CC BY
40
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
2!
УДК 615.47:616-072.7 Ч. Т. Нгуен, З. М. Юлдашев
Носимая система для предупреждения у пациента мерцательной аритмии
Ключевые слова: мерцательная аритмия, мониторинг, предупреждение, носимая система, метод, алгоритм, достоверность прогнозирования.
Keywords: atrial fibrillation, monitoring, prevention, portable system, meth-od, algorithm, prognostication reliability.
Предложены структурная схема носимой системы, методика обработки биомедицинских сигналов и предупреждения у пациента мерцательной аритмии, алгоритм работы микропроцессорной системы. Используемые технические решения направлены на повышение достоверности прогнозирования мерцательной аритмии.
Мерцательная аритмия является одним из распространенных нарушений сердечной деятельности, основной причиной тромбообразования и тром-боэмболий, приводящих к ишемии сосудов сердца и головного мозга. Статистика смертности по причине рецидивов мерцательной аритмии неутешительна. С возрастом заболеваемость мерцательной аритмией возрастает: к 60 годам болезнь охватывает более 5 % населения.
Существуют проблемы диагностики и прогнозирования болезни в условиях повседневной жизнедеятельности человека при отсутствии ограничений на двигательную активность. Мерцательная аритмия развивается постепенно и незаметно. Через несколько приступов мерцания у пациентов устанавливаются хроническая или персистирующая формы, которые чреваты негативными последствиями [1]. Проблемы диагностики, мониторинга и прогнозирования болезни усугубляются проблемами регистрации электрокардиографического сигнала (ЭКС) в условиях помех, обусловленных двигательной активностью пациента, влиянием комплекса факторов на состояние сердечно-сосудистой системы. Известны разработки носимых микропроцессорных систем для предупреждения различных заболеваний [2, 3]. Однако системы предупреждения мерцательной аритмии, к сожалению, не обеспечивают высокой надежности и достоверности выявления аритмии [4].
Цель работы — разработка структуры носимой системы, методов и алгоритмов обработки сигналов для выявления мерцательной аритмии, обеспечивающих высокую эффективность медицинской диагностики.
Анализ функциональных возможностей известных систем диагностики мерцательной аритмии
выявил существенное снижение эффективности диагностики при сокращении интервалов времени анализа ЭКС до 1 мин. В то же время развитие мерцательной аритмии носит стремительный характер, для своевременного устранения мерцания предсердий пациенту необходимо своевременно использовать лекарственные средства. В этой связи для повышения достоверности диагностики мерцательной аритмии в носимую систему мониторинга наряду с каналом регистрации ЭКС предлагаем дополнительно включить пьезоэлектрический канал регистрации пульса и канал регистрации фотопле-тизмограммы для оценки состояния периферического кровообращения, использовать комплексную обработку биомедицинских сигналов в соответствии с предлагаемым алгоритмом.
Известно, что характерными признаками мерцательной аритмии являются дефицит пульса, выпадение зубцов Р на ЭКС, появление на изолинии /-волн, характеризующихся значительной вариабельностью амплитуды, изменения параметров объемного пульса.
С учетом сказанного нами предлагается структурная схема носимой системы мониторинга мерцательной аритмии, которая обеспечит обработку регистрируемых сигналов в целях оценки перечисленных признаков нарушения (рис. 1).
Система содержит три канала регистрации биомедицинских сигналов: канал регистрации ЭКС, включающий электроды (Э) и усилитель биопотенциалов (УБП), канал регистрации пульса, включающий пьезоэлектрический датчик (ПД) и усилитель (У1), и канал регистрации фотоплетизмограм-мы, включающий оптический датчик на оптроне (ОД) и усилитель (У2). Регистрируемые сигналы поступают на микроконтроллер (МК), содержащий в своей структуре аналоговый коммутатор и аналого-цифровой преобразователь. Микроконтроллер осуществляет также импульсную засветку свето-диода оптрона в целях обеспечения качественной регистрации фотоплетизмограммы в условиях помех и шумов.
Микроконтроллер осуществляет предварительную обработку регистрируемых сигналов, их циф-
21
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
Э УБП мК
ПД У1
ОД У2
смп
КВТ
св
смв
Рис. 1
Структурная схема носимой системы для прогнозирования мерцательной аритмии
ровую фильтрацию. Эти сигналы далее через контроллер Bluetooth (КВТ) поступают на смартфон пациента (СМП) для дальнейшей обработки, оценки диагностически значимых показателей в целях выявления мерцательной аритмии в соответствии с алгоритмом, который будет рассмотрен далее. Следует отметить, что каналы регистрации сигналов включаются поэтапно — при появлении тех или иных признаков нарастания мерцательной аритмии, что обусловлено необходимостью энергосбережения и обеспечения продолжительной автономности системы. На первом этапе включается только канал регистрации ЭКС. На этом этапе оцениваются частота сердечных сокращений (ЧСС) и вариабельность сердечного ритма (ВСР). При достижении этих показателей индивидуальных пороговых уровней, характерных для конкретного пациента, включается канал регистрации частоты пульса (ЧП). На втором этапе оценивается дефицит пульса (ДП). При превышении текущего значения ДП порогового значения запускается канал регистрации фотоплетизмограммы (ФПГ). На третьем этапе осуществляется оценка на ЭКС амплитуд зубца Р и /-волн, характеристик периферического кровообращения. При установлении состояния мерцательной аритмии смартфон пациента формирует сигнал тревоги в целях информирования его о необходимости принятия лекарственных средств, рекомендованных семейным врачом (СВ), а также на смартфон врача (СмВ) передает информацию о появлении мерцательной аритмии и о показателях ВСР, ДП. Эта информация на смартфоне врача периодически обновляется, анализируется динамика ВСР и ДП в целях прогноза семейным врачом положительного или негативного развития аритмии, принятия экстренных мер по госпитализации. мониторинг состояния пациента врачом завершается при устранении мерцательной аритмии, в этом случае канал регистрации фотоплетизмо-граммы отключается, а носимая система переходит к оценке ВСР и ДП.
Для обработки и анализа биомедицинских сигналов и выявления мерцательной аритмии пред-
лагается следующий алгоритм работы системы (рис. 2).
При запуске работы носимой системы на вход аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера поступают сигналы канала регистрации ЭКС. Микроконтроллер осуществляет предварительную цифровую фильтрацию сигналов, подавление помех
1 Да г
Оценка ЧП
1 г
1 Да г
Оценка характеристик ФПГ
1 Г
Оценка амплитуды зубца Р
1
Оценка амплитуды /-волн
1
Формирование интегрального показателя СИП)
1
Формирование сигнала тревоги для пациента
Формирование сигнала тревоги для врача
Передача информации о состоянии пациента на смартфон врача
Рис. 2
Алгоритм работы носимой системы предупреждения мерцательной аритмии
№ 4(40)/2015 I
биотехносфера
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
27
и передачу цифровых отчетов сигналов на смартфон пациента СМП, который оценивает ЧСС и ВСР. При превышении ЧСС и ВСР пороговых уровней
ЧСС > ЧССП; ВСР > ВСРП
запускается канал регистрации пульса и оценивается ЧП. Очевидно, что в условиях двигательной активности пациента ЧСС и ЧП будут оцениваться с погрешностью, обусловленной влиянием факторов методического и инструментального происхождения. Третий этап работы системы запускается при выполнении условия
ЧСС - ЧП > е.
Это условие определяет появление дефицита пульса пациента при нарастании мерцательной аритмии.
При соответствии частоты пульса ЧСС с заданной погрешностью е система будет непрерывно отслеживать изменение этих параметров в интервале наблюдения 1 мин. При снижении ЧП от ЧСС более чем на е запускается канал регистрации ФПГ, оцениваются амплитуда зубца Р ЭКС, амплитуда /-волн, формируется интегральный показатель, который учитывает изменение параметров объемного кровотока периферического кровообращения, динамику изменения мощности зубцов Р ЭКС и /-волн. В том случае, когда изменение интегрального показателя не превышает порогового уровня X, что означает появление незначимых для здоровья пациента изменений в деятельности сердца, система мониторинга вернется к режиму контроля ЧСС и ВСР. Значение порогового уровня X должно учитывать погрешности оценки показателей: шумы и помехи регистрации сигналов от пациента, двигательную активность и ограниченную адекватность используемой модели, описывающей развитие мерцательной аритмии. При превышении изменения интегрального показателя уровня порога X система формирует сигнал тревоги для пациента с напоминанием о необходимости приема прописанных семейным врачом лекарственных средств для снятия аритмии, информирует лечащего врача о приступе аритмии у его пациента, периодически (каждые 5 мин) передает на смартфон врача показатели ЧСС, ВСР, ЧП, объемного кровотока в целях выявления динамики развития аритмии. При положительной динамике улучшения ритма серд-
ца пациента, вызванного приемом лекарственных средств, система переходит в режим мониторинга ЧСС и ЧП. Этот процесс может быть длительным и определяется лечащим врачом. Если нет необходимости в мониторинге, врач завершает работу системы.
Выводы
1. В целях повышения надежности и достоверности контроля мерцательной аритмии в условиях свободной двигательной активности пациента носимая система мониторинга должна включать каналы регистрации ЭКС и показателей периферического кровообращения.
2. В целях снижения энергозатрат и обеспечения продолжительной автономности носимой системы мониторинга включение каналов регистрации сигналов должно осуществляться поэтапно — с учетом динамики развития аритмии.
3. Пороговые показатели изменения режимов мониторинга должны учитывать индивидуальные особенности заболевания пациента, учитывать ограничения, накладываемые на модель развития мерцательной аритмии, погрешности оценки показателей деятельности сердечно-сосудистой системы и периферического кровообращения в условиях двигательной активности пациента.
4. В целях достоверной классификации мерцательной аритмии необходимо оценивать и учитывать комплекс показателей, характеризующих деятельность сердца и периферическое кровообращение пациента.
Литература
1. AHA/ACC/HRS Guideline for the man-agement of patients with atrial fibrillation: executive summary — a report of the American College of Cardiology / T. J. Craig, L. S. Wann, S. A. Joseph [et al.]. American Heart Association Task Force on Practice Guideline and the Heart Rhythm Society // Journ. of the American College of Cardiology. 2014. Vol. 64, N 21. P. 2246-2280.
2. Пустозеров E. А., Юлдашев 3. M. Дистанционный мониторинг состояния больных сахарным диабетом // Мед. техника. 2014. № 2 (284). C. 15-19.
3. Пустозеров E. А., Юлдашев 3. M. Система mHealth для информационной поддержки больного сахарным диабетом// Биотехносфера. 2013. № 1 (25). С. 39-44.
4. Макаров Л. M. Холтеровское мониторирование. 3-е изд. М.: Мед-Практика-М, 2008. 456 с.
