Система и алгоритмы регистрации и обработки электрокардиосигнала в условиях свободной двигательной активности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Петровский, Михаил Александрович

• Петровский, Михаил Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Петровский, Михаил Александрович

Оглавление

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Риски и факторы внезапной сердечной смерти

1.2 Способы диагностики опасных для жизни состояний сердца

1.2.1 Диагностика травматического шока методом фотоплетизмографии

1.2.2 Диагностика инфаркта миокарда методом электрокардиографии

1.3 Особенности регистрации и обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности

1.4.Современные средства регистрации и обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности

1.4.1 Поли-спектр-радио-1

1.4.2 «АСТРОКАРД® - ТЕЛЕМЕТРИЯ» 3G

1.4.3 AliveCor's Heart Monitor

1.4.4 Metria wearable sensor

1.4.5 eMotion ECG Mobile

1.4.6 Мобильный многофункциональный аппаратно-программный комплекс длительного кардиомониторирования и эргометрии

1.4.7 Анализ современных средств регистрации и обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности

1.5 Выводы по разделу и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. СИСТЕМА И АЛГОРИТМЫ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ЭКС В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ

2.1. Алгоритм регистрации и обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности

2.2 Алгоритм фильтрации помех в ЭКС в условиях свободной двигательной активности

2.3 Алгоритм выделения начала реполяризации желудочков

2.4 Алгоритм диагностики травматического шока в условиях свободной двигательной активности

2.5. Выводы по разделу

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ

3.1. Исследование алгоритмов выбора параметров настройки в портативных устройствах регистрации ЭКС

3.2 Анализ способа выделения начала реполяризации желудочков

3.3 Анализ алгоритма регистрации и обработки электрокардиосигнала в условиях свободной двигательной активности

3.4 Выводы по разделу

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОРТАТИВНОЙ СИСТЕМЫ

КАРДИО ДИАГНОСТИКИ

4.1 Разработка портативной системы кардиодиагностики

4.1.1 Разработка структурной и функциональной схем портативной системы кардиодиагностики

4.1.2 Разработка аппаратного обеспечения портативной системы кардиодиагностики

4.1.3 Разработка программного обеспечения портативной системы кардиодиагностики

4.2 Результаты испытания портативной системы кардиодиагностики

4.3 Выводы по разделу

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - артериальное давление

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БКДР - бинарное квантование дискретных разност

БОС - блока оцифровки сигнала

БП - блока питания

БПП - блок передачи и приема

БУФ - блок усиления и фильтрации

ВСС - внезапная сердечная смерть

ДО - детектор обрыва

ИБС - ишемическая болезнь сердца

КСР - конечный систолический размер

КСО- конечный систолические объем

КДО - конечный диастолический объем

КГР - кожно-гальваническая реакция

МВО - мобильное вычислительное устройство

МК - микроконтроллер

НИР - научно-исследовательская работа

ТШ - травматический шок

ИМ - инфаркт миокарда

ИУ - информативный участок

ОУ - операционный усилитель

ПРВ - плотности распределения вероятное гей

РМ - радиомодуль

CAO - средство автоматической обработки

СДА - свободная двигательная активность

ССС - сердечно-сосудистая система

ТКЕ - температурный коэффициент емкости

УК - устройство контроля

ФВЧ - фильтр верхних частот

ФНЧ - фильтр нижних частот

ЦЗ - цепь защиты

ЧС - чрезвычайная ситуация

ЧСС - частота сердечных сокращений

ЭК - электрокардиограф

ЭКС - электрокардиосигнал

ЭКГ - электрокаридиограмма

ЭЭГ - электроэнцефалограмма

AFE analog front-end (законченный аналоговый интерфейс)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система и алгоритмы регистрации и обработки электрокардиосигнала в условиях свободной двигательной активности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В настоящее время портативные системы диагностики заболеваний и мониторинга функционального состояния человека получают все большее распространение. Согласно отчетам мировых исследовательских компаний рынок носимых устройств мониторинга здоровья будет расти со скоростью 43,3% в год с 2013года по 2019 год и составит 8 млрд. долларов США в 2019 году [71]. Рост рынка вызван повышением спроса на информационные технологии в медицине и подкреплен политикой многих государств на укрепление здоровья населения. В России данное утверждение закреплено в тексте федеральной целевой программы «развитие фармацевтической и медицинской промышленности российской федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», в частности, отдельным пунктом выделяется задача разработки инновационных приборов медицинского назначения [42]. Устройства контроля и диагностики сердечно-сосудистых заболеваний лидируют среди востребованных медицинских приборов. Применение инноваций в этой области приблизит решение одной из целей государственной программы Российской Федерации "Развитие здравоохранения" — снизить смертность от болезней системы кровообращения (на 100 тыс. населения) до 622 в 2020 году [8].

Носимые устройства отличаются повышенными диагностическими возможностями по сравнению со стационарными средствами анализа ЭКС. Современные технологии позволяют разрабатывать и производить миниатюрные носимые устройства регистрации функциональных параметров человека. Для их работы необходимо совершенствование классических средств и алгоритмов регистрации и обработки кардиосигнала, т.к. работа в условиях свободной двигательной активности (СДА) отличается повышенным фоном помех и меньшим числом каналов измерения и требует большей энергоэффективности. Большой вклад в развитие данной области был внесен научными школами под

руководством таких выдающихся российских ученых, как Л. И. Титомир, Р. М. Баевский, Г. Г. Иванов, А. В. Струтынский, Ю. И. Неймарк, В. И. Орлов, С. В. Селищев, А. П. Немирко, Э. К. Шахов.

Одной из нерешенных проблем современного здравоохранения остается риск внезапной сердечной смерти (ВСС). Распространенность внезапной сердечной смерти, произошедшей за пределами стационара, в Европе составляет 38 случаев на 100 ООО населения [7]. Этому риску подвержены как люди пожилого возраста с известными болезнями сердца, так и молодые люди, не подозревающие о наличии у них проблем со здоровьем. Отдельной категорией являются люди, подверженные риску для здоровья из-за специфики своей работы, а также спортсмены. Для снижения рисков ВСС необходимо совершенствование портативных систем регистрации и обработки электрокардиосигнала (ЭКС), как в аппаратной части, так и программной за счет совершенствования способов и средств обработки ЭКС с учетом применения их в условиях свободной двигательной активности.

Поэтому совершенствование портативных систем регистрации и обработки электрокардиографической информации, как в аппаратной так и в программной части, за счет совершенствования способов и средств обработки информации с учетом применения их в условиях свободной двигательной активности являются актуальными научно-техническими задачами

Объектом исследования являются портативные системы обработки электрокардиографической информации.

Предметом исследования являются способы и средства регистрации, обработки и анализа ЭКС в составе портативных кардиоапализаторов.

Целыо исследования является улучшение существующих способов помехозащищенной обработки и анализа ЭКС для определения симптомов ВСС в портативных системах кардиодиагностики в условиях свободной двигательной активности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующих способов автоматического измерения параметров ЭКС в портативных системах кардиодиагностики, выявление их недостатков и обоснование разработки новых или совершенствования существующих алгоритмов анализа ЭКС.

2. Разработка алгоритмов анализа ЭКС для диагностики ВСС в условиях свободной двигательной активности пациента.

3. Разработка структуры портативной системы кардиодиагностики, реализующей предложенные алгоритмы анализа ЭКС для диагностики состояния сердца в условиях свободной двигательной активности.

4. Реализация разработанных алгоритмов анализа ЭКС и алгоритма повышения эпергоэффсктивности портативного устройства регистрации ЭКС в системе кардиодиагностики.

5. Экспериментальное исследование и внедрение портативной системы кардиодиагностики, реализующей разработанные алгоритмы анализа и повышения энергоэффективности портативного устройства регистрации ЭКС.

6. Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические основы диагностики состояния сердечнососудистых заболеваний, теория цифровой обработки сигналов, теория системного анализа, теоретические основы радиотехники.

Научная новизна исследования:

1. Предложен новый алгоритм обработки электрокардиографической информации в условиях свободной двигательной активности пациента, заключающийся в автономной регистрации и анализе ЭКС для выявления риска ВСС.

2. Предложен новый алгоритм анализа временных параметров ЭКС, позволяющий определить начало реполяризации желудочков сердца для систем автоматизированной диагностики состояния сердца, заключающийся в том, что

над ЭКС производится операция сглаживания для устранения артефактных всплесков, выделяются границы кардиоцикла и производится поиск начала сегмента 5Т в заданном интервале (Патент РФ №2522392).

3. Предложен новый алгоритм автоматизированного определения наличия травматического шока в условиях свободной двигательной активности, отличающийся от известных тем, что для определения диагностических параметров используется электрокардиографическая информация (Патент РФ №2547783).

4. Предложена структура портативной системы кардиодиагностики на основе устройства для регистрации и анализа ЭКС в условиях свободной двигательной активности, отличающаяся наличием блоков самоконтроля и определения критического состояния сердца (Патент РФ №2540528).

5. Предложен алгоритм самодиагностики и выбора предпочтительных параметров настройки портативной системы кардиодиагностики па основе разработанного устройства регистрации ЭКС, заключающийся в оценке уровня помех и качества контакта «кожа-электрод» и позволяющий в условиях свободной двигательной активности выбирать наиболее энергоэффективный режим работы.

Практическая значимость исследования заключается в том, что:

1. Предложенные средства и алгоритмы обработки электрокардиографической информации реализованы в действующем макете портативной системы диагностики состояния сердца, проходящую апробацию в городской больнице скорой медицинской помощи им. Г. Д. Захарьина г. Пензы.

2. Алгоритмы обработки электрокардиографической информации позволят диагностировать опасные для жизни состояния сердца в условиях свободной двигательной активности, тем самым снизить риски ВСС.

3. Результаты работы использованы при выполнении НИР «Разработка и исследование программных продуктов для мобильных устройств контроля и коррекции состояния здоровья», реализуемой ООО «Экспертная

кардиологическая система» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в 2013-2014 годах.

4. Предложенные алгоритмы регистрации и обработки ЭКС использованы при выполнении НИР «Моделирование электрической активности сердца», реализуемой в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» в рамках государственного задания Минобрнауки в 2014-2015 годах.

5. Разработанный при участии автора работы макет портативной системы кардиодиагностики применяется в образовательном процессе Медицинского института Пензенского государственного университета.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм анализа временных параметров ЭКС, позволяющий с достоверностью до 93% определить начало реполяризации желудочков сердца для систем автоматизированной диагностики состояния сердца (специальность 05.11.17, п. 1).

2. Алгоритм автоматизированного определения наличия травматического шока в условиях свободной двигательной активности, использующий ЭКС в качестве основного диагностического инструмента (специальность 05.1 1.17, п. 1).

3. Алгоритм предварительной обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности на основе адаптивных ранговых процедур фильтрации (специальность 05.1 1.17, п. 1; специальность 05.13.01, п. 5).

4. Структура портативной системы кардиодиагностики на основе устройства регистрации и обработки ЭКС в условиях свободной двигательной активности отличающаяся наличием блоков самоконтроля и определения критического состояния сердца (специальность 05.13.01, п. 9).

5. Алгоритм выбора предпочтительных параметров настройки портач ивного устройства регистрации ЭКС, позволяющий в условиях свободной двигательной активности выбирать наиболее энергоэффективный режим работы системы (специальность 05.13.01, п. 11).

Апробация результатов исследовании. Основные результаты работы прошли апробацию на 7 Международных и всероссийских научных конференциях, в том числе на X Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза 2012); на ХХ111 и XXIV Научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов ПГУ «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза 2012, 2013); на XIV Конгрессе Российского общества холтеровского мониторирования и неинвазивной электрофизиологии (РОХМиНЭ) (Иркутск 2013); на VI Всероссийском конгрессе "Клиническая электрокардиология" (Иркутск 2013); на III межрегиональном форуме «Инномед» (Пенза 2013); на Региональном молодежном форуме «Открытые инновации -вклад молодежи в развитие региона». (Пенза 2013); па XI Международном конгрессе «Кардиостим» (Санкт-Петербург 2014), Международной научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии» (Самара 2015).

Публикации. Основные положения работы представлены в 14 публикациях, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патентах РФ, 7 статьях и тезисах докладов в других изданиях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем составляет 125 страниц, работа содержит 46 рисунков, 10 таблиц, список литературы, включающий 81 наименований. В приложениях представлены:

1.Текст программы нахождения начала реполяризации желудочков, реализованной в среде Matlab.

2. Принципиальная схема устройства для регистрации и обработки ЭКС.

3. Докумен ты о внедрении результатов диссертационной работы.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одним из главных направлений современной медицины является профилактика заболеваний и возможно раннее их обнаружение. Особенно это касается заболеваний сердечно-сосудистой системы (ССС). Исследования в стационарах и поликлиниках проводятся редко и зачастую фиксируют факт уже развившегося заболевания. Весьма актуальной является задача получения регулярной информации о состоянии ССС у любого человека (не обязательно больного) без обращения в поликлинику или стационар. Пользование таким прибором должно быть предельно простым, а объем и качество диагностической информации - достаточными для формирования вывода о состоянии ССС и его изменении. Прибор должен быть достаточно дешев и удобен в эксплуатации, легко реконфигурируем для различных областей применения.

Основным параметром для анализа состояния сердечно-сосудистой системы остается электрокардиосигнал (ЭКС). С помощью него возможен анализ электрической активности сердца, а так же косвенный анализ некоторых других параметров ССС. Исследование электрической активности сердца позволяет выявить основные заболевания: ишемию, повреждение, некроз миокарда, нарушения автоматизма, возбудимости, проводимости, электролитно-метаболические нарушения. Практически все распространенные болезни можно выявить на ранних стадиях. Однако для этого система диагностики должна обладать высокой чувствительностью, а так же длительным временем наблюдения.

Профилактика и своевременная диагностика - основные пути снижения смертности от сердечно-сосудистых заболеваний.

1.1 Риски и факторы внезапной сердечной смерч и

Одной из нерешённых проблем диагностики состояния сердечнососудистой системы остается внезапная сердечная смерть. ВСС - неожиданная смерть от сердечных причин, произошедшая в течение 1 ч от появления симптомов у пациента с известной сердечной болезнью или без нее [46].80% случаев сердечной смерти обусловлены ишемической болезнью сердца (ИБС), от распространенности которой напрямую зависит частота фатальных исходов [7]. Распространенность ВСС, произошедшей за пределами стационара, в Европе составляет 38 случаев на 100 ООО населения. Доля лиц, выживших после ВСС, произошедшей за пределами стационара, составляет 10,7%. Если клиническая смерть была обусловлена фибрилляцией желудочков, доля выживших и выписанных из стационара достигает 21,2% [65]. ВСС развивается в большинстве случаев на фоне ишемии миокарда, являющейся триггером развития фатального нарушения ритма в виде фибрилляции желудочков. Кроме того, такие нарушения ритма как фибрилляция предсердий с высокой частотой может спровоцировать высокую частоту сокращений желудочков и привести к фибрилляции. Причиной развития ВСС могут быть и другие заболевания сердца (аортальный стеноз, кардиомиопатии, врожденный или приобретенный синдром удлиненного интервала Q-T) а также экстракардиальные причины, например травматический шок

Факторы риска ВСС аналогичны факторам риска развития ишемической болезни сердца (ИБС). В Российской Федерации распространенность модифицируемых или поведенческих факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний достаточно высока. Курят 59,8% взрослых мужчин и 9,1% женщин, имеют артериальную гипертензию 39,9% мужчин и 41,1% женщин, гиперхолестеринемию- 56,9% и 55,0%, ожирение — 11,8% и 26,5% соответственно. Каждый из факторов риска вносит свой вклад в развитие преждевременной смертности населения Российской Федерации [11]:

• Артериальная гипертензия — 35,5%.

• Гиперхолестеринемия — 23 %.

• Недостаточное потребление овощей и фруктов — 12,9%.

• Избыточная масса тела — 12,5%.

• Избыточное потребление алкоголя — 11,9%.

• Гиподинамия — 9%.

В таблице 1.1. представлены наиболее распространенные причины наступления ВСС. Двумя самыми распространенными проявлениями ВСС являются травматический шок (ТШ) и инфаркт миокарда (ИМ), эти два фактора в совокупности составляют 85% всех случаев наступления ВСС. Нсли в случае опасности аритмии, которую можно выявить с помощью суточных мониторов, по заключению врача возможна имплантация кардиостимулятора, который снизит риск ВСС от аритмии практически до пуля, то в случае ИМ или ТШ ситуация обстоит гораздо хуже.

Таблица 1.1 Риски внезапной сердечной смерти

Причина ВСС Процент от общего числа ВСС

Инфаркт миокарда (ИМ) 80%

Травматический шок (ТШ) 5%

Аортальный стеноз 2%

Кардиомиопатия 2%

Другие причины. 11%

Травматический шок (ТШ) - общая реакция организма, развившаяся в ответ на тяжелое повреждение с последующим расстройством жизненно важных функций организма вследствие тяжелой травмы, сочетаиных повреждений головного мозга, внутренних органов, переломов костей. ТШ возможен при операциях и большой потере крови. Причиной развития травматического шока может быть быстрая потеря большого объёма крови или плазмы. При травматическом шоке артериальное давление снижается, вплоть до критических цифр или вообще не определяется при измерении на периферических сосудах. Выражена тахикардия. Болевая чувствительность отсутствует или резко снижена. Зрачки расширены [40].

Самым распространенным сердечно-сосудистым заболеванием является инфаркт миокарда (ИМ). Инфаркт миокарда- это некроз (гибель) сердечной мышцы, обусловленный острым нарушением коронарного кровообращения в результате несоответствия между потребностью сердечной мышцы в кислороде и его доставкой к сердцу [5].

В случае поздней диагностики ИМ времени на принятие реанимационных мер может оказаться недостаточно. В случае ТШ времени для экстренной помощи еще меньше. Поэтому важны мониторинг и диагностика состояния сердца в реальном времени в условиях свободной двигательной активности.

1.2 Способы диагностики опасных для жизни состояний сердца

1.2.1 Диагностика травматического шока методом фотонлетизмографии

Известен способ диагностики травматического шока [35]. В основе

известного способа диагностики ТШ лежит метод фотоплетизмографии, с

помощью которого определяют зависимость кровенаполнения участка или

сегмента тела от времени в течение одного кардиоцикла. Фотоплетизмография

позволяет неипвазивпо, безманжетно и объективно проводить динамический

мониторинг состояния пострадавшего. В основу фотоплетизмографии заложен

16

принцип изменения объема в измеряемом участке за счет динамического изменения количества крови: объем любого органа складывается из объема составляющих его тканей и крови, его заполняющей. Объем тканей в течение короткого периода времени, затрачиваемого на исследование, является постоянной величиной, а объем крови, заполняющий орган постоянно изменяется, динамически повторяя фазы сердечного цикла. Эти изменения объема крови могут быть зарегистрированы с помощью приборов, получивших название плетизмографов.

На рисунке 1 приведен пример устройства для регистрации фогоплетизмограммы. Плетизмограф включает в себя: плетизмографический рецептор (1) для пальца руки, трубку (2), соединяющую воздушное пространство рецептора с механоэлектрическим датчиком (3) и калибратором (4), кран (5) для сообщения воздухопроводов плетизмографа с атмосферой, усилитель (6), регистрирующее устройство (7).

Рсиунок 1 11ример фотоплетизмографа

Плетизмограф включает в себя: плетизмографический рецептор (1) для пальца руки, трубку (2), соединяющую воздушное пространство рецептора с

механоэлектрическим датчиком (3) и калибратором (4), кран (5) для сообщения воздухопроводов плетизмографа с атмосферой, усилитель (6), регистрирующее устройство (7).

Метод фотоплетизмографии основан па регистрации оптической плотности исследуемой ткани (органа). Исследуемый участок ткани просвечивается инфракрасным светом, который после рассеивания (или отражения, в зависимости от положения оп гопары), попадает на фотопреобразователь. Интенсивность света, отраженного или рассеянного исследуемым участком ткани (органа), определяется количеством содержащейся в нем крови. По полученным от фотопреобразователя данным строятся фотоплетизмограмма и фотоплетизматическая фигура. Зачем определяют площадь

фотоплетизмографической фигуры в мм2 (8) (см. рисунок 2). Далее по известным значениям ЧСС и 8 определяют значения линейных функций (Р| иР2)по формулам:

Г, = 0,33 * ЧСС 0,052 * X - 18,88

(О

= 0,22 * ЧСС + 0,054 * 5 - 12,71

При этом для отнесения пострадавшего к одной из групп подставляют значения ЧСС и 8 в формулы. Если г, , то уровень систолического давления у раненого ниже 100 ммрт.ст., следовательно, у пострадавшего имеется травматический шок, если Р|< ГЧ, то пострадавшего относят к группе с систолическим артериальным давлением более 100 ммрт.ст, следовательно, у пострадавшего нет признаков травматического шока.

Рисунок 2 - Определение площади фотоплетизмографической фигуры Ниже приведена таблица 1.2 с рассчитанными значениями относительной погрешности определения ЧСС в известном способе диагностики травматического шока. Таблица 1.2 Погрешность определения ЧСС

Параметры нормального пульса (ЧСС = 72 уд/мин)

п 17 19 17 19 18

1 14,5 14,5 15,5 15,5 15

пД 1,172 1,31 1,096 1,223 1,2

8 (О/о) 2 9 8 2 0

Параметры учащённого пульса (ЧСС = 120 уд/мин)

п 29 31 29 31 30

14,5 14,5 15,5 15,5 15

пЛ 2,0 2,14 2,14 2,0 2,0

5 (%) 0 7 7 0 0

Как следует из таблицы, вначале определяют частоту сердечных сокращений (ЧСС). Затем по полученным значениям ЧСС определяют длительность кардиоцикла. Так как подсчет ЧСС и выделение кардиоцикла происходит вручную, то погрешность измерения будет иметь значение, превышающее предельно допустимое значение, не позволяющее классифицировать средство измерение как средство измерение. Известно, что относительная погрешность средства измерения не должно превышать 5<5% (самый низкий класс точности). В случае превышения этого значения (5%) средство измерения превращается в средство индикации. Покажем возможные значения относительной погрешности определения ЧСС в известном способе диагностики травматического шока. В условиях ЧС в известном способе диагностики травматического шока ЧСС определяется по следующей формуле:

ЧССижст = 4 • /7, (уд/мин) (2)

где п( - число подсчитанных в течение 15 секунд ударов сердца.

В выражении (2) возможны следующие ошибки:

- в подсчете числа ударов сердца п± 1;

- в определении времени подсчета числа ударов сердца/ ± 0.5 .

Для определения погрешности подсчёта ЧСС необходимо проанализировать

' п± 1 л

отношение

V

/±0.5

В таблице 1.2 приведены значения относительной погрешности определения ЧСС. Анализ таблицы 1.2 показывает, что значения относительной погрешности определения ЧСС в известном способе диагностики травматического шока превышают 5%, что является недопустимым, так как полученные с такой погрешностью данные затем используются в формулах для определения наличия травматического шока и могут привести к ошибке.

Использование в формулах (1) значений ЧСС и S, полученных с большой погрешностью, может привести к ошибке в определении травматического шока. Кроме того, использование метода фотоплетизмографии в условиях ЧС для определения признаков травматического шока недопустимо, так как любое загрязнения (или ожог) исследуемого участка кожного покрова влияют на его отражение или рассеяние в устройстве для регистрации фотоплетизмограммы.

Недостатками известного способа диагностики ТШ являются:

- большая затрата времени;

- трудоемкость регистрации фотоплетизмограммы;

- невысокая точность измерений.

Таким образом, большая трудоемкость и длительность регистрации фотоплетизмограммы, низкая точность полученных показателей известного способа диагностики травматического шока делает невозможным его использование в условиях свободной двигательной активности.

1.2.2 Диагностика инфаркта миокарда мсюдом электрокардиографии

IIa сегодняшний день электрокардиография остается одним из основных неинвазивпых методов исследования сердца и диагностики заболеваний сердца. Впервые она была использована в диагностических целях. В. Эйнтховеном (W. Einthoven) в 1906г. Он же впервые ввел обозначения для зубцов ЭКГ, используя взятые подряд буквы латинского алфавита: Р, Q, R, S, Т, U [39]. Классическими трудами по электрокардиографии являются [9,12], в них подробно изложены теоретические основы электрокардиографии и принципы анализа электрокардиограммы.

Сердечный цикл представляет собой многократно повторяющуюся последовательность возбуждения предсердий и желудочков, или деполяризации, и их расслабления, реполяризации. Рсполяризация желудочков сердца является процессом угасания возбуждения и восстановления исходного состояния

миокардиоцитов желудочков. Процессы реполяризации желудочков сердца регистрируются на ЭКГ отрезком 5Т и зубцом Г [10].

Начало реполяризации желудочков, известное также как точка J, соответствует окончанию ^¿'-комплекса и началу сегмента 5Т. Точка У имеет важное диагностическое значение. Величина отклонения точки У от изолинии и морфологические изменения сегмента ЯГ являются диагностическими признаками ишемии и инфаркта миокарда. В настоящее время наиболее распространены способы обнаружения точки У, основанные на выделении (Ж^-комплекса ЭКС. Схема способа изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 Известный способ выделения (^118 комплекса

Известные способы к выделению (Ж^-комплекса основаны на сравнение отсчетов дискретизироваппого ЭКС с пороговым уровнем и выделением /?-/<! [32]. В выделенном кардиоцикле вычисляют значения производной У отсчетов электрокардиосигнала, выделяют интервал значений производной электрокардиосигнала, принадлежащих 0/^5-комплексу электрокардиосигнала. Начало и окончание выделенного интервала значений производной электрокардиосигнала являются началом и окончанием (Жу-комплекса электрокардиосигнала.

Недостатком данного способа является недостоверное выделение QRS-

комплексов, обусловленное ненадежным выделением /¿-зубцов, поскольку

суммирование значений дискретных отчетов ЭКС и дополнительная полосовая

22

фильтрация ЭКС не обеспечивают требуемого уровня надежности выделения зубцов. На рисунке 4 представлен ЭКС в стандартных отведениях (использован ЭКС предоставленный Интернет сайтом Немецкого Государственного Метрологического института [59]), содержащий артефактные всплески, присутствие которых в сигнале привело к неверному выделению /?-зубцов известным способом выделения начала кардиоцикла.

I Я

Неверно выделенные Ы-зубцы

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петровский, Михаил Александрович, 2015 год

Список литературы

1. Авдеева Д.К. и др. Перспективы применения наноэлектродной техники

на базе пористой керамики/ Д.К. Авдеева, И.С. Грехов, H.A. Клубович, Ю.Г. Садовников, М.М. Южаков // Успехи современного естествознания. - 2009.-№11.-С.78.

2. Авдеева Д.К. и др. Результаты экспериментальных исследований электрической активности перехода «электронная-ионная проводимость» / Д.К. Авдеева, О.Н. Вылегжанин, И.С. Грехов, В.Ю. Казаков, В.Л. Ким, H.A. Клубович // «Фундаментальные исследования». -2008,-№12.-С. 72-73.

3. Барановский A.JI. и др. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ /АЛ. Барановский, А.Н. Калиниченко, Л.А. Манило и др.: Под ред. А.Л. Барановского и А.П. Немирко. М.: Радио и связь, 1993. 248 с.

4. Бодин, О.Н. и др. Концепция виртуальной .медицинской диагностической системы / О.Н. Бодин, Д.С. Логинов, А.Е. Моисеев, Р.В. Рябчиков // Датчики и системы. - М., 201 1. - №4, С. 13-18.

5. Болезни сердечно-сосудистой системы/ Медицинская учебная литература [Электронный ресурс], URL: https://auno.kz/patologiya/275-bolezni-serdechno-sosudistoj-sistemy.html (дата обращения: 14.04.2014).

6. Вейль М.Г., Шубин Г. Диагностика и лечение шока. - М.: Медицина, 1971 г

7. Внезапная сердечная смерть, клинические рекомендации для врачей общей практики / Ассоциация врачей общей практики (семейных врачей)Российской Федерации.

8. Государственная программа развития здравоохранения Российской Федерации: офиц. текст - [Электронный ресурс |, URL: http://www.rosminzdrav.ru/news/2014/01 /30/1686-gosudarstvennaya-programma-razvitiya-zdravoohraneniya-rossiyskoy-federatsii (дата обращения: 12.01.2014).

9. дс Луна А.Б. Руководство по клинической ЭКГ / под ред. Р.З. Амирова. - М.: Медицина, 1993. - 703с.

Ю.Зудбипов Ю.И. Азбука ЭКГ и боли в сердце. Изд. 4-е, испр. и доп. Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 240с.

11 .Кардиоваскулярная профилактика. Национальные рекомендации. 201 1 // Кардиоваскулярная терапия и профилактика.— 2011.— № 10 (6).— Приложение 2, URL: www.scardio.ru (дата обращения: 12.04.2014).

12.Кардиология в таблицах и схемах / М. Фрид, ред. С. Грайнс; пер. с англ. под ред. канд. мед. наук М.А. Осипова и канд. мед. наук H.H. Алипова. -М.: Практика, 1996. - 728с.

1 З.Коваленко 10.Н. и др. Локально-адаптивная фильтрация изображений с использованием робастных индикаторов негауссовых распределений/ Коваленко Ю.Н., Лукин В.В., Февралев Д.В // Радюелектроннп комп'ютерш системи. 2010 № 1 (42) С. 51-59.

М.Кривоногов JI.IO. Методы и алгоритмы помехоустойчивой обработки электрокардиографической информации. Дисс. на соискание уч. ст. к.т.п., Пенза, 2003.

15.Кривоногов JI.IO., Петровский М.А. Перспективы применения ранговых алгоритмов для помехоустойчивой обработки электрокардиосигналов в условиях свободной двигательной активности// Фундаментальные исследования - 2015. - № 2.

16.Лапий В.10. и др. Устройства ранговой обработки информации / Лапий В.Ю., Калюжный А.Я., Красный Л.Г. - К.: Техьпка, 1986.

17. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: В 3-х кн. - М.: Сов. радио, 1975. - Кп.З.

18.Орлов В.Н. Руководство по электрокардиографии. - М.: Медицина, 1984. - 528с.

19.Петровский М.А. и др. Беспроводная система электрокардиомониторинга как альтернатива холтеровским мониторам /

М.А. Петровский, Л.Ю. Кривоногов, А.Г. Иванчуков, Е.А. Бальзанникова // материалы 14-го конгресса Российского общества холтеровского мониторирования и неинвазивной электрофизиологии (РОХМиНЭ), 6-го Всероссийского Конгресса "Клиническая электрокардиология", 11-12 сентября 2013, г. Иркутск -М: ООО Печатный дом "КАСКОЙ", 2013, 104с.

20.Петровский М.А. и др. Беспроводной кардиоусилитель компьютерной диагностической системы «Кардиовид» / М.А. Петровский, О.Н. Бодин, Л.Ю. Кривоногов, А.Г. Иванчуков // Кардиостим 2014. Сборник тезисов XI Международного конгресса «Кардиостим» - Спб.: Человек, 2014. -270с.

21 .Петровский М.А. и др. Концепция диагностики состояния сердца в условиях свободной двигательной активности / М.А Петровский, О.Н. Бодин, А.Г. Иванчуков, В.Г. Полосин // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 6; URL: www.science-education.Tu/120-16008 (дата обращения: 12.03.2015).

22.Петровский М.А. и др. Особенности построения беспроводного кардиоусилителя / М.А. Петровский, О.Н. Бодин, А.Г Иванчуков // Информационно-измерительная техника: межвуз. Сб. науч. Тр. / под ред. Е.А. Ломтева. - Вып 37. - Пенза: Изд-во ИГУ, 2012. -200с.

23.Петровский М.А. и др. Портативный ЭКГ-датчик компьютерной диагностической системы «Кардиовид» / М.А. Петровский, О.Н. Бодин, Л.Ю. Кривоногов, А.Г. Иванчуков // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №4; URL: www.science-education.ru/118-14104 (дата обращения: 13.02.2015).

24.Петровский М.А. Интеллектуальная система мониторинга и контроля состояния сердца// Перспективные информационные технологии (ПИТ-2015), Том 1: труды Международной научно-технической конференции /

под ред. С.А. Прохорова. - Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2015. - 360 с. (с. 348-349).

25.Петровский М.А. Разработка и исследование систем самотестирования портативных экг-сенсоров // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/121-18238 (дата обращения: 02.04.2015).

26.Петровский М.А., Иванчуков А.Г. Беспроводной кардиоусилитсль для кдс «Кардиовид» // Сборник материалов Регионального молодежного форума «Открытые инновации - вклад молодежи в развитие региона». -Пенза, 2013 г.

27.Петровский М.А., Иванчуков А.Г. Особенности организации интерфейса мобильного кардиоапализатора // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. -№ 1(3). - С. 44-49

28.Петровский М.А., Использование микросхемы аналогового интерфейса ADS 1291 в миниатюрных кардиоанализаторах / М.А Петровский, П.А. Бальзанникова, А.Г. Иванчуков // Новые информационные технологии и системы: тр. X Междунар.науч.-техн. конф. (г. Пенза, 27-29 ноября 2012 г.). - Пенза: Изд- во ПГУ, 2012.-390 с.

29.Печинкин A.B., и др. Теория вероятностей: / A.B. Печинкин, О.И. Тескин, Г.М. Цветкова под ред. B.C. Зарубина и А.П. Крищенко. // М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 456 е..

30.Роенко A.A. и др. Определение параметра сдвига выборки данных с симметричным негауссовым распределением на основе использования методов адаптивного робастпого оценивания / A.A. Роенко, В.В. Лукин, A.A. Зеленский // Радюелектрошп i комп'ютерш системи. - 2005. - № 2. -С. 78-87.

31.Романов С. Беспроводные технологии с низким энергопотреблением// Электронные компоненты -№2 - 2012.

32.Способ выделения QRS-комплекса электрокардиосигнала: Пат. 2410023

Рос. Федерация. - № 2009116480/14; заявл. 29.04.2009; опубл. 27.01.2011,Бюл.№3.

33.Способ выделения начала реполяризации желудочков сердца: Пат. 2522392 Рос. Федерация. №2013114682/14, заявл. 01.04.2013, опубл. 10.07.2014.

34. Способ диагностики травматического шока Пат. 2547783 Рос. Федерация. №2013132638/14, заявл. 16.07.2013, опубл. 10.04.2015.

35.Способ диагностики травматического шока: Пат. 2325105 Рос. Федерация. Заявл. 10.07.2006; Опубл.20.01.2008.

36.Способ определения основных показателей миогемодинамики сердца: Пат. 2264786 Рос. Федерация. Заявл. 19.04.2004, опубл. 27.11.2005, Бюл. №33

37.Способ устранения дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала и устройство для его осуществления: Пат. 2436502 Рос. Федерация. Опубл. 20.12.201 1.

38.Суворов А. В. Клиническая электрокардиография. - Нижний Новгород. -Изд-во ИМИ, 1993. - 124 с

39.Теоретические основы электрокардиологии / под ред. К.В. Нельсона и Д.Б. Гезеловица.-М.: Медицина, 1979.-470с.

40.Травматологические заболевания — Травматический шок./ Медицинский справочник [Электронный ресурс], URL: htlp://medicina.dljavsehT'u/Hirurgicheskie_bole/.ni/Travmaticheskij_shok.ht ml/ (дата обращения: 12.04.2014).

41. Устройство для регистрации электрокардиосигналов в условиях свободной двигательной активности: Пат. 25405280 Рос. Федерация-№2013132637/14, заявл. 16.072013, опубл. 10.02.2015 бюл. №4.

42.Федеральная целевая программа «развитие фармацевтической и медицинской промышленности российской федерации на период до

2020 года и дальнейшую перспективу»: офиц. текст [электронный ресурс], URL: http://fcpfarma.ru (дата обращения 23.09.2014).

43.Хуанг Т.С. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. -М.:Радиоисвязь, 1984.].

44.Хыобер Дж.П. Робастность в статистике. - М.: Мир, 1984. Suoranta R. Amplitude domain approach to digital filtering. Theory and applications of L-П Iters: Thesis ...doctor of technology: 10.1 1.95. - Espoo, Technical research centre of Finland, VTT, 1995. - 199 p.

45.G.D. Clifford, F. Azuaje, P.E. McSharry. Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Boston: Artech House, 2006. - 400p.

46. Zipes D.P., Wellens H.J.J. Sudden Cardiac Death//Circulation.— 1998.— 98— P. 2334-2351.

47. «Астрокард® - телеметрия» 3g, техническое описание [Электронный ресурс], URL: http://www,astrocard-meditck.ru/index.php?page=prod_06 (дата обращения 12.09.2014).

48. Имплантируемые кардиовертеры-дефибрилляторы | Электронный ресурс], URL: http://www.cardioportal.rii/amosovakardio22/6.html (дата обращения 3.01.2015).

49.Квант-Монитор - НТЦ "Техпоцептр" [Электронный ресурс], URL: http://nevtech.ru/index.php/kvant-monitor (дата обращения 13.04.2015).

50.Методика применения отведений в клинических условиях Электрокардиографическая диагностика, [Электронный ресурс], URL: http://lekmed.m/info/arhivy/elektrokardiograficheskaya-diagnostika-l 3.html (дата обращения 3.03.2015).

51.Митри - Датчик жизненно важных показателей Metria Wearable Sensor Technology [Электронный ресурс], URL: http://medgadgets.ru/shop/metriatm-wearable-sensor-technology-mitri-datchik-zhiznenno-vazhnyh-poka/.atelej.html (дата обращения 17.02.2014).

52.Нечай О. Процессоры ARM против х86: будет ли схватка. Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА» [Электронный ресурс], URL:

http://www.computerra.ru/terralab/ (дата обращения 2.02.2015).

53.Обязательные технические свойства электрокардиографа Электрокардиографическая диагностика ¡Электронный ресурс], URL: http://lekmed.ru/info/arhivy/elektrokardiograficheskaya-diagnostika-4.html (дата обращения 1.02.2015).

54.Одноразовые электроды Атрилан / компания Атрика Instruments [Электронный ресурс], URL: http://www.atrika.ru/doc/odnorazovye-jelektrody-atrilan/ (дата обращения 4.04.2015).

55.Поли-Спектр-Радио-1, техническое описание [Электронный ресурс|, URL: h ttp://www.neurosoft, ru/download.aspx?file=rus/product/poly-spcctrum-radio-l/poly-spectrum-radio-1 .zip (дата обращения 12.08.2014).

56.Прибор Кардиокод [Электронный ресурс], URL: http://www.cardiocode.ru (дата обращения 2.10.2014).

57.Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы [Электронный ресурс], URL: http://topasiantablets.ru/aTm-processoTy (дата обращения 2.02.2015).

58.Пульсометр AliveCor - AliveCor's Heart Monitor [Электронный pecypcj, URL: http://medgadgets.ru/shop/heart-monitor-from-alivecor-monitor-serdechnogo-ritma-ot-alivecor.html (дата обращения 13.09.2014).

59.Электронная база данных биомедицинских сигналов ¡Электронный ресурс], URL: http://www.physionet.org/ (дата обращения 12.07.2014).

60.ADAS 1 ООО DataShcetRevPrE [Электронный ресурс], URL: http://www.analog.com/static/impoi1ed-files/data_sheets/ADAS 1000.pdf (дата обращения 17.02.2012).

61. ADS1298ECG-FE/ADS1198ECG-FE ECG Front-End Performance Démonstration Kit - User's Guide / Texas Instruments [Электронный

ресурс], URL: http://www.ti.com/lit/ug/sbaul71c/sbaul71c.pdf (дата обращения 23.02.2014).

62.Bluetooth модуль BLE 112, техническое описание, URL: http://www.mtsystem.ru/sites/default/files/docs/documents/blel 12_datasheet. pdf, дата обращения 10.04.2013.

63.eMotion ECG - Mega Electronics Ltd Электронный ресурс], http://www.mcgaemg.com/products/emotion-ecg/ (дата обращения 13.08.2014).

64.eMotion ECG - Система удаленного ЭКГ-мониторинга [Электронный ресурс], URL: http://medgadgets.ru/shop/emotion-ecg-sistema-udalennogo-jekg-monitoringa.htm 1 (дата обращения 13.09.2014).

65.European Resuscitation Council Guidelines for Resuscitation 2010. // Resuscitation.—2010,— № 80,— P. 1219-1276 // URL: www.elsevier.com/locate/resuscitation (дата обращения: 18.01.2014).

66.GENS АСЕ 1000mAh 15C IS 3.7V LiPo Battery [Электронный ресурс), URL: http://www.gensaceusa.com/98p-15c-1 ООО-1 s 1 p-wk.html

67.IAR Embedded Workbench, среда разработки [Электронный ресурс], URL: https://www.iar.com/iar-embcdded-workbench/ (дата обращения 1.02.2015).

68.Innovative Wireless Automations Sensors for Arrhythmmia Monitoring . — (Электронный ресурс], URL:

http://davidhoglund.typepad.com/integra_systems_inc_david/2008/08/innovat ive-wireless-automations-scnsors-for-arrhythmmia-monitoring.html (дата обращения 17.05.2014).

69.Low-Power, 2-Channel, 24-Bit Analog Front-End for Biopotential Measurements, техническое описание, URL:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adsl292r.pdf (дата обращения 10.05.2014).

70. Low-Power, 8-Channel, 24-Bit Analog Front-End for Biopotential Measurements (Rev. I.) — [Электронный ресурс], URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adsl298.pdf (датаобращения 17.02.2014).

71.mFlealth Monitoring and Diagnostic Medical Devices Market Expected to Reach USD 8.03Billion Globally in 2019: Transparency Market Research [Электронный ресурс], URL:http://www.digitaljoumal.com/pr/l 877980 (дата обращения: 13.02.2014).

72.Overview and Use of the PICmicro Serial Peripheral Interface - Microchip Technology Inc. - [Электронный ресурс], URL: http://www.microchip.com (дата обращения: 1.02.2015).

73.Safe current limit for electromedical apparatus// Association lor the Advancement of Medical Instrumentation ¡Электронный ресурс], URL: https://courses.engr.illinois.edu/ece445/documents/Safe_Current_Limits.pdf (дата обращения 12.02.2015).

74.SECULIFE PS BASE - ЭКГ симулятор пациента Instruments -[Электронный ресурс], URL:

http://www.etalonpribor.ru/Funktsionalnie_testeri_meditsinskogo_oborudova niya/product/SECULIFE_PS_BASE_-_EKG_simulyator_patsienta/ (дата обращения 20.03.2015).

75.SmartRF Protocol Packet Sniffer - Texas Instruments [Электронный ресурс], URL: http://www.ti.com/tool/packet-sniffer (дата обращения 12.03.2015).

76.Sp724, техническое описание, URL:

http://www.littelfuse.eom/products/~/media/Files/Littelfuse/Technical%20Re sources/Documents/Data%20Sheets/Littelfuse_TVS_Diode_Array_SPA_SP7 24_Lead%20Free.pdf (дата обращения 10.04.2014).

77.Texas Instruments CC2540, техническое описание, URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2540.pdf (дата обращения 10.04.2014).

78.TPS62237, техническое описание, URL:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps62237.pdf.(flaTa обращения 22.04.2014).

Алгоритм нахождения начала реполиризации желудочков, реализованный в среде МаНаЬ. Текст программы.