CC BY
45
лось добиться заданной точности регулирования и стабилизировать ритм на уровне 60 ударов в минуту с коэффициентом вариации 10%. Время выхода регулятора на режим составляло от 10 до 20 сек, что вполне соответствовало требованиям, предъявляемым к системе регулирования.
В процессе подбора параметров регулятора удалось искусственно вызвать такие виды аритмии, как пароксизмальная тахикардия (чрезмерное увеличение интегральной составляющей регулятора в отсутствие дифференциальной) и фибрилляция (чрезмерное увеличение дифференциальной составляющей без участия интегральной либо также чрезмерное увеличение интегральной составляющей без участия дифференциальной). Модель достаточно точно отражает форму импульсов при аритмии таких типов.
Исходя из полученных результатов моделирования, можно сделать некоторые предположения относительно естественных механизмов регуляции сердечного ритма человека. Можно утверждать, что основные регуляторы носят интегральный и дифференциальный характер, а пропорциональная составляющая вероятно осуществляет лишь грубую регуляцию ритма.
Следует отметить тот факт, что модель миоцита синусного узла достаточно близка к реальности, так как с ее помощью удалось увидеть существующие у человека аритмии, а также проверить регулирующее звено и подобрать его параметры. Разумеется, эта модель имеет ряд упрощений, которые необходимо учесть в будущем. В основном это касается разной величины скорости деполяризации и реполяризации. Также на данной модели не удастся исследовать явления, возникающие при объединении клеток синусного узла в ансамбли, состоящие из нескольких тысяч клеток. Например, мы смогли увидеть фибрилляцию, вызванную неточным регулированием, но в ансамбле клеток фибрилляция может возникать спонтанно, при выключении механизмов регуляции, из-за срыва синхронизации в ансамбле клеток синусового узла. Моделирование ансамбля клеток является одной из задач будущей работы.
Другим существенным допущением является жесткое задание ритма внутри модели, а также в регулирующем звене. В реальности дело обстоит следующим образом: кроме звена регулирующего ЧСС, в организме есть звено, регулирующее насыщение тканей кислородом. Собственно сама по себе задача поддержания уровня ЧСС не является такой уж важной, но так как невозможно изменить объем желудочка, то единственным способом повысить или понизить насыщение тканей кислородом является вариация сердечного ритма. Поэтому при построении полной системы регуляции ЧСС необходимо использовать датчик кислорода в крови, который будет являться частью второго регулирующего звена.
А.А.Мышастый ПРИМЕНЕНИЕ КАРМАННЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА КАРДИОИНТЕРВАЛОГРАММЫ
Цель: В настоящее время возникла потребность в компактных устройствах регистрации электрокардиограммы человека, позволяющих производить не только индивидуальные (монитор холтера), но и групповые обследования. При этом в большинстве случаев необходима не столько долговременная регистрация данных с последующей апостериорной обработкой, а работа с результатом в режиме реального времени (стимул-реакция). Задачи подобного рода может выполнять и стандартный кардиограф, но чаще всего это вызывает большие неудобства как по 310
причине стационарного характера работы, так и по причине большой стоимости аппаратуры. Немаловажной задачей является возможность перенесения данных на различные платформы хранения и обработки полученных данных и построения гибких систем анализа с использованием математических пакетов типа МАТИМБ.
При анализе задачи возникло несколько вариантов ее решения. Первый вариант основывается на архитектуре холтеровского монитора с добавление средств отображения сигнала и результатов обработки. При этом возрастают требования к микропроцессорному блоку системы, связанные с организацией системы реального времени, обработчиками команд оператора и интерфейса, отображением и хранением данных. Для создания подобного устройства потребуется дополнительная разработка многих специфических узлов системы.
За последние два-три года произошли серьезные изменения на рынке персональных компьютеров, приведшие к широкому распространению нового класса подобных устройств - карманных персональных компьютеров (КПК). Именно на использовании этих устройств основывается второй вариант решения задачи. В этом случае мы получаем конструктивно законченное устройство, имеющее готовую операционную систему реального времени, пользовательский интерфейс (дисплей и клавиатуру), последовательный приемопередатчик, стандартные форматы файлов данных. Кроме этого устройства имеют стандартные средства синхронизации данных с персональным компьютером на различные операционные системы.
Основным преимуществом подобной системы является батарейное питание
- это избавляет нас от необходимости включения в систему сложных схем устранения помех. Кроме этого не возникает проблем с гальванической развязкой тела человека от сети переменного тока.
Структурная схема системы приведена на рис. 1.
ПЭВМ - персональный компьютер;
КПК - карманный персональный компьютер;
Блок ЭКГ- устройство регистрации электрокардиограммы с датчиком.
Рис. 1.
Принцип работы системы.
С помощью датчиков, установленных на тело человека, снимаются биопотенциалы. Эти сигналы усиливаются, фильтруются и поступают на вход АЦП. Оцифрованные данные поступают с блока ЭКГ в последовательный порт КПК.
На КПК запускается программа обработки принятых данных (рис. 2).
Рис.2
В рабочей программе производится прием информации из последовательного порта, запись в файл базы данных, выявление Я-зубца и обработка сигнала по стандартным методикам кардио-интервалографии:
- КЯ-интервалограмма;
- скатеррограмма;
- гистограмма распределения;
- расчет основных параметров интервалограммы.
Перед проведением эксперимента заполняется карточка пациента (рис. 3), для регистрации необходимой информации об обследуемом индивиде. После запуска программы на экране КПК отображается электрокардиограмма и ритмо-грамма. При удовлетворительном качестве регистрируемого сигнала и установке предварительных параметров производится запись данных в отдельную базу данных. При этом регистрируется дата и время эксперимента и системная информация (частота дискретизации, пороги срабатывания). Во время хода эксперимента можно делать отметки нажатием одной из кнопок КПК. При этом регистрируется время отметки в упомянутую базу данных, что позволяет строить программу эксперимента для отслеживания событий типа стимул-реакция.
Рис.3
После проведения одного или серии обследований данные, записанные в КПК с помощью стандартных средств (напр.: инфракрасный интерфейс), синхронизируются с ПЭВМ. После этого производим окончательную обработку записанных данных (ритмограмма, кардиограмма и карточка пациента) на персональном компьютере.
Примерный вид программы для ПЭВМ приведен на рис.4.
Рис.4
Эти данные сохраняются в базах данных стандарта Рагаёох. Всю информацию можно обрабатывать не только внутри программы, но и экспортировать массивы данных в любые приложения.
На рис. 4 приведен пример реального эксперимента. Можно увидеть как фрагмент участка элекрокардиограммы, так и ритмограмму сердца за все время проведения эксперимента.
Подобный класс устройств позволит делать предварительное заключение врачам и психологам, не прибегая к помощи сложного и дорогостоящего обору-
дования прямо на месте. Какие-либо сложные методики анализа кардиограммы можно провести и апостериорно, обрабатывая записанные данные какой-либо программой (напр.: Монитор Холтера).
В настоящее время ведутся работы по совершенствованию данной системы в направлении регистрации электроэнцефаллограммы мозга, а также средства аудиовизуальной биологической обратной связи (БОС).
С.А.Синютин СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ АНАЛИЗА ЯЯ-ИНТЕРВАЛЬНОГО РЯДА
Первоначально понимание сложных систем (например таких, как биологические) было связано с представлением о том, что их невозможно описать при помощи математических моделей. Более того, долгое время жизнь рассматривалась как антипод неорганической природы. Сегодня, однако, происходит все более активное проникновение физических методов и подходов в биологию. Оказывается также, что основные формы кооперативного поведения, свойственные живым организмам, имеют свои аналоги среди неорганических систем. В работе X. Майнхардта [1] продемонстрированы механизмы эволюции и самоструктуриро-вания на примере роста моллюсков и улиток. Важнейшей моделью при этом является модель активатор - ингибитор двух антагонистических компонентов эволюции. Активатор приводит к ускорению течения процессов, часто с нелинейной положительной обратной связью, а ингибитор - к замедлению быстрого роста. Сложная игра этих двух противоположно направленных факторов, которую Майнхардт сравнивает с игрой в"кошки-мышки", имеет место в каждой локальной области растущих формообразований и приводит к удивительным узорам живого.
Наиболее очевидная особенность биологических систем заключается в том, что они способны к самоорганизации, т. е. спонтанному образованию и развитию сложных упорядоченных структур. Это не противоречит законам термодинамики, поскольку все живые биологические системы не являются замкнутыми и обмениваются энергией с окружающей средой. Энтропия, служащая мерой беспорядка, может уменьшаться в открытых системах с течением времени. Многие рассматривали в качестве примеров различные аспекты функционирования человеческого организма. Для нормального функционирования практически всех систем жизнедеятельности человека характерен некий промежуточный режим между хаосом и порядком, режим детерминированного хаоса. Дыхание человека, биение его сердца, кроветворение, ритмы сна и бодрствования, гормональные ритмы, психическое равновесие- для всех этих процессов свойственна определенная мера хаоса, необходимая для поддержания здоровья человека. К примеру, аритмия сердца опасна, но не менее опасны чрезмерно упорядоченные ритмы биения сердца, которые также свидетельствуют о его болезни. Слишком регулярно бьющееся сердце не способно гибко реагировать на изменяющиеся внешние условия, его адаптационные способности снижаются. Ученые приходят сегодня к заключению, что здоровье - это тонкий баланс между хаосом и порядком. Применяя теорию динамических систем к медицине, У. ан дер Хайден предложил и активно развивает понятие "динамическая болезнь". Человеческий организм является самовоспроиз-водящейся, самоподдерживающейся системой. Теории хаоса и нелинейной дина-
