CC BY
302
№ 1 (33), 2015 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
УДК 004.021
Н. А. Волкова
АЛГОРИТМ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МНОГОКРАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И ПУЛЬСА
Аннотация.
Актуальность и цели. Артериальной гипертензией страдает около 30-45 % общей популяции людей. Значительную помощь в своевременной диагностике сердечно-сосудистых заболеваний и прогнозировании их течения может оказать применение современных компьютерных технологий. Значения артериального давления и частоты пульса находятся в независимой непрерывной связи с неблагоприятными сердечно-сосудистыми событиями. Поэтому разработка алгоритма диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по результатам измерений артериального давления и пульса является актуальной задачей. Объектом исследования являются пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями, а также люди, имеющие риск их развития. Предметом исследования являются многократные измерения артериального давления в случайные моменты времени в течение длительного периода.
Материалы и методы. Предлагаемый алгоритм диагностики основан на многократных измерениях артериального давления и пульса.
Результаты. Разработан алгоритм диагностики состояния сердечнососудистой системы по результатам многократных измерений артериального давления и пульса, включающий расчет и анализ значений дополнительных диагностических параметров - пульсовое давление, коэффициент выносливости, индекс Кердо.
Выводы. Разработанный алгоритм позволяет выявить наличие отклонений в работе сердечно-сосудистой системы, а также выявить риск развития осложнений у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Ключевые слова: сердечно-сосудистые заболевания, артериальное давление, пульс, алгоритм диагностики, частота сердечных сокращений.
N. A. Volkova
THE ALGORITHM OF CARDIOVASCULAR SYSTEM CONDITION DIAGNOSTICS BY THE RESULTS OF REPEATED MEASUREMENTS OF BLOOD PRESSURE AND PULSE
Abstract.
Background. Hypertension affects about 30-45 % of the total population. Modern computer technologies may significantly help at timely diagnosis of cardiovascular diseases and prediction of their course. Values of blood pressure and pulse rate are independently continuously connected with adverse cardiovascular events. Therefore, development of the algorithm of diagnostics of the cardiovascular system, based on measurements of blood pressure and heart rate, is an important task. The object of the study is patients with cardiovascular diseases, as well as people who are at risk of development thereof. The subject of research is multiple blood pressure measurements at random points in time over a long period.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
43
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Materials and methods. The author suggested a diagnostic algorithm based on repeated measurements of blood pressure and pulse.
Results. The researched developed the algorithm of diagnostics of the cardiovascular system by the results of repeated measurements of blood pressure and heart rate, including calculation and analysis of additional values of the diagnostic parameters - pulse pressure, coefficient of endurance, the Kerdo index.
Conclusions. The developed algorithm allows to detect the presence of abnormalities in the cardiovascular system, as well as to identify the risk of complications in patients with cardiovascular diseases.
Key words: cardiovascular diseases, arterial tension, pulse, diagnostic algorithm, heart rate.
Введение
Многократные измерения артериального давления (АД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) в течение длительного периода составляют наиболее легко реализуемый способ наблюдения за состоянием сердечнососудистой системы (ССС), а также являются информативной составляющей при скрининговом обследовании [1]. Важным моментом в контроле состояния ССС является самоконтроль. Основные приоритеты самоконтроля АД -неинвазивность, высокая скорость выполнения диагностической процедуры и низкая стоимость обследования. Стоит отметить, что согласно европейским рекомендациям по диагностике и лечению артериальной гипертензии отмечено усиление роли измерений АД в домашних условиях ввиду их прогностической значимости.
1. Анализ приборов индивидуального контроля артериального давления и частоты сердечных сокращений
По способу измерения различают инвазивные и неинвазивные методы регистрации АД. Инвазивное определение применяется в стационарных условиях путем введения в артерию пациента зонда с датчиком давления [2]. Наиболее объективным, но технически сложным является именно инвазивный метод. Наибольшее распространение получили неинвазивные методы измерения АД. Все неинвазивные приборы контроля АД можно разделить на две группы: механические и электронные (цифровые) [3]. Механические приборы бывают ртутными и анероидными (мембранными), ртутные приборы в настоящее время не применяются [2]. Мембранные тонометры работают по аускультативной методике, предложенной в 1905 г. Н. С. Коротковым. В 80 % электронных автоматических и полуавтоматических тонометров применяется осциллометрическая методика. Метод тонов Короткова в настоящее время признан Всемирной организацией здравоохранения как референтный метод неинвазивного определения АД [4].
Выполнено экспериментальное сравнение, а также расчет погрешностей аускультативных и осциллометрических приборов индивидуального контроля артериального давления и частоты сердечных сокращений. Измерения АД и ЧСС проводились в течение длительного периода времени в разных группах пациентов нормального веса в возрасте 22-40 лет. В рассмотрение было включено четыре вида тонометров [5]:
1) прибор для полного автоматического измерения АД с манжетой на запястье;
44
University proceedings. Volga region
№ 1 (33), 2015 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
2) механический тонометр;
3) прибор для полного автоматического измерения АД на плече;
4) прибор для измерения АД на плече полуавтоматический.
Точность измерений оценивается погрешностями измерений, которые
подразделяются по природе возникновения на инструментальную и методическую, по методу вычислений - на абсолютную, относительную и приведенную.
Рассчитанные на основе экспериментальных данных значения абсолютной погрешности лежат в пределах 3-8 мм рт.ст. Значения относительной погрешности (при принятии за эталонное значение измерений механического тонометра) лежат в пределах 3-10,6 %.
Прибор для полного автоматического измерения АД с манжетой на запястье обладает наибольшими значениями погрешности.
2. Разработка алгоритма диагностики состояния сердечно-сосудистой системы на основе значений артериального давления и частоты сердечных сокращений
Важным этапом является выбор прибора контроля АД, подходящий конкретному пациенту. Измерению АД всегда должно сопутствовать измерение ЧСС, так как ЧСС в покое является независимым предиктором сердечнососудистой заболеваемости и смертности при ряде заболеваний, включая артериальную гипертензию (АГ) [6, 7].
Измерения лучше проводить на плече [8]. Важен индивидуальный подбор ширины и объема манжеты в зависимости от окружности руки и комплекции пациента.
Наиболее удобными для самостоятельного измерения АД являются автоматические тонометры. При этом прибор для измерения АД с манжетой на запястье необходимо использовать людям с очень большой окружностью плеча, если есть проблемы с закреплением манжеты на плече, но имеются ограничения его использования для людей пожилого возраста, страдающих атеросклеротическими образованиями. Самостоятельное использование автоматического тонометра возможно только после амбулаторной оценки отклонений его измерений для конкретного пациента. Для этого необходимо произвести не менее десяти измерений двумя приборами с интервалом в 1-3 мин. Если полученное значение относительной погрешности менее 10 %, то прибор может использоваться без ограничений, иначе необходимо учитывать величину погрешности при интерпретации результатов, либо выбрать другой тонометр.
В общем виде алгоритм диагностики состояния ССС на основе значений АД и ЧСС включает семь этапов:
1. Инициализация: выбор приборов самоконтроля при консультации лечащего врача.
2. Самоподготовка: изучение приборов и методик самоконтроля, апробация методик.
3. Определение собственных индивидуальных параметров контроля по рекомендациям лечащего врача: точечные и интервальные оценки и целевые параметры.
4. Набор статистик: детерминированные и стохастические оценки.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
45
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
5. Вычисление точности оценок и рисков первого и второго рода.
6. Собственно самоконтроль и принятие решений по рекомендациям лечащего врача.
7. Принятие решений по коррекции образа жизни: двигательного режима, питания, труда и отдыха, характера работы.
В соответствии с шагом 2 пациенту нужно подробно объяснить правила процедуры, дать письменные и устные указания. Кроме того, самостоятельное измерение АД требует необходимого обучения под наблюдением медицинского персонала.
Алгоритм обработки результатов самоконтроля включает шесть этапов:
1. Сохранение результатов самоконтроля на внешнее запоминающее устройство.
2. Вычисление пульсового давления, коэффициента выносливости, индекса Кердо.
3. Сравнение результатов с определенными эталонными для индивида.
4. Определение тренда изменения параметров оценки состояния ССС.
5. Консультация с лечащим врачом по полученным результатам для принятия решения о коррекции образа жизни, применения или коррекции схемы применения медикаментозных средств.
6. Сохранение результатов в обобщенную базу данных и на внешнее запоминающее устройство.
В соответствии в шагом 2 алгоритма обработки результатов самоконтроля вычисляются три дополнительных показателя - пульсовое давление (ПД), коэффициент выносливости, индекс Кердо. Данные показатели обладают прогностической ценностью в предсказании неблагоприятных исходов заболеваний ССС. Значение ПД рассчитывается как разность систолического давления (СД) и диастолического давления (ДД), и в норме составляет 40 мм рт.ст. Если значение ПД превышает 60 мм рт.ст., то есть большой риск неблагоприятного исхода.
Коэффициент выносливости (kv) используется для оценки степени тренированности сердечно-сосудистой системы к выполнению физической нагрузки и определяется по формуле
k _ Rh ioo
kv _ P p
(1)
где Rh - частота сердечных сокращений, количество ударов в минуту; Pp -пульсовое давление, мм рт.ст.
Показатель нормы: 12-15 условных единиц. Увеличение коэффициента выносливости, связанное с уменьшением пульсового давления, является показателем детренированности сердечно-сосудистой системы.
Индекс Кердо (v - вегетативный индекс) оценивает степень влияния на сердечно-сосудистую систему вегетативной нервной системы и определяется по формуле
1 _ pd_
\
R
•100%.
h
vi _
(2)
где Р^ - диастолическое давление, мм рт.ст.
46
University proceedings. Volga region
№ 1 (33), 2015 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Показатель нормы: от -10 до +10 %. Положительное значение - преобладание симпатических влияний, отрицательное значение - преобладание парасимпатических влияний [9].
Следует подчеркнуть, что все параметры для конкретного человека следует уточнить по результатам длительного наблюдения и изучения тренда их изменения.
Сравнение полученных значений с эталонными значениями на шаге 3 выполняется на основе теории нечетких множеств [10]. При диагностике важно соблюдать логику врача, которая, как любая информация человеческого мозга, обладает нечеткостью. По мнению психологов, практически вся числовая информация в человеческом мозге вербально перекодируется и хранится в виде лингвистических термов. Понятие лингвистической переменной играет важную роль в нечетком логическом выводе и в принятии решений на основе приближенных рассуждений [11]. В результате экспериментальных исследований было принято решение о создании для всех шести показателей, получаемых в результате самоконтроля состояния ССС (СД, ДД, ЧСС, ПД, kv, vi), нечетких множеств с характеристиками:
—тип системы - Сугено (значения выходной переменной задаются как линейная комбинация входных переменных);
—количество термов для входной переменной - 3 (входное значение можно отнести к одному из трех классов: ниже нормы, норма, выше нормы);
— тип функций принадлежности для входных переменных - пи-подобная функция принадлежности;
— тип функций принадлежности для выходных переменных - константа.
Пи-подобная функция принадлежности обладает графическим изображением, похожим на сигмоидную кривую и является произведением 5-подобной и z-подобной функций принадлежности [11].
Все полученные данные: результаты непосредственно измерения АД и ЧСС, данные, рассчитанные в ходе работы алгоритма и полученные в результате работы алгоритма, должны сохраняться на внешнем носителе и вноситься в общую базу данных лечащего врача.
В результате сравнения полученных значений с эталонными и оценки тренда изменения параметров формируется заключение о наличии или отсутствии отклонений от нормы для всех пяти показателей, что удобно для интерпретации результатов обследования лечащим врачом. А также можно сделать вывод о необходимости медикаментозного лечения, изменении образа жизни либо коррекции схемы лечения.
Заключение
Предложенный алгоритм позволяет осуществить диагностику состояния сердечно-сосудистой системы по результатам многократных измерений артериального давления и пульса, выявить артериальную гипертензию на ранней стадии, спрогнозировать неблагоприятный исход заболевания сердечно-сосудистой системы, а также помочь врачу в составлении рекомендаций по лечению.
Список литературы
1. Смогунов, В. В. Методика прогнозирования заболеваний сердечно-сосудистой системы / В. В. Смогунов, Е. В. Петрунина, Н. А. Волкова // Методики, тех-
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
47
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ника и аппаратура внутренних и внешних испытаний (Испытания-2011) : сб. материалов науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 186-189.
2. Возможности и перспективы способов и приборов для измерения уровня артериального давления / О. П. Родина, И. Я. Моисеева, С. И. Геращенко, М. С. Гера-
щенко, О. А. Водопьянова, А. Н. Митрошин // Фундаментальные исследования. -2014. - № 10. - URL: http://www.rae.ru/fs/pdf/2014/10-1/35234.pdf (дата обращения: 17.10.2014).
3. Рогоза, А. Н. К вопросу о точности измерения АД автоматическими приборами / А. Н. Рогоза // Функциональная диагностика. - 2003. - № 1. - С. 2-10.
4. Приказ Минздрава РФ № 4 от 24 января 2003 г. «Об организации медицинской помощи больным с артериальной гипертонией в Российской Федерации». - М., 2003.
5. Российский рынок тонометров для измерения артериального давления // DISCOVERY Research Group, 09.10.2013. - URL: http://www.drgroup.ru/472-analiz-rynka-tonometrov-dlya-izmereniya-arterialnogo-davleniya-v-rossii.html (дата обращения: 9.10.2014).
6. Usefulness of heart rate to predict cardiac events in treated patients with high-risk systemic hypertension / S. Julius, P. Palatini, S. E. Kjeldsen, A. Zanchetti, M. A. Weber,
G. T. Mclnnes // Am J Cardiol. - 2012. - Vol. 109. - Р. 685-692.
7. Influence of heart rate on mortality in a French population: role of age, gender and blood pressure / A. Benetos, A. Rudnichi, F. Thomas, M. Safar, L. Guize // Hypertension. - 1999. - Vol. 33. - Р. 44-52.
8. Рекомендации по лечению артериальной гипертонии. ESH/ESC 2013 // Российский кардиологический журнал. - 2014. - № 1 (105). - С. 5-92.
9. Респираторно-кинезиологическая реабилитация после кардиохирургических вмешательств : методические рекомендации. - Кемерово, 2011. - URL: http://kemcardio.ru/attaches/207/metod7.pdf (дата обращения: 10.10.2014).
10. Волчихин, В. И. Задача нечеткой кластеризации данных мониторинга деятельности преподавателей / В. И. Волчихин, Е. Н. Прошкина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические наукию - 2007. - № 1. -
C. 61-65.
11. Штовба, С. Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику /
С. Д. Штовба. - URL: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/book1/index.php (дата обращения: 09.10.2014).
References
1. Smogunov V. V., Petrunina E. V., Volkova N. A. Metodiki, tekhnika i apparatura vnu-trennikh i vneshnikh ispytaniy (lspytaniya-2011): sb. materialov nauch.-tekhn. konf. [Methods, technique and equipment of internal and external tests (Tests-2011): proceedings of the scientific and engineering conference]. Penza: Izd-vo PGU, 2011, pp. 186-189.
2. Rodina O. P., Moiseeva I. Ya., Gerashchenko S. I., Gerashchenko M. S., Vodop'yanova O. A., Mitroshin A. N. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research]. 2014, no. 10. Available at: http://www.rae.ru/fs/pdf/2014/10-1/35234.pdf (accessed 17 October 2014).
3. Rogoza A. N. Funktsional'naya diagnostika [Functional diagnostics]. 2003, no. 1, pp. 2-10.
4. Order of the Russian Ministry of Healthcare No. 4, January 24, 2003 «On organization of medical aid to patients with arterial hypertension in the Russian Federation». Moscow, 2003.
5. Rossiyskiy rynok tonometrov dlya izmereniya arterial'nogo davleniya [Russian market of tonometers for arterial tension measurement]. DISCOVERY Research Group, 9 Oc-
48
University proceedings. Volga region
№ 1 (33), 2015 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
tober 2013. Available at: http://www.drgroup.ru/472-analiz-rynka-tonometrov-dlya-izmereniya-arterialnogo-davleniya-v-rossii.html (accessed 9 October 2014).
6. Julius S., Palatini P., Kjeldsen S. E., Zanchetti A., Weber M. A., McInnes G. T. Am J Cardiol. 2012, vol. 109, pp. 685-692.
7. Benetos A., Rudnichi A., Thomas F., Safar M., Guize L. Hyper-tension. 1999, vol. 33, pp. 44-52.
8. Rossiyskiy kardiologicheskiy zhurnal [Russian cardiological journal]. 2014, no. 1 (105), pp. 5-92.
9. Respiratorno-kineziologicheskaya reabilitatsiya posle kardiokhirurgicheskikh vmeshatel’stv: metodicheskie rekomendatsii [Respiratory-kinesiological rehabilitation after cardiological intervention: methodological guidelines]. Kemerovo, 2011. Available at: http://kemcardio.ru/attaches/207/metod7.pdf (accessed 10 October 2014).
10. Volchikhin V. I., Proshkina E. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie naukiyu [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2007, no. 1, pp. 61-65.
11. Shtovba S. D. Vvedenie v teoriyu nechetkikh mnozhestv i nechetkuyu logiku [Introduction into the set theory and fuzzy logic]. Available at: http://matlab.exponenta.ru/ fuzzylogic/book1/index.php (accessed 9 October 2014).
Волкова Наталья Александровна аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Volkova Natal'ya Aleksandrovna Postgraduate student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 004.021 Волкова, Н. А.
Алгоритм диагностики состояния сердечно-сосудистой системы по результатам многократных измерений артериального давления и пульса /
Н. А. Волкова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 1 (33). - С. 43-49.
Engineering sciences. Computer science, computer engineering and control
49
