способ неинвазивной регистрации электрофизиологических характеристик сердца и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ неинвазивной регистрации электрофизиологических характеристик сердца, состоящий в том, что множество электродов устанавливают на поверхности грудной клетки, измеряют биопотенциалы, генерируемые сердцем, интерполируют моментные распределения потенциала, по этим распределениям вычисляют электрофизиологические характеристики сердца и результаты изображают в картографическом виде, отличающийся тем, что множество электродов располагают на поверхности грудной клетки по схеме, учитывающей симметрию тела и анатомические ориентиры, один электрод располагают на левой ноге, другой на шее, осуществляют адаптивную пространственную интерполяцию результатов измерения биопотенциалов путем разложения по пространственным сферическим функциям в соответствии с индивидуальной формой грудной клетки, производят расчет эпикардиального распределения потенциала, а затем на основе тонкостенной модели желудочков сердца как электрического генератора определяют моментные распределения на поверхности сердца основных электрофизиологических состояний стенки желудочков в процессе возбуждения и рассчитывают основные электрофизиологические характеристики время прихода активации, длительность активации, ускорение реполяризации, причем результат расчета распределения этих характеристик изображают в картографическом виде с привязкой к анатомическим ориентирам поверхности сердца, используя цветовое раскрашивание и кинематизацию.

2. Устройство для неинвазивной регистрации электрофизиологических характеристик сердца, содержащее электроды для снятия биопотенциалов, усилители биопотенциалов, коммутатор, ЭВМ, приемник и передатчик электромагнитного сигнала, отличающееся тем, что в него введены аналого-цифровой преобразователь, кодер и декодер, при этом на теле пациента устанавливают электроды и размещают усилители биопотенциалов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, кодер и передатчик электромагнитного сигнала, причем входы усилителей соединены с выводами электродов, а выходы с входами коммутатора, выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом кодера, выход которого соединен с входом передатчика, а приемно-регистрирующий блок устанавливают на расстоянии от пациента, в состав приемно-регистрирующего блока входит приемник электромагнитного сигнала, выходом подключенный через декодер к ЭВМ.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в нем количество электродов не менее 30.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электроды устанавливаются на пациенте с помощью резиновых лент или жгутов, концы которых закрепляются на двух вертикальных планках, соединяемых между собой при натягивании резиновых лент или жгутов вокруг грудной клетки пациента и наложении одной планки на другую.

5. Устройство по п.2, отличающееся там, что электроды, закрепленные на резиновых лентах или жгутах, подпружинены.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицины, в частности к функциональной диагностике сердечно-сосудистой системы.

Наиболее близким по технической сущности в части способа является способ, состоящий в том, что множество электродов устанавливают на поверхности грудной клетки, измеряют биопотенциалы, генерируемые сердцем, интерполируют моментные распределения потенциала, по этим распределениям вычисляют электрофизиологические характеристики сердца и результаты изображают в картографическом виде (з. Японии N 58-25451, F 61 D 5/00, 1983).

В части устройства наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее электроды для снятия биопотенциалов, усилители биопотенциалов, коммутатор, электронную вычислительную машину, приемник и передатчик электромагнитного сигнала (В. В. Тихомиров. Биотелеметрические системы. М. Наука, 1974, с. 73).

Изобретение направлено на повышение достоверности регистрации электрофизиологических характеристик сердца при обеспечении удобства и простоты измерительной процедуры.

Это достигается тем, что на поверхности тела располагают оптимальную систему, например, из 32 электродов по схеме, учитывающей симметрию тела и анатомические ориентиры (не менее 30 электродов на поверхности грудной клетки, один электрод на левой ноге и один на шее), а при интерполяции измеренных биопотенциалов используют разложение по пространственным сферическим функциям, приспособленным к индивидуальной форме грудной клетки. По результатам измерения биопотенциалов решают обратную электродинамическую задачу и определяют эпикардиальное распределение потенциала, а затем на основе тонкостенной модели желудочков сердца как электрического генератора определяют распределение на поверхности сердца основных электрофизиологических состояний стенки желудочков в процессе возбуждения и рассчитывают основные электрофизиологические характеристики время прихода активации, длительность активации, ускорение реполяризации и др.

Полученное распределение основных характеристик электрофизиологического состояния стенки желудочков в процессе возбуждения изображают в проекции на поверхность сердца с указанием анатомических ориентиров этой поверхности и с использованием цветного раскрашивания и кинематизации.

Способ неинвазивной регистрации электрофизиологических характеристик сердца по данному изобретению осуществляется с помощью предлагаемого устройства.

На фиг. 1 приведена схема размещения электродов, на фиг. 2 - функциональная схема устройства, на фиг. 3 схема коммутации электродной решетки, на фиг. 4 схема закрепления электрода и усилителя.

Согласно функциональной схеме, изображенной на фиг. 2, устройство состоит из электродов, конструктивно совмещенных с усилителями 1 1.1 8, 2 1. 2 8, 6, 7, индифферентного электрода на основе центральной терминали Вильсона 8 1, 8 2, 8 3, блока преобразования информации 9 и приемно-регистрирующего блока 10. В свою очередь, блок преобразования информации 9 содержит коммутатор 11, АЦП 12, кодер (кодирующее устройство) 13 и передатчик 14 электромагнитного сигнала. Электроды-усилители и узлы блока преобразования информации, располагаемые на пациенте, питаются от автономного источника питания 15, например аккумуляторной батареи. Приемно-регистрирующий блок 10 состоит из приемника электромагнитного сигнала 16, декодера (дешифратора) 17 и ЭВМ 18. Конструктивное оформление усилителя за одно целое с электродом (элементы усилителя размещены в корпусе электрода) обеспечивает уменьшение влияния внешних электромагнитных полей на работу всего устройства. Первые входы усилителей соединены с контактирующими поверхностями электродов, а вторые входы через развязывающее сопротивление R с выходом согласующего усилителя индифферентного электрода 8. Выходы усилителей соединены со входами коммутатора 11. В качестве коммутатора 11 может быть использована любая серийная схема селектора-мультиплексора. Выход коммутатора 11 соединен со входом АЦП 12. В качестве АЦП может быть использована стандартная микросхема, обладающая достаточно высоким быстродействием и малым потреблением. АЦП служит для преобразования аналогового сигнала в параллельный двоичный код. Выходы АЦП 12 соединены со входами кодера 13. Кодер 13 служит для преобразования предлагаемого двоичного кода в последовательный код. В качестве кодера может быть использована серийная микросхема, преобразующая параллельный код в последовательный двоичный код в стандарте "Манчестер-11". Выход кодера 13 соединен со входом передатчика электромагнитного сигнала 14. В качестве передатчика может быть использован любой передатчик, работающий в диапазоне от радиоволн УКВ-диапазона и до диапазона световых волн, инфракрасного диапазона включительно. При работе в диапазоне радиоволн электромагнитный сигнал излучается через передающую антенну передатчика, при работе в инфракрасном диапазоне волн электромагнитный сигнал излучается с помощью светодиода. Излучаемый электромагнитный сигнал модулируется последовательным двоичным кодом, поступающим с выхода кодера 13.

Излученный электромагнитный сигнал принимается приемником 16 через антенну приемника при работе в диапазоне радиоволн или с помощью фототранзистора при работе в инфракрасном диапазоне волн. Выход приемника 16 соединен со входом декодера (дешифратора) 17, в качестве которого может быть использован стандартный декодер. Выход декодера 17 через шину стандартного интерфейса соединен со входом ЭВМ 18. Схема устройства функционирует следующим образом. Электроды-усилители 1 1.1 8, 2 1.2 8, 3 1.3 8, 4 - 1.4 3, 5 1.5 3, 6, 7 измеряют биопотенциалы в 32 точках в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1. Выходы усилителей с помощью коммутатора 11 подключаются поочередно ко входу АЦП 12, который преобразует аналоговый сигнал, получаемый на выходе каждого усилителя, в параллельный двоичный код. Далее этот код с помощью кодера 13 преобразуется в последовательный код, которым модулируется передатчик 14. Информация, которую несет электромагнитный сигнал после принятия его приемником 16 и дешифрации декодером 17, вводится в ЭВМ 18. ЭВМ 18 производит обработку измеренных со всех 32 точкек моментных значений потенциала в соответствии с последовательностью операций, обусловленных изложенным выше способом. Результат обработки выводится на дисплей ЭВМ 18, на котором изображена развертка поверхности сердца, и на ней, с помощью графических средств, включающих цветовое раскрашивание, показывается распределение основных характеристик электрофизиологического состояния сердца при его возбуждении (см. выше).

Конструктивная схема аппаратуры, устанавливаемой на пациенте, изображена на фиг. 3. На резиновых лентах 1.5 устанавливаются электроды-усилители. На трех лентах 1, 2, 3, располагаемых на трех основных уровнях (см. фиг. 1), установлено 8 электродов-усилителей 1 1.1 8, 2 1.2 8, 3 1.3 - 8. На двух лентах 4 и 5, располагаемых между основными уровнями, установлено по 3 электрода 4 1.4 3, 5 1.5 3.

На концы резиновых лент надеваются пряжки 21, которые прикрепляются к планкам, например, через отверстия 22. Переставляя пряжки в разные отверстия, можно регулировать расстояние между уровнями установки электродов в соответствии с анатомическими особенностями пациента.

Отдельно на резиновой ленте 23, концы которой также закреплены на планках 19 и 20, установлен блок 9 преобразования и передачи информации.

Усилители-электроды соединены с блоком 9 при помощи жгутов 24. Эти жгуты, скрепляемые вместе у каждой группы электродов-усилителей, расположенных на одной вертикальной линии, придают всей конструкции вид решетки, растягиваемой в горизонтальном направлении, но имеющей фиксированные размеры в вертикальном (заданные перед установкой по антропологическим характеристикам).

На фиг. 4 приведен чертеж электрода-усилителя вместе с элементом крепления.

Корпус электрода-усилителя 25 крепится на резиновой ленте с помощью упругой рессорообразной пластины 26. Пластина 26 жестко прикреплена в одной центральной точке к корпусу электрода-усилителя. На концах пластины имеются прорези 27 и 28, через которые проходит резиновая лента 1. Длины этих прорезей одинаковы и соответствуют ширине ленты, а ширина прорезей разная. Ширина прорези 27 выбирается несколько меньше толщины резиновой ленты в свободном состоянии, так что лента может быть пропущена через эту прорезь только в растянутом состоянии. Ширина прорези 28 больше толщины ленты, и лента в любом состоянии может свободно перемещаться в этой прорези. Такое соотношение прорезей позволяет, с одной стороны, фиксировать положение электрода-усилителя на ленте и, следовательно, на грудной клетке пациента, с другой стороны, обеспечивается надежное поджатие электрода-усилителя к коже за счет упругих свойств рессорообразования пластины 26. Упругая рессорообразная пластина 26 имеет упругий лепесток 29, служащий для крепления жгутов 24, идущих от соседних в вертикальном ряду электродов-усилителей.

На поверхности тела пациента (преимущественно на поверхности грудной клетки) устанавливают 32 электрода в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, при этом учитываются симметрия тела и анатомические ориентиры. Электроды располагают на трех основных уровнях: 1-; 2-; 3- симметрично вокруг грудной клетки по 8 электродов на каждом уровне, таким образом, чтобы после их установки на каждом уровне расстояния вдоль поверхности грудной клетки между соседними электродами были равны (это обеспечивается равномерностью растяжения резиновых лент).

Между основными уровнями располагаются электроды на двух дополнительных уровнях 4-; 5-, равноотстоящих от основных уровней 1- и 2-, 2- и 3-, соответственно, по 3 электрода на каждом уровне, при этом электроды 4 1 и 5 1 располагают на одной вертикальной линии с электродами основных уровней по средней линии груди, электроды 4 2 и 5 2 располагают на вертикальной линии, проходящей посредине между электродами 1 4 и 1 5, а электроды 4 3 и 5 3 на вертикальной линии, проходящей посредине между электродами 1 5 и 1 6, электрод 6 располагают на левой ноге и электрод 7 на шее. Электроды центральной терминали Вильсона располагают на левой ноге и руках. Основным анатомическим ориентиром является сердце, вокруг которого расположены 4 дополнительных электрода: 4 2, 4 3, 5 2, 5 3.

Установка устройства на грудной клетке пациента производится следующим образом. Сначала все устройство в развернутом состоянии помещают вперед грудной клеткой пациента таким образом, чтобы электроды-усилители 1 4, 4 - 1, 2 4, 5 1 и 3 4 располагались на средней линии груди. Затем растягивают планки 19 и 20 в разные стороны, следя за тем, чтобы упомянутые электроды-усилители прижимались к поверхности груди на средней линии, и обертывают решетку вокруг грудной клетки так, чтобы планки 19 и 20 сошлись на спине и скрепились между собой при наложении их одна на другую. На этом операция установки устройства закачивается, и далее производятся операции измерения и обработки.

Измеряют биопотенциалы во всех 32 точках по отношению к центральной терминали Вильсона, образуемой стандартными электродами на конечностях.

Производят адаптивную пространственную интерполяцию измеренных потенциалов с использованием разложения по пространственным сферическим функциям, приспособленным к индивидуальной форме грудной клетки.

Для этой цели у испытуемого измеряют три основных размера грудной клетки боковой (право-левый), поперечный (передне-задний) и продольный (верхне-нижний), и имеющуюся математическую модель стандартной поверхности грудной клетки деформируют путем пропорционального растяжения (или сжатия) по осям координат до совпадения соответствующих основных размеров модели и грудной клетки данного испытуемого. В результате получается математическая модель поверхности грудной клетки испытуемого с известными координатами точек, в частности точек наложения электродов. Потенциал на этой поверхности представляют в виде разложения в ряд пространственных сферических функций, в котором учитывают члены нескольких младших порядков (обычно от 0-го до 3-го). Используются две составляющие разложения с членами, прямо пропорциональными степеням расстояния от начала координат до рассматриваемой точки поля, и с членами, обратно пропорциональными этому расстоянию. Коэффициенты разложения определяют по измеренным потенциалам для каждого момента времени путем решения методом наименьших квадратов системы линейных уравнений, в которой каждое уравнение выражает потенциал, измеренный в данной точке, как сумму соответствующих членов разложения по сферическим функциям с постоянными коэффициентами.

Производят расчет эпикардиального распределения потенциала, решая обратную электродинамическую задачу при помощи мультипольного разложения, и на основе тонкостенной модели желудочков сердца как электрического генератора рассчитывают распределение на поверхности сердца основных электрофизиологических состояний стенки желудочков и их количественных характеристик (времени прихода активации, длительности активации, ускорения поляризации и др.).

Для этой цели по имеющемуся распределению потенциала на поверхности грудной клетки для каждого момента времени методом поверхностного интегрирования определяют компоненты мультипольного эквивалентного генератора, расположенного в центре сердца (обычно ограничиваются мультипольными компонентами от 1-го до 3-го порядков), и по мультипольным компонентам вычисляют эпикардиальный потенциал (точнее, квазиэпикардиальный, поскольку он определяется на квазиэпикардиальной поверхности сфере, плотно облегающей желудочки сердца). По распределению эпикардиального потенциала на основе тонкостенной сферической модели желудочков в каждый момент времени на сфере, представляющей желудочки, определяют распределение трех основных электрофизиологических состояний стенки сердца невозбужденного (поляризованного) состояния, состояния активации (наличия фронта неполяризации) и полностью возбужденного (деполяризованного) состояния. Любая точка находится в состоянии активации, если эпикардиальный потенциал в ней превышает заданный порог. От начала цикла возбуждения до прихода в состояние активации каждая точка находится в невозбужденном состоянии. После пребывания точки в состоянии активации, когда эпикардиальный потенциал в ней становится меньше порогового значения, точка переходит в полностью возбужденное состояние. Распределения основных электрофизиологических состояний стенки желудочков на поверхности, представляющей их сферы, или моментные карты возбуждения, в последовательные моменты периода деполяризации желудочков дают наглядную картину динамики охвата желудочков неполяризацией. Кроме того, определяются суммарные карты возбуждения сердца или карты распределения электрофизиологических характеристик желудочков, в том числе карта времени прихода активации или изохронная карта (распределение значений интервала времени от начала цикла деполяризации до перехода каждой точки в состояние активации), карта длительности активации (распределение значений времени нахождения каждой точки в состоянии активации) и карта ускорения реполяризации (распределение изменений длительности потенциала действия, которое вычисляется как интегральная по времени характеристика для этого цикла возбуждения сердца, включающего деполяризацию). Каждая из этих карт обладает высокой чувствительностью к определенным физиологическим и патологическим изменениям миокарда и может служить эффективным средством выявления этих изменений.

Распределения основных электрофизиологических состояний стенки желудочков и их количественных характеристик изображают в проекции на поверхность сердца, развернутую на плоскость, с использованием цветного раскрашивания и кинематизации.

Для этой цели формируют изображение проекции поверхности сердца в виде развертки сферической поверхности квазиэпикарда, разрезанной по правому меридиану, и спроектированному на плоскость так, чтобы сохранялось равенство площадей одинаковых дифференциальных элементов сферы на ее плоской проекции. На этой проекции, близкой по форме к овалу, изображаются основные сосуды и борозды сердца, обеспечивающие анатомическую привязку к поверхности сердца изображений всех указанных выше распределений электрофизиологических состояний и характеристик, которые соответствующим образом накладываются на проекцию поверхности сердца. Моментные распределения (например, моментные карты возбуждения), построенные с достаточно малым интервалом времени, могут предъявляться последовательно с заданной скоростью; благодаря такой кинематизации облегчается визуальное восприятие непрерывного процесса возбуждения сердца и выявление его нарушений. 1