Разработка методов и средств повышения достоверности измерения длительности фазы быстрого изгнания в структуре сердечного цикла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Мамбергер, Константин Константинович

• Мамбергер, Константин Константинович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мамбергер, Константин Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ФАЗУ БЫСТРОГО ИЗГНАНИЯ В СЕРДЕЧНОМ ЦИКЛЕ.

1.1 Проблема определения критериев для измерения длительности фазы быстрого изгнания.

1.2 Обзор возможностей серийно выпускаемой аппаратуры, позволяющей регистрировать параметры, характеризующие фазу быстрого изгнания.

Глава 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ

ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ БЫСТРОГО ИЗГНАНИЯ КРОВИ В АОРТУ.

2.1. Обоснование выбора зоны регистрации ЭКГ и числа каналов.

2.2. Источники погрешности измерения длительности фазы быстрого изгнания.

2.3. Выбор критериев регистрации начала и конца фазы быстрого изгнания.

2.4. Математическая модель расчета гемодинамических параметров сердца.

2.5. Влияние компенсационного механизма на функционирование фазы быстрого изгнания.

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ФАЗЫ БЫСТРОГО ИЗГНАНИЯ (ОТКРЫТИЯ КЛАПАНА АОРТЫ).

3.1 Запись электрокардиограммы.

3.2 Фильтрация сигнала электрокардиограммы.

3.3 Распознавание элементов электрокардиограммы, измерение диапазонов, расчет параметров.

3.4 Использование возможностей вейвлет-анализа в выделении особенностей при анализе электрокардиографических данных.

3.4.1. Обработка записанных электрокардиограмм.

3.4.2 Выделение областей вейвлет-спектра.

3.4.3 Фильтрация электрокардиограмм вейвлет-фильтрами.

3.4.4. Нормализация базовой линии ЭКГ.

3.4.5. Использование вейвлет-фильтра при анализе электрокардиограмм.

3.4.6. Адаптивные методы фильтрации.

3.5 Алгоритм распознавания характерных элементов ЭКГ.

Глава 4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ФАЗЫ БЫСТРОГО ИЗГНАНИЯ.

4.1. Общая схема системы для измерения длительности фазы быстрого изгнания.

4.2. Алгоритм автоматического определения границ фазы быстрого изгнания.

Глава 5. КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

ФАЗЫ БЫСТРОГО ИЗГНАНИЯ.

5.1. Клинические исследования фазы быстрого изгнания в норме и при различных патологиях.

5.2 Исследование влияния имитации невесомости на гемодинамику.

5.2.1 Явление раздвоения, смещения и сжатия волны Т на ЭКГ, характеризующие изменения насосной функции аорты.

5.2.2 Взаимосвязь раздвоения волны Т с изменением SV.

5.2.3. Явление смещения и сжатия волны Т.

5.2.4 Отсутствие роста АД в фазе быстрого и медленного изгнания на PEO, характеризующее уменьшение общего сопротивления сосудов кровотоку.

5.2.5 Восстановление фазовых АД в конце эксперимента, как результат воздействия инфузий.

5.3 Данные фазового анализа у спортсменов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств повышения достоверности измерения длительности фазы быстрого изгнания в структуре сердечного цикла»

Актуальность работы

Интенсивное изучение механизма работы сердца ведется с начала прошлого века. Получение новых данных о работе сердца, до определенного времени было напрямую связано с уровнем развития техники. Однако, с появлением компьютерной техники, позволяющей обрабатывать большие объемы информации, прогресс открытия нового в механизме работы сердечно - сосудистой системы замедлился. Причиной формирования такого парадоксального явления послужила возможность всесторонней проверки ряда постулатов сложившейся парадигмы в кардиологии. Существующая противоречивость понятий критериев оценки функционирования сердца, служивших длительное время врачам основой в постановке диагноза и принятий решений в лечении патологий, не позволяет снизить клинические риски заболеваемости, которые продолжают количественно расти. Показатели заболеваемости сердечно - сосудистой системой указывают на все более ранний возраст проявления кардиологических патологий.

Причин такого развития кардиологии много. Одной из первых нужно отметить отсутствие корректных математических моделей функционирования сердечно - сосудистой системы, отражающих основные свойства сердечнососудистой системы, и устанавливающих причинно -следственные связи между гемодинамикой и функциями отделов сердца. До сих пор нет целостного объяснения связи анатомии сердца и его функций.

Последние исследования показали перспективность использования фазового анализа сердечного цикла для установления причинно -следственных связей, между функциями и патологией различных частей сердца.

Особое место в фазовом анализе занимает фаза быстрого изгнания, отражающая совокупный результат работы всех других девяти фаз сердечного цикла [1]. Формирующийся в ней ударный объем крови, является сегодня основным критерием диагностики, используемым для оценки гемодинамики различными медицинскими приборами и системами.

Существующие теоретические противоречия, явились причиной получения на практике разными методами исследования различных величин ударного объема крови. Учитывая, что другие гемодинамические параметры на практике широко не используется, а не инвазивные критерии получения величины объема крови в фазу быстрого изгнания вообще изучены мало, данная проблема требует дополнительных исследований. Получение адекватных методов измерения фазовых объемов крови, характеризующих механизм гемодинамики, позволит в значительной степени повысить эффективность диагностики и контроля лечения в кардиологии, что сегодня является актуальным.

Целыо работы является разработка метода, средств и алгоритмов повышения достоверности измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту в структуре сердечного цикла, обеспечивающих повышение качества измерения объема крови в фазе быстрого изгнания, прогнозирования и диагностики соответствующих классов заболеваний и повышения надежности диагностических систем за счет современных информационных технологий. В соответствии с поставленной целыо были определены следующие основные задачи работы:

1. На основе анализа известных методов измерения объема выброса крови в аорту разработать метод измерения объема выброса крови в аорту в фазе быстрого изгнания;

2. Разработать способ повышения достоверности его измерения;

3. Определить критерии начала фазы быстрого изгнания крови в аорту;

4. Определить критерии конца фазы быстрого изгнания крови в аорту ;

5. Разработать способ контроля определения начала и конца фазы быстрого изгнания крови в аорту путем одновременной регистрации электрокардиограммы и реограммы;

6. Разработать метод измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту;

7. Разработать алгоритм измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту по ЭКГ;

8. Разработать алгоритм расчета объема крови поступающего в аорту в фазу быстрого изгнания;

9. Разработать прибор для исследования величины объема выброса крови в аорту в фазу быстрого изгнания;

10.Разработать методику определения достоверности измерения объема крови в структуре сердечного цикла на основе сравнения результатов расчета гемодинамических параметров с известными инвазивными и не инвазивными методами исследований.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на принципах математического анализа и физического моделирования. Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

• Критерии фиксации начала фазы быстрого изгнания крови в аорту;

• Критерии фиксации конца фазы быстрого изгнания крови в аорту;

• Математическая модель расчета гемодинамических параметров сердца, на основе метода измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту по выделенным ключевым точкам цикла ЭКГ;

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту по ЭКГ;

2. Разработан алгоритм расчета объема крови поступающего в аорту в фазу быстрого изгнания;

3. Разработан прибор для диагностики сердечнососудистой системы, в том числе и для измерения объема выброса крови в аорту в фазу быстрого изгнания, обеспечивающий высокую эффективность при практическом использовании в различных медучреждения и в условиях экстренной медицины. Реализация и внедрение результатов исследований: Основные теоретические и практические результаты работы использованы:

• В проекте «Разработка гемодинамического анализатора компьютерного» в НТ ООО «Кардиокод»;

• В клинической практике в Ростовском Областном Центре Кардиологии и сердечно-сосудистой хирургии г.Ростов-на-Дону;

• Внедрены в учебный процесс кафедры ЭГАиМТ ЮФУ; Разработанный прибор имеет:

• Регистрационное удостоверение Минздравсоцразвития РФ о серийном производстве прибора № ФС 02262006/3819-06 от 9 августа 2006 г.

• Верификационный сертификат CP 093211-1V от 17 ноября 2009 г. стран ЕС признания соответствия прибора Кардиокод директиве медицинского приборостроения 93/42 EEC и разрешения продаж в странах Европы.

Прибор «Кардиокод» одобрен к серийному производству (ТУ 9441001-73270813-2006).

Публикации. По результатам диссертационной работы сделано 12 публикаций, 5 из них в изданиях, включенных в Перечень ВАК. Получено 3 патента на изобретение и 1 свидетельство на регистрацию программы. Статьи в журналах из списка ВАК:

1. М. Ю. Руденко, К. К. Мамбергер, Д. Ф. Македонский, С. М. Руденко. Критерии возникновения внезапной сердечной смерти// Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - №7. - С.20-23.

2. М. Ю. Руденко, К. К. Мамбергер, Д. Ф. Македонский, С. М. Руденко. Функциональная связь синоатриального узла правого предсердия с барорецепторами низкого давления аорты // Известия ЮФУ.

Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - № 7. - С.23 -29.

3. Мамбергер К.К., Руденко С.М., Македонский Д.Ф. Критерии возникновения внезапной сердечной смерти.// Вестник аритмологии. Специальный выпуск - Москва, 2009. - С. 64 - 65.

4. Д. Ф. Македонский, К.К. Мамбергер, С.М. Руденко, М.Ю. Руденко. Обработка медико-биологических сигналов с помощью математических производных// Известия ТРТУ. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. Т. 40. № 5. С. 170-174.

5. Д. Ф. Македонский, К.К. Мамбергер, С.М. Руденко, М.Ю. Руденко. Закономерность взаимозависимого изменения амплитудно-фазовых режимов работы сердца как механизма саморегуляции гемодинамики// Известия ТРТУ. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. Т. 41. № 6. С. 98-10. Публикации в других изданиях:

6. Vladimir Fedorov, Konstantine Mamberger. Wavelet transform procedure as the basis for complete automatic interpretation of the cardiac cycle phase structure; in e-Journal Cardiometry No-1, 2012; C. 125-131.

7. Konstantine Mamberger. General problems of metrology and indirect measuring in cardiology: error estimation criteria for indirect measurements of heart cycle phase durations; in e-Journal Cardiometry No.l, 2012; C. 152165.

8. M.Rudenko, V.Zernov, D.Makedonsky, K.Mamberger, O.Voronova, S.Kolmakov, S.Rudenko,. Theoretical Principles of Heart Cycle Phase Analysis. Frankfurt A.M. - Miinchen - London - New York. Frankfurteriteraturverlag. - 2009. - 336 C.

9. M.Rudenko, S.Kolmakov, K.Weber, O.Voronova.,V.Zernov, S.Rudenko, K.Mamberger, D.Makedonsky "Innovation in cardiology. A new diagnostic standard establishing criteria of quantitative & qualitative evaluation of main parameters of the cardiac & cardiovascular system according to ECG and

Rheo based on cardiac cycle phase analysis" (npre.2009.3667.1).Nature Precedings.

O.O. Воронова, В. Зернов, С. Колмаков, К. Мамбергер, Д. Македонский, М. Руденко, С. Руденко. Фазовый анализ сердечного цикла в точном измерении объемных гемодинамических параметров косвенным методом// Поликлиника. ООО Медицинская пресса. -Москва: Изд-во Поликлиника, 2008. - №6. - С. 56-58. П.Воронова O.K., Зернов В.А., Колмаков C.B., Македонский Д.Ф., Мамбергер К.К., Руденко М.Ю., Руденко С.М. Теоретические основы фазового анализа сердечного цикла. - Москва, Хельсинки: Изд-во ИКМ, 2007.-336 С.

12.М.Ю. Руденко, К.К. Мамбергер, Д.Ф. Македонский, O.K. Воронова, Г.М. Поединцев, В.А. Зернов, Руденко С.М., Фазовый Анализ сердечного цикла и диагностика прибором «Кардиокод». Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2005. -54 С.

Патенты и свидетельства:

13.Патент № 2282393. Способ измерения длительности фаз сердечного цикла и устройство для его реализации / К.К. Мамбергер,С.М. Руденко,

B.А. Зернов, Д.Ф. Македонский/ Заявл. 11.11.04; Опубл. 03.03.06, Бюл. № 1.; Приоритет 11.11.04, А - 61 (Россия). - 27с.

14.Патент № 2345709. Способ синхронной регистрации реограммы с электродов ЭКГ и устройство для его реализации. / К.К. Мамбергер,

C.М. Руденко, В.А. Зернов, М.Ю. Руденко, Д.Ф. Македонский, Воронова O.K., Колмаков C.B./ Опубл. 10.02.09, Бюл. № 4.; А - 61В (Россия).

15.Патент № 74283. Устройство для регистрации ЭКГ и PEO / К.К. Мамбергер,С.М. Руденко, В.А. Зернов, М.Ю. Руденко, Д.Ф. Македонский, Воронова O.K., Колмаков C.B./ Опубл. 27.06.08, Бюл. № 18.; А-61В (Россия).

16.Свидетельство №2007613628 об официальной регистрации программы для ЭВМ./ К.К. Мамбергер, С.М. Руденко, В.А. Зернов, М.Ю. Руденко, Д.Ф. Македонский, Воронова O.K., Колмаков C.B. Зарегестрировано 24.08.2007.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

• Способ повышения достоверности измерения объема крови в фазе быстрого изгнания;

• Метод измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту;

• Критерий фиксации начала и конца фазы быстрого изгнания крови в аорту;

• Математическая модель расчета гемодинамических параметров сердца, на основе метода измерения длительности фазы быстрого изгнания крови в аорту по выделенным ключевым точкам цикла ЭКГ; Достоверность результатов.

Определяется применением современных методов исследования, использованием метрологически аттестованной измерительной техники, воспроизводимостью характеристик исследуемых объектов, экспериментальной проверкой и согласованием полученных в работе результатов с известными из научной литературы данными.

Метод и прибор защищен патентом № 2282393 «Способ измерения длительности фаз сердечного цикла и устройство для его реализации».

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации были доложены на конференциях, лекциях и семинарах, в частности: в институте медицинской физиологии Венского университета, 2004; Технопарк «Техния» г. Куопио, 2005; 10 -м конгрессе «Кардиология - 2008» в г. Москве; 11-м конгрессе «Кардиология - 2009» в г. Москве; 7 -м съезде кардиологов ЮФО, г.Ростов, 2008; 3- м всероссийском конгрессе «Клиническая электрокардиография», г.Санкт-Петербург, 2009; ESC Congress 2012, Munich - Германия; ICE (International Society of Electrocardiology) Beijing, Китай, 2012; III Всероссийская научно-практическая конференция «Спортивная медицина. Здоровье и физическая культура», Сочи, 2012; Влияние космической погоды на человека в космосе и на Земле Москва, 2012; XVI Ежегодная сессия НЦССХ, Москва, 2012; 13-й Конгресс РОХМиНЭ; 5-й Конгресс «Клиническая электрокардиология»,

Калининград, 2012; ESC Working group e - Cardiology 1st scientific symposium on e-Cardiology 2012, Osijek, Хорватия, 2012; ESC & Higher Colleges of Technology 4th International Conference on Drug Discovery and Therapy, Дубай, 2012.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, шести приложений, библиографического списка, имеющего 100 наименований. Общий объем диссертации - 136 страниц, 74 рисунка, 3 таблицы. Список используемых сокращений 1111Ж - поздние потенциалы желудочков; ГДА - гемодинамический анализ; EASI -трех канальный метод расстановки электродов; ЭКГ -электрокардиограмма; РЕО - реограмма; АД - артериальное давление.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Мамбергер, Константин Константинович

Выводы к главе 5.

1. Проведенные клинические исследования фазы быстрого изгнания в норме и при различных патологиях подтвердили все расчетные характеристики;

2. В работе прибор показал соответствие высоким эксплуатационным требованиям, таким как: эффективность и надежность получения информации, простота пользования, мобильность.