Elektronický systém a programové vybavení pro detekci a optimalizaci pulzů kardiostimulátoru Milan Štork Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací & Regionálním inovační centrum pro elektrotechniku (RICE) Západočeská univerzita v Plzni & MUDr. Vlastimil Vančura Kardiologické oddělení, FN Plzeň
Elektronický systém a programové vybavení pro detekci a optimalizaci pulzů kardiostimulátoru Tato práce vznikla ve spolupráci s FN v Plzni a MUDr. Vlastimilem Vančurou Úvod Elektronické systémy pro sběr dat Methody vyhodnocení Výsledky Závěr
Kardiostimulátor - úvod Elektroda Kard. stim Elektroda Schématické znázornění umístění dvoukomorového kardiostimulátoru v těle pacienta. Do srdce jsou zavedeny 2 elektrody
Kardiostimulátor - úvod Znázornění dvoukomorového kardiostimulátoru s vývody vedenými do horní síně a dolní srdeční komory. 1- kardiostimulátor, 2- izolované kabely k elektrodám, 3- levá síň, 4- levá komora, 5- pravá síň, 6- pravá komora
Kardiostimulátor - úvod Zjednodušené blokové schéma dvoukomorového kardiostimulátoru. Z- zesilovač, F- analogový filtr, P- analogově/číslicový převodník, VP- vysílač/přijímač, S- senzory, µc- mikrokontrolér, B- baterie, Vvýstupní zesilovač, El elektrody
Kardiostimulátor - úvod Pulz (pulzy) kardiostimulátoru Kardiostimulátory mohou zlepšit např.: Bradykardie TF<60 [tepů/min] Sinus pause Vynechání pulzů Bradycardie/tachycardie - the srdce střídá velmi pomalé a rychlé režimy Srdeční blokace Lékař může parametry kardiostimulátoru telemetricky nastavit
Systém pro sběr dat Blokové schéma elektronického vyhodnocovacího systému s návazností na vyšetřovanou osobu s kardiostimulátorem a přístroje EKG a Finapres. AO1 a AO2 obvody pro zpracování analogového signálu. A/D1 a A/D2 analogově/číslicové převodníky, µc mikrokontrolér
Systém pro sběr dat Fotografie elektronického vyhodnocovacího systému 17x10x4 cm
Systém pro sběr dat Blokové schéma Finapresu pro snímání kontinuální tlakové křivky z prstu pacienta. M manžeta, D LED dioda, S světlo citlivý senzor, Z rozdílový zesilovač, k1, k2 konstanty, R regulátor, V výkonový zesilovač, k2 konstanta, VENT proporcionální ventil, KO kompresor, ST senzor tlaku, PT pletysmografický signál
Systém pro sběr dat Příklad kontinuální tlakové křivky na výstupu Finapresu. Dikrotický zářez a následné zvlnění na sestupném rameni sfygmografického záznamu vzniká odrazem primární tepové vlny. U osob s nepružnými tepnami (obvykle starší osoby) se toto zvlnění vytrácí.
Metody vyhodnocení 200 a) 150 100 50 0 b) -50-100 27 28 29 30 31 čas [s] 32 33 34 35 a) Příklad signálu EKG a tlakové křivky b) se skrytými pulzy od kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení 200 a) 150 100 50 2 pulzy 0 b) -50-100 -150 7 8 9 10 čas [s] 11 12 a) Příklad signálu EKG a tlakové křivky b) nejdříve s jedním pulzem, později se 2 stimulačními pulzy od kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení Signál EKG a tlaková křivka bez pulzů kardiostimulátoru Frekvenční spektrumekg signálu bez pulzů kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení Signál bez pulzů kardiostimulátoru Wavelets saclogram typu obrysy bez pulzů kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení Signál se skrytými pulzy kardiostimulátoru EKG křivka a krevní tlak Diskrétní Hilbertova transformace EKG signálu Frekvenční spektrum EKG signálu
Metody vyhodnocení Signál se skrytými pulzy kardiostimulátoru Wavelets saclogram typu obrysy se skrytými pulzy kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení Signál s jedním pulzem od kardiostimulátoru EKG křivka a krevní tlak Diskrétní Hilbertova transformace EKG signálu Frekvenční spektrum EKG signálu
Metody vyhodnocení Signál s jedním pulzem od kardiostimulátoru Wavelets saclogram typu obrysy s jedním pulzem kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení Signál se 2 pulzy od kardiostimulátoru EKG křivka a krevní tlak Diskrétní Hilbertova transformace EKG signálu Frekvenční spektrum EKG signálu
Metody vyhodnocení - výsledky Signál se 2 pulzy od kardiostimulátoru 0-1 2 3 4 0 Scalogram 115 109 103 97 91 85 79 73 67 61 55 49 43 37 31 25 19 13 7 1-4 x 10 7 6 5 4 3 2 1 1 2 Vzorky 3 4 Wavelets saclogram typu obrysy se 2 pulzy kardiostimulátoru 0
Metody vyhodnocení - výsledky Signál s jedním a pak se 2 pulzy od kardiostimulátoru 0-1 2 3 4 0 Scalogram 115 109 103 97 91 85 79 73 67 61 55 49 43 37 31 25 19 13 7 1-4 x 10 7 6 5 4 3 2 1 1 2 Vzorky 3 4 Wavelets saclogram typu obraz se 2 pulzy kardiostimulátoru 0
Metody vyhodnocení - výsledky Variabilita srdeční frekvence může být také použita pro detekci dostatečné energie pulzů kardiostimulátoru. V případě nedostatečné energie pulzů kardiostimulátoru, nebo u osoby bez kardiostimulátoru se perioda QRS komplexů obvykle trochu mění, naopak v případě správné funkce je tepová frekvence synchronizována pulzy kardiostimulátoru. Odvození pulzů na odcházející hraně R (QRS komplexu). Je požito adaptivního prahování.
Metody vyhodnocení - výsledky Variabilita tepové frekvence bez pulzů kardiostimulátoru, střední hodnota = 75.3; směrodatná odchylka =10.2. Variabilita tepové frekvence s pulzy od kardiostimulátoru, střední hodnota = 70.4; směrodatná odchylka = 0.45.
Metody vyhodnocení - výsledky 200 A 0-200 200 100 B 0-100 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 200 100 C 0-100 100 D 0-100 -200 50 E 0-50 -100 Vzorky Wavelet transformace EKG signálu nejdříve s jedním pulzem a pak se 2 pulzy od kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení - výsledky 100 0 A -100-200 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 100 B 0-100 -200 5 C 0-5 2 D 0-2 E 2 0-2 Vzorky Wavelet transformace EKG signálu bez pulzů kardiostimulátoru
Metody vyhodnocení - výsledky 200 A 100 0-100 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 200 B 100 0-100 5 C 0-5 5 D 0-5 2 E 0-2 Vzorky Wavelet transformace EKG signálu se skrytými pulzy
Měřící systém další vývoj Přístroj pro měření síly stisku ruky s návazností na počítač
Závěr V tomto příspěvku byly prezentovány přístroje pro měření EKG a tlakové křivky, byly zobrazeny příklady těchto signálů a jejich vyhodnocení několika způsoby. Hlavním cílem byla detekce synchronizace srdce i v případě, že pulzy kardiostimulátoru nebyly v signálu pozorovatelné a možnost nalezení těchto pulzů. Z uvedených metod se zdá být nejlepší wavelet transformace, která umožnila zobrazit přesnou polohu pulzů a jejich amplitudu. Přístroj a vyhodnocovací postup by měl v budoucnu přispět k optimalizaci energie pulzů kardiostimulátoru a optimálnímu umístění elektrod v srdci. To vše by mělo vést k menší zátěži pro pacienta, delší provoz baterie kardiostimulátoru atd. Děkuji za Vaši pozornost