система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы

Формула изобретения

1. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы, содержащая устройство измерения и регистрации биопотенциалов, устройство измерения и регистрации параметров движения, которое содержит первый акселерометр, второй акселерометр, третий акселерометр, первый измерительный усилитель, второй измерительный усилитель, третий измерительный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, долговременное запоминающее устройство, первый адаптер внешнего интерфейса, таймер, устройство анализа данных, которое содержит электронно-вычислительную машину, устройство отображения графической информации, второй адаптер внешнего интерфейса, системную интерфейсную магистраль, при этом первый, второй и третий акселерометры соответственно через первый, второй и третий измерительные усилители подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, который подключен к микроконтроллеру, к микроконтроллеру также подключены долговременное запоминающее устройство, адаптер внешнего интерфейса и таймер, вход-выход адаптера внешнего интерфейса является входом-выходом внешнего интерфейса устройства измерения и регистрации параметров движения, устройство измерения и регистрации биопотенциалов подключено при помощи второго канала передачи данных к входу данных устройства измерения и регистрации параметров движения, образованному входом микроконтроллера, первый и второй адаптеры внешнего интерфейса соединены между собой первым каналом передачи данных, электронно-вычислительная машина и второй адаптер внешнего интерфейса связаны при помощи системной интерфейсной магистрали, к электронно-вычислительной машине подключено устройство отображения графической информации.

2. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит трехосный датчик угловой скорости, который соединен через блок измерительных усилителей с многоканальным аналого-цифровым преобразователем.

3. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит пульсовой оксиметр, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

4. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит измеритель артериального давления, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

5. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик температуры, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

6. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик дыхания, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

7. Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит измеритель сопротивления тела, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы.

Известен электрокардиограф [1]. Этот электрокардиограф содержит электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей пациента, многоканальный усилитель биопотенциалов, блок фильтров нижних частот, последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, устройство обработки и регистрации.

Электрокардиограф [1] обеспечивает съем потенциалов электрокардиограмм (ЭКГ), которые используются для формирования двенадцати общепринятых отведении ЭКГ. Известный электрокардиограф [1] не позволяет производить измерения биопотенциалов в течение длительного времени.

Известно устройство для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы "Кардиометр" [2], являющееся наиболее близким к предлагаемой системе и выбранное в качестве прототипа. Устройство для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы содержит электроды для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электроды для съема биопотенциалов с конечностей пациента, блок фильтров нижних частот, многоканальный усилитель биопотенциалов, последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и регистрации. Устройство содержит также первый и второй генераторы пачек синхронных импульсов зондирующего тока частотой (10-100)·10³ Гц, период следования пачек которых по меньшей мере, в десять раз превышает длительность пачек синхронных импульсов зондирующего тока. Первый и второй электроды для подведения зондирующего тока к верхним конечностям пациента электрически соединены с первыми выводами соответственно первого и второго генераторов пачек синхронных импульсов зондирующего тока, первый и второй электроды для подведения зондирующего тока к нижним конечностям пациента подключены к электрически соединенным между собой вторым выводам первого и второго генераторов пачек импульсов зондирующего тока. Кроме этого, устройство содержит также первый и второй дифференциальные усилители переменного тока, первые входы которых соединены с электродами для съема биопотенциалов с верхних конечностей пациента, а их вторые входы электрически соединены между собой и электродами для съема биопотенциалов с нижних конечностей пациента, сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго дифференциальных усилителей переменного тока, детектор, вход которого соединен с выходом сумматора, фильтр нижних частот и полосовой фильтр, входы которых электрически соединены между собой и подключены к выходу детектора, при этом входы блока фильтра нижних частот соединены с электродами для съема биопотенциалов с грудной клетки пациента, электродами для съема биопотенциалов с верхних конечностей пациента и электрически соединенными между собой электродами для съема биопотенциалов с нижних конечностей пациента. Выходы блока фильтров нижних частот соединены с соответствующими входами многоканального усилителя биопотенциалов, входы мультиплексора соединены с выходами многоканального усилителя биопотенциалов, выходом фильтра нижних частот и выходом полосового фильтра.

Недостатком прототипа предлагаемой системы для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека является отсутствие возможности сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени,

Задачей, решаемой изобретением, является обеспечение возможности сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени.

Сущность изобретения заключается в том, что система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы содержит устройство измерения и регистрации биопотенциалов, устройство измерения и регистрации параметров движения, которое содержит первый акселерометр, второй акселерометр, третий акселерометр, первый измерительный усилитель, второй измерительный усилитель, третий измерительный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, долговременное запоминающее устройство, первый адаптер внешнего интерфейса, таймер, устройство анализа данных, которое содержит электронно-вычислительную машину, устройство отображения графической информации, второй адаптер внешнего интерфейса, системную интерфейсную магистраль, при этом первый, второй и третий акселерометры соответственно через первый, второй и третий измерительные усилители подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, который подключен к микроконтроллеру, к микроконтроллеру также подключены долговременное запоминающее устройство, адаптер внешнего интерфейса и таймер, вход-выход адаптера внешнего интерфейса является входом-выходом внешнего интерфейса устройства измерения и регистрации параметров движения, устройство измерения и регистрации биопотенциалов подключено при помощи второго канала передачи данных к входу данных устройства измерения и регистрации параметров движения, образованному входом микроконтроллера, первый и второй адаптеры внешнего интерфейса соединены между собой первым каналом передачи данных, электронно-вычислительная машина и второй адаптер внешнего интерфейса связаны при помощи системной интерфейсной магистрали, к электронно-вычислительной машине подключено устройство отображения графической информации.

Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы также может дополнительно содержать трехосный датчик угловой скорости, который соединен через блок измерительных усилителей с многоканальным аналого-цифровым преобразователем, пульсовой оксиметр, выход данных которого подключен к микроконтроллеру, измеритель артериального давления, выход данных которого подключен к микроконтроллеру, датчик температуры, выход данных которого подключен к микроконтроллеру, датчик дыхания, выход данных которого подключен к микроконтроллеру, измеритель сопротивления тела, выход данных которого подключен к микроконтроллеру.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема предлагаемой системы.

На чертеже обозначено:

1 - устройство анализа данных;

2 - устройство измерения и регистрации параметров движения;

3 - устройство измерения и регистрации биопотенциалов;

4 - первый канал передачи данных;

5 - второй канал передачи данных;

6 - первый акселерометр;

7 - второй акселерометр;

8 - третий акселерометр;

9 - первый измерительный усилитель;

10 - второй измерительный усилитель;

11 - третий измерительный усилитель;

12 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь;

13 - микроконтроллер;

14 - долговременное запоминающее устройство;

15 - первый адаптер внешнего интерфейса;

16 - таймер;

17 - вход-выход внешнего интерфейса;

18 - пульсовой оксиметр,

19 - измеритель артериального давления;

20 - датчик температуры;

21 - датчик дыхания;

22 - измеритель сопротивления тела;

23 - трехосный датчик угловой скорости;

24 - блок измерительных усилителей;

25 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);

26 - устройство отображения графической информации (УОГИ);

27 - второй адаптер внешнего интерфейса;

28 - системная интерфейсная магистраль;

29 - вход данных устройства 2 измерения и регистрации параметров движения.

Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы, содержащая устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов, устройство 2 измерения и регистрации параметров движения, которое содержит первый акселерометр 6, второй акселерометр 7, третий акселерометр 8, первый измерительный усилитель 9, второй измерительный усилитель 10, третий измерительный усилитель 11, многоканальный аналого-цифровой преобразователь 12, микроконтроллер 13, долговременное запоминающее устройство 14, первый адаптер 15 внешнего интерфейса, таймер 16, устройство 1 анализа данных, которое содержит электронно-вычислительную машину 25, устройство 26 отображения графической информации, второй адаптер 27 внешнего интерфейса, системную интерфейсную магистраль 28, при этом первый, второй и третий акселерометры 6, 7 и 8 соответственно через первый, второй и третий измерительные усилители 9, 10 и 11 подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 12, который подключен к микроконтроллеру 13, к микроконтроллеру 13 также подключены долговременное запоминающее устройство 14, адаптер 15 внешнего интерфейса и таймер 16, вход-выход адаптера 15 внешнего интерфейса является входом-выходом 17 внешнего интерфейса устройства 2 измерения и регистрации параметров движения, устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов подключено при помощи второго канала 5 передачи данных к входу данных устройства 2 измерения и регистрации параметров движения, образованному входом микроконтроллера, первый и второй адаптеры 15 и 27 внешнего интерфейса соединены между собой первым каналом 4 передачи данных, электронно-вычислительная машина 25 и второй адаптер 27 внешнего интерфейса связаны при помощи системной интерфейсной магистрали 28, к электронно-вычислительной машине 25 подключено устройство 26 отображения графической информации.

Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы также может дополнительно содержать трехосный датчик 23 угловой скорости, который соединен через блок 24 измерительных усилителей с многоканальным аналого-цифровым преобразователем 12, пульсовой оксиметр 18, выход данных которого подключен к микроконтроллеру 13, измеритель 19 артериального давления, выход данных которого подключен к микроконтроллеру 13, датчик 20 температуры, выход данных которого подключен к микроконтроллеру 13, датчик 21 дыхания, выход данных которого подключен к микроконтроллеру 13, измеритель 22 сопротивления тела, выход данных которого подключен к микроконтроллеру 13.

Устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов содержит набор электродов, закрепляемых на теле человека, многоканальное устройство ввода аналоговых сигналов, микропроцессор (микроконтроллер), запоминающее устройство и адаптер внешнего интерфейса. Устройство ввода аналоговых сигналов содержит измерительные усилители и аналого-цифровые преобразователи. Устройство ввода аналоговых сигналов может быть выполнено аналогично устройствам ввода аналоговых сигналов, применяемых в электрокардиографах. Выход многоканального устройства ввода аналоговых сигналов является выходом устройства 3. Микропроцессор (микроконтроллер) выполнен с возможностью получения данных от аналого-цифровых преобразователей устройства ввода аналоговых сигналов и записи этих данных в запоминающее устройство, а также с возможностью управления выдачей данных из запоминающего устройства через адаптер внешнего интерфейса.

При этом микропроцессор 13 устройства 2 выполнен с возможностью приема данных через вход данных, а запоминающее устройство 14 выполнено с возможностью хранения и данных о параметрах движения и данных о биопотенциалах, измеренных устройством 3.

Первый, второй и третий акселерометры 6, 7 и 8 производят измерение составляющих ускорения человека по трем взаимно перпендикулярным осям. Первый, второй и третий измерительные усилители 9, 10 и 11 предназначены для усиления и нормализации сигналы акселерометров.

Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 12 может быть выполнен на основе устройств временного хранения, мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя. В этом случае сигналы с выходов усилителей поступают на входы устройств временного хранения, выходы которых мультиплексор поочередно подключает к входу аналого-цифрового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь производит преобразование поочередно для каждого канала.

Микроконтроллер 13 получает данные акселерометров в цифровом виде. Микроконтроллер 13 выполнен с возможностью предварительной обработки получаемых данных. Предварительная обработка данных акселерометров заключается в их цифровой фильтрации, которая может представлять собой вычисление средних значений для заданного количества отсчетов. Полученные в результате этой обработки данные записываются в долговременное запоминающее устройство 14. В долговременное запоминающее устройство 14 также записываются данные о текущем времени, которые поступают от таймера 16.

В качестве долговременного запоминающего устройства 14 может быть использовано устройство энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти (flash-памяти).

Одновременно устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов осуществляет запись в свое запоминающее устройство данных о биопотенциалах человека, получаемых на основании сигналов, поступающих от закрепленных на теле человека электродов.

По окончании наблюдения в устройство 1 анализа данных осуществляется передача данных об ускорениях человека из устройства 2 измерения и регистрации параметров движения по первому каналу 4 передачи данных и данных об измеренных биопотенциалах из устройства 3 измерения и регистрации биопотенциалов по второму каналу 5 передачи данных.

Первый и второй каналы 4 и 5 передачи данных могут быть выполнены в виде, например, последовательных интерфейсов RS-232, RS-422, USB или в виде беспроводных каналов передачи данных Bluetooth, WLAN и т.д.

В качестве трехосного датчика 23 угловой скорости может быть использован гироскоп.

В качестве ЭВМ 25 может использоваться стандартная ЭВМ, имеющая выход для подключения устройства отображения графической информации (видеовыход). ЭВМ 25 предназначена для приема собранных данных, передаваемых по первому каналу 4 передачи данных.

УОГИ 26 представляет собой графический дисплей, обеспечивающий отображение всех необходимых данных: графиков, характеризующих биопотенциалы, и графиков, характеризующих параметры движения человека. УОГИ 26 может быть выполнены в виде дисплея на основе электронно-лучевой трубки или на основе жидкокристаллической матрицы. В качестве УОГИ 26 также может использоваться мультимедиа-проектор.

Пульсовой оксиметр 18, измеритель 19 артериального давления, датчик 20 температуры, датчик 21 дыхания, измеритель 22 сопротивления тела выполнены по известным схемам и содержат на своих выходах аналого-цифровые преобразователи и соответствующие адаптеры ввода-вывода, обеспечивающие сопряжения этих устройств с микроконтроллером 13. В качестве аналого-цифровых преобразователей пульсового оксиметра 18, измерителя 19 артериального давления, датчика 20 температуры, датчика 21 дыхания, измерителя 22 сопротивления может использоваться многоканальный аналого-цифровой преобразователь 12.

Система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы работает следующим образом.

При настройке системы осуществляется калибровка устройства 2 измерения и регистрации параметров движения известными способами, например, устройство 2 или отдельно блок акселерометров (состоящий из первого, второго и третьего акселерометров 6, 7 и 8) размещается на калибровочном столе. После этого снимаются показания акселерометров для девяти различных положений калибровочного стола. По данных этих измерений составляется система уравнений, решая которую находят 9 элементов матрицы, описывающей неортогональность установки акселерометров и трех элементов матрицы поворота калибровочного стола, а также для каждого акселерометра масштабный коэффициент и величину смещения нуля.

Перед началом диагностики сердечно-сосудистой системы человека устройство 2 измерения и регистрации параметров движения и устройство 3 измерения и регистрации биопотенциалов закрепляются на теле человека. Электроды устройства 3 измерения и регистрации биопотенциалов закрепляются на теле человека в местах, определяемых видом проводимого электрокардиографического исследования.

В течение заданного времени производится запись данных о биопотенциалах и данных об ускорениях человека, а также данные об угловых скоростях, получаемые от трехосного датчика 23 угловой скорости. По окончании записи данные передаются по первому и второму каналам 4 и 5 связи в устройство 1 анализа данных.

Анализ данных о параметрах движения человека производится, например, следующим образом.

По данным акселерометров с учетом данных, полученных при калибровка системы, вычисляются составляющие вектора кажущегося ускорения b_x, b _у, b_z и модуль кажущегося ускорения . Данные акселерометров уточняются путем их комплексирования известными методами с данными трехосного датчика 23 угловой скорости.

Далее вычисляется вертикальная составляющая ускорения относительно земной системы координат: а =b-b₁, где b₁ - значение модуля вектора кажущегося ускорения в момент, когда человек находиться в покое (b₁ g, где g - ускорение свободного падения). Интегрируя величину вертикальной составляющей ускорения a , получают значения вертикальной скорости и перемещения человека в вертикальной плоскости.

Начальное значение модуля вектора кажущегося ускорения b₁ вычисляется как среднее на интервале усреднения сигналов акселерометров. Кроме этого, ошибки определения модуля вектора вертикального ускорения компенсируются при применении метода наименьших квадратов исходя из того, что при нахождении в покое скорость и ускорение в вертикальной плоскости (первый и второй интегралы от величины вертикальной составляющей ускорения а ) равны нулю.

Вначале наблюдения могут быть записаны показания акселерометров для типовых движения человека, в частности, для:

- состояния покоя;

- наклонов вниз/вверх;

- приседания;

- движения сидел/встал/сел;

- движения стоял/сел/сидел/лег на бок/лежал/повернулся на спину/лежал;

- подъем по лестнице;

- спуск по лестнице;

- ходьба.

При анализе данных графики изменения сглаженных составляющих кажущегося ускорения b_x, b_у, b_z , модуля вектора кажущегося ускорения b, вертикальных (в земной системе координат) скорости и пути сравниваются с графиками для этих величин, полученных при типовых движениях человека. При этом производиться идентификация движений, совершенных человеком.

Графики ускорений, скорости и пройденного пути выводятся совместно с графиками биопотенциалов, причем графики совмещены по времени. Это позволяет сопоставлять данные о физической активности человека с параметрами функционирования сердечно-сосудистой системы.

В результате предлагаемая система (ее варианты) позволяет осуществлять кроме получения данных о биоэлектрических потенциалах в течение длительного времени наблюдения, также и данные о параметрах движения человека, то есть о его физической активности, что позволяет осуществить более точную оценку функционального состояния сердечно-сосудистой системы.

Введение в систему пульсового оксиметра, измерителя артериального давления, датчика температуры, датчика дыхания, измерителя сопротивления тела позволяет расширить функциональные возможности системы и повысить точность диагностики состояния организма человека.

Таким образом, предлагаемая система для оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека обеспечивает возможность сопоставить данные электрокардиограммы с данными о физической активности человека в каждый момент времени.

Представленные чертежи и описание позволяют изготовить систему (варианты) и устройство для измерения и регистрации параметров движения из известных компонентов и использовать для диагностики сердечно-сосудистой системы человека, определения параметров движения человека, что характеризует полезные модели как промышленно применимые.

Источники информации

1. Mike Curtin. Sigma-delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front ends. Analog dialoge 28-2, 1994, pp.6-7.

2. Патент РФ №2138982, МПК А 61 В 5/02, опубл. 10.10.1999.