CC BY
72
УДК 615.47:681.2
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
С.П. Желудько, Г.М. Алдонин
Сибирский федеральный университет, Институт инженерной физики и радиоэлектроники, г. Красноярск E-mail: [email protected], [email protected]
Полифункциональный анализ кардиосигналов представляет большой интерес для дифференциальной диагностики нормы и патологии сердечно-сосудистой системы. Фрактальный анализ сигналов сердечно-сосудистой системы отражает её структурную организацию.
Ключевые слова:
Полифункциональный анализ, сердечно-сосудистая система, фракталы, структурный анализ.
Большой объем информации и сложность экспериментальных исследований требуют использования специализированных измерительных комплексов и компьютерных технологий, позволяющих резко увеличить возможности исследований, повысить их достоверность и минимизировать рутинные процедуры в эксперименте.
На кафедре приборостроения и телекоммуникаций Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета разработана серия аппаратно-программных комплексов (АПК) на базе микрокардиомониторов (МКМ) и персонального компьютера (ПК), использующих традиционные методы и методы си-нергетического анализа функционального состояния. Цель проектирования аппаратно-программных средств мониторинга функционального со-
стояния организма (ФСО) - обеспечение многофункционального совместного анализа сигналов различных датчиков, позволяющих получить дополнительно более полную картину ФСО [1].
Для АПК холтеровского типа разработан ми-крокардиомонитор МКМ-07 (рис. 1, б) предназначен для длительного наблюдения автономно и в режиме on-line КИ кардиоритма (КР), электрокар-диосигналов (ЭКС), пульсовой волны (ПВ) кровотока и фонокардиосигнала (ФКС) и накопления кардиоинтервалов и биосигналов в режиме off-line в запоминающем устройстве (на основе мультимедийной карты памяти ММС) с параллельной записью лево- и правополушарного омега-потенциала (ОП) с помощью омега-тестера ОТ-01 (рис. 1, в).
Функциональная схема АПК приведена на рис. 2, общий вид - на рис. 1, а.
MMC
> —>
> —> %
> —э> я«
Кнопки управления
e
In 0 caf
In 1 АЦП rte
In 2 IP
S
Гдфкс| ! Усилитель
©' | 1 биосигналов
Рис. 2. Функциональная схема АПК
Комплекс содержит три канала (рис. 2):
• ЭКС - датчик-преобразователь электрокардио-сигнала (ДЭКС) (самоклеющиеся хлорсеребря-ные электроды) и усилитель ЭКС.
• ПВ - датчик-преобразователь пульсовой волны (ДПВ) (фотоэлектрический датчик) и усилитель сигнала ПВ.
• ФКС - датчик-преобразователь фонокардио-сигнала (ДФКС - электретный микрофон) и усилитель ФКС.
Цифровая часть МКМ-07 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), однокристальный микроконтроллер (МК) со встроенными ПЗУ и ОЗУ; матричный жидкокристаллический дисплей (LCD); звуковую сигнализацию пульса (ЗС); кнопки управления прибором; съемную мультимедийную карту памяти (ММС).
Полученные данные накапливаются в буфере хранения данных, а затем, в зависимости от выбранного режима работы комплекса, могут передаваться в ПК, посредством USB интерфейса, либо записываться в ММС. Данные, записанные на карту памяти, могут быть считаны ПК также через USB-интерфейс, либо посредством другого внешнего устройства чтения карты памяти ММС. Дальнейшая обработка выполняется в ПК.
Полученные аппаратной частью данные, формируются в файлы. Используя средства телекоммуникаций эту информацию можно передать в любую точку, где производится обработка этих данных и формируется электронная база данных. Отчет может отправляться по адресу, указанному отправителем файла, и выводиться на принтер ПК. LCD отображает оперативную и статусную информацию о работе аппаратной части комплекса.
В режиме измерения кардиоинтервалов и скорости распространения ПВ, на дисплей выводятся результаты измерения. Применение USB-интер-фейса позволяет проводить измерения с использованием питания ПК, в режиме on-line.
МК
SPI Interface P3
1Ш
Р
Щ"
IBM F \ C/AT 1
зс
в
На базе МКМ-07 был разработан МКМ-08, отличительными особенностями которого являются наличие графического дисплея и интерфейса RS-232. Графический дисплей дает возможность отображать биосигналы.
Измерительно-регистрирующий блок ОТ-01 (рис. 1, в) осуществляет динамическую регистрацию омега-потенциала по двум каналам, регистрирует, хранит в памяти и отображает измеренные значения на дисплее прибора. ПК выполняет процедуру ввода информации из кардиомонитора МКМ-03 и омега-тестера 0Т-01 и сохранение индивидуальных данных пациента в базе данных, проводит анализ сердечного ритма и ОП с целью дальнейшей интерпретации функционального состояния организма и степени его адаптации к условиям окружающей среды.
АПК имеет как устоявшиеся классические методы анализа (Фурье-анализ, статистические параметры, скаттерограмма и др.), так и новые, ранее практически не встречавшиеся (фрактальная размерность, скейлинговые характеристики, вейвлет-анализ и др.) [2]. Также имеется широкий набор сервисных функций и возможность ведения базы данных (БД) пациентов.
Было разработано программное обеспечение АПК «Диагностика» в среде ОС MS Windows 95-ХР.
Программный модуль для анализа ОП позволяет выводить на экран ЭВМ значения омега-потенциала в виде графика в реальном времени (причем ОП правого и левого полушарий отображаются разными цветами), заносить считанную из регистрирующего блока запись в базу данных, выводить из базы данных выбранную запись на экран. Структурная схема ОТ-1 представлена на рис. 3.
АПК позволяет контролировать основные сигналы сердечно-сосудистой системы и состояние левого и правого полушария головного мозга. Для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы можно использовать информацию, содержащуюся в форме, а соответственно и в спектрах
электро-кардиосигналов, пульсовой волны и фо-нокардиосигнала. ЭКС, снимаемый с электродов, отражает состояние электропроводящей системы сердца, форма ПВ - состояние кровеносной системы, а ФКС - мышечной системы сердца, рис. 4.
Вход1
Вход2
Рис. 3.
ДУ1
ГЦ
ДУ2
АК
АЦП
МК
т
жки
эп
168 154 140 126 112 98 64 70 56 42 28 14
£
ш
а
9 8 7 6 Б 4 Э 2 1 0
= ЙЧ \—
В
в
Пациент: 0014 12-09-2005 14:40 I N-44 ЕКе1Ри-з1.иа Кардиограмма
46.56 47.04 47.52 48.00 43.48 48.96 49.44 49.92 сек.
а
10
9 В 7 6 5 4 3 2 1 В
1 Спектр» Н
11
1
V 1 1
шл \
V л. .
V.___
20
40
60
00
Рис. 4. Совместная запись ЭКС и ПВ (а), ЭКС и ФКС (б) и их спектры (в) I - здорового и II - пациента с инфарктом миокарда
Совместный анализ этих сигналов позволяет получать дополнительную информацию о норме и патологии функционального состояния организма.
Особое значение имеет структурный анализ биопроцессов и биосигналов. Структурную целостность и устойчивость можно оценить, определяя скейлинговые характеристики скелетных функций вейвлет-диаграмм и меру их гармоничности, как меру конфликтности их внутренних циклов (рис. 5; табл. 1, 2).
Таблица 1. Скейлинги по узлам скелетона ПВ
к ПК
Структурная схема измерительно-регистрирующего блока ОТ-01 (ДУ1, ДУ2 - дифференциальные усилители; АК - аналоговый коммутатор; АЦП - аналого-во-цифровой преобразователь; И - интерфейс; МК - микроконтроллер; К - клавиатура; ЖКИ - жидкокристаллический индикатор; ЭП - энергонезависимая память)
1 1 0.800 0.661 0.631 0.640
1 0,656 0,727 0,791 0,803
2 0,714 0,937 0,789 0,800
3 0,333 0,840 0,800 0,750
4 0,800 0,761 0,750 0,830
5 0,650 0,625 0,555 0,760
6 0,615 0,800 0,840 0,631
7 0,750 0,500 0,666 0,500
5с 0,646 0,670 0,686 0,714
а 0,080 0,057 0,035 0,010
Таблица 2. Скейлинги по узлам скелетона ЭКГ
' 1 1 2 3 4 5
1 0,550 0,560 0,450 0,690 0,570
2 0,660 0,610 0,770 0,530 0,310
3 0,570 0,590 0,610 0,420 0,540
4 0,620 0,650 0,510 0,820 0,750
5 0,650 0,620 0,680 0,550 0,610
6 0,750 0,530 0,410 0,670 0,530
5с 0,620 0,590 0,570 0,610 0,550
а 0,027 0,016 0,046 0,050 0,053
Проделанные обширные экспериментальные исследования показывают наличие главных признаков структурной устойчивости для биопроцессов и биосигналов в норме:
• Спектральная характеристика вида 1//в (в в пределах от 0,8 до 1,2).
• Фрактальная структура сигналов с самоподобием, близким к «золотому сечению».
• Наличие пространственно-временной симметрии в биопроцессах и биосигналах, отражающих морфологическое единство функциональных систем в виде ветвящихся структур, и процессов, происходящих в них.
В последние годы особое внимание привлекает изучение медленных электрических процессов головного мозга, в частности омега-потенциала, которые могут служить для оценки функционального состояния центральной нервной системы человека. Учитывая огромную роль, которую играет центральная нервная система в регуляции системной деятельности организма, очень важно для понимания природы различных отклонений ОП наблюдение за мозговыми процессами совместно с кардио-интервалограммой (КИГ).
На рис. 6 видно, что у больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями (по показателям омегаметрии) отмечается снижение показателей омега-потенциала по правому полушарию относительно левого полушария, что говорит о снижении функциональной активности и работоспособности правого полушария. У больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями выявлена межполушарная асимметрия.
Дифференциация полушариями образного и логического мышления отражается в соответствующем уровне их ОП. Снижение функциональной активности правого полушария, межполушар-ная асимметрия по показателям омегаметрии объективно раскрывают проблему регуляции эмоций у больных сердечно-сосудистыми заболеваниями. Из полученных графиков видно, что у здорового испытуемого в течение второй части сеанса психотерапии кривые, отражающие изменение потенциала левого и правого полушарий головного мозга выравниваются. У пациента с сердечно-сосудистой недостаточностью напротив в ходе всей второй стадии наблюдается расхождение потенциалов левого и правого полушарий. Все перечисленное выше говорит о том, что существует прямая связь между омега-потенциалом и кардиосиг-налом. Эффект психотерапии отчетливо проявляется в выравнивании лево- и правополушарного омега-потенциала, рис. 6, б.
Выводы
Наряду с традиционными методами анализа функционального состояния на персональном компьютере по абсолютным, статистическим и спектральным характеристикам сигналов, использующимися в существующих диагностических системах, в предлагаемых АПК обеспечиваются возможности структурного анализа на основе вейвлет-преобразования и деревьев Кей-ли, обеспечивающего более глубокую и достоверную диагностику функционального состояния организма.
В АПК для диагностики состояния сердечнососудистой системы можно использовать совместную информацию, содержащуюся в форме, а, соответственно, и в спектрах электрокардиосигна-лов, пульсовой волны и фонокардиосигнала.
С помощью вейвлет-анализа может быть получена идентификация состояния нормы, премор-бидности (предболезни) и различных форм патологии состояния сосудистой и проводящей систем.
АПК обладает достаточной универсальностью и доступностью для широкого применения как в клинической практике, так и в амбулаторных и бытовых условиях и предназначен для автоматизации работы врача - специалиста по функциональной диагностике, кардиолога, терапевта, физиолога, психолога, специализирующихся в области оценке психофизиологического состояния пациента.
Рис. 6. КИГ и омега-потенциалы здорового (а) и больного (б) пациента
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 3. Олемский А.И., Флат А.Я. Использование концепции фракта-
1. Алдонин Г.М. Робастность в природе и технике. - М.: Радио и лов в физике конденсированной среды // Успехи физических
связь, 2003.
2. Шустер Г. Детерминированный хаос. Введение. - М.: Мир, 1988. - 240 с.
наук. - 1993. - Т. 163. - № 12. - С. 6-9.
Поступила 30.05.2008 г.
