Дипломная работа: Портативная система сбора данных о здоровье человека

1.3 Методики исследования состояния сердечно-сосудистой системы

1.3.1Запись ЭКГ

Электрокардиограмма - это метод исследования функционирования сердечно-сосудистой системы, который заключается в записи электрической активности, производимой в результате естественной работы сердца. Электрический сигнал образуется благодаря ионной поляризации(деполяризации)при сокращении мышцы, в ходе которого происходит резкое изменение электрического состояния клетки. можно обнаружить и использовать для определения нормальных и проблемных сигнатур сердечной волны.

С помощью ЭКГ возможно диагностировать различные виды заболеваний и патологии сердца человека. ЭКГ позволяет:

· определение частоты сердечных сокращений (ЧСС);

· выявление нарушений внутрисердечной проводимости;

· выявление нарушений ритма - внеочередных сердечных сокращений и др. заболеваний.

Запись электрокардиограммы представляет из себя процедуру, в процессе которой кчеловеку подсоединяют специальные электроды к различным участкам тела и записываютэлектрическиесигналы сердца. Полученнуюинформацию, выводят на экран или записывают на пленку. Сигнал ЭКГ представляетсяв виде графика, где по оси Y откладывается напряжение, а по оси X время.ОбычноЭКГ характеризуется шестью выделяющимися участками, помеченными буквами алфавита «P», «Q», «R», «S», «T» и «U», как показано на рис. 1.Форма, наличие или отсутствиекакого-либо участка свидетельствует о наличии отклонений в работе ССС.Комплекс «QRS» является наиболее важной частью ЭКГ для определения наличия аритмии.

Рисунок 1 - График ЭКГ здорового человека

ЭКГ сигнал является дифференциальным инаходится в диапазоне 100мкВ-5мВ. Полезный диапазон частот для диагностики и выявления нарушений в работе сердечной мышцы составляет от 0,05 Гц до 150 Гц, с максимальной энергией присутствующейна частотах 0,5-45 Гц (рис. 2). Волна «P» лежит в полосе от 0,67 до 5 Гц, комплекс «QRS» в 10 до 50 Гц и T-волна в полосе от 1 до 7 Гц. Различные источники шума вносят нежелательное содержимое в определенные диапазоны частот. На точность результатов измерения влияют следующие факторы:

· Мышечный шум - от 5 до 50 Гц;

· Шум, связанный с функцией дыхания - от 0,12 до 0,5 Гц;

· Внешние электрические шумы - 50 или 60 Гц;

Врежимемониторинга используется диапазон частот от 0,5 до 40 Гц. Значения и диапазон частот сигналаво многом зависит от мест присоединения электродов к телу.

6

1

Рисунок 2 - Стандартные значения различных биопотенциалов человека

В зависимости от необходимого исследования количество электродов может быть от 2-х до 12-ти. Базовое измерение ЭКГ может быть сделано при помощи двух электродов, например для измерения частоты сердечных сокращений. Чаще всего одновременно используется более двух электродов. Различная комбинация электродных пар, часто называемых проводами(отводы), позволяет наблюдать состояние сердцас различных сторон и лучше выявлять сердечно-сосудистые расстройства, например, знать, какая область сердца поражена каким-либо расстройством [6].

На данный момент чаще всего в практике применяются следующие виды электрокардиограмм:

· ЭКГ с использованием 1-го отвода

· ЭКГ с использованием 3-х отводов

· ЭКГ с использованием 12-ти отводов

Диагностика пациента обычно проводятся с помощью одноразовыхэлектродов, произведенных из серебра или хлорита серебра (Ag/AgCl). Данные электроды обеспечивают необходимое качество сигнала для требовательных измерений ЭКГ, но также имеют существенный недостаток -имеется необходимость подготавливать кожу перед прикреплением электродов, нанося гель, который может вызывать аллергические реакции.

Также существуют электроды, работающие без нанесения геля, которые называются сухими электродами. Они используются в исследованияхв течение длительного отрезка времени.

Сухие электроды могут изготавливаться из следующих материалов:

· Жесткие материалы(металлические или керамические пластины);

· Гибкие материалы(резина, ткани, пеноматериалы).

На качество измерения ЭКГ влияет множество различных факторов, такие как:

· Электромагнитные излучения (особенно частота сети питания 50-60 Гц);

· Качество контакта кожи с электродами (особенное для сухих электродов);

· Удаленность контакта электрода от сердечной мышцы;

· Артефакты движений (работа других мышц тела).

1.3.2 Записьфотоплетизмограммы

Фотоплетизмография является одной из самых популярных технологий в последнее десятилетие для мониторинга физиологических состояний пациента, и, поскольку это неинвазивный метод, он в значительной степени применяется к персональным портативным устройствам и пульсовой оксиметрии. Кроме того, сигнал может предоставить информацию как о сердечно-сосудистой, так и дыхательной системах[7]. Этот метод характеризует и простота сбора физиологических данных пациента по сравнению с сигналом электрокардиограммы.

Фотоплетизмография основывается на снятии и анализефотоплетизмограммы (ФПГ), которая отражает изменение объема крови в сосудах при работе ССС (рис. 3).В систолической фазе артериальная кровь перекачивается в аорту из левого желудочка, затем протекает через периферические артерии, количество поглощенных фотонов увеличивается во время этого процесса из-за увеличения объема крови в периферической артерии, что, в свою очередь, приводит к уменьшение обнаруженной интенсивности света. В диастолической фазе кровь возвращается к сердцу по венам, обнаруженная интенсивность света увеличивается. Вследствие это происходит пульсирующий процесс изменения коэффициента поглощения света различными тканями(«AC» или переменная составляющая графика). Полезная составляющая переменной компоненты ФПГ для мониторинга здоровья находится в пределах 0,5 до 5 Гц.

Другим компонентом сигнала ФПГ является медленно изменяющаяся базовая линия («DC», постоянный компонент) из-за постоянного поглощения света неизмененной тканью(кости, кожа и т.д.), слегка изменяющейся венозной крови и эффекта дыхания.

График ФПГ представляет из себя отложенная по оси Yизменяющаяся интенсивность пройденного или отраженного излучения с течением времени (ось Х) (рис. 3). Измерения могут проводиться для различных участков тела, таких как кончики пальцев рук и ног,мочка уха, лоб и т. д.

Рис. 3-Типовой график ФПГ

Для получения сигнала ФПГ обычно используется монохроматический свет, излучаемый в биологическую ткань, и фотоприемник для приема возникающего света.

Измерение ФПГ может осуществляться в двух режимах, в зависимости от взаимного расположения источников света - светодиода (СД) и фотодиода (ФД) (рис.4):

· На отражение;

· На прохождение.

6

1

Рисунок4 - Способы измерения ФПГ

С помощью фотомлетизмограммы можно оценивать:

· значение ЧСС и ее вариабельность;

· значение содержание кислорода в крови(сатурация кислорода SpO2);

· значение артериального давления(неинвазивный метод измерения).

Преимуществом анализа деятельности ССС по сравнению с ЭКГявляется отсутствие влияния электромагнитных помех, однако на корректное измерение ФПГ могут влиять, внешние источники света, движения тела, а также наполненность сосудов кровяным потоком [8].

Фотоплетизмография является недорогой оптической неинвазивной техникой, которая играет важную роль в клинических применениях, включая клинический физиологический мониторинг, оценку сосудов и функцию вегетативных нервов.Устройство для снятия сигналаФПГ не имеет сложной аппаратной части из оптических датчиков, также не нуждается в опорном сигнале. Использование этих систем становится более доступным, чем существующие системы мониторинга ЭКГ, для которых необходимо прикреплять электроды к определенным участкам тела пациента.

1.3.3 Измерение ЧСС и SpO2.

Частота сердечных сокращений (ЧСС) - физиологический показатель, характеризующий количество сокращений сердечный мышцы на интервале в одну минуту. В среднем данный показатель равен приблизительно 50-80 ударов при нормальной работе сердечно-сосудистой системы (ССС) и изменяется в зависимости от состояния организма. В дневное время показатель ЧСС больше, чем в ночное время в период сна (70-80 против 50-60 ударов в минуту). Для анализа различия ЧСС в различное время суток используется такой показатель как «циркадный индекс», который вычисляется как отношение среднесуточного значения ЧСС в дневное время к ЧСС в ночное время и в среднем составляет 1,33 ± 0,05 для здорового человека.

Классическим способом измерения ЧСС является расчет периода осцилляций сигнала электрокардиограммы или фотоплетизмограммы, рис.5 [14]. В портативных приборах чаще применяется расчет на основе ФПГ.

Рисунок 5 -Измерение частоты сердечных сокращений на основании периода повторяемости сигнала ЭКГ или ФПГ.

Промежутки сердечных сокращений имеют свойство изменчивости, отличаясь друг от другапо времени. Данная особенность сердцебиения является естественным физиологическим процессом и обозначается как вариабельностьсердечного ритма (ВСР), которая напрямую связана с биологическими особенностями функционирования организма. В связи с этим рассчитывают ЧСС для промежутка времени большего T_cокр, (2):

,(1)

(2)

где время пиковыхзначений ЭКГ или ФПГ, N- количество интервалов сердцебиения, t_startи t_stop - время начала и конца измерения.

На основании вариабельности сердечного ритма можно также делать выводы о некотором состоянии ССС[15].

Для измерения параметра SpO2 применяются принципы фотоплетизмографии.

Для измерения уровня насыщенности кислорода в крови или SpO2 используются устройство, состоящее из двух источников и приёмников света, в котором один источник работает в инфракрасном диапазоне, а другой в диапазоне видимого излучения красного света[16]. Исследования показали, что окси и дезоксигемоглобин(HbO и Hbсоответственно) имеют различные характеристики оптического ослабления. Для достижения наилучшего результата длины волн должны выбираться так, чтобы на одной длине волны ослабление Hb и HbO было различным, насколько это возможно, а на второй длине волны они почти одинаковы. Основываясь на соотношении изменения поглощения красного и инфракрасного света, вызванного различием в цвете между связанным с кислородом (ярко-красным) и не связанным с кислородом (темно-красным или синим, в тяжелых случаях) гемоглобином крови, показателем оксигенации (процент молекул гемоглобина, связанных с молекулами кислорода) могут быть получены как[7]:

(3)

где HbO₂ - относительное значение оксигенированного гемоглобина,

HbO₂ - относительное значение деоксигенированного гемоглобина в крови.

Измерение SpO₂ основано на законеБера-Ламберта, согласно которому концентрацию поглощённого вещества в растворе можно определить по интенсивности света, прошедшего через него. Здесь интенсивность света проходящего света (??₀) связана с интенсивностью света падающего света (????) как:

(4)

где ?? - коэффициент экстинкции, зависящий от длины волны, с - концентрация поглотителя и L - длина оптического пути (см). Следовательно, закон Бера-Ламберта позволяет нам определять неизвестную концентрацию, если измеряется поглощение света и известны коэффициенты затухания на длине волны и длине оптического пути.

В общем случае алгоритм вычисления сатурации кислорода является следующим:

1. Записываются ФПГ в диапазоне красного и инфракрасного излучений.

2. Вычисляется коэффициент отражения для каждого датчика.

(5)

где значение амплитуды переменной и постоянной составляющей для каждого типа излучений соответственно.

3. Рассчитывается отношение коэффициентов поглощения красного датчика к инфракрасному:

(6)

4. Окончательно рассчитывается значение SpO2 согласно следующему выражению:

(7)

Параметры «А» и «B» являются эмпирическими константами, полученными в результате калибровки датчика, и предоставляются производителями систем дляпульсоксиметрии [14].Типовое значение сатураци кислорода у здорового взрослого человека составляет 96% и более.

1.3.4Измерение артериального давления

Одним из наиболее важных клинических показателей для контроля сердечно-сосудистых заболеваний является кровяное давление, образующееся в артериальной системе организма при сердечных сокращениях. Артериальное давление (АД)измеряется в мм. рт. ст., не является постоянной величиной. На его уровень АД влияют величина и скорость сердечного выброса, частота и ритм сердечных сокращений, периферическое сопротивление стенок артерий. Артериальное давление, возникающее в артериях в момент максимального подъема пульсовой волны, в момент сокращения сердечной мышцы, после систолы желудочков, называется систолическим (САД). Давление, которое поддерживается в артериальных сосудах в диастолу благодаря их тонусу, в момент расслабления, называется диастолическим (ДАД) (Рис. 6). Разница между систолическим и диастолическим давлением образует пульсовое давление [9]. Нормальные показатели САД колеблются в пределах 100-120 мм рт. ст., ДАД - 60-80 мм рт. ст. В определенной мере показатели артериального давления зависят от человека и биологических особенностей его организма. Обычно измерение артериального давления осуществляют плечевой артерии, в которой оно оказывается близким к давлению в аорте, однако оно может быть определено в бедренной, подколенной и других периферических артериях.