a 0≤a≤q.

Соответственно

Тогда с учетом (5) можно рассчитать следующим образом:

Суммарная мощность следующих друг за другом N отсчетов, являющаяся результатом преобразования электрокардиосигнала, представляет собой уровень мощности одного кардиоцикла, относительно которого образуются пики. Причем ширина пиков определяется разностью между значением N и числом отсчетов, соответствующего длительности текущего кардиоцикла (фиг.1). Поэтому значения числа дискретных отсчетов N_d и N_b можно выразить через число отсчетов участков результата преобразования, выходящих за пороговые уровни Δ₁ и Δ₂: ΔN1_b - число дискретных отсчетов b-го участка результата преобразования, выходящего за верхний пороговый уровень Δ₁, ΔN2_d - число дискретных отсчетов d-го участка результата преобразования, выходящего за нижний пороговый уровень Δ₂. Тогда

N_b=N-ΔN1_b, N_d=N+ΔN2_d, N_z=N.

В этом случае выражение (10) запишется в виде

,

после упрощения которого с учетом (9) получаем

Таким образом, число дискретных отсчетов, соответствующих средней длительности кардиоциклов может быть определено как сумма значения N определения суммарной мощности отсчетов и отношения разности суммарных длительностей участков ΔN2_d результата преобразования, не превышающих нижний пороговый уровень Δ₂, и суммарных длительностей участков ΔN1_b результата преобразования, превышающих верхний пороговый уровень Δ₁, к числу кардиоциклов Q.

Для определения стандартного отклонения полного массива кардиоинтервалов SDNN разность можно записать как

,

где +ΔN_j=+ΔN1_j или -ΔN_j=-ΔN2_j. Здесь отрицательный знак перед ΔN_j ставится в случае превышения результатом преобразования порогового уровня Δ₁, а положительный - не превышения Δ₂.

После возведения в квадрат

Тогда выражение (7) запишется как

Для определения среднеквадратичной разностной характеристики RMSSD разность N_j-N_j+1 можно записать в виде

N_j-N_j+1=N±ΔN_j-(N±ΔN_j+1)=±ΔN_j-(±ΔN_j+1).

Тогда выражение (8) запишется как

Выражения, аналогичные (11)-(13) для других показателей вариабельности сердечного ритма, могут быть получены таким же способом. Таким образом, предложенный способ анализа электрокардиосигнала позволяет получить значения показателей сердечного ритма оператора в режиме реального времени.

Предложенный способ позволяет по сравнению с известным способом (прототипом), определить показатели вариабельности сердечного ритма оператора для широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы элементов в условиях действия шумов.

Сущность изобретения и возможный вариант реализации предложенного способа поясняется следующим графическим материалом:

фиг.1 - анализ электрокардиосигнала с помощью временного окна;

фиг.2 - функциональная схема устройства.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения показателей вариабельности сердечного ритма оператора в режиме реального времени при действиях шумов и вариациях форм элементов кардиоцикла, и реализации предложенного способа в устройство, содержащее фильтр, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом блока дискретизации, выход блока дискретизации соединен с входом блока возведения в квадрат и информационным входом блока формирования опорных точек, выход генератора тактовых импульсов соединен с вторым входом блока дискретизации, управляющим входом блока формирования опорных точек, первым информационным входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, первым управляющим входом блока определения средней мощности кардиоцикла и управляющим входом блока определения суммарной мощности отсчетов, выход блока формирования опорных точек подключен к входу счетчика кардиоциклов и к второму информационному входу блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход счетчика кардиоциклов соединен с управляющим входом блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выход блока возведения в квадрат соединен с информационным входом блока определения средней мощности отсчетов и первым информационным входом блока определения суммарной мощности отсчетов, выход счетчика кардиоциклов соединен с вторым управляющим входом блока определения средней мощности отсчетов, выход блока определения значения средней длительности кардиоцикла подключен к второму информационному входу блока определения суммарной мощности отсчетов, выход блока определения средней мощности отсчетов соединен с входом первого формирователя порогового уровня и входом второго формирователя порогового уровня, выход блока определения суммарной мощности отсчетов подключен к первому входу первого компаратора и второму входу второго компаратора, выход первого формирователя порогового уровня соединен с вторым входом первого компаратора, а выход второго формирователя порогового уровня соединен с первым входом второго компаратора, дополнительно введены первый и второй счетчик импульсов, блок вычисления значений показателей вариабельности сердечного ритма, причем счетные входы первого и второго счетчиков соединены с выходом генератора тактовых импульсов, выход первого компаратора соединен с входом установки нуля первого счетчика импульсов, выход второго компаратора соединен с входом установки нуля второго счетчика импульсов, первый, второй, третий, четвертый входы блока вычисления значений параметров вариабельности соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков импульсов, счетчика кардиоциклов, блока определения значения средней длительности кардиоциклов, выходы блока вычисления значений показателей вариабельности являются выходами устройства.

Устройство состоит (фиг.2) из фильтра 1, блока 2 дискретизации, генератора тактовых импульсов 3, блока 4 формирования опорных точек, счетчика кардиоциклов 5, блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов, блока 7 вычисления значений показателей вариабельности, счетчиков импульсов 8, 16, блока 9 возведения в квадрат, блока 10 определения средней мощности отсчетов, блока 11 определения суммарной мощности отсчетов, формирователей пороговых уровней 12, 13, компараторов 14, 15.

На вход фильтра 1, являющегося входом устройства, поступает электрокардиосигнал. Выход фильтра 1 соединен с первым входом блока дискретизации 2, выход генератора тактовых импульсов 3 соединен с вторым входом блока 2 дискретизации, управляющим входом блока 4 формирования опорных точек, первым информационным входом блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов, первым управляющим входом блока 10 определения средней мощности отсчетов, управляющим входом блока 11 определения суммарной мощности отсчетов и счетными входами счетчиков импульсов 8, 16. Выход блока 2 дискретизации подключен к информационному входу блока 4 формирования опорных точек и к входу блока 9 возведения в квадрат. Выход блока 4 формирования опорных точек соединен с входом счетчика кардиоциклов 5 и вторым информационным входом блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов. Выход счетчика кардиоциклов 5 подключен к управляющему входу блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов, к второму управляющему входу блока 10 определения средней мощности отсчетов и к третьему входу блока 7 вычисления значений показателей вариабельности. Выход блока 6 определения значения средней длительности кардиоциклов подключен к четвертому входу блока 7 вычисления значений показателей вариабельности и к второму информационному входу блока 11 определения суммарной мощности отсчетов. Выход блока 9 возведения в квадрат подключен к информационному входу блока 10 определения средней мощности отсчетов и к первому информационному входу блока 11 определения суммарной мощности отсчетов. Выход блока 11 определения суммарной мощности отсчетов соединен с первым входом первого компаратора 14 и вторым входом второго компаратора 15. Выход блока 10 определения средней мощности отсчетов подключен к входу первого формирователя порогового уровня 12 и к входу второго формирователя порогового уровня 13, выход первого формирователя порогового уровня 12 соединен с вторым входом первого компаратора 14, а выход второго формирователя порогового уровня 13 соединен с первым входом второго компаратора 15. Выход первого компаратора 14 соединен с входом установки нуля первого счетчика импульсов 16, выход второго компаратора 15 соединен с входом установки нуля второго счетчика импульсов 8, первый и второй входы блока 7 вычисления значений параметров вариабельности соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков импульсов 16, 8, выходы блока 7 вычисления значений показателей вариабельности являются выходами устройства.

Реализовать данное устройство можно как в аналоговой, так и в цифровой форме. Реализация и работа блоков 1-6 и 9-15 приведена в [2].

Компаратор 14 сравнивает выходной сигнал блока 11 с выходным сигналом блока 12, а компаратор 15 - выходной сигнал блока 11 с выходным сигналом блока 13. Когда выходной сигнал блока 11 превышает первый пороговый уровень или не превышает второго порогового уровня, то на выходе первого или второго компараторов соответственно появляется логический сигнал высокого уровня. Под действием этого сигнала соответственно разрешается счет счетчиками 16 или 8 тактовых импульсов, поступающих на счетный вход с выхода генератора 3 тактовых импульсов. Результаты счета наряду с выходными сигналами блоков 5 и 6 поступают в блок 7, где происходит непосредственный расчет показателей вариабельности сердечного ритма.

Блок 1 может быть реализован на микросхеме К174УН19, блок 2 - на микросхеме К1107ПВ1Б, блок 3 - на микросхеме КР531ГГ1, блок 9 - на микросхеме К561ИП5, блок 14, 15 - на микросхеме К561ИП2, блок 8, 16 - на микросхеме К561ИЕ10. Блок 7 может быть реализован на основе микропроцессорной технике (микроконтроллеров и микропроцессоров), заложенные программы в которых (и реализующие, в частности, формулы (11)-(13)) по значениям четырех входных сигналов будут рассчитывать значения показателей вариабельности сердечного ритма [3].

Технико-экономический эффект предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в повышении надежности и достоверности определения показателей вариабельности сердечного ритма оператора в режиме реального времени в условиях воздействия на электрокардиосигнал шумов и независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности). Надежное и достоверное определение значений показателей вариабельности сердечного ритма оператора обеспечивает более качественное определение функционального состояния оператора человеко-машинной системы.

Литература

1. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ / А.Л. Барановский, А.Н. Калиниченко, Л.А. Манило и др.: Под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко. М.: Радио и связь. 1993. С.194-204.

2. Патент РФ №2321339, A61B 5/0402. Способ выявления аритмии электрокардиосигнала в реальном времени и устройство для его осуществления / А.Н. Варнавский, О.В. Мельник, А.А. Михеев // Открытия. Изобретения. 2008. №10.

3. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник, «НТЦ Микротех», 1998 г. - 376 с.