Научная статья на тему 'Анализ структуры сигналов акселерометров при движении человека по пересечённой местности'

Анализ структуры сигналов акселерометров при движении человека по пересечённой местности Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

CC BY
209
45
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Анализ структуры сигналов акселерометров при движении человека по пересечённой местности»

Известия ТРТУ

Тематический выпуск

позволяет проводить обучение нейросети при достаточно большом разбросе состояний, требуется лишь одно - оценка сторонним методом значения выходной величины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ломов Б.Ф. Деятельность оператора в системе «человек-машина» / Основы инженерной

психологии. Под ред. Б.Ф. Ломова. - М.: Высшая школа. 1986. - С. 169-196.

2. Практикум по общей, экспериментальной и прикладной психологии: Учеб. пособие/В.Д.

Балин, В.К. Гайда, В.К. Гербачевский и др.; Под общей редакцией А.А. Крылова, С.А.

Маничева. - СПб: Питер, 2000. - 560 с. - («Практикум по психологии»).

3. Теория автоматического управления. Мирошник И.В. - СПб: Питер, 2006. - 272 с.

С.А. Синютин

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕЛОВЕКА ПО ПЕРЕСЕЧЁННОЙ МЕСТНОСТИ

Холтеровское мониторирование ЭКГ (ХМ ЭКГ) - суточная запись одного или нескольких отведений ЭКГ - давно уже стало рутинным исследованием, и современный кардиолог уже не представляет себе, как можно лечить сложные нарушения ритма сердца или ИБС, не проводя ХМ ЭКГ. Ценность метода очевидна: длительное исследование в процессе обычной жизненной деятельности пациента с реальными нагрузками, эмоциями, стрессами.

При оценке динамики ЭКГ и трактовке клинической значимости выявленных изменений необходимо учитывать при каких обстоятельствах и при какой нагрузке зарегистрирован данный фрагмент ЭКГ. Для этого пациентам предлагают вести дневник, в котором отражается его физическая активность и самочувствие.

Для кардиолога знание механической мощности, развиваемой пациентом в момент записи ЭКГ - очень важная дополнительная информация. Особую ценность представляет исследование взаимосвязи развиваемой мощности и параметрами ЭКГ: частотой сердечных сокращений (ЧСС), смещением сегмента 8Т, изменением интервалов Рр, рТ, а также изменением водителя ритма и эктопических источников ритма. В настоящее время реакцию на нагрузку исследуют только во время велоэргометрического исследования на трендмиле (амбулаторно) или во время ХМ с помощью лестничной пробы. Недостаток обоих исследований - кратковременность, а для велоэргометрического исследования ещё и нефизиологичность. В докладе представляются результаты разработки программного обеспечения суточного монитора-полиграфа, осуществляющего синхронную запись двух биполярных отведений ЭКГ и двух проекций вектора ускорения центра тяжести тела человека на вертикальную (У) и фронтальную (Х) оси. По оси У фиксируется составляющая ускорения «вверх-вниз», а по оси Х - «вперёд-назад». Вообще при движении человека вектор ускорения центра тяжести описывает сложную пространственную фигуру, и для полной записи её необходима регистрация проекции на все три оси (Х, У, 2). Вместе с тем, проведенные нами исследования показали, что поперечная составляющая (по оси 2) невелика по амплитуде и симметрична по величине, и для оценки развиваемой мощности достаточно двух осей - Х и У.

Принцип измерения основан на втором законе Ньютона:

Р = т • а.

Поскольку масса пациента известна, и за время исследования сильно не изменяется, то зная компоненты вектора а, можно определить и мгновенные компо-

Раздел IV

Приборы и методы структурного анализа электрофизиологического сигнала ненты вектора Р. По трендам компонент вектора й можно определить и мгновенные компоненты вектора скорости V и перемещения . Набор всех этих величин позволяет определить мощность Р.

Однако на самом деле движение тела человека значительно сложнее, чем равноускоренное движение материальной точки массой М, и напрямую методика, изложенная выше, даёт неприемлемые погрешности. Человек для горизонтального перемещения активно использует гравитационное поле Земли и реакцию опор (пол). Это позволяет значительно экономить энергию. Сравним, например, затраты энергии при ходьбе на 2 км без нагрузки, и на 1 км с нагрузкой равной массе вашего тела. С точки зрения механики материальной точки, затраты эквивалентны, но утомление у испытуемого во втором случае будет выражено значительно сильнее. В результате исследований, проведённых в ТРТУ, были разработаны алгоритмы расчёта реальной нагрузки при движении (ходьба, бег) по данным измерения компонент вектора ускорения (акселерометрии). При этом, из данных об изменении ах и ау во времени, удаётся получить информацию о характере движения, мощности и характере пути (горизонтальный или наклонный). Такую информацию совместно с параметрами ЭКГ (ЧСС, смещение 8Т) можно использовать для комплексной оценки реакции сердечно-сосудистой системы на изменение нагрузки.

Обработка сигналов от акселерометра представляет собой последовательнопараллельный многошаговый процесс, составляющими которого являются:

1) предварительная аппаратная и программная фильтрации сигнала с целью защиты от помех и ликвидации влияния посторонних механических ускорений (используется набор фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры);

2) структурный анализ фаз движения на базе адаптивного фильтра с обучающимися коэффициентами;

3) быстрое преобразование Фурье для структурного анализа сигнала с целью вычленения вклада в ускорение центра масс фрагментов тела;

4) обработка спектров с помощью нейронной сети с обратным распространением ошибки для получения мгновенной мощности, развиваемой человеком.

К входам внешнего слоя нейронов сети подводятся данные о массе и геометрических характеристиках тела.

Выходом последнего процесса является искомая величина - мощность.

Таким образом, традиционная система ХМ ЭКГ дополнена новой опцией: проводится синхронное мониторирование, математическая обработка ЭКГ и пространственной проекции вектора ускорения центра тяжести тела человека. Это предоставляет дополнительную возможность - позволяет в условиях_естествен-ной двигательной активности проводить анализ изменений ЭКГ с учетом динамично изменяющейся и количественно оцениваемой мощности, развиваемой пациентом (в ваттах).

Соотношение динамики различных параметров ЭКГ с динамикой мощности развиваемой пациентом при нагрузке, позволяет оценить функциональный класс пациента и выполненную им работу. В результате раскрываются новые возможности объективизации реакции на физические нагрузки сердечно-сосудистой системы в условиях естественного движения, что позволяет уточнить диагностические заключения и оптимизировать программы физической реабилитации пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.