CC BY
41
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
