Научная статья на тему 'Оценка синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма'

Оценка синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

CC BY
610
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Биотехносфера
ВАК
Ключевые слова
АДАПТАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ / ADAPTIVE CAPACITY / ИНДЕКС ФЕХНЕРА / FECHNER COEFFICIENT / КАРДИОИНТЕРВАЛОГРАММА / КОРРЕЛЯЦИОННОЕ ОТНОШЕНИЕ / CORRELATION COEFFICIENT / КОЭФФИЦИЕНТ КОРРЕЛЯЦИИ / CORRELATION RELATION / МЕТОДИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ / METHODICAL ERROR / ПНЕВМОГРАММА / СИНХРОНИЗИРОВАННОСТЬ / ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ / FUNCTIONAL STATUS / CARDIOINTERVALOGRAM / PNEUMATOGRAM / SYNCHRONIZATION

Аннотация научной статьи по медицинским технологиям, автор научной работы — Даниченко Михаил Юрьевич, Мельник Ольга Владимировна, Михеев Анатолий Александрович, Шувалов Павел Львович, Соломаха Валентин Николаевич

Параллельная обработка кардиоритмограммы и пневмограммы позволяет получить информацию о степени синхронизированности работы сердечно-сосудистой и респираторной систем и выявить преобладающие механизмы регуляции физиологических процессов более достоверно по сравнению с анализом только параметров сердечного ритма. Проведено исследование различных методов формирования кросс-корреляционных критериев во временной и спектральной областях, проанализированы источники методических погрешностей и сформулированы рекомендации по оптимальному выбору методологии контроля синхронизированности кардиоритмограммы и пневмограммы для систем класса «домашняя диагностика».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по медицинским технологиям , автор научной работы — Даниченко Михаил Юрьевич, Мельник Ольга Владимировна, Михеев Анатолий Александрович, Шувалов Павел Львович, Соломаха Валентин Николаевич

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

Estimation of synchronization in functioning of the cardiovascular and respiratory systems of the body

Parallel processing of rhythmocardiogram and pneumatogram provides information about the synchronizing degree of cardiovascular and respiratory systems and more significantly, compared to the analysis of only the parameters of heart rate, identify the dominant mechanism of physiological processes regulation. A study of various methods of forming cross-correlation criteria in temporal and spectral domains was conducted; the sources of modeling errors was analyzed and recommendations for the optimal choice of the methodology of rhythmocardiogram and pneumatogram synchronization control for the «home diagnostics» class of diagnostic system was proposed.

Текст научной работы на тему «Оценка синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма»

УДК 615.47.03:616.12-073.96

М. Ю. Даниченко, зам. директора по научной работе, Научно-технический центр ОАО «Елатомский приборный завод» О. В. Мельник, канд. техн. наук, доцент,

A. А. Михеев, д-р техн. наук, профессор, П. Л. Шувалов, аспирант,

ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

B. Н. Соломаха, директор,

Научно-технический центр ОАО «Елатомский приборный завод»

Оценка синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма

Ключевые слова: адаптационные возможности, индекс Фехнера, кардиоинтервалограмма, корреляционное отношение, коэффициент корреляции, методическая погрешность, пневмограмма, синхронизированность, функциональное состояние.

Key words: adaptive capacity, Fechner coefficient, cardiointervalogram, correlation coefficient, correlation relation, methodical error, pneumatogram, synchronization, functional status.

Параллельная обработка кардиоритмограм-мы и пневмограммы позволяет получить информацию о степени синхронизированности работы сердечно-сосудистой и респираторной систем и выявить преобладающие механизмы регуляции физиологических процессов более достоверно по сравнению с анализом только параметров сердечного ритма. Проведено исследование различных методов формирования кросс-корреляционных критериев во временной и спектральной областях, проанализированы источники методических погрешностей и сформулированы рекомендации по оптимальному выбору методологии контроля синхронизированности кардиорит-мограммы и пневмограммы для систем класса «домашняя диагностика».

Введение

Современный ритм жизни создает серьезную информационную и психоэмоциональную нагрузку на организм человека, и истощение его функциональных резервов за счет хронического стресса может приводить к развитию органических патологий наиболее уязвимых систем, в первую очередь сердечно-сосудистой. С учетом сохранения здоровья и повышения качества жизни населения актуальной задачей является разработка методов объективной оценки текущего функционального состояния и адаптационных возможностей организма и диагностического оборудования на их основе, которое может быть использовано как в стационарных

условиях, так и в режиме домашней диагностики для повседневного контроля человеком своего состояния. В качестве подхода к оценке адаптационных резервов предлагается использовать степень синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и респираторной систем.

Синхронизированность сердечно-сосудистой и дыхательной систем как индикатор адаптационных возможностей организма

Адаптационные возможности организма — это запас функциональных резервов, которые постоянно расходуются на поддержание равновесия между организмом и средой и в общем виде представляют собой возможности клеток, тканей, органов, систем органов и организма в целом противостоять воздействию различных нагрузок, адаптироваться к ним, минимизируя их воздействие на организм и обеспечивая должный уровень эффективности деятельности человека [1]. Необходимость приспособиться к изменяющимся условиям внешней среды и поддерживать гомеостаз требует определенного напряжения регуляторных механизмов. Чем больше функциональные резервы, тем меньше степень напряжения этих механизмов, необходимая для адаптации. Адаптация организма к воздействию неадекватных факторов окружающей среды происходит путем мобилизации и расходования функциональных резервов, то есть организм со-

№ 1(25)/2013~[

биотехносфера

храняет необходимый для жизни гомеостаз путем реагирования — развития общих адаптационных реакций [2].

Основная информация о состоянии систем, регулирующих ритм сердца, заключена в функции разброса длительностей кардиоинтервалов, или параметрах вариабельности сердечного ритма (ВСР). Синусовая аритмия отражает сложные процессы взаимодействия различных контуров регуляции сердечного ритма. Наиболее простой моделью является двухконтурная модель его регуляции [3]. Она основана на кибернетическом подходе: система управления синусовым узлом представлена в виде двух взаимосвязанных контуров, центрального и автономного, управляющего и управляемого, с каналами прямой и обратной связи. При оптимальном регулировании, соответствующем высокому уровню адаптационных резервов организма, высшие уровни управления задействуются в минимальной степени, с минимальной централизацией управления. При неоптимальном управлении необходима активация более высоких уровней управления. Это проявляется в виде ослабления дыхательной аритмии и усиления недыхательного компонента, появления медленных волн более высоких порядков.

Сформируем упрощенную модель зависимости ВСР от параметров дыхания. Влияние дыхательной системы на ВСР может быть представлено в виде автономного контура управления. В рамках решаемой задачи воздействия центрального контура управления могут быть заменены постоянными значениями на основе принципа параметризации. Функциональная схема модели взаимодействия параметров дыхания и сердечного ритма представлена на рис. 1.

В данной модели автогенератором служит сино-аурикулярный узел, на который оказывает воздействие центральный контур регуляции. Поскольку в рамках данной модели мы не учитываем вли-

яние нестабильности автогенератора синусового узла и считаем воздействие центрального контура неизменным, то в результате этого воздействия формируется постоянный средний уровень частоты сокращений сердца (ЧССср), обусловленный влиянием центрального контура регуляции: ЧССц(£) = = ЧССср.

Отдельным блоком выделено влияние дыхания, в частности изменение объема грудной клетки У^). В результате данного воздействия становится периодичной активация блуждающего нерва, который посылает импульсы на изменения ЧСС: при увеличении объема грудной клетки ЧСС растет, при уменьшении объема ЧСС снижается. Данное изменение ЧСС происходит с временной задержкой т.

В результате сложения формируемой средней ЧСС и функции от изменения объема грудной клетки получается общая функция изменения ЧСС, обусловленного влиянием автономного контура регуляции ЧССа с учетом задержки по времени т. Получаем следующую зависимость:

ЧССа(0 = ЧССср + ДЧСС(У^ + т)),

где ЧССа(£) — итоговая ЧСС; ЧССср — первоначально формируемая ЧСС под действием недыхательных контуров регуляции; ДЧСС(У(£ + т)) — изменение ЧСС с учетом дыхания и задержки во времени.

Предложенная модель может быть использована как основа для выявления основных аспектов взаимодействия сердечно-сосудистой и респираторной систем при разработке методов комплексной обработки сигналов ритмограммы и пневмограммы во временной и спектральной областях. Задача оценки синхронизированности деятельности этих систем формально может быть сведена к выявлению сигнала ЧССа(^ в совокупности: ЧССц(г) + ЧССа(г) — и вычислению отношения вклада в ВСР автономного контура регуляции.

Рис. 1

Модель автономного контура управления сердечным ритмом:

V(t) — изменение объема грудной клетки; t — текущее время; т — временная задержка; 4CCa(t) — изменение ЧСС,

обусловленное влиянием автономного контура регуляции; ЧСССр — среднее значение ЧСС

биотехносфера

| № 1(25)/2СТ13

Согласно классической теории оценки параметров ВСР, для разграничения влияния центрального и автономного контуров регуляции используется анализ частотных составляющих ритмограммы: составляющие, лежащие в высокочастотном диапазоне (ИЕ), относят к влиянию автономного контура регуляции, низкочастотные (ЪЕ и УЪЕ) — к влиянию контуров управления более высокого уровня. Однако, как было показано в [4], при различных паттернах дыхания У(£) за счет вариабельности частоты дыхания и различных, отличных от приближенной к синусоидальной, форм огибающей пневмограммы во многих случаях влияние дыхательного контура регуляции распространяется за пределы области НЕ, и данная оценка становится некорректной. Для того чтобы иметь возможность разделить влияние различных контуров управления, предлагается совместный анализ параметров сердечного ритма и пневмограммы, полученной либо непосредственно с датчика дыхания, либо сформированной на основе интерпретации динамики амплитудных параметров QRS-комплекса электрокардиосигнала.

Методы оценки синхронизированности

Для оценки степени синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем можно использовать различные кросс-корреляционные критерии во временной и спектральной областях. Существующие подходы к формированию меры синхронизированности представлены в табл. 1.

Приведенные подходы фактически предназначены для оценки одного и того же показателя — степени вклада процессов, обусловленных дыхательным контуром регуляции, в ВСР. Но при этом процедура вычисления значения каждой меры имеет свои особенности и методические ограничения на достоверность формируемых критериев.

Расчет коэффициента линейной корреляции между сигналами кардиоинтервалограммы и пнев-мограммы [5] и рангового коэффициента корреляции Спирмена [6] основан на предположении о линейном или монотонном характере взаимосвязи между процессом дыхания и регуляцией сердечного ритма. Однако известно и доказано, что в организме человека взаимосвязи между показателями функционирования тех или иных систем имеют криволинейный характер, поэтому в применение данных

критериев заложена методическая погрешность, обусловленная нелинейностью.

Данного недостатка лишен метод оценки степени синхронизированности на основе вычисления корреляционного отношения [7], которое позволяет оценить меру коррелированности временных рядов в случаях линейной и произвольной нелинейной функциональной зависимости. Для участков линейной зависимости это значение совпадает с коэффициентом линейной корреляции. Недостатком корреляционного отношения является его высокая чувствительность к методу выбора границ классов разбиения переменной и количеству классов разбиения, изменение этих параметров существенно влияет на получаемые значения. В режиме автоматической работы, без ручной подстройки границ классов, при наличии различных наборов исходных данных возможно возникновение существенных погрешностей.

Общим недостатком методов оценки меры син-хронизированности во временной области является влияние на результат фазового сдвига между кар-диоритмограммой и пневмограммой, обусловленного физиологической задержкой т и инерционностью датчика дыхания. В работе [4] предложен алгоритм компенсации фазового сдвига, но он требует дополнительных вычислительных затрат.

Данный недостаток отсутствует у методов оценки синхронизированности в спектральной области. Метод [8] позволяет достоверно оценить характер регуляторных процессов, но требует визуального контроля спектрограммы со стороны опытного врача. Вычисление кросс-спектрального корреляционного коэффициента [4] основано на упрощении соотношений между спектрами кардиоритмограм-мы и пневмограммы до линейной зависимости, что противоречит реальной нелинейности процессов в организме. Кроме того, использование спектрального преобразования требует стационарности обрабатываемых сигналов, последнего удается достигнуть только при определенных условиях обследования пациента. Для снижения влияния нестационарности допустимо использовать оконные спектральные преобразования.

В целом все предложенные подходы имеют свои плюсы и минусы, и их количественный сравнительный анализ затрудняется тем, что не существует некой эталонной меры уровня адаптационных резервов, с которой можно было бы сравнить эффективность и достоверность каждого критерия для

Таблица 1 Показатели оценки синхронизированности кардиоинтервалограммы и пневмограммы

Временная область Спектральная область

Коэффициент линейной корреляции [5]. Коэффициент корреляции Спирмена [6]. Корреляционное отношение [7] Соотношение спектрограммы ритма сердца и моды длительности дыхательных циклов [8]. Кросс-спектральный коэффициент корреляции [4]

№ 1(25)/2013 | биотехносфера

выборки испытуемых. При выборе оптимального метода можно руководствоваться следующими соображениями:

• метод должен минимизировать известные источники методической погрешности;

• метод должен быть реализован технически на портативном оборудовании, которое может использоваться вне лечебного учреждения, поэтому исключается вмешательство специалиста в процедуру вычисления критериев и оценку полученных результатов;

• при технической реализации желательна разумная минимизация вычислительных затрат, не снижающая качества получаемого результата;

• получаемые результаты сопоставляются с данными визуального контроля спектрограмм кардио-ритмограммы и пневмограммы и с условно принимаемым за эталон расчетным соотношением нормированных площадей данных спектрограмм, наглядно отражающим вклад дыхательного контура регуляции в спектральный состав кардиоритмо-граммы.

Было разработано аппаратно-программное обеспечение, позволяющее осуществлять съем и обработку кардиоритмограммы и пневмограммы. Реализованы методы вычисления следующих критериев синхронизированности:

• индекс Фехнера;

• корреляционное отношение;

• спектральный коэффициент корреляции;

• коэффициент корреляции линейный;

• коэффициент корреляции Спирмена;

• спектральный коэффициент корреляции по мощности.

Также в программе была реализована процедура расчета соотношения нормированных площадей спектрограмм кардиоритмограммы и пневмограм-мы, облегчающая визуальный контроль полученных результатов. Рабочее окно программы представлено на рис. 2.

Проведено исследование записей 40 условно здоровых молодых людей, были привлечены результаты психологического теста «Самочувствие, активность, настроение».

Рис. 2 | Рабочее окно программы оценки синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и респираторной систем

биотехносфера

| № 1(25)/2013

Было установлено, что для подгруппы обследуемых с выраженной парасимпатической активностью нервной системы и дыхательным паттерном с огибающей, близкой к синусоидальной, все вычисляемые критерии синхронизированности совпадают в пределах статистической погрешности (см. рис. 2). Однако при усложнении дыхательных паттернов значения различных критериев начинают значительно расходиться.

Для минимизации источников погрешностей и вычислительных затрат на основе результатов описанных выше исследований авторы предложили использовать для оценки степени синхро-низированности вычисление индекса Фехнера во временной области. Указанный метод нивелирует погрешности, обусловленные нелинейностью корреляционной связи и нестационарностью процессов.

Таким образом, можно рекомендовать выбор данного критерия для практического использования в качестве меры оценки синхронизирован-ности кардиоинтервалограммы и пневмограммы. При этом нужны дополнительные исследования, связанные с необходимостью компенсации фазового сдвига и с устойчивостью расчетных значений данного критерия к инструментальным факторам погрешности, вызванных устранением пропусков или ложных обнаружений начала кардиоцикла, влиянием трендов датчиков и т. д. Это обусловлено повышенными требованиями к методам, используемым в системах «домашней диагностики» без контроля со стороны специалиста.

Заключение

Параллельная обработка кардиоритмограммы и пневмограммы позволяет получить информацию о степени синхронизированности работы сердечно-сосудистой и респираторной систем и выявить преобладающие механизмы регуляции физиологических процессов более достоверно по сравнению с анализом только параметров сердечного ритма. Существующие методы оценки меры синхронизиро-ванности кардиоинтервалограммы и пневмограммы во временной и спектральной областях обладают

различными достоинствами и недостатками, но не в полной степени соответствуют требованиям по достоверности и устойчивости, предъявляемым к системам типа «домашняя диагностика». Были проведены анализ возможных источников погрешностей оценки синхронизированности при использовании различных методов и экспериментальные исследования, показавшие дальнейший путь оптимального развития методологии контроля данного признака, отражающего уровень адаптационных резервов организма.

| Литература |

1. Прохоров Б. Б. Экология человека. Понятийно-терминологический словарь. Ростов-на-Дону, 2005.

2. Баевский Р. М., Берсенева А. П. Оценка адаптационных возможностей организма и риска развития заболеваний. М.: Медицина, 1997. 237 с.

3. Баевский Р. М. Кибернетический анализ управления сердечного ритма // Актуальные проблемы физиологии патологии кровообращения. М.: Медицина, 1976. С. 175—181.

4. Мельник О. В., Михеев А. А. Принципы оценки функционального состояния организма на основе контроля параметров сердечно-сосудистой и респираторной систем // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 7. С. 72—76.

5. Патент РФ № 2073484. МПК7 A61B5/02, A61B5/04. Способ определения эмоционального стресса и устройство для его осуществления / Е. А. Юматов, К. В.Судаков, О. П. Тараканов; заявитель и патентообладатель Е. А. Юматов. № 93027568/14; заявл. 17.05.1993; опубл. 20.02.1997.

6. Mehta S. Corrélation analysis of heart rate variability and respiratory frequency under sinus arrhythmia condition: Thesis of Master of Engineering degree work / Electrical and instrumentation degree department, Thapar University. Patiala, 2009.

7. Патент РФ № 2392848. МПК7 A61B5/0205, A61B5/0452. Способ диагностики стресса у человека / М. М. Лапкин, Р. П. Карасев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Рязанский государственный медицинский университет имени акад. И. П. Павлова» Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию. № 2009100624/14, заявл. 11.01.2009; опубл. 27.06.2010.

8. Патент РФ № 2195163. МПК 7 A61B5/02, A61B5/0452. Способ оценки функционального состояния человека на основе анализа вариабельности ритма сердца и вариабельности длительности дыхательного цикла / В. М. Михайлов; заявитель и патентообладатель ООО «НейроСофт». № 2001102688/14, заявл. 29.01.2001; опубл. 27.12.2002.

№ 1(25)/2013~[

биотехносфера

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.