ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИЦИНСКОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЭФКР-4 В ЛЕЧЕБНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

А.Н. Тушев

Медицинский диагностический комплекс ЭФКР-4 разработан в 1993 году в центре "Медицина и электроника" при АГТУ, под руководством профессора А.Г. Якунина. К 1999 году ЭФКР-4 используется в 30 лечебных учреждениях Алтайского края в кабинетах функциональной диагностики [1,2]. Разработанный комплекс многофункционален и позволяет проводить широкий спектр кардиографических, реографических, фонокардиографических и спирометрических исследований.

В первых вариантах комплекса использовался отечественный компьютер УКНЦ, причем в ряде учреждений он используется до сих пор (городские поликлиники №1, №3, и др.). В 1994 году было разработано программное обеспечение для IBM-совместимых компьютеров, более совершенное из-за большей мощности процессора и большей оперативной памяти. С 1995 года распространяется только данный вариант комплекса.

Рис.1. Внешний вид диагностического

комплекса ЭФКР-4.

1-электронный блок комплекса, 2-первичный преобразователь давления для спирометрии, 3-калибровочное устройство для спирометрии

Кабинеты функциональной диагностики в лечебных учреждениях предназначены для анализа жизнедеятельности важных органов и систем тела человека, в частности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, кровенаполнения сосудов головного мозга и других органов, анализа мозговых процессов в коре головного мозга и др. В поликлиниках существует реестр необходимых диагностических процедур, проводимых в кабинетах функциональной диагностики. Вместе с тем, в связи с экономическими трудностями, многие поликлиники вынуждены использовать громоздкое устаревшее оборудование, а некоторые исследования не проводить совсем.

Сложные диагностические приборы, такие как томографы, рентгеновские аппараты, ультразвуковые датчики, возможно создать лишь на современном дорогостоящим оборудовании в заводских условиях. Однако, подобные устройства невозможно использовать для массовых обследований населения по экономическим причинам. Существует ряд хорошо известных простых методов, позволяющих, тем не менее, достаточно надежно диагностировать широкий класс заболеваний. Эти методы и предназначены для массовых скрининговых исследований. Изготовление устройств, обеспечивающих проведение подобных исследований, доступно небольшой лаборатории, а применение современной электронно-вычислительной техники позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели разрабатываемых приборов, по сравнению с ранее сделанными аналогами. Рассмотрим основные диагностические процедуры, выполняемые разработанным комплексом ЭФКР-4 и особенности их проведения.

Заметим прежде всего, что все регистрируемые сигналы преобразуются в цифровую форму и передаются в компьютер через последовательный порт, поэтому не требуется никакого изменения конфигурации компьютера. Максимальная частота передачи через последовательный порт равная 115 кБод, обеспечивает необходимую частоту дискретизации, которая меняется, в зависимости от исследования, от 360 Гц, до 2,8 кГц. Благодаря компьютерной обработки сигналов становится возможным использование мощных цифровых методов фильтрации в дополнение к аналоговым, а также автоматизация расчета медицинских показателей и построение диагностических заключений.

Наиболее широко используемым методом для исследования сердца является электрокардиография (ЭКГ), т.е. регистрация разности потенциалов с рук, ног и грудной клетки, которая отражает электрическую активность сердца в динамике его работы. Уровень регистрируемых сигналов составляет 1-2 мВ. Для медицинской диагностики различных заболеваний общепринятой является запись 12 кардиологических отведений: стандартных: I, II, III; усиленных: aVL, aVR, aVF; и грудных: V1, V2, V3, V4, V5, V6. Двенадцатиканальный кардиограф, регистрирующий одновременно все отведения, является достаточно дорогим устройством. Поэтому в большинстве поликлиник используются шести-, трех- и одноканальные кардиографы. Дело в том, что кардиологический сигнал в обычных условиях является достаточно устойчивым и поэтому регистрацию недостающих отведений можно выполнять в последовательные моменты времени, переставив электроды или переключив точки измерения разности потенциалов внутри кардиографа. Прибор ЭФКР-4 позволяет выполнять одновременную регистрацию 12 отведений и с помощью специальной программы позволяет выполнять стандартные скрининговые исследования, которых в поликлиниках бывает до 50 в день.

К сожалению применение стандартной кардиографической процедуры в поликлиниках выявило ряд недостатков в ее работе, связанных с используемыми матричными принтерами. Стандартная скорость продвижения бумаги при записи ЭКГ самописцами равна 50 мм/с и при моделировании такой скорости печати на принтере время печати сигналов значительно превышает время аналоговой регистрации. Кроме этого, 9-игольча-тые принтеры не обеспечивают требуемую разрешимость, из-за чего не всегда легко обнаружить границы P-зубца, а на QRS-комплексе наклонные линии выглядят иногда изломанными, создавая впечатления наличия дополнительного зубца R'. Указанных недостатков полностью лишены лазерные принтеры, но их стоимость пока не опустилась до приемлемого уровня. Из-за отмеченных недостатков стандартная методика регистрации ЭКГ прибором ЭФКР-4 нашла ограниченное применение и используется лишь в четырех лечебных учреждениях. Зато широкое распространение получили важные специальные методики регистрации ЭКГ: велоэргометрия (ВЭМ) и кардиоинтервалография (КИГ).

Велоэргометрия применяется в основном для выявления ишемических болезней сердца. Ишемические заболевания сердца не выявляются на обычной электрокардиограмме, их можно обнаружить лишь при динамической нагрузке на сердце. Динамическая нагрузка обеспечивается вращением педалей велотренажера с регулируемым усилием, а выявление ИБС происходит по отклонению S-T сегмента ЭКГ относительно изолинии, а также по изменениям формы кривой ЭКГ.

Особенностью проведения ВЭМ является то, что в данном методе необходима одновременная регистрация всех двенадцати отведений. Кроме этого, врач должен непрерывно наблюдать на мониторе за изменениями в ЭКГ и следить за увеличением частоты сердечных сокращений (ЧСС). Очевидно, что обычные кардиографы с самописцами не подходят для проведения ВЭМ и лишь компьютерная обработка кардиографических сигналов способна обеспечить требуемые технические условия. Отмеченные выше недостатки использования матричных принтеров в данном случае не имеют существенного значения, т.к. ВЭМ выполняется максимум 2-3 раза в день и у врача достаточно времени для просмотра и печати кардиограмм.

Для проведения велоэргометрии прибором ЭФКР-4 разработана специальная программа. На рис.2 приведен пример проведения исследования.

Рис.2. Пример проведения велоэргометрии прибором ЭФКР-4

Во время работы врач на экране просматривает 4 из 12 регистрируемых отведений, которые выбираются произвольно в любой момент времени. При достижении ЧСС определенных значений и через фиксированные интервалы времени врач сохраняет для дальнейшего анализа фрагменты записанных отведений. В последних модификациях программы стало возможно автоматически определять положение S-T сегмента относительно изолинии, положение которой аппроксимируется кубическим сплайном через точки P кардиологической кривой. Задача автоматического выявления изменения S-T сегмента во время регистрации, несмотря на ее важность, пока не решена. Дело в том, что из-за неточности измерений изолинии, отклонение S-T сегмента наблюдается у здоровых людей, и лишь наличие систематических изменений формы и положения S-T сегмента свидетельствует о наличии ИБС, что определяет лишь опытный врач. Вместо автоматического распознавания отклонения S-T сегмента в реальном времени, в программное обеспечение введено другое новшество, позволяющее врачу значительно лучше вести диагностику заболеваний. Сигнал с выбранного отведения "выравнивается" по аппроксимированной изолинии и в результате он становится похожим на сигналы, снятые в спокойном состоянии. Затем выполняется его масштабирование по частоте сердечных сокращений 60 ударов в минуту На последнем этапе вычисляется усредненный сигнал по 5 последним кардиоциклам. Визуальное сравнение на экране монитора данного сигнала с аналогичным сигналом, снятым до начала процедуры имеет большую диагностическую ценность, т.к. позволяет наглядно наблюдать изменения кардиограммы при увеличении динамической нагрузки на сердце.

Наряду с велоэргометрией комплекс ЭФКР-4 позволяет проводить кардиомониторирование. В данном методе производится непрерывное наблюдение за ЭКГ больного в течение 30-60 минут. Обычно это необходимо для исследования результата применения различных лекарственных препаратов. Разработанное программное обеспечение позволяет просматривать в течение неограниченного времени 12 кардиологических отведений и записывать по команде выбранные фрагменты на жесткий диск. Поскольку кардиомониторирование выполняется в спокойном состоянии, при отсутствии мышечных шумов и дрейфа изолинии становится возможным в реальном времени автоматически определять все основные интервалы и амплитуды зубцов кардиограммы с высокой надежностью. Программным путем вычисляются: длительность и амплитуда зубца P; интервалы PQ и QT; амплитуда и длительность QRS-комплекса; амплитуда и длительность зубца T по любому отведению.

В 1996-1998 году в центре "Медицина и электроника" проводились исследования возможности построения автоматических диагностических заключений по ЭКГ. Компьютерная диагностика предполагает наличие сложной экспертной системы с большим количеством решающих правил. Создание такой системы требует нескольких десятков человеко-лет. Если ограничиться некоторыми важными классами заболеваний, хорошо определяемыми по параметрам ЭКГ, то становится возможным использование методов кластерного анализа. Главным при этом является не точное установление диагноза, а выявление наличия возможной патологии. Такая система очень полезна в здравпунктах организаций при отсутствии высококвалифицированного медицинского персонала. Снятие ЭКГ не представляет никакой сложности, а при обнаружении программой подозрения на наличие определенного заболевания, выдается рекомендация направления к кардиологу.

В результате анализа было выявлено 23 часто встречающихся заболевания, поддающиеся распознаванию по параметрам ЭКГ и была построена обучающая выборка для метода потенциальных функций. Точность распознавания заболеваний для кардиограмм, снятым прибором ЭФКР-4 в поликлиниках, составила 85% и поэтому модуль компьютерной диагностики в настоящее время включен в общую программу по электрокардиографии.

Кардиоинтервалография представляет собой вариант электрокардиографического исследования при котором в течение продолжительного времени (обычно 100 кардиоциклов) измеряется длительности R-R интервалов. График из продолжительностей R-R интервалов называется ритмограммой, которая важна для оценки жизнедеятельности сердца, особенно у детей и спортсменов. Ручное определение длительностей 100 R-R интервалов очень трудоемко и требует большого расхода специальной бумаги, на которой производится запись ЭКГ. Компьютерное построение ритмограммы очень эффективно и КИГ применяется во всех детских лечебных учреждениях, где установлен комплекс ЭФКР-4. На рис. 3 приведен пример регистрации КИГ.

Рис.3. Пример проведения КИГ

прибором ЭФКР-4

Во время регистрации врач имеет возможность непрерывно наблюдать за изменениями ЭКГ во II отведении, по которому выполняется расчет R-R интервалов. После построения ритмограммы необходимо удалить так называемые экстрасистолы и пропуски ударов пульса, которые не должны учитываться при расчете показателей. Удаление производится автоматически по значительному отклонению текущей длины R-R интервала от средней длины. Возможна и ручная корректировка манипулятором "мышь".

Характерными параметрами КИГ, вычисляемые программой, являются: мода и амплитуда моды гистограммы; вариационный размах ряда R-R интервалов; индексы напряжения сердца стоя и лежа и их отношение.

При разработке кардиографического блока комплекса ЭФКР-4 был решен ряд научных и инженерных задач, что позволило получить компактное, экономичное и надежное изделие. Цифровой характер сигналов и их компьютерная обработка сделали возможным сокращение числа регистрируемых отведений с 12 до 8. Поскольку усиленные отведения aVL, aVF, aVR и III стандартное отведение выражаются линейно через I и II отведения, аппаратно регистрируются лишь I и II отведения, а перечисленные выше отведения вычисляются программно в реальном времени. Проведенный статистический анализ ошибок показал допустимость такой замены.

Программная фильтрация делает возможным построение фильтров, труднореализуемых аппаратными средствами. Например, наиболее неприятной помехой при регистрации электрокардиографических сигналов является сетевая наводка с частотой 50 Гц..

Рис.4. Результат применения режекторного фильтра. Вверху - исходный

сигнал, внизу - после фильтрации

Несмотря на различные усилия в ее подавлении, во всех аналоговых кардиографах она проявляется в разной степени в зависимости от условий съема. Разработанный для комплекса ЭФКР-4 режекторный адаптивный цифровой фильтр практически полностью удаляет сетевую помеху, не искажая сам сигнал.

При разработке блока фильтрации для велоэргометрии возникает проблема построения аналогового фильтра нижних частот для подавления сильного дрейфа изолинии из-за движений пациента. Помеху необходимо подавлять до преобразования сигнала в цифровую форму, иначе сигнал просто выходит за динамический диапазон, а при его увеличении теряются при дискретизации важные составляющие сигнала с невысокой амплитудой. Установка простого фильтра нижних частот с частотой среза 1-2 Гц приводит к сильному искажению сигнала. Задача носит многокритериальный характер и решалась оптимизационными методами построения фильтра с требуемыми техническими условиями при максимальном сохранении формы сигнала.

Вторым по значимости методом функциональной диагностики является реография.

Реография представляет собой бескровный метод обследования общего и органного кровообращения, основанный на регистрации вызванных движением крови колебаний сопротивления живой ткани организма переменному току высокой частоты. При реографическом исследовании через участок тела человека пропускается ток высокой частоты порядка 100 кГц и малой силы - не более нескольких единиц мА. Такие токи безвредны для организма и не ощущаются исследуемым.

Полное сопротивление ткани слагается из омического и емкостного сопротивлений. Электропроводность тканей обусловлена пульсирующим артериальным кровотоком и равномерным, почти не пульсирующим кровотоком в артериолах, мелких венах, капиллярах. Применение тока высокой частоты дает возможность выделить из общего сопротивления омическую составляющую, связанную с пульсовыми колебаниями кровенаполнения. Выделение омической составляющей, ее усиление и графическая регистрация составляет сущность метода реографии. Реография подразделяется на реоэнцефалографию (РЭГ) и реовазографию (РВГ). РЭГ используется для исследования кровотоков сосудов головного мозга, а РВГ означает исследование других органов тела человека.

Поскольку регистрация РЭГ и РВГ выполняется со скоростью движения бумаги 25 мм/c и в сигнале отсутствуют высокочастотные составляющие, матричные принтеры обеспечивают допустимую скорость работы и качества печати сигналов. Поэтому реографические исследования на приборе ЭФКР-4 выполняются во всех лечебных учреждениях, где он установлен, даже в случае наличия в них промышленного реографа.

На рис.5. приведен пример регистрации реографических сигналов прибором ЭФКР-4.

Рис.5. Пример проведения РЭГ

прибором ЭФКР-4

В приборе ЭФКР-4 реализован биполярный способ проведения реографии, при котором регистрируются 2 реографических канала и 2 дифференциальных канала. В целях упрощения конструкции прибора аппаратная регистрация дифференциальных сигналов заменена их программным вычислением. Для численного дифференцирования оптимальной оказалась 5-точечная схема с фильтрацией верхних частот исходного и дифференцированного сигналов.

По выделенному врачом участку реограммы выполняется автоматическое вычисление основных диагностических показателей реографического исследования: реографические систолические и диастолические индексы (РСИ и РДИ) по правому и левому каналу, время быстрого и медленного наполнения кровью сосудами, время восходящей и нисходящей волн по каждому из каналов, дикротический индекс (ДИ), реографический коэффициент (РК) и коэффициент асимметрии между правым и левым каналами. Возможен также полуавтоматический режим в сомнительных случаях, когда врач отмечает ряд характерных точек реограммы с последующим автоматическим численным расчетом показателей.

Фонокардиографией называется инструментальный метод графической регистрации звуковых колебаний, возникающих при работе сердца. Метод был очень популярен до 80-х годов, в настоящее время считается устаревшим в связи с появлением ультразвуковых измерений (УЗИ).

Вместе с тем далеко не во всех поликлиниках имеется дорогостоящее ультразвуковое оборудование, а для массового обследования населения с целью выявления пороков сердца метод фонокардиографии является весьма полезным.

В клинической практике звуки сердца принято делить на “тоны” и “шумы”. Подавляющая часть энергии тонов приходится на частоты 150-200 Гц. Шумы образованы колебаниями более высокой частоты, достигающей 400-1000 Гц. Наличие шумов, как правило, свидетельствует о пороках сердца. Распределение энергии звуков сердца по частотам довольно резко убывает с увеличением частоты колебаний, примерно пропорционально ее квадрату.

С другой стороны, чувствительность слухового органа к звукам различной частоты значительно растет с увеличением частоты от 50 до 1000 Гц, поэтому врач одинаково хорошо может выслушивать тоны и шумы, хотя интенсивность шумов значительно уступает интенсивности тонов.

В связи с этим, при регистрации фонокардиограмм необходимо выделять высокочастотные составляющие звуковых колебаний фильтрами верхних частот. В фонокардиографии принят метод раздельной регистрации звуков различного частотного состава по 5 частотным диапазонам по Маасу-Веберу.

При разработке блока аналоговой фильтрации верхних частот для фонокардиологических сигналов прибора ЭФКР-4 было выделено общее звено фильтра второго порядка для всех частотных диапазонов, а оставшиеся звенья второго порядка были оптимизированы раздельно для каждого из диапазонов. Такое выделение общего звена позволило значительно сократить количество электронных компонентов при сохранении требуемой формы АЧХ в рабочих зонах по всем 5 частотным диапазонам.

К сожалению максимальная частота дискретизации 2,8 кГц возможна лишь при регистрации одного из 5 фоновых каналов вместе со II кардиологическим отведением, одновременная регистрация которого обязательна.

Несмотря на это, в тех поликлиниках, где отсутствует ультразвуковое оборудование, регистрация прибором ЭФКР-4 фонокардиограмм с успехом применяется в скрининговых обследованиях. На рис.6. приведен пример регистрации фонокардиограммы.

Рис.6. Пример проведения фонокардиографии прибором ЭФКР-4

Спирометрия представляет собой популярный метод функционального исследования легких путем измерения объема и скорости вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.

Традиционным методом измерения объемов воздуха является измерение перемещения подвижного конца замкнутого резервуара воздуха. В последние годы замкнутые резервуары заменяются устройствами с открытой прокачкой воздуха (рис.1.). Их преимуществами являются компактность, простота работы, отсутствие специальных средств обогащения кислородом, упрощенная дезинфекция оборудования. Для работы подобных устройств необходимы датчики измерения давления. Зависимость объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха от времени может быть получена интегрированием зависимости давления от времени. Данная операция может выполняться лишь программно при цифровой форме сигналов.

Программное обеспечение комплекса ЭФКР-4, предназначенное для проведения спирометрии, позволяет проводить 4 стандартные диагностические процедуры: равномерное дыхание с измерением дыхательного объема (ДО), частоты дыхания (ЧД) и минутного объема дыхания (МОД); определение жизненной емкости легких (ЖЕЛ); объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1) и максимальной вентиляции легких (МВЛ).

Очень важными для диагностики являются мгновенные скорости (МОС25, МОС50, МОС75), также вычисляемые автоматически.

Спирометрия проводится в ряде лечебных учреждениях, в которых имеется датчик давления. На рис.7. приведен пример проведения спирометрии.

Рис.7. Пример проведения спирометрии

прибором ЭФКР-4

 

Анализ работы керамических датчиков давления выявил их существенный дефект, выражающийся в изменении нулевого уровня сигнала при механических и температурных воздействиях. При интегрировании сигнала данный дефект приводит к появлению линейного тренда сигнала, что затрудняет расчет параметров. Характерным примером является спирометрический тест определения объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1). В данном тесте пациент делает глубокий вдох и, после небольшой задержки дыхания, максимально резкий выдох. Интегрированный сигнал во время задержки дыхания должен иметь вид горизонтального отрезка прямой, но из-за изменения нулевого уровня происходит искажение формы сигнала (рис.8), что значительно усложняет диагностику заболеваний.

Для решения проблемы в приборе ЭФКР-4 разработан алгоритм адаптивной коррекции нулевого уровня для различных спирометрических тестов. Например, для теста ОФВ1 производится программное распознавание момента начала выдоха по исходному сигналу и пересчет нулевого уровня. Для теста максимальной вентиляции легких, выполняется определение угла наклона линейной составляющей интегрированного сигнала для корректировки нулевого уровня.

Применение рассмотренных методов позволило восстанавливать форму сигнала изменения объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На рис.8. приведен результат работы алгоритма коррекции нулевого уровня для измерения ОФВ1.

Кроме указанного недостатка датчики давления имеют сложную конструкцию и поэтому весьма дороги.

Рис.8. Интегрированный сигнал изменения объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха: а) - прямое интегрирование, б)- после адаптивной программной коррекции

Альтернативой их использованию служит модернизация оборудования закрытого типа. Механическая часть измерительной системы обычно в хорошем состоянии. Если самописцы вместе со специальной бумагой заменить датчиком, измеряющим линейные перемещения, то спирографы закрытого типа можно еще эксплуатировать длительное время. При этом компьютерная обработка сигналов открывает важные дополнительные возможности определения динамических показателей дыхания, таких как, МОСы, пневмотахограммы, пиковые скорости форсированного выдоха и др.

В 1998 году в АГТУ был разработан оптоэлектронный датчик линейных перемещений, предназначенный для использования в спирографах закрытого типа.

Оптоэлектронный датчик состоит из регистрирующего элемента и измерительной линейки. Регистрирующий элемент представляет собой совокупность двух фотодиодов и одного светодиода. Измерительной линейкой служит прозрачная пленка с нанесенными на ней непрозрачными полосками одинаковой ширины. Пара регистрируемых сигналов с датчика, смещенных относительно друг друга по фазе (рис.9), переданные в компьютер через прибор ЭФКР-4, дают возможность зафиксировать момент смены направления перемещения измерительной линейки.

Рис.9. Пример сигналов с оптопары

В алгоритме построения зависимости перемещения от времени сначала анализируется значение производной и относительного смещения сигналов, что позволяет сделать вывод о направлении перемещения и его величине. Затем производится коррекция сигнала, подсчетом числа пройденных непрозрачных участков. Результат работы алгоритма приведен на рис.10. Датчик будет использоваться в ряде поликлиник в ближайшее время.

Рис 10. Зависимость величины перемещения от времени, полученная по алгоритму

преобразования сигнала

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гордиенко Г.Ю., Тушев А.Н., Якунин А.Г. Автоматизированный диагностический комплекс для кардиологических исследований ЭФКР-4. //Приборы и техника эксперимента. М.,-1995. -№2. -С.207.

2. Горбунова Е.В., Тушев А.Н., Шипулин А.В., Якунин А.Г. Программно-аппаратное расширение автоматизированного диагностического кардиологического комплекса ЭФКР-4 для проведения спирометрических исследований. // Приборы и техника эксперимента. М.,-1998. -№3. -С.163.