Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатками данного метода являются сложность реализации и низкая достоверность получаемых результатов, связанная с необходимостью сравнения данных пациента с данными так называемого «здорового» сердца абстрактного среднестатистического человека.

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

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

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

Достижение технического результата обеспечивается за счет получения информации о низкочастотном спектре акустического сигнала, обусловленного сердечными сокращениями с возможностью последующего восстановления временной диаграммы этого сигнала без шумов.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), осуществляют ее аналого-цифровое преобразование и формируют массив f(t_n), выделяют переменную составляющую фонограммы h(t_n), формируют вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), осуществляют Фурье-преобразование вспомогательного массива b(t_n) и формируют полученный в результате этого преобразования спектральный массив g(ω_n), определяют среднее значение спектрального массива g(ω_n), определяют минимальное значение частоты ω_m и соответствующую ей амплитуду g(ω_m), для которых выполняются условия

,

где L>1, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по соотношению амплитуд g(k·ω_m)), где k<10 - количество необходимых для диагностики амплитуд спектра.

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

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

Кроме того, заявляемый способ предусматривает возможность восстановления временной кардиограммы q(t) и дополнительную диагностику состояния сердечной деятельности по ее форме, если дополнительно осуществляют обратное Фурье-преобразование спектрального массива g(k·ω_m).

Сущность изобретения поясняется диаграммами, представленными на фиг.1-4. На фиг.1 показаны временная диаграмма акустического сигнала сердечных сокращений здорового пациента (фиг.1а), ее спектр, полученный в результате непосредственного Фурье-преобразования (фиг.1б), тот же спектр в интервале частот от 0 Гц до 10 Гц (фиг.1г), ее спектр, полученный заявляемым способом, полностью (фиг.1в) и в интервале частот от 0 Гц до 10 Гц (фиг.1д), а также восстановленная временная диаграмма сигнала сердечных сокращений без шумов (фиг.1е). На фиг.2, 3 приведены такие же зависимости для акустических сигналов сердечных сокращений пациентов, страдающих сердечной недостаточностью и стенозом аорты соответственно. На фиг.4 представлена блок-схема алгоритма реализации заявляемого способа.

Как известно, фонограмма сердечных сокращений имеет особенность, состоящую в относительно стабильной периодичности регистрируемого сигнала f(t). Эта особенность открывает возможность использования спектрального преобразования квазипериодического сигнала с выделением низкочастотной модуляционной составляющей за счет усреднения по большому количеству периодов. В этом смысле заявляемый способ может иметь аналогию в радиотехнике, позволяющую выделить низкочастотный сигнал речи, передаваемый с помощью амплитудной модуляции высокочастотной составляющей несущей радиоволны. Действительно, если выделить переменную составляющую электрического сигнала фонограммы либо аналоговым способом, пропуская сигнал от акустического приемника через электрическую цепь, содержащую конденсатор, либо цифровым способом, производя вычитание среднего по интервалу регистрации значения сигнала из каждого значения элемента массива данных f(t_n), и получить в результате этого соответствующий массив данных h(t_n), затем осуществить детектирование полученного сигнала и сформировать вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), например, путем осуществления операции преобразования по модулю b(t_n)=|h(t_n)|, после чего применить к полученным данным преобразование Фурье то в итоге будет получен массив данных спектра акустического сигнала исходной фонограммы, содержащий информацию о модуляции высокочастотного шума низкочастотным сигналом сердечных сокращений, форма которого и является объектом диагностики.

В заявляемом способе предлагается осуществлять диагностику функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по соотношению амплитуд спектра акустической кардиограммы, на частотах, равных и кратных фундаментальной частоте сердечного ритма ω_m. Для нахождения ее значения предлагается прежде всего вычислить среднее значение полученного спектрального сигнала g(ω_n) акустической фонограммы, а затем в диапазоне частот, больших 0.2 Гц, определить минимальное значение частоты, соответствующее максимуму амплитуды спектра, превышающей указанное среднее значение в заданное количество раз L>1. Значение L устанавливается индивидуально для каждого пациента и, как показали эксперименты, обычно не превышает 2. Соотношение амплитуд спектра g(k·ω_m) на частотах, равных и кратных фундаментальной частоте сердечного ритма, однозначно и достоверно описывает динамику среднестатистического кардиоцикла и может являться источником информации для врача при диагностике нормы или патологии сердечно-сосудистой системы. Важным обстоятельством является то, что количество необходимых для диагностики амплитуд спектра k невелико (как правило, k<10). Это означает, что заявляемый способ открывает возможность эффективного мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы за счет использования компактных портативных устройств регистрации, обработки, хранения и передачи информации средствами мобильной связи и Интернета.

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

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

Для нахождения значения фундаментальной частоты сердечных сокращений используют алгоритм поиска локальных максимумов массива g(ω_n) в диапазоне частот, больших 0.2 Гц, амплитуда которых в заданное оператором число раз превышает средний по всему спектру уровень сигнала. Вычисляют среднее значение спектральной амплитуды , например, по формуле . Локальный максимум, имеющий минимальное из всех найденных максимумов значение частоты ω_m, определяют как спектральную амплитуду g(ω_m), а саму эту частоту ω_m - как фундаментальную частоту сердечных сокращений.

В качестве примеров фонограмм сердечных сокращений авторами выбраны данные, представленные на Интернет сайте www.stethographics.com.

Пример 1.

На фиг.1(а-е) представлены результаты, относящиеся к анализу функционального состояния сердечно-сосудистой системы здорового человека. На фиг.1а приведена оригинальная фонограмма сердечных сокращений f(t). На фиг.1б, г представлен ее спектр р(ω), полученный непосредственным Фурье-преобразованием зависимости f(t), полностью и в спектральном интервале от 0 Гц до 10 Гц соответственно. Этот результат аналогичен результату, достигаемому в способе-прототипе. Как видно из фиг.1б, основная мощность спектрального сигнала в этом случае сосредоточена в высокочастотном (шумовом) диапазоне. В спектральном диапазоне от 0 Гц до 10 Гц (фиг.1г) сигнал имеет малую амплитуду и представляет собой неинформативный шум. На фиг.1в, д представлен спектр исходной фонограммы g(ω), полученный заявляемым способом, полностью и в спектральном интервале от 0 Гц до 10 Гц соответственно. Видно (см. фиг.1в), что основная мощность спектрального сигнала в данном случае сосредоточена в низкочастотном (информационном) диапазоне. В спектральном диапазоне от 0 Гц до 10 Гц (фиг.1д) сигнал имеет ярко выраженные (значительно превышающие среднее значение) спектральные максимумы, отвечающие фундаментальной частоте сердечных сокращений 0) и кратным ей частотам. Эти максимумы легко детектируются и могут быть использованы для дальнейшего анализа. На фиг.1е представлена временная диаграмма кардиоцикла здорового человека q(t), восстановленная в результате обратного Фурье-преобразования спектрального массива, состоящего из значений амплитуд спектра на фундаментальной частоте сердечных сокращений ω_m и кратных ей частотам.

Пример 2

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

Пример 3

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

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

Точные количественные соотношения между амплитудами спектра сердечных сокращений, полученных указанным в формуле изобретения образом, на частотах, кратных ω_m, и их связь с конкретными патологиями могут быть установлены только в результате продолжительных клинических исследований. На качественном уровне на основании обработки имеющихся в распоряжении авторов фонограмм можно утверждать, что фонограмма «здорового» сердца после спектральной обработки характеризуется последовательностью амплитуд g(k·ω_m) на частотах, кратных ω_m, в которой амплитуда g(ω_m) не является максимальной. Амплитуды g(2·ω_m) и g(3·ω_m) всегда больше g(ω_m). В случаях рассмотренных в заявке патологий амплитуда g(ω_m) является наибольшей из всех.

Блок-схема алгоритма реализации заявляемого способа (см. фиг.4) содержит следующие функциональные модули: 1 - модуль регистрации фонограммы сердечных сокращений; 2 - модуль аналого-цифрового преобразования; 3 - модуль детектирования; 4 - модуль прямого преобразования Фурье; 5 - модуль определения фундаментальной частоты сердечных сокращений; 6 - модуль определения амплитуд гармоник спектра фонограммы сердечных сокращений на фундаментальной частоте сердечных сокращений и на кратных ей частотах; 7 - модуль обратного преобразования Фурье.

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

1. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека, состоящий в том, что регистрируют фонограмму сердечных сокращений f(t), осуществляют ее аналого-цифровое преобразование и формируют массив f(t_n), отличающийся тем, что выделяют переменную составляющую фонограммы h(t_n), формируют вспомогательный массив b(t_n), содержащий знакопостоянные значения массива h(t_n), осуществляют Фурье-преобразование вспомогательного массива b(t_n) и формируют полученный в результате этого преобразования спектральный массив g(ω_n), определяют среднее значение спектрального массива g(ω_n), определяют минимальное значение частоты ω_m и соответствующую ей амплитуду g(ω_m), для которых выполняются условия:

,

где L>1, а диагностику состояния сердечной деятельности производят по соотношению амплитуд g(k·ω_m), где k<10 - количество необходимых для диагностики амплитуд спектра.

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

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

4. Способ определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека по п.1, отличающийся тем, что путем обратного Фурье-преобразования спектрального массива g(k·ω_m,) формируют восстановленную фонограмму q(t), по которой осуществляют дополнительную диагностику состояния сердечной деятельности.