Патент на изобретение №2380033

(54) СПОСОБ ПУЛЬСОВОЙ ДИАГНОСТИКИ АТЕРОСКЛЕРОЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для получения информации о состоянии сосудистой системы человека. Накладывают на артерию датчик преобразования пульса и осуществляют преобразование сигнала пульса в электрический импульс. Полученным электрическим импульсом модулируют несущий сигнал с частотой не менее 500 Гц, который подают на звуковую плату персонального компьютера, демодулируют, находят производную по времени от сигнала пульса, нормируют на соответствующие максимальные значения сигнал и производную от сигнала, значения которых в каждый момент времени определяют фазовое состояние. Разбивают плоскость фазовых состояний на не менее чем на 225 (15×15) одинаковых ячеек, строят трехмерную гистограмму распределения фазовых состояний, попавших в определенную ячейку, за время наблюдения. Затем через равный шаг в не менее чем в 5 состояний проводят секущие плоскости и определяют степень заполненности ограничивающего прямоугольника, охватывающего все ячейки, содержащие хотя бы одно фазовое состояние в этой секущей плоскости, как отношение количества непустых ячеек к полному количеству ячеек в прямоугольнике, о полученной зависимости степени заполненности ограничивающего прямоугольника от числа фазовых состояний диагностируют наличие атеросклероза. Способ расширяет арсенал средств для диагностики атеросклероза. 4 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для получения экспресс-информации о состоянии сосудистой системы человека.

Известен способ диагностирования состояния сердечно-сосудистой системы при помощи электрокардиографии и фонокардиографии (Маколкин В.И., Маслюк В.И. Электрокардиография, векторкардиография, фонокардиография. М., 1970, 147 с.). Данные электрокардиограммы и фонокардиограммы позволяют получить важные сведения для врача на пути постановки диагноза болезни и назначения лечения больному.

Недостаток способа кардиографии связан со сложной расшифровкой показания электрокардиограммы, которая требует детального исследования состояния всей сердечной деятельности, запись фонокардиограммы в свою очередь приводит к необходимости сложной системы фильтрации сигнала от посторонних шумов, искажающих реальный спектр пульсаций.

Известен способ пульсовой диагностики состояния сердечно-сосудистой системы, использующий регистрацию пульсовых колебаний (патент RU 2000081). Известный способ заключается в следующем: приложение к лучевой артерии датчика преобразования пульса, преобразование пульса в электрический импульс, подача электрического импульса в автокоррелятор, с регулируемой линией задержки электрического импульса, а по ее величине, при которой на выходе автокоррелятора уровень сигнала соответствует нулевому значению, устанавливается время автокорреляции сигнала электрического импульса, соответствующее состояние сердечной деятельности устанавливается по величине времени автокорреляции сигнала электрического импульса.

Недостатком известного способа является низкая информативность из-за диагностики лишь одного параметра состояния сердечно-сосудистой системы, так как способ основан на спектральном анализе электрического импульсного сигнала, образованного датчиком пульса лучевой артерии. Кроме того, низкая информативность не всегда достаточна для правильного установления диагноза. Способ достаточно сложен и мало оперативен, так как необходимо накладывать несколько датчиков в виде электродов или микрофонов, каждый из которых необходимо изолировать от проникновения посторонних шумов, существенно искажающих форму записанного сигнала. Низкая оперативность диагностирования связана как с процессом получения сведений, так и с необходимостью после записи на носителе информации производить ее расшифровку, занимающую относительно продолжительное время.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ (патент RU 2296501), заключающийся в выполнении нескольких операций, а именно: приложение к лучевой артерии датчика преобразования пульса, преобразование пульса в электрический импульс, подача импульса в автокоррелятор с оценкой времени автокорреляции импульса, определение амплитудно-временных и частотных характеристик пульсовой волны. Далее предлагается к спектральному анализу добавить фазовый анализ и определить отношения числа положительных фаз гармонических составляющих к числу отрицательных фаз гармонических составляющих. И на конечном этапе устанавливают соответствие состояния сердечной деятельности по совместному и отдельному сочетанию величин времени автокорреляции импульса, отношению амплитуды первой гармонической составляющей импульса к отдельным амплитудам гармонических составляющих, отношению числа положительных фаз гармонических составляющих к числу отрицательных фаз гармонических составляющих.

Недостатком известного способа является большое количество соответствий, которое необходимо выполнить для его осуществления, что особенно усложняет анализ и диагностику, когда одна часть заявленных соответствий противоречит другой. Так по отношению числа положительных фаз гармонических составляющих к числу отрицательных фаз пациент может быть признан здоровым, а по расположению инцизуры и ее величине – больным. Поэтому для успешного осуществления этого способа требуется многофакторный анализ с нахождением функции взаимной корреляции всех предлагаемых в способе параметров диагностики, которые сами зависят от множества физиологических особенностей организма и зачастую трудно прогнозируемы. Кроме того, заявляемый метод мало пригоден для экспресс-диагностики состояния сосудистой системы человека при атеросклерозе, так как в нем не анализируются турбулентные шумы, возникающие в склеротированных сосудах.

Техническим результатом заявляемого способа является сокращение срока пульсовой диагностики, позволяющей проводить оценку состояния сердечно-сосудистой системы и обнаруживать начальную стадию заболевания атеросклерозом, путем анализа фазовых состояний полезного сигнала пульса и его производной по времени.

Технический результат достигается тем, что пульсовым сигналом модулируют несущий высокочастотный сигнал с частотой не менее 500 Гц, который подают на звуковую плату персонального компьютера, демодулируют, находят производную по времени от сигнала пульса, нормируют на соответствующие максимальные значения сигнал и производную от сигнала, значения которых в каждый момент времени определяют фазовое состояние, и, разбив плоскость фазовых состояний на не менее чем на 225 (15×15) одинаковых ячеек, строят трехмерную гистограмму распределения фазовых состояний, попавших в определенную ячейку за время наблюдения, затем через равный шаг в не менее чем в 5 состояний проводят секущие плоскости и определяют степень заполненности ограничивающего прямоугольника, охватывающего все ячейки, содержащие хотя бы одно фазовое состояние в этой секущей плоскости, как отношение количества непустых ячеек к полному количеству ячеек в упомянутом прямоугольнике, и по полученной зависимости степени заполненности ограничивающего прямоугольника от числа фазовых состояний диагностируют наличие атеросклероза.

Способ осуществляют следующим образом.

Закрепляют датчик пульса, в качестве которого используют пьезоэлемент FML-12T-9.2A1-50 с резонансной частотой 1500 Гц, на исследуемой артерии и снимают с него сигнал пульса, которым моделируют высокочастотный несущий сигнал, поступающий с линейного выхода звуковой платы персонального компьютера. Модуляция этого сигнала позволяет использовать для его регистрации линейный вход звуковой платы компьютера, которая без модуляции отфильтровала бы весь низкочастотный полезный сигнал. В дальнейшем с помощью компьютерного обеспечения сигнал демодулируют и берут производную от сигнала по времени. Затем демодулированный пульсовой сигнал и его производную нормируют на максимальные значения и строят трехмерную гистограмму распределения фазовых состояний, попавших в определенную ячейку за время наблюдения. Далее проводят секущие плоскости через каждые 5 состояний и вписывают полученные фигуры числа состояний в прямоугольники. После подсчета количества состояний в каждом прямоугольнике делят это количество состояний на полную площадь прямоугольника на этой «высоте». Полученные отношения называют степенью заполненности ограничивающего прямоугольника. По полученной зависимости степени заполненности ограничивающего прямоугольника от числа фазовых состояний определяют окончательное число, по которому судят о поражении артерии атеросклерозом. Если окончательное число больше 50, то на сосудах практически отсутствуют атеромы. Если меньше, то, как минимум, существуют начальные признаки атеросклероза.

Примеры реализации способа

Для первоначального диагноза атеросклероза использовался сканер MEDISON 8000ЕХ. В двухмерном ультразвуковом режиме оценивалось состояние стенки сонных артерий в области наложения датчика давления. В качестве критериев атеросклероза служили толщина комплекса интима-медиа более 1 мм и/или наличие атеросклеротических бляшек. Выявленные таким образом больные атеросклерозом подвергались сфигмографическому обследованию, данные которого обрабатывались при помощи описываемой ниже методики. В качестве датчика, для снятия сфигмограмм, использовался пьезоэлемент FML-12T-9.2A1-50 с резонансной частотой 1500 Гц, сигнал которого после схемной обработки и амплитудной модуляции подавался на линейный вход звуковой платы компьютера. Частота несущего сигнала составляла в экспериментах 500 Гц, а частота дискретизации записи информации составляла 10000 Гц. Большое входное сопротивление (100 МОм) предварительного усилителя позволило получать выходной сигнал, пропорциональный интегралу от тока пьезоэлемента. Пьезоэлектрический датчик устанавливался на сонную артерию пациента. При этом точность позиционирования определялась смещением датчика на 1 см с дальнейшей регистрацией полученных сфигмограмм. Если при таких смещениях сфигмограмма практически не изменялась, то считалось, что датчик установлен точно над артерией.

Таким образом, на входе звуковой платы компьютера имелся сигнал, пропорциональный давлению на пьезоэлектрическом датчике. Значение производной от давления вычислялось компьютерной программой. Затем на компьютере выполнялись демодуляция и ограничение полосы спектра сигнала сверху частотой среза 70 Гц с помощью фильтра Баттерворта. Поскольку пульсовые колебания более полно описываются как значением давления, так и скоростью его изменения, после компьютерной демодуляции строились и анализировались фазовые траектории процесса в координатах (Р, Р’, t), где третья координата t соответствует времени от начала процесса. Здесь и далее обозначение Р соответствует безразмерному значению приращения давления, отнесенному к максимальному значению этого приращения. Обозначение Р’ имеет аналогичный смысл: отношение производной приращения давления к ее максимальному значению.

На фиг.1a-1b приведены сфигмограммы здорового человека и пациента с атеросклерозом сонных артерий. Заключение об атеросклеротическом поражении сонных артерий было сделано на основании обнаружения при ультразвуковом исследовании атером в синусе общей сонной и истоке внутренней сонной артерии. Ультразвуковое сканирование выявило значительное (1.3 мм при верхней границе нормы в 1 мм) утолщение стенки артерии и наличие множественных мелких атером. Из сравнения сигналов больного и здорового пациентов видно, что для сигнала здорового человека характерна хорошая воспроизводимость формы. На фиг.2а-2b приведены фазовые траектории сфигмосигнала для здорового человека и пациента с атеросклерозом в зависимости от времени наблюдения (Р, Р’, t).

Из рассмотрения фазовой траектории сфигмосигнала здорового человека можно заметить два циклических процесса, характерных для автоколебательных процессов, один из которых соответствует анакроте и катакроте в пульсовой волне, второй – инцизуре. Для пациента с атеросклерозом на сфигмограмме различить двоякую цикличность практически невозможно из-за хаотичности поведения фазовых траекторий (Фиг.2b).

Для выработки численного критерия степени хаотичности фазовых траекторий была выполнена следующая процедура. Вся фазовая площадь (Р, Р’) разбивалась на 225 (15×15) одинаковых прямоугольников, и подсчитывалось количество попавших в каждый прямоугольник состояний n, образующих фазовые траектории. Далее строились трехмерные гистограммы распределения фазовых состояний, попавших в определенную ячейку за время наблюдения (Фиг.3а-3b).

Большая хаотичность фазовой траектории у больного пациента (Фиг.2b) проявлялась на трехмерной поверхности (Фиг.3b) приближением распределения фазовых состояний к нормальному распределению, так как случайный шум подчиняется нормальному закону.

Для здоровых людей это распределение фазовых состояний характеризовалось сложными фигурами, в которых встречались как спирали, так и несколько мало отличающихся по величине вершин. Следовательно, распределения для пациентов с атеросклерозом и здоровых людей отличались степенью заполненности прямоугольника, описанного вокруг фигуры, полученной в определенном сечении этой трехмерной поверхности. Степень заполненности прямоугольника G(n), полученного в сечении трехмерной поверхности при заданном значении уровня числа состояний n, определяли следующим образом: G(n)=N/N₀, где N – количество занятых ячеек, N₀ – количество ячеек, необходимых для того, чтобы заполнить вышеозначенный прямоугольник целиком, т.е. все возможные состояния в рамках области, ограниченной прямоугольником. Для пациента с атеросклерозом в большинстве сечений была большая степень заполненности ограничивающего прямоугольника, чем для здорового человека. Зависимость степени заполненности ограничивающего прямоугольника от числа фазовых состояний приведена для здорового человека на фиг.4а – для сфигмографического сигнала, соответственно для пациента с атеросклерозом – на фиг.4b.

Для численного определения степени хаотизации можно предложить следующий критерий S оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека:

где n – число фазовых состояний, на уровне которого проведена секущая плоскость,

G(n) – степень заполненности прямоугольника,

n_max – точка, в которой G(n) достигает 1.

Численная оценка S по приведенному соотношению для приведенных кривых сфигмографического сигнала (Фиг.1a-1b) дала следующие значения. Сфигмографический сигнал здорового человека: S=96, пациента с атеросклерозом – S=9. Дальнейшие исследования показали, что для пациентов с атеросклеротически измененными сосудами указанное число либо равнялось нулю (в 80% случаев), либо оказывалось гораздо меньше, чем у здоровых.

Предложенный критерий показывает интегральную характеристику состояния, не идентифицируя обнаруженную патологию, например, насколько опасны атеросклеротические бляшки, могут ли они разрушиться и закупорить сосуды. Следовательно, приведенный критерий может служить вспомогательным способом диагностики, дополнительно к уже хорошо разработанным и успешно применяемым методам оценки состояний сердечно-сосудистой системы человека.

Таким образом, преимуществами заявляемого способа является сокращение срока диагностики атеросклеротического поражения сосудов с помощью интегрального численного критерия, полученного на основании анализа фазового состояния сигнала пульса. Предлагаемый способ не требует дорогостоящего оборудования и найдет широкое применение в практическом здравоохранении.

Формула изобретения

Способ пульсовой диагностики атеросклероза, включающий наложение на артерию датчика преобразования пульса и преобразование сигнала пульса в электрический импульс, отличающийся тем, что полученным электрическим импульсом модулируют несущий сигнал с частотой не менее 500 Гц, который подают на звуковую плату персонального компьютера, демодулируют, находят производную по времени от сигнала пульса, нормируют на соответствующие максимальные значения сигнал и производную от сигнала, значения которых в каждый момент времени определяют фазовое состояние, разбив плоскость фазовых состояний на не менее чем на 225 (15×15) одинаковых ячеек, строят трехмерную гистограмму распределения фазовых состояний, попавших в определенную ячейку, за время наблюдения, затем через равный шаг в не менее чем в 5 состояний проводят секущие плоскости и определяют степень заполненности ограничивающего прямоугольника, охватывающего все ячейки, содержащие хотя бы одно фазовое состояние в этой секущей плоскости, как отношение количества непустых ячеек к полному количеству ячеек в прямоугольнике, и по полученной зависимости степени заполненности ограничивающего прямоугольника от числа фазовых состояний диагностируют наличие атеросклероза.

РИСУНКИ