Разработка реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров центральной гемодинамики

Сердечно-сосудистые заболевания являются важной медико-социальной проблемой для большинства стран мира. Актуальность ее определяется высоким уровнем заболеваемости, инвалидности и неблагоприятной тенденцией к увеличению смертности. По данным Министерства здравоохранения РФ доля смертности от сердечно-сосудистых заболеваний в России составляет более 40%, а смертность мужчин возраста 45−74 лет от сердечно-сосудистых заболеваний составляет более 80%.

Важной научной, социальной и практической задачей является создание средств и методов непрерывной количественной оценки параметров центральной гемодинамики (ЦГД) пациентов в ходе диагностики, лечения и профилактики. Сегодня в медицинской практике для этих целей широко используются портативные регистраторы электрокардиограммы (ЭКГ) и параметров артериального давления (АД), телеметрические системы мониторирования ЭКГ, а для неинвазивных количественных измерений объемных показателей центрального кровообращения используется, в основном, стационарное оборудование на основе эхокардиографиче-ского и, в последнее время все чаще, импедансного методов. Методы дистанционного мониторинга таких параметров ЦГД как ударный выброс (УВ) и минутный объем кровообращения (МОК), позволяющие оценивать переносимость физических нагрузок, степень сердечной недостаточности в процессе лечения, в том числе у больных с имплантированными электрокардиостимуляторами (ЭКС), не разработаны.

Данная работа является продолжением исследований по развитию неинвазивных импедансных методов диагностики, проводимых отечественными и зарубежными учеными, в том числе учеными медико-технической школы МГТУ им. Н. Э. Баумана под руководством д.т.н., проф. Щукина С. И. (Морозов A.A., 1994; Зубен-ко В.Г., 1994; Беляев K.P., 1996; Мерлеев A.A., 1998; Светашев М. Г., 1999), и отражает основные результаты проектирования и клинических исследований новой биотехнической системы (БТС) для дистанционного мониторинга параметров ЦГД, сочетающей в себе последние достижения микроэлектроники и современные технологии беспроводной передачи цифровых данных.

Отсутствие среди систем удаленного мониторинга в кардиологии аппаратуры для дистанционного анализа импедансных реокардиограмм объясняется, в первую очередь, технической сложностью создания портативных импедансных измерительных преобразователей с высокими метрологическими характеристиками и широким динамическим диапазоном регистрируемых импедансных реокардиограмм, что особенно актуально для условий естественной подвижности пациента.

Метрологические характеристики импедансных измерительных преобразователей определяются, главным образом, качеством генераторов зондирующих токов и селективными свойствами детекторов реографических сигналов, поэтому разработка новых цифровых методов синтеза зондирующих токов и синхронного детектирования импедансных реокардиограмм, позволяющих обеспечить высокую точность регистрации базового импеданса и его пульсовой составляющей с помощью портативной реокардиомониторной системы является первостепенной задачей. Кроме того, большой объем передаваемой информации от портативного реокар-диомонитора, а также доступная в настоящее время скорость беспроводной передачи данных требует разработки оригинальных схемотехнических решений с целью сокращения количества телеметрических данных.

Существенное влияние на результаты мониторинга с помощью биотелеметрической системы оказывает достоверность оцениваемых параметров в случае возникновения потерь передаваемых данных. На сегодняшний день не исследованы возможности методов восстановления пропущенных значений применительно к сигналам peoи электрокардиограмм, что не позволяет определить наиболее эффективные алгоритмы коррекции искаженных сигналов.

Таким образом, разработка реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД, поиск путей повышения метрологических характеристик портативного импедансного измерительного преобразователя, разработка методов восстановления пропущенных отсчетов сигналов реокардиограмм и ЭКГ являются актуальными научно-техническими задачами медицинского приборостроения.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД. В задачи диссертации входило:

1. Разработка структурной схемы БТС дистанционного мониторинга параметров ЦГД.

2. Анализ современного уровня развития биотелеметрических систем (БТМС) и разработка основных требований к характеристикам портативного импедансного измерительного преобразователя, приемопередающего устройства и радиотелеметрического протокола передачи данных.

3. Разработка и исследование эффективных методов цифрового синтеза зондирующих токов и синхронного детектирования сигналов реокардиограмм.

4. На основе анализа методов кодирования дискретных сообщений разработка эффективного радиотелеметрического протокола передачи данных, позволяющего осуществлять одновременный мониторинг группы пациентов.

5. Разработка и исследование эффективных методов восстановления пропущенных значений в сигналах реокардиограмм и ЭКГ.

6. Клиническое исследование эффективности созданной реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД.

Используемые в работе методы основаны на применении теории биотехнических систем, биотелеметрии, математического моделирования, электроники и цифровой техники, программирования и использования систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана структурная схема БТС дистанционного мониторинга параметров ЦГД одновременно до 4-х пациентов.

2. На основе проведенных исследований разработаны методы формирования зондирующих токов и синхронного детектирования сигналов реокардиограмм, позволяющие уменьшить действующее значение приведенного ко входу шума импедансного измерительного преобразователя не менее чем в 3 раза.

3. Предложены новый способ обработки импедансных реограмм и технические решения, позволяющие передавать сигнал реограммы и значение базового импеданса в едином канале, что дает возможность сократить количество телеметрических данных.

4. На основе исследований эффективности методов восстановления пропущенных значений с использованием нерекурсивных цифровых фильтров определены оптимальные алгоритмы для коррекции сигналов peoи электрокардиограмм в случае потерь телеметрических данных. Установлено, что возникающая при этом погрешность восстановления сравнима с уровнем собственных шумов разработанного портативного импедансного измерительного преобразователя.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Практическая значимость работы заключается в разработке новой реокардио-графической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД. Обладая широкими функциональными возможностями и малыми массо-габаритными параметрами, разработанный портативный реокардиомонитор по ряду метрологических характеристик не уступает стационарным системам, например, по приведенному ко входу значению шума импедансного измерительного преобразователя, а по некоторым параметрам, таким как диапазон регистрируемых реокардиограмм превосходит их, что особенно актуально в условиях двигательной активности пациента.

Предложен радиотелеметрический протокол передачи данных, позволяющий осуществлять одновременный мониторинг до 4-х пациентов на фиксированной несущей частоте приемопередающего устройства.

По результатам клинических исследований показано, что мониторирование параметров ЦГД с помощью радиотелеметрической реокардиографической системы повышает качество жизни пациента в процессе обследования и позволяет количественно оценить реакцию сердечно-сосудистой системы пациента на нагрузочные тесты, установить эффективность используемого режима стимуляции и проводимой терапии у больных с имплантированными электрокардиостимуляторами.

Результаты работы внедрены в практику отделения электрофизиологических исследований 52 КДЦ МО РФ и в учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Апробация работы. Апробация работы проведена на базе отделения электрофизиологических исследований 52 КДЦ МО РФ и на базе факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика — 2001» [61], 5-ой Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» [49], 4-ой научно-технической конференции «Медтех — 2002» [8].

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ [8,41,42,49,52,53,61].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 98 наименований и 1 приложения. Основное содержание работы изложено на 124 страницах, содержит 62 рисунка и 12 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате анализа медико-технических средств и современного состояния проблемы показана актуальность и практическая значимость создания реокардио-графической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД. Разработана БТС дистанционного мониторинга параметров ЦГД. Разработаны основные технические требования к портативному импедансному измерительному преобразователю, приемопередающему устройству и радиотелеметрическому протоколу передачи данных.

2. Предложен метод цифрового синтеза зондирующих токов, позволяющий получать трехуровневые зондирующие токи с близкой к гармонической формой и с высокой частотной стабильностью. Предложен метод синхронного детектирования сигналов реокардиограмм со стробированием по периоду пятой гармоники зондирующего тока, что в комплексе с новым методом синтеза зондирующих токов позволяет уменьшить действующее значение приведенного ко входу шума импеданс-ного измерительного преобразователя более чем в 3 раза.

3. С учетом основных технических требований разработана структурная схема портативного импедансного измерительного преобразователя и схема электрическая принципиальная портативного реокардиомонитора с использованием оригинальных схемотехнических решений и современной микроэлектронной техники. Предложен радиотелеметрический протокол передачи данных, позволяющий осуществлять одновременный мониторинг до 4-х пациентов.

4. Создан действующий макет реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД. Обладая широкими функциональными возможностями и малыми массо-габаритными параметрами (158×95×33 мм, 350 г), разработанный портативный реокардиомонитор по ряду своих метрологических характеристик не уступает стационарным системам, например, приведенный ко входу шум импедансного измерительного преобразователя не превышает 0,5 мОм, а по ряду параметров, таких как диапазон регистрируемых реокардиограмм (± 2 Ом) превосходит их, что особенно актуально в условиях повышенной двигательной активности пациента.

5. Исследованы свойства НРЦФ при решении задач восстановления пропущенных значений в сигналах ЭКГ и реокардиограмм. Показано, что для сигналов ЭКГ разрядностью 16 бит и частотой дискретизации до 800 Гц следует использовать 4-х точечный НРЦФ для восстановления пропущенных значений, а для сигналов реокардиограмм разрядностью 16 бит и частотой дискретизации до 400 Гц — 2-х точечный. Показано, что адаптивные алгоритмы позволяют повысить эффективность восстановления пропущенных значений, однако в отличие от неадаптивных алгоритмов, требуют больших вычислительных затрат.

6. По результатам клинических исследований показано, что мониторирование параметров ЦГД с помощью радиотелеметрической реокардиографической системы повышает качество жизни пациента в процессе обследования и позволяет количественно оценить реакцию сердечно-сосудистой системы пациента на нагрузочные тесты, установить эффективность используемого режима стимуляции и проводимой терапии у больных с имплантированным ЭКС. Совместно с ведущими специалистами 52 КДЦ МО РФ предложен алгоритм использования разработанной реокардиомониторной системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД у больных с имплантированными ЭКС.

7. Результаты разработки реокардиографической системы для дистанционного мониторинга параметров ЦГД внедрены в практику отделения электрофизиологических исследований 52 КДЦ МО РФ и в учебный процесс факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана.