CC BY
13
Litus Igor Barisovich, head of department, web@ntiim.ru, Russia, Nizhny Tagil, FSE ««Nizhny Tagil Institute of Metal Testing»,
Ter-Danilov Roman Arustamovich, candidate of technical sciences, docent, ivts-spv1411 @yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chvanov Alexandr Evgenevich, candidate of technical sciences, scientific secretary, web@ntiim.ru, Russia, Nizhny Tagil, FSE «Nizhny Tagil Institute of Metal Testing»,
Chupakhin Anton Petrovich, engineer, web@ntiim.ru, Russia, Nizhny Tagil, FSE ««Nizhny Tagil Institute of Metal Testing»
УДК 615.8:612.2; 681.518.5
МЕТОДИКА АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАТРИЦЫ СОСТОЯНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АДАПТИВНОГО
УПРАВЛЕНИЯ
СИ. Зыкин, Н.В. Ивахно
Предложена методика расчета прогнозируемых значений давления в контуре дыхательного тренажера на основе анализа матрицы состояния дыхательной системы с учетом локальных отклонений значений давления с целью проектирования системы автоматического управления нагрузочными характеристиками.
Ключевые слова: дыхательный тренажер, матрица состояния, автоматическая настройка, дыхательная система, состояние человека.
Для нахождения информационных параметров [1] дыхательной системы введены нагрузочные сопротивления относительно начального уровня - свободное дыхание без сопротивления с обозначением Ro, полностью перекрытый дыхательный контур обозначен как R, количество уровней нагрузочных воздействий - К, тогда последовательное изменение нагрузки разобьется на N интервалов и обозначится i = 0,1...N . На основании исследования была получена матрица состояний Н, характеризующая группу здоровых пациентов, и матрица И, включающая в себя уровни перекрытия дыхательного контура в процентном соотношении [1, 2]:
H00 H01 H02 H03 R0"
H10 H11 H12 H13 R1
H = H20 H21 H22 H23 ; R = R2
H30 H31 H32 H33 R3
_H40 H41 H42 H43 _ R4 _
где И^о - угол наклона аппроксимирующей функции а; Н^ - угол наклона аппроксимирующей функции Ь; Н^2 - время нарастания кривой давления до максимума; Н^ - длительность фазы вдоха/выдоха дыхания; Яо - соответствует свободному дыханию; Я -перекрытие дыхательного контура на 20 %;Я2- перекрытие дыхательного контура на 40 %; Яз- перекрытие дыхательного контура на 60%; Я4- перекрытие дыхательного контура на 80 %. Методика нахождения указанных параметров описана в [1, 2, 3].
После определения начального уровня перекрытия дыхательного контура на основании коэффициента общей реакции человека [1] строится экспериментальный график давления (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальный график давления в дыхательном контуре
На основании анализа экспериментального графика получена матрица РЕ, характеризующая дыхательную систему при уровне перекрытия дыхательного контура
RE:
РЕ =[РЕ 0 РЕ1 РЕ 2 РЕ 3 ], где РЕ о - угол наклона аппроксимирующей функцииа экспериментального графика; РЕ1 -угол наклона аппроксимирующей функции Ь экспериментального графика; РЕ 2 -время нарастания кривой давления до максимума экспериментального графика; РЕ3 -длительность фазы вдоха/выдоха дыхания экспериментального графика.
Для автоматической настройки сопротивления в процессе тренировки определяется прогнозируемая матрица РС и на основании этой матрицы рассчитываются значения давления в дыхательном контуре на единичных участках 1 фазы вдоха/выдоха:
РС =[РС о РС1 РС 2 РС 3 ], где РСо - угол наклона аппроксимирующей функции а прогнозируемого графика; Р С - угол наклона аппроксимирующей функции Ь прогнозируемого графика; РС2-время нарастания кривой давления до максимума прогнозируемого графика; РС3 - длительность фазы вдоха/выдоха прогнозируемого графика.
Параметры прогнозируемой матрицы Р С о , РС1 определяются из матрицы состояния Н, причем значение перекрытия дыхательного контура при получении экспериментальных данных RE входит в один из четырех интервалов при получении стандартной диагностической матрицы [3,4]: ^ ... ^+1; (Rо ^ Rl, Rl... R2, R2 — Rз, Rз • R4 ). После определения интервала, в котором находится сопротивление Яе , рассчитывается значения Р С о , РС} по формулам:
РС = (Н(]+1)0 -Н]0) • (ЯЕ -Я]) + н . РС = (н(]+1)1 -Нп) •(Яе -^) + н
^+1 - ^ '0; ^ Я+1 - ^ '0,
где ] - уровень перекрытия дыхательного контура в стандартной матрице Н .
Обобщенная структура алгоритма расчета давлений приведена на рис. 2.
Объем вдыхаемого воздуха у пациентов сильно варьируется и для нахождения параметров матрицы РС2 , РС3 необходимо определить площадь под кривой давления
Бр у испытуемого при заданном уровне перекрытия дыхательного контура RE по формуле:
Б = РЕ32 • 81п(РЕ0) • 81п(РЕ1) р = 2 • э1п(180 - РЕ0 - РЕ1) .
Определение коэффициента, характеризующего дыхательную систему Выбор начального сопротивления Построение экспериментального графика и нахождение матрицы РЕ
Расчет предполагаемых матриц РС Расчет предполагаемого давления на каждом и ! единичных участков i
Рис. 2. Структура алгоритма расчета значений давления на единичных участках фазы вдоха/выдоха
На основании площади под кривой давления Бр, углов наклона аппроксимирующих функций Р С о , РС1 определяется прогнозируемое время нарастания кривой давления до максимума РС 2 и прогнозируемая длительность фазы вдоха/выдоха дыхания РС3 по формулам:
PC3 =
2 • Sp • sin(180 - PC0 - PC1)
PC
2
f
PC3 • sin(PC1) sin(180 - PC0 - PC1)
Л
2
Г 2 • Sp >1
2
v PC3;
мп( РСо) • мп( РС1)
Время прогнозируемого дыхательного цикла делится на десять единичных участков / и для каждого из участков рассчитывается давление, исходя из матрицы РС по формуле:
2 • I • I • Бр
Р =--,
' РС3 • РС2
где Р - значение давления на единичном участке I фазы вдоха/выдоха; I - номер единичного участка I фазы вдоха/выдоха; ^ - время единичного участка I фазы вдоха/вы-
РС3 ,
доха соответствующее , что отражено на рис. 3.
Формула расчёта значений прогнозируемых давлений на единичных участках / фазы вдоха/выдоха от значения времени РС2 до окончания дыхательного цикла:
Pr
2 • Sp - 2 • Sp • (t • i - PC2)
PC3 PC3 • (PC2 -PC3)
Ж
0 12 3 456789; 0 12 3 456789/
Экспериментальные значения Прогнозирумые значения
Рис. 3. Гистограмма значений давления на единичных участках I фазы вдоха/выдоха
Прогнозируемые матрицы и прогнозируемые значения давлений на единичных участках i фазы вдоха/выдоха в дыхательном контуре являются инструментом для нахождения несоответствий между формой измеряемого графика давления и нормой, что служит основой для формирования сигнала адаптации нагрузки в виде локальной подстройки сопротивления в процессе тренировки, повышающей ее эффективность.
Список литературы
1. Ивахно Н.В., Зыкин С.И. Математическая модель выбора начального сопротивления в дыхательном контуре на основании данных диагностической матрицы состояний// Известия института инженерной физики// Приборостроение, метрология и информационно - измерительные приборы и системы, 2019. №2. С. 2 - 6.
2. Зыкин С.И. Методика оценки состояния дыхательной системы человека при разных уровнях перекрытия дыхательного контура // Медицинские приборы и технологии. Международный сборник статей. Тула, 2017. №7. С. 107-111.
3. Ивахно Н.В. Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 92-97.
4. Ivakhno N.V., Zykin S.I. Methods of signal processing and construction of diagnostic matrixes onset by sleep apnea treatment equipment // CEUR Workshop Proceeding. IPERS-ITNT 2018 Image Processing and Earth Remote Sensing. Information Technology and Nano-technology 2018.Vol-2210. P. 384-391.
Зыкин Сергей Игоревич, аспирант, zykin.s.i@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ивахно Наталия Валериевна, д-р техн. наук., профессор, natalia ivalist.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHOD OF AUTOMATIC ANALYSIS OF THE RESPIRATORY SYSTEM STATE MATRIX FOR THE IMPLEMENTATION OF ADAPTIVE CONTROL
S.I. Zykin, N.V. Ivakhno
A method is proposedfor calculating the predicted pressure values on individual sections of the pressure graph in the circuit of a breathing simulator during training, on the basis of which it is possible to determine local deviations ofpressure values from the norm in order to design an automatic control system for load characteristics.
Key words: respiratory training, the characteristic pressure, the state matrix, the adjustment work of the respiratory system, the human condition.
Zykin Sergey Igorevich, postgraduate, zykin. s. i@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ivakho Natalia Valerievna, doctor of technical science, professor natalia_iv@,list. ru, Russia, Tula, Tula State University
