Научная статья на тему 'FUZZY LOGIC APPROACH FOR HEART RATE VARIABILITY'

FUZZY LOGIC APPROACH FOR HEART RATE VARIABILITY Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

CC BY
34
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
heart rate variability / fuzzy logic / вариабельность сердечного ритма / нечеткая логика / варіабельність серцевого ритму / нечітка логіка

Аннотация научной статьи по клинической медицине, автор научной работы — Martynenko Alexander, Gianfranco Raimondi, L. Barsi, Budreiko Nikita, Maliarova Liudmila

Intrioution. The heart rate variability (HRV) is based on measuring (time) intervals between R-peaks (of RR-intervals) of an electrocardiogram (ECG) and plotting a rhythmogram on their basis with its subsequent analysis by various mathematical methods that are classified as Time Domain (TD), Frequency Domain (FD) and Nonlinear (NM) [1, 2]. Diversity of methods and approaches to analysis of HRV is stemming from complexity and non-linearity of the phenomenon itself, as well as from greater diversity of physiological reactions of an organism, both in normal and pathological states. Therefore, it appears relevant and important to incorporate currently existing HRV indicators and norms into a unified Fuzzy Logic (FL) methodology, which in turn will allow to integrally assess each metric and HRV results as a whole. Objective. We propose a Fuzzy Logic algorithm for incorporating into a single view of each metric, – Time Domain, Frequency Domain, Nonlinear Methods and HRV as a whole. Materials and methods. We define by FL the extent of belonging to normal state both for each distinct HRV metric – TD, FD and NM, and for a patient's HRV in general. Membership functions of any HRV index and defuzzification rules for FL scores was defined. In order to implement the proposed algorithm, specified parameters of mean values of HRV (М) indicators and their standard deviation (σ) have been found in scientific publications on HRV [1, 3, 7, 8, 9, 10]. We use for FL algorithm demonstration a long-term HRV records by Massachusetts Institute of Technology Boston’s Beth Israel Hospital (MIT-BIH) from [11], a free-access, on-line archive of physiological signals for Normal Sinus Rhythm (NSR) RR Interval, Congestive Heart Failure (CHF) RR Interval and Atrial Fibrillation (AF) Databases [12]. Conclusion. In this article, we have presented a comprehensive view of HRV by Fuzzy Logic technology and thoroughly examined the peculiarities of its application and interpretation. Of all considered examples of FL analysis, the worst result is demonstrated by a patient from the AF group, while the best one belongs to a patient from the NSR group. Difference in FL Scores between these patients from NSR and CHF groups is almost 4 times, while between patients from NSR and АF groups it is almost 6 times. It appears especially important to implement such a design in portable medical devices for quick and easy interpretation of numerous parameters measured by them.

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.

НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА В ДИАГНОСТИКЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА

Введение. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) базируется на измерении (времени) интервалов между R-пиками (RR-интервалов) электрокардиограммы (ЭКГ) с представлением их в виде ритмограммы и последующего анализа различными математическими, которые классифицируются как методы (метрики) временной области, частотной области и нелинейные. Разнообразие методов и подходов к анализу HRV обусловлено комплексностью и нелинейностью самого явления, а также большим разнообразием физиологических реакций организма, как в норме, так и при патологических состояниях. Поэтому, представляется актуальным и важным инкорпорирование имеющихся на сегодняшний день показателей и норм HRV в единую методику, позволяющую интегрально оценить каждую из метрик и результаты HRV в целом. Цель. В статье предложен алгоритм нечеткой логики (FL) для включения в единое представление каждой из метрик – временной области (TD), частотной области (FD), нелинейных методов (NM) и ВСР в целом. Материалы и методы. Мы определяем с помощью FL степень принадлежности к нормальному состоянию как для каждого отдельного показателя ВСР – TD, FD и NM, так и для ВСР пациента в целом. Определены функции принадлежности к любому индексу ВСР и правила дефуззификации для оценок FL. Для реализации предложенного алгоритма в научных публикациях по ВСР найдены заданные параметры средних значений показателей ВСР (М) и их стандартного отклонения (σ) [1, 3, 7, 8, 9, 10]. Демонстрация работы предложенного алгоритма выполнялась на основании 24-часовых записей ВСР из базы данных MIT-BIH [11] для пациентов с нормальным синусовым ритмом (NSR), сердечной недостаточностью (CHF) и фибрилляцией предсердей (AF) [12]. Результаты и выводы. Цельный взгляд на ВСР возможен только тогда, когда есть технология, подобная нечеткой логики, позволяющая объединить все используемые методы и подходы в интегральную оценку. Мы представили подобную FL технологию в настоящей статье и подробно рассмотрели особенности ее применения и интерпретации. Из всех рассмотренных примеров FL анализа худший результат демонстрирует пациент из группы AF, а наилучший из группы NSR. Отличие в FL оценках у данных пациентов из групп NSR и CHF составляет почти 4 раза, а у NSR и АF – почти 6 раз. Особенно важным представляется имплементация подобной разработки в носимых медицинских устройствах для быстрой и легкой интерпретации многочисленных параметров, которые они измеряют.

Текст научной работы на тему «FUZZY LOGIC APPROACH FOR HEART RATE VARIABILITY»

Fundamental researches

UDC 616-037; 57.087.1; 519.254

DOI: 10.26565/2313-6693-2021-42-01

FUZZY LOGIC APPROACH FOR HEART RATE VARIABILITY

Martynenko A., Raimondi G., Barsi L., Budreiko N., Maliarova L._

Intrioution. The heart rate variability (HRV) is based on measuring (time) intervals between R-peaks (of RR-intervals) of an electrocardiogram (ECG) and plotting a rhythmogram on their basis with its subsequent analysis by various mathematical methods that are classified as Time Domain (TD), Frequency Domain (FD) and Nonlinear (NM) [1, 2]. Diversity of methods and approaches to analysis of HRV is stemming from complexity and nonlinearity of the phenomenon itself, as well as from greater diversity of physiological reactions of an organism, both in normal and pathological states. Therefore, it appears relevant and important to incorporate currently existing HRV indicators and norms into a unified Fuzzy Logic (FL) methodology, which in turn will allow to integrally assess each metric and HRV results as a whole.

Objective. We propose a Fuzzy Logic algorithm for incorporating into a single view of each metric, -Time Domain, Frequency Domain, Nonlinear Methods and HRV as a whole.

Materials and methods. We define by FL the extent of belonging to normal state both for each distinct HRV metric - TD, FD and NM, and for a patient's HRV in general. Membership functions of any HRV index and defuzzification rules for FL scores was defined. In order to implement the proposed algorithm, specified parameters of mean values of HRV (M) indicators and their standard deviation (c) have been found in scientific publications on HRV [1, 3, 7, 8, 9, 10]. We use for FL algorithm demonstration a long-term HRV records by Massachusetts Institute of Technology - Boston's Beth Israel Hospital (MIT-BIH) from [11], a free-access, on-line archive of physiological signals for Normal Sinus Rhythm (NSR) RR Interval, Congestive Heart Failure (CHF) RR Interval and Atrial Fibrillation (AF) Databases [12].

Conclusion. In this article, we have presented a comprehensive view of HRV by Fuzzy Logic technology and thoroughly examined the peculiarities of its application and interpretation. Of all considered examples of FL analysis, the worst result is demonstrated by a patient from the AF group, while the best one belongs to a patient from the NSR group. Difference in FL Scores between these patients from NSR and CHF groups is almost 4 times, while between patients from NSR and AF groups it is almost 6 times. It appears especially important to implement such a design in portable medical devices for quick and easy interpretation of numerous parameters measured by them.

KEY WORDS: heart rate variability, fuzzy logic INFORMATION ABOUT AUTHORS

Martynenko Alexander, D. Sc., Professor, Department of Hygiene and Social Medicine, V. N. Karazin Kharkiv National University, 6, Svobody sq., Kharkiv, Ukraine, 61022; e-mail: Alexander.v.martynenko@karazin.ua, ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0609-2220

Gianfranco Raimondi, MD, PhD, Prof., Sapienza University of Rome (Italy), 5, Piazzale Aldo Moro, Rome, Italy, 00185; e-mail: gianfrancoraimondi@uniroma1.it

L. Barsi, PhD, Sapienza University of Rome (Italy), 5, Piazzale Aldo Moro Rome, Italy, 00185.

Budreiko Nikita, Assistant, Department of hygiene and social medicine, V. N. Karazin Kharkiv National University School of Medicine, 6, Svobody sq., Kharkiv, Ukraine, 61022, e-mail: nbudreiko@protonmail.com Maliarova Liudmila, Assistant, Department of hygiene and social medicine, V. N. Karazin Kharkiv National University School of Medicine, 6, Svobody sq., Kharkiv, Ukraine, 61022, e-mail: l.v.maliarova@karazin.ua

The heart rate variability (HRV) is based on measuring (time) intervals between R-peaks (of RR-intervals) of an electrocardiogram (ECG) and plotting a rhythmogram on their basis with its subsequent analysis by various mathematical methods that are classified as Time Domain (TD), Frequency Domain (FD) and Nonlinear

INTRODUCTION

(NM) [1, 2]. Diversity of methods and approaches to analysis of HRV is stemming from complexity and nonlinearity of the phenomenon itself, as well as from greater diversity of physiological reactions of an organism, both in normal and pathological states. Initially mentioned in [1] are 11 indicators of TD, 7 indicators of FD, 6 indicators of NM and 5 ways of graphical

© Martynenko A., Raimondi G., Barsi L.,

5

Budreiko N., Maliarova L., 2021

analysis of NM. However, during the 25 years of HRV development and improvement since [1] had been published, the number of HRV indicators has increased significantly. This is especially true for the area of NM, where the number of distinct variants of NM indicators has increased multi-fold. Thus, for example, in [3] there are 42 various HRV indicators discussed for the area of NM. A good review of HRV metrics and norms is provided in [4], in which it is highlighted that every one of the reviewed HRV metrics - TD, FD and NM, has its own distinct features and advantages. Therefore, it appears relevant and important to incorporate currently existing HRV indicators and norms into a unified methodology, which in turn will allow to integrally assess each metric and HRV results as a whole.

MATERIALS AND METHODS

Soft computing is a relatively new approach to solving complex problems, whenever traditional methods and algorithms prove ineffective due to extensiveness and diversity of systems in question. It includes various algorithmic methods, primary of which is fuzzy logic [5]. Fuzzy Logic (FL) has become widespread in medical diagnostics as one of the key elements of computer-aided diagnosis [6]. One of the advantages of FL is the ability to incorporate various not always accurately defined data, received from observing a system, into a unified mathematical model of a fuzzy logical argument about state of the system. In our case, we define the extent of belonging to normal state both for each distinct HRV metric - TD, FD and NM, and for a patient's HRV in general. Membership functions of any HRV index are presented on Fig. 1.

Fig. 1. Membership functions of HRV indices

We compare the notion of 'Norm' with a mean value of HRV, established on standard records of RR-intervals. Notions of 'Abnormal Low' or 'Abnormal High' are compared with values of indices, which are away from a mean M value by a parameter of 3a. Statistically, it corresponds to 99.8 % of

confidence level of validity of statement about abnormal value of a parameter. Thus, let's construct the defuzzification rules for FL scores:

( —IV Value < M — 3a

4sign(Value — M~)(M — Va

FL Score —

3a

-IV Value > M + 3a

- 1

According to presented defuzzification rules, we calculate FL scores of all HRV indicators. Mean values of FL scores for each metric and for all HRV indicators will define the extent of validity of argument about normalcy of state of each metric and of the whole HRV.

In order to implement the proposed algorithm, specified parameters of mean values of HRV (M) indicators and their standard deviation (a) will be required.

Specified parameters have been found in scientific publications on HRV and presented in following groups: Mean Normal Values (disregarding additional factors), Age (taking Age into account), Gender (taking Gender and Age into account), Circadian (taking Time of Day and Age into account). All collected data are represented mostly by standard 5-minute HRV records (or 5-minute fragments of more lengthy records), with reference to a source of these data provided.

Mean Normal Values (disregarding additional factors)

Normal Values of Standard Measures of HRV, Mean ± SD

Table 1

Time Domain Analysis of Nominal 24 hours [1, 7]

Variable Units Normal Values (mean ± SD)

SDNN [1] ms 141 ± 39

SDANN [1] ms 127 ± 35

RMSSD [1] ms 27 ± 12

HRV triangular index [1] 37 ± 15

Recurrence [7] % 4.79 ± 2.33

Time Domain Analysis of Short-Term Recording [8]

Variable Units Normal Values (mean ± SD)

mRR ms 926 ± 90

SDNN ms 50 ± 16

RMSSD ms 42 ± 15

Spectral Analysis of Stationary Supine 5-min Recording [1, 8]

Variable Units Normal Values (mean ± SD)

Total Power (TP) [1] ms2 3466±1018

Low Frequency (LF) [1] ms2 1170±416

High Frequency (HF) [1] ms2 975 ± 203

LF [1] nu 54 ± 4

HF [1] nu 29 ± 3

LF/HF [1] 1.5-2.0*

LF/HF [8] 2.8 ± 2.6

Nonlinear Methods, 5-min Subsets of 24 hours RR Records [7]

Variable Units Normal Values (mean ± SD)

Entropy (EnRE) 1.72 ± 0.47

Correlation Dimension (D2) 2.10 ± 0.28

Time Irreversibility (z > 1.96) 3.19 ± 1.78

" Useless for current FL algorithm without SD Age (taking Age into account)

Aging Effects on 24-h Heart Rate Variability and Heart Rate by Decade [9], Mean ± SD

Table 2

Age SDNN SDANN SDNN Index rMSSD pNN50 HR

(yr) (ms) (ms) (ms) (ms) (%) (beats/min)

10-19 176 ± 38 159 ± 35 81 ± 20 53 ± 17 25 ± 13 80 ± 10

20-29 153 ± 44 137 ± 43 72 ± 22 43 ± 19 18 ± 13 79 ± 10

30-39 143 ± 32 130 ± 33 64 ± 15 35 ± 11 13 ± 9 78 ± 7

40-49 132 ± 30 116 ± 31 60 ± 13 31 ± 11 10 ± 9 78 ± 7

50-59 121 ± 27 106 ± 27 52 ± 15 25 ± 9 6 ± 6 76 ± 9

60-69 121 ± 32 111 ± 31 42 ± 13 22 ± 6 4 ± 5 77 ± 9

70-79 124 ± 22 114 ± 20 43 ± 11 24 ± 7 4 ± 5 72 ± 9

80-99 106 ± 23 95 ± 24 37 ± 12 21 ± 6 3 ± 3 73 ± 10

Gender (taking Gender and Age into account)

Table 3

General age and gender dependency of HRV indices for two age clustered (25-49 years and 50-74 years) female and/or male subject groups [3], Mean ± SD

HRV methods HRV indices Gender and age groups

Females, 25-49 y.o. Males, 25-49 y.o. Females, 50-74 y.o. Males, 50-74 y.o.

Time Domain RR, ms 901±117 930±133 880±115 911±128

SDNN, ms 44.9 ± 19.2 45.8 ± 18.8 31.6 ± 13.6 33.0 ± 14.8

rMSSD, ms 36.5 ± 20.1 34.0 ± 18.3 22.0 ± 13.2 20.5 ± 11.0

pNN50, ms 0.17 ± 0.18 0.15 ± 0.16 0.05 ± 0.09 0.04 ± 0.07

Frequency Domain LF/HF 2.09 ± 2.05 3.33 ± 3.47 2.75 ± 2.93 4.29 ± 4.06

LF/TP 0.31 ± 0.14 0.38 ± 0.16 0.28 ± 0.13 0.31 ± 0.15

HF/TP 0.24 ± 0.15 0.19 ± 0.13 0.17 ± 0.12 0.12 ± 0.10

LFn, % 0.58 ± 0.19 0.67 ± 0.17 0.63 ± 0.18 0.72 ± 0.17

HFn, % 0.42 ± 0.19 0.33 ± 0.17 0.37 ± 0.18 0.28 ± 0.17

Nonlinear Methods Shannon En 3.08 ± 0.49 2.99 ± 0.47 2.50 ± 0.52 2.44 ± 0.49

SD1 25.8 ± 14.2 24.1 ± 13.0 15.5 ± 9.3 14.5 ± 7.8

SD2 57.5 ± 24.4 59.7 ± 24.2 41.3 ± 17.6 43.9 ± 20.1

SD1/SD2 0.45 ± 0.16 0.40 ± 0.13 0.38 ± 0.15 0.34 ± 0.14

DFA, a1 0.92 ± 0.23 0.98 ± 0.22 1.06 ± 0.24 1.13 ± 0.23

DFA, a2 0.91 ± 0.20 0.87 ± 0.22 0.98 ± 0.17 0.97 ± 0.20

Circadian (taking Time of Day and Age into account)

Table 4

Normal Values of Standard Measures of HRV [10], Mean±SE

Age, years 20-39 40-59 60-80

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Times of Day day night day night day night

Time Domain

mRR, ms 754 + 35 883 + 33 832 + 19 963 + 20 832 + 15 937 + 22

SDNN-i, ms 59.8 + 3.7 67.8 + 3.5 51.6 + 1.7 56.5 + 1.8 45.0 + 1.7 49.7 + 2.3

SDANN, ms 84 + 6.0 133 + 9.6 77.5 + 3.8 88.6 + 5.1 76.6 + 2.9 90.1 + 5.3

RMSSD, ms 32.2 + 2.9 42.3 + 3.3 27.7 + 1.2 32.5 + 2.2 26.0 + 1.7 29.5 + 1.7

pNN50, % 9.8 + 2.4 17.5 + 2.6 6.3 + 0.8 10.2 + 2.2 4.8 + 0.9 7.1 + 1.1

Frequency Domain

VLF, ms2 1677 + 136 2587+251 1542 + 145 1994+133 1146+89 1505 + 124

LF, ms2 810 + 92 1347+110 710 + 63 922 + 100 454 + 64 661 + 73

HF, ms2 540 + 98 1113 +125 386 + 25 528 + 53 258 + 26 344 + 34

LF/HF 1.50 + 0.39 1.21 + 0.19 1.83 + 0.20 1.74 + 0.2 1.85 + 0.17 1.94 + 0.14

LFn, % 59.8 + 2.2 54.6 + 1.9 64.8 + 1.8 63.5 + 2.5 62.8 + 2.0 64.5 + 1.8

HFn, % 40.1 + 2.2 45.3 + 1.9 35.1 + 1.7 36.4 + 2.5 37.1 + 2.0 35.4 + 1.8

In order to demonstrate the proposed algorithm in action, we used long-term HRV records by Massachusetts Institute of Technology - Boston's Beth Israel Hospital (MIT-BIH) from [11]

(http://www.physionet.org), a free-access, online archive of physiological signals. Normal Sinus Rhythm (NSR) RR Interval Database includes beat annotation files for 54 long-term ECG recordings of subjects in normal sinus rhythm (30 men, aged 28.5 to 76, and

24 women, aged 58 to 73). Congestive Heart Failure (CHF) RR Interval Database includes beat annotation files for 29 long-term ECG recordings of subjects aged 34 to 79, with congestive heart failure (NYHA classes I, II, and III). Subjects include 8 men and 2 women; gender of the remaining 21 subjects is not known. The original electrocardiography (ECG) signals for both NSR and CHF RR interval databases were digitized at 128 Hz, and the beat annotations

were obtained by automated analysis with manual review and correction. The MIT-BIH Atrial Fibrillation (AF) Database [12] includes 25 long-term ECG recordings of human subjects with atrial fibrillation (mostly paroxysmal). The individual recordings are each 10 hours in duration, and contain two ECG signals each sampled at 250 samples per second with 12-bit resolution over a range of ±10 millivolts. The original analog recordings were made at Boston's Beth Israel Hospital (now the Beth Israel Deaconess Medical Center) using ambulatory ECG recorders with a typical recording bandwidth of approximately 0.1 Hz to 40 Hz.

Table 5

FL analysis for TD, FD, NM and total HRV (NSR, CHF and AF patients)

HRV index NSR (nsr002) Male, 67 y.o. CHF (chf204) Male, 62 y.o, NYHA class III AF (03665) before AF episode AF (03665) AF episode

Value FL score Value FL score Value FL score Value FL score

Time Domain (TD)

mRR, ms 9i5 0.95S 74i -0.77i 1137 -i.000 1157 -1.000

SDNN, ms 5i -0.622 25 0.279 i62 -i.000 224 -1.000

rMSSD, ms 25 0.455 i7 0.576 27S -i.000 326 -1.000

pNN50, % 4.S i.000 0.9 -i.000 i5 -i.000 S7 -1.000

HRV TI i3.7 -i.000 5.5 -i.000 3i 0.467 5.7 -1.000

Recurrence, % i3 -i.000 30 -i.000 23 -i.000 S -0.S37

Mean of FL score for TD (subtotal) -0.035 (-0.209) -0.486 (-2.916) -0.756 (-4.533) -0.973 (-5.837)

Frequency Domain (FD)

TP. ms 3332 0.S24 9S4 -i.000 756 -i.000 4266 -0.04S

LFn, % 57 -i.000 55 -i.000 9 -i.000 27 -1.000

HFn, % 43 -i.000 45 -i.000 9i -i.000 73 -1.000

LF/HF i.35 0.034 i .23 -0.005 0.i -0.376 0.37 -0.2S7

LF/TP 0.06 -i.000 0.03 -i.000 0.02 -i.000 0.26 0.556

HF/TP 0.04 -0.067 0.02 -0.333 0.i9 0.067 0.70 -1.000

Mean FL score for FD (subtotal) -0.368 (-2.209) -0.723 (-4.338) -0.718 (-4.309) -0.463 (-2.779)

Nonlinear Methods (NM)

Entropy, EnRE i .70 0.943 0.99 -i.000 0.96 -i.000 1.30 -0.191

Correlation dimension, D2 i .99 0.476 i.7S -0.524 2.47 -i.000 S.9S -1.000

Irreversibility, z 2.iS 0.243 2.S0 0.70S 3.93 0.446 1.7S -0.056

Poincare Plot, SD1/SD2 0.i2 -i.000 0.i5 -0.0Si i.59 -i.000 1.05 -1.000

DFA, a1 i .43 -0.739 i.00 0.246 0.20 -i.000 0.57 -1.000

DFA, a2 i .07 0.333 i.S3 -i.000 0.i7 -i.000 0.57 -1.000

Mean of FL score for NM (subtotal) 0.043 (0.256) -0.275 (-1.651) -0.759 (-4.554) -0.708 (-4.247)

Mean of FL score (Total) -0.12 (-2.16) -0.50 (-8.91) -0.74 (-13.39) -0.72 (-12.86)

Total state of HRV (defuzzification) Premorbid 88 % Abnormal 12 % Abnormal 50 % Premorbid 50 % Abnormal 74 % Premorbid 26 % Abnormal 72 % Premorbid 28 %

RESULTS AND DISCUSSION

Demonstration of performance of the proposed algorithm and interpretation of FL results will be done on randomly selected HRV records of MIT-BIH Database for NSR, CHF and AF groups. Numbers of analyzed records, information about field and age of patients (if such information was available), as well as results of FL analysis are presented in Table 5. As a norm, for the purposes of FL analysis we have used data from various tables 1 -4 to provide completeness of study for each metric - TD, FD and NM.

Let us analyze the results shown in Table 5, in greater detail:

Normal Sinus Rhythm (NSR). Premorbid state of HRV is 88 % and 12 % total abnormality are 'true'. The best metric is NM: 96 % of premorbid state of HRV and 4 % of normal state are 'true'. The worst metric is FD: 63 % of premorbid state of HRV and 37 % of abnormality are 'true'.

Congestive Heart Failure (CHF). 50 % total abnormality is 'true'. The best metric is NM: 72 % of premorbid state of HRV and 28 % of abnormality are 'true'. The worst metric is FD: 72 % of abnormality is 'true'.

Atrial Fibrillation (AF). 74 % total abnormality is 'true' for before/after AF episodes. During AF episode 72 % total abnormality is 'true'. Therefore, despite significant discrepancy of some HRV indicators, total difference in FL Scores before AF episodes and during an AF episode

is just about 2 %, since it is one and the same patient and the indicators have been measured in a small time range (<< 24 h.). The best metric is FD for both cases and during AF is better than before/after AF. The worst metric is TD during AF and NM for before/after AF episodes.

Combined view for all HRV metrics showed on the Fig. 2. All patients from Tabl. 5 presented together with point for 100% of 'true' Premorbid state (TD - 0, FD -0, NM - 0).

Of all considered examples of FL analysis, the worst result is demonstrated by a patient from the AF group, while the best one belongs to a patient from the NSR group. Difference in FL Scores between these patients from NSR and CHF groups is almost 4 times, while between patients from NSR and AF groups it is almost 6 times.

Fig. 2. Combined view for HRV metrics (patients from Tabl. 5: 1 - NSR; 2

episode'; 4 - AF 'during episode').

CHF; 3 - AF 'before

CONCLUSIONS

HRV is a complex phenomenon, study of which requires various approaches and methods. HRV metrics are characterized concisely and clearly in [4]: 'Time-domain indices of HRV quantify the amount of

variability in measurements of the interbeat interval (IBI), which is the time period between successive heartbeats... Frequency-domain measurements estimate the distribution of absolute or relative power into four frequency bands.Non-linear indices measure the unpredictability and complexity

of a series of IBIs'. However, a comprehensive view of HRV is only possible when there is a technology similar to Fuzzy Logic, one that allows to combine all used methods and approaches into an integral assessment. In this article, we have presented a technology similar to Fuzzy Logic and

REFERENCES

thoroughly examined the peculiarities of its application and interpretation. It appears especially important to implement such a design in portable medical devices for quick and easy interpretation of numerous parameters measured by them.

1. Task force of the European society of cardiology and the North American society of pacing and electrophysiology. Heart rate variability - standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. (1996). Circulation, 1996. vol. 93, iss. 5, pp.1043-1065.

2. Yabluchansky N., Martynenko A. (2010). Heart Rate Variability for clinical practice. 2010. Kharkiv, Univer. Press, 131 p. (in Russ.) depositary: http://dspace.univer.kharkov.ua/handle/ 123456789/1462

3. Voss A, Schroeder R, Heitmann A, Peters A, Perz S. (2015) Short-Term Heart Rate Variability— Influence of Gender and Age in Healthy Subjects. PLoS ONE. 2015; 10 (3): e0118308

4. Shafler F., Ginsberg J.P. (2017). An Overview of Heart Rate variability Metrics and Norms // Frontiers in Public Health, v. 5, art. 258, p.1-17. https://doi.org/10.3389/fpubh.2017.00258

5. Dogan I. An Overview of Soft Computing. Procedia Computer Science. 12th International Conference on Application of Fuzzy Systems and Soft Computing, ICAFS 2016, Vienna, Austria. 102: 34-38 https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.09.366

6. Yanase J., Triantaphyllou E. (2019). A Systematic Survey of Computer-Aided Diagnosis in Medicine: Past and Present Developments // Expert Systems with Applications.

138:112821. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2019.112821

7. Martynenko A, Raimondi G, Budreiko N. Time Irreversibility and Complexity of Heart Rate Variability. Journal of V. N. Karazin KhNU Series «Medicine». 2021; 41: 5-15. https://doi.org/10.26565/2313-6693-2021-41-01

8. Nunan D., Sandercock G., Brodie D. (2010). A quantitative systematic review of normal values for short-term heart rate variability in healthy adults. Pacing Clin Electrophysiol. 2010; 33: 1407-1417.

9. Umetani K, Singer DH, McCraty R, Atkinson M. (1998). Twenty-four hour time domain heart rate variability and heart rate: relations to age and gender over nine decades. J Am Coll Cardiol. 1998

10. Nastanova z kardiologii (2009). Red. Kovalenko V.M., Kyiv, MOPIOH, 2009,1368 p. [in Ukrainian]

11. Goldberger, A.L. et al. (2000). Physiobank, physiotoolkit, and physionet: Components of a new research resource for complex physiologic signals. Circulation, 2000, 101, 215-220.

12. Moody GB, Mark RG. (1983). A new method for detecting atrial fibrillation using R-R intervals. Computers in Cardiology, 1983, 10: 227-230.

НЕЧ1ТКА ЛОГ1КА В ДИАГНОСТИЦ1 ВАР1АБЕЛЬНОСТ1 СЕРЦЕВОГО РИТМУ

Мартиненко О., PaÜMOHdi Д., Бара Л., Будрейко М., Малярова Л.

Вступ. Варiабельнiсть серцевого ритму (ВСР) базуеться на вимiрюваннi (часу) iнтервалiв мiж R-тками (RR-iнтервалiв) електрокардюграми (ЕКГ) з поданням !х у виглядi ритмограми i подальшого аналiзу рiзними математичними, яш класифжуються як методи (метрики) тимчасово! обласп, частотно! обласп i нелшшш. Рiзноманiтнiсть методiв i пiдходiв до аналiзу ВСР обумовлено комплексшстю i нелтйшстю самого явища, а також великою рiзноманiтнiстю фiзiологiчних реакцiй органiзму, як в норм^ так i при патолопчних станах. Тому, видаеться актуальним i важливим iнкорпорування наявних на сьогодшшнш день показникiв i норм ВСР в едину методику, що дозволяе iнтегрально оцiнити кожну з метрик i результати ВСР в цшому.

Мета. У статтi запропоновано алгоритм нечiткоi логiки (FL) для включения в едине уявлення кожно! з метрик - тимчасово! обласл (TD), частотно! областi (FD), нелшшних методiв (ИМ) i ВСР в цшому.

Матерiали та методи. Ми визначаемо за допомогою FL стутнь приналежностi до нормального стану як для кожного окремого показника ВСР - TD, FD i ИМ, так i для ВСР патента в цшому. Визначено функцп приналежносп до будь-якого iндексу ВСР i правила дефуззiфiкацii' для оцiнок FL. Для реалiзацii запропонованого алгоритму в наукових публiкацiях по ВСР знайдеш заданi параметри середнiх значень показнишв ВСР (М) i !х стандартного вщхилення (с) [1, 3, 7, 8, 9, 10]. Демонстращя

роботи запропонованого алгоритму виконувалася на пвдстаы 24-годинних запиав ВСР з бази даних MIT-BIH [11] для пащенпв з нормальним синусовим ритмом (NSR), серцевою недостатшстю (CHF) i ф1бриляцп передсердь (AF) [12].

Результати i висновки. Цiлiсний погляд на ВСР можливий тiльки тодi, коли е технологiя, подiбна нечетко! лопки, що дозволяе об'еднати всi використовуваш методи i пiдходи в штегральну оцiнку. Ми представили подiбну FL технологш в цiй статтi i докладно розглянули особливостi !! застосування та штерпретацп. З усiх розглянутих прикладiв FL аналiзу найгiрший результат демонструе пацiент з групи AF, а найкращий з групи NSR. Ввдмшшсть в FL оцiнках у даних пащенпв з груп NSR i CHF становить майже 4 рази, а у NSR i AF - майже 6 раз. Особливо важливим е iмплементацiя подiбно! розробки в носяться медичних пристроях для швидко! i легко! штерпретацп численних параметрiв, як1 вони вимiрюють.

КЛЮЧОВ1 СЛОВА: варiабельнiсть серцевого ритму, нечетка логiка ИНФОРМАЦ1Я ПРО АВТОР1В

Мартиненко Олександр, д. фiз-мат. н., професор кафедри гiгiени та сощально! медицини Харкiвського нацюнального унiверситету iменi В. Н. Каразша, пл. Свободи, 6, Харкв, Укра!на, 61022, e-mail: Alexander.v.martynenko@karazin.ua, ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0609-2220

Ж. Раймонди, д. мед. н., проф., Римський унiверситет Ла Сапiенца (1тал1я), Piazzale Aldo Moro, 5, Рим, Iталiя, 00185, e-mail: gianfrancoraimondi@uniroma1.it

Л. Бара, доктор фшософй, Римський ушверситет Ла Сапiенца (1тал1я), Piazzale Aldo Moro 5, Рим, Iталiя, 00185. Будрейко Микита, асистент кафедри гтени та сощально! медицини Харкiвського нацюнального унiверситету iменi В. Н. Каразша, майдан Свободи, 6, Харкв, Укра!на, 61022, e-mail: nbudreiko@protonmail.com Малярова Людмила, асистент кафедри плени та сощально! медицини Харкiвського нацiонального унiверситету iменi В. Н. Каразша, майдан Свободи, 6, Харкв, Укра!на, 61022, e-mail: l.v.maliarova@karazin.ua

НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА В ДИАГНОСТИКЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА

Мартыненко A., Раймонди Д., Барси Л., Будрейко Н., Малярова Л.

Введение. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) базируется на измерении (времени) интервалов между R-пиками (ЯЯ-интервалов) электрокардиограммы (ЭКГ) с представлением их в виде ритмограммы и последующего анализа различными математическими, которые классифицируются как методы (метрики) временной области, частотной области и нелинейные. Разнообразие методов и подходов к анализу HRV обусловлено комплексностью и нелинейностью самого явления, а также большим разнообразием физиологических реакций организма, как в норме, так и при патологических состояниях. Поэтому, представляется актуальным и важным инкорпорирование имеющихся на сегодняшний день показателей и норм HRV в единую методику, позволяющую интегрально оценить каждую из метрик и результаты HRV в целом.

Цель. В статье предложен алгоритм нечеткой логики (FL) для включения в единое представление каждой из метрик - временной области (TD), частотной области (FD), нелинейных методов (ЫМ) и ВСР в целом.

Материалы и методы. Мы определяем с помощью FL степень принадлежности к нормальному состоянию как для каждого отдельного показателя ВСР - TD, FD и ЫМ, так и для ВСР пациента в целом. Определены функции принадлежности к любому индексу ВСР и правила дефуззификации для оценок FL. Для реализации предложенного алгоритма в научных публикациях по ВСР найдены заданные параметры средних значений показателей ВСР (М) и их стандартного отклонения (с) [1, 3, 7, 8, 9, 10]. Демонстрация работы предложенного алгоритма выполнялась на основании 24-часовых записей ВСР из базы данных М1Т-В1Н [11] для пациентов с нормальным синусовым ритмом (^Я). сердечной недостаточностью (СОТ) и фибрилляцией предсердей (АР) [12].

Результаты и выводы. Цельный взгляд на ВСР возможен только тогда, когда есть технология, подобная нечеткой логики, позволяющая объединить все используемые методы и подходы в интегральную оценку. Мы представили подобную FL технологию в настоящей статье и подробно рассмотрели особенности ее применения и интерпретации. Из всех рассмотренных примеров FL анализа худший результат демонстрирует пациент из группы АР, а наилучший из группы N8^ Отличие в FL оценках у данных пациентов из групп и СНР составляет почти 4 раза, а у и АР - почти 6 раз. Особенно важным представляется имплементация подобной разработки в носимых медицинских устройствах для быстрой и легкой интерпретации многочисленных параметров, которые они измеряют.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вариабельность сердечного ритма, нечеткая логика ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Мартыненко Александр, д. физ-мат. н., профессор кафедры гигиены и социальной медицины Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина, пл. Свободи, 6, Харьков, Украина, 61022, e-mail: Alexander.v.martynenko@karazin.ua, ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0609-2220

Ж. Раймонди, д. мед. н., проф., Университет Рима «Сапиенза», 5, Piazzale Aldo Moro, Рим, Италия, 00185, e-mail: gianfrancoraimondi@uniroma1 .it

Л. Барси, доктор философии, Университет Рима «Сапиенза», 5, Piazzale Aldo Moro, Рим, Италия, 00185. Будрейко Никита, асистент кафедры гигиены и социальной медицины Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина, пл. Свободи, 6, Харьков, Украина, 61022, e-mail: nbudreiko@protonmail.com Малярова Людмила, ассистент кафедры гигиены и социальной медицины Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина, пл. Свободи, 6, Харьков, Украина, 61022, e-mail: l.v.maliarova@karazin.ua

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Conflicts of interest: author has no conflict of interest to declare. Конфлжт mmepecie: вгдсутнт. Конфликт интересов: отсутствует.

Отримано: 05.04.2021 року Прийнято до друку: 17.05.2021 року

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.