автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Медико-технический комплекс управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации

На правах рукописи

I

Пронин Тимофей Вячеславович

МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ АДАПТАЦИОННЫМ РЕЗЕРВОМ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

Специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 5 Л*Н 2Щ

Курск 2008

003457998

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Кореневский Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Зотов Игорь Валерьевич, кандидат технических наук, Уварова Анна Георгиевна

Ведущая организация: Воронежский государственный техниче-

ский университет

Защита диссертации состоится 30 декабря 2008 года в 10 часов в конференц-зале на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.03 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040 г. Курск ул. 50 лет Октября 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Работами отечественных и зарубежных ученых было убедительно показано, что одной из ведущих причин возникновения и развития заболеваний является снижение адаптационных возможностей организма (Казначеев В.П., Баевский P.M., Сорокин А.П., Судаков К.В.). Обеспечивая достоверный контроль и управление адаптационными резервами организма можно решать задачи снижения риска возникновения заболеваний, и в ряде случаев оптимизировать процессы их лечения.

В ряде работ убедительно показывается, что в качестве надежного индикатора адаптационных резервов целостного организма может выступать система кровообращения человека (Парин В.В., Баевский P.M., Машин В.А.). С точки зрения функционального и адаптационного резервов, при различных типах адаптации, исследование реакций системы кровообращения дает наиболее наглядные и типичные примеры. Это объясняется тем, что методы измерения уровня функционирования сердечно-сосудистой системы общедоступны (артериальное давление, частота пульса, минутный и ударный объем крови и т.п.), а также тем, что большое количество различных рецепторов контролируют множество параметров, как в самом сердце, так и в разных точках сосудистого русла. Это обеспечивает гибкость приспособления сердца и сосудов к непрерывно изменяющимся условиям окружающей среды в результате деятельности весьма совершенных механизмов регуляции. В свою очередь существуют доступные методы оценки состояния регу-ляторных механизмов системы кровообращения, одним из которых является математический анализ ритма сердца (Баевский P.M., Парин В.В., Берсенева А.П.).

Существуют различные подходы к определению адаптационных резервов организма, среди которых широкое применение находят различные приемы оценки параметров ритма сердца (Пятакович Ф.А., Баевский P.M., Федоров В.Ф.). Однако точная оценка адаптационных резервов по параметрам сердечных ритмов затрудняется из-за влияния целого ряда помех, не связанных с процессом адаптации. В свою очередь недостаточная точность в оценке адаптационных резервов создает проблемы в выборе рациональных схем коррекции состояния человека. Одним из подходов к повышению достоверности оценок адаптационных резервов по параметрам ритма сердца является применение кардиореспираторной синхронизации, которую можно использовать также и для управления уровнем адаптационных резервов, снижая тем самым риск возникновения и развития целого ряда заболеваний (Парцерняк С.А., Суворов Н.Б., Сметанкин A.A.).

Однако современные системы управления адаптационным резервом, основанные на кардиреспираторной сонхронизации, не обеспечивают стабильной синхронизации из-за высокого уровня помех и наличия субъективно устанавливаемой задержки между экстремальными показателями ритма сердца и командами управления «вдох-выдох».

Поэтому разработка медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кар-диореспираторной синхронизации, позволяющего немедикаментозно улучшать адаптационный резерв систем организма, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Предупреждение и борьба с социально-значимыми заболеваниями» 20072011 г., подпрограмма «Артериальная гипертония» и с научным направлением Курского государственного технического университета «Медико-экологические информационные технологии».

Целью работы является разработка и исследование медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечнососудистой системы на основе кардиореспираторной синхронизации.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

синтезировать математическую модель системы регуляции ритма сердца, обеспечивающей гомеостаз, с учетом резонансных свойств ее компонент;

разработать способ возбуждения функционального резонанса кардиореспираторной системы с учетом изменчивости основной частоты резонанса и алгоритмическое и программное обеспечение для его реализации;

разработать устройство, позволяющее осуществить способ коррекции адаптационного резерва человека с учетом изменчивости основной частоты резонанса кардиореспираторной системы;

провести экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить повышение качества управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации в разработанном медико-техническом комплексе.

Методы исследований. В работе использовались методы системного анализа, теории автоматического управления, спектрального анализа, математического моделирования, математической статистики, цифровой обработки сигналов и распознавания образов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

математическая модель системы регуляции ритма сердца, отличающаяся учетом резонансных свойств барорефлективной обратной связи, учетом изменений интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи, позволяющая получить аналитические соотношения между ре^ гистрируемыми параметрами и адаптационным резервом регулирующих систем;

способ коррекции адаптационного резерва сердечно-сосудистой системы человека, заключающийся в регистрации и анализе кардиоинтерва-лограммы пациента и управлении его дыхательными движениями в зависимости от результатов этого анализа, отличающийся тем, что для повышения

помехоустойчивости управляющих команд установлены временные интервалы блокировки анализа кардиоинтервалограммы;

устройство регистрации и анализа электрокардиосигнала, обеспечивающее устойчивую и эффективную кардиореспираторную синхронизацию, отличающееся тем, что команды «вдох-выдох», которым подчиняется пациент, формируются микроконтроллерным регистратором-анализатором на основе анализа системы комплексных показателей, вычисляемых по параметрам электрокардиосигнала.

Практическая значимость и результаты внедрения работы. Разработанные математические модели, способы, устройство и алгоритмы использованы для создания опытно-конструкторского образца медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечнососудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации.

Применение предложенных в диссертации разработок позволяет повысить точность оценки адаптационного резерва человека и улучшить качество его коррекции, что в свою очередь обеспечивает снижение риска появления и развития различных патологий, связанных с изменениями в механизмах адаптации.

Предложенные в работе способ, алгоритмы и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры биомедицинской инженерии Курского государственного технического университета (дисциплина «Проектирование диагностической и терапевтической техники») и используются в клинической практике в Больнице скорой медицинской помощи №1 г. Курска.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе-конференции «Электроника - 2006» (Москва, 2006); на XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Биомедсистемы - 2007) (г. Рязань, 2007); на I Всероссийской научно-технической конференции «Информтех-2008» (Курск, 2008); на XIV и XV Российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии - 2007 и 2008» (Курск 2007, 2008); на IX и XI Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии 2006 и 2008» (Курск, 2006, 2008); на VIII Международной конференции «Распознавание - 2008» (Курск, 2008); на научно-технических семинарах кафедры биомедицинской инженерии КурскГТУ (Курск, 2005, 2006, 2007,2008).

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель системы регуляции ритма сердца, учитывающая резонансные свойства барорефлективной обратной связи, изменения интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивость во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи по-

зволяет разработать способ и алгоритмы управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы на основе кардиореспираторной синхронизации, повышающие качество управления адаптационным резервом сер-дечно-сосудистои системы.

2. Управление адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека, основанное на синхронизации дыхательных движений с колебаниями собственного сердечного ритма посредством биологической обратной связи с формированием команд «вдох-выход» микроконтроллерным регистратором-анализатором, позволяет повысить эффективность управляющих воздействий на вегетативную нервную систему человека и увеличить адаптационный резерв сердечно-сосудистой системы.

3. Предложенный медико-технический комплекс позволяет повысить достоверность контроля дыхательной аритмии сердца более чем в два раза, контролировать адаптационный резерв сердечно сосудистой системы в процессе терапевтических воздействий на основе параметров кардиореспираторной синхронизации и повысить эффективность управления адаптационным потенциалом сердечно-сосудистой системы более чем на 30%.

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, в [1], [3], [4] и [8] автором предлагаются и исследуются способы коррекции адаптационного резерва сердечнососудистой системы посредством кардиореспираторной синхронизации, в [2] автор предложил способы и алгоритмы обмена данными между микроконтроллерным анализатором-регистратором и персональным компьютером, в [5] автором предложено устройство для реализации способов кардиореспираторной синхронизации; в [9], [10] и [11] соискатель предложил и исследовал модели регуляции артериального давления, в [12] соискателем доказано, что применение разработанного медико-технического комплекса повышает точность контроля показателей дыхательной аритмии сердца.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 93 отечественных и 13 зарубежных наименований. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы. Кратко излагается содержание глав диссертации.

В первой главе анализируется роль вегетативной нервной системы в управлении адаптационным резервом и функциональным состоянием человека, исследуются современные способы управления адаптационным резервом. Проведен анализ достоинств и недостатков этих способов, на основа-

нии которого показана целесообразность применения резонансных воздействий на кардиореспираторную систему для управления адаптационным резервом организма.

В заключение первой главы определяются цель и задачи исследования.

Во второй главе разрабатываются модели управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы на основе кардиореспираторной синхронизации,

Известно, что одним из важнейших параметров адаптационного резерва сердечно-сосудистой системы является артериальное давление, адаптационные системы регуляции которого представлены несколькими регуля-торными контурами, наиболее важными из которых являются барорецептор-ный рефлекс и почечный эндокринный контур. Барорецепторный рефлекс является самым быстрым и оперативным регулятором артериального давления. Почечный эндокринный контур имеет постоянную времени в сотни раз превышающую постоянную времени барорефлекса.

Наиболее активными барорецепторными зонами являются области дуги аорты и каротидного синуса. Барорецепторы работают как пропорционально-дифференциальные датчики: при колебаниях АД частота залповых разрядов тем выше, чем выше амплитуда и скорость нарастания давления. Афферентная импульсация распространяется в интегративные участки ствола спинного мозга. Интегрирование афферентной информации осуществляется посредством изменения концентрации химических нейропередатчиков.

Изменение концентрации нейропередатчиков в центрах продолговатого мозга, которые в данном случае играют роль элементов сравнения, вызывает изменение вазомоторного тонуса, частоты сердечных сокращений и силы сокращения сердца.

Изучив особенности барорефлекторного управления сердечным ритмом с учетом возможных упрощений и известных механизмов преобразований импульсных и нелинейных элементов систем автоматического регулирования (САР) в линейные узлы и блоки, в работе предлагается модель САР для управления артериальным давлением по дуге барорефлекса, представленная на рис. 1.

Датчик рассогласования

Сосудистое русло

Уставка

Эфферентное хронотропное

воздействие <•(') = «(О-^(')

Дыхательные волны

Синусовый узел

Рис. 1. Модель контура управления артериальным давлением по дуге барорефлекса

На этом рисунке введены следующие обозначения: Wb(p) - передаточная функция канала передачи информации <гг изме-рителей-барорецепторов до интегративных участков продолговатого мозга;

£(/) - аналоговый эквивалент афферентной информации с барорецеп-

торов;

g(t) - значения уставки, положительное значение которой зависит от необходимости организма выйти из состояния покоя и повысить давление; P(t) - изменение давления в аортальном русле; z(t) - аддитивное изменение интраторакального давления вследствие дыхательных движений диафрагмы и грудной клетки;

e(t) ~ эфферентное хронотропное воздействие на синусовый узел. Непосредственное определение передаточных функций барорецепто-ров сопряжено со значительными трудностями. Однако есть ряд косвенных методов, позволяющих определить их вид и параметры.

В представленной работе для определения передаточной функции дуги барорефлекса использовалось импульсное воздействие на входе бароре-цепторов, моделируемое изменением интраторакального давления коротким и глубоким дыхательным циклом. Известно, что передаточная функция линейной системы определяется как преобразование Лапласа весовой функции w(t), которая, в свою очередь, является реакцией системы на импульс Дирака S(t). Учитывая, что время такого дыхательного цикла составляет около одной се!фнды, а реакция системы на это воздействие - более десяти секунд, то такая модель 6-импульса допустима.

Типовая реакция частоты сердечных сокращений на управляющую информацию со стороны барорецепторов приведена на рис. 2. Реакция сердечного ритма на воздействие в виде короткого вдоха-выдоха, при условии отсутствия наложения влияния других дыхательных движений, носит вид затухающей синусоиды с периодом Ть=10...12 кардиоциклов, или около 0.1 Гц (диапазон LF спектра вариабельности интервалов RR, занимаемый частоты от 0,04 до 0,15 Гц).

В ходе проведенных экспериментальных исследований было установлено, что в системе стабилизации давления такие колебания могут быть сформированы только за счет барорефлекса, поэтому импульсную характеристику линейной модели барорецептора w(t), участвующего в барорефлек-се, можно определить из дифференциального уравнения, описывающего колебательное звено с собственной частотой около 0.1 Гц:

(1) декремент

Ж ш

где Ть - период собственной частоты колебательного звена; ^ -затухания колебательного звена.

Рис. 2. Импульсная характеристика барорефлекса: кружки - реальные данные; линия - расчетная импульсная характеристика колебательного звена с коэффициентом усиления 0.4, периодом 10.5 с, декрементом затухания 0.091

Для проверки адекватности модели (1) из реально зарегистрированного сигнала были получены АЧХ звена барорефлекса, которые сравнивались с АЧХ аппроксимирующего звена с рассчитанными параметрами (рис. 3).

Рис. 3. АЧХ барорефлекса, полученная из реально зарегистрированного сигнала (кружки) и АЧХ затухающего колебательного звена с периодом 10.5 с, декрементом затухания 0.091

Проведенные в работе исследования показали, что хотя полученная модель является определенным приближением реально происходящих в организме процессов, ее практическое использование позволяет существенно

повысить эффективность управления процессом кардиореспираторной синхронизации.

В третьей главе разрабатываются технические и алгоритмические средства управления адаптационным резервом на основе резонансного управления кардиореспираторной системой.

Анализ переходной характеристики сердечного ритма (рис.2) на скачкообразные изменения интраторакального давления вследствие дыхательных движений, полученной на модели (рис. 1), позволил сделать вывод, что по периоду повторения максимумов (или минимумов) можно определить период собственной частоты функционального резонанса кардиореспираторной системы, которую можно использовать для управления кардиореспираторной синхронизацией. Такая синхронизация стимулирует блуждающий нерв и приводит к релаксации пациента, обеспечивая возможность накопления адаптационного резерва. В качестве одного из индикаторов адаптационного резерва используется разность величин частоты сердечных сокращений на вдохе и выдохе, называемая дыхательной аритмией сердца (ДАС).

В предлагаемой работе управление адаптационным резервом производится путем синхронизации дыхательных движений со специально выделяемыми техническими средствами экстремумами на кардиоинтервалограмме, что приводит к максимизации показателя ДАС и позволяет, по сравнению с классической схемой биологической обратной связи (БОС), исключать дополнительную психологическую нагрузку на пациента в виде анализа собственной кардиоинтервалограммы, а также повышать мобильность всего комплекса кардиореспираторной синхронизации для сочетания сеансов БОС с другими видами активной нагрузки на организм посредством исключения обязательной визуальной связи пациента с комплексом. Кроме того, в ходе экспериментальных исследований было установлено, что кардиореспиратор-ная синхронизация приводит к уменьшению уровня помех в анализируемой кардиоинтервалограмме, обеспечивая возможность более точного определения адаптационного резерва.

Механизм синхронизации реализуется через предлагаемый в работе способ коррекции адаптационного резерва сердечно-сосудистой системы человека, сущность которого состоит в том, что в ходе исследований регистрируют и анализируют кардиоинтервалограмму пациента и на основании этого анализа формируют управляющие команды на вдох-выдох, которым подчиняется пациент. При этом команда на вдох выдается при регистрации максимума кардиоинтервалограммы и при условии окончания временного интервала блокировки анализа, а команда на выдох выдается при регистрации минимуму кардиоинтервалограммы и при условии окончания временного интервала блокировки анализа. Временной интервал блокировки анализа начинается во время команды вдоха, и в этом случае он длится три кардио-цикла, или выдоха, и в этом случае он длится, один, кардиоцикл.

Процесс, монотонного уменьшена ЯК-интервалов на вдохе у большинства людей длится примерно 4..Л секунд, а затем, даже при продол-

жающемся вдохе, ЯК-интервалы начинают увеличиваться. Процесс монотонного увеличения ЯК-интервалов на выдохе у большинства людей длится примерно 3...5 секунд (и происходит, как правило, быстрее процесса монотонного уменьшения ЯЯ-интервалов), а затем, даже при продолжающемся выдохе, ЯК-интервалы начинают уменьшаться.

Если в момент перехода через максимум кардиоинтервалограммы изменить фазу дыхания, то наступит кардиореспираторная синхронизация с максимальной стимуляцией блуждающего нерва и релаксацией пациента.

Предлагаемый способ реализуется устройством кардиореспираторной синхронизации, структурная схема которого показана на рис.4. На человека 1 накладывают электроды 2 микроконтроллерного регистратора-анализатора. Потенциалы электрокардиограммы усиливаются усилителем биопотенциалов 3, фильтруются от помех блоком фильтров 4 и поступают на аналогово-цифровой вход микроконтроллера 5, программа которого позволяет оцифровывать сигнал, выделять ЯК-интервалы, затем их регистрировать в памяти 7, анализировать и, в результате анализа, формировать управляющие сигналы на вдох-выдох, которые поступают на блок выдачи команд 6. Для расширения динамического диапазона и повышения помехоустойчивости выделения кардиоциклов микроконтроллер вычисляет среднее значение отсчетов электрокардиосигнала в скользящем окне на интервале нескольких дыхательных циклов и через встроенный цифроаналоговый преобразователь подает этот сигнал на инвертирующий вход усилителя биопотенциалов 3. Блок выдачи команд 6 воздействует на органы слуха, и (или) зрения, и (или) осязания человека, т.е. выдает команды в звуковом, и (или) визуальном, и (или) тактильном виде. Человек подчиняется командам и совершает дыхательные движения, которые обратно воздействуют на ЯК-интервалы (частоту сердечных сокращений), т.е. цепь биологической обратной связи замыкается. Для достижения максимальной релаксации рекомендуется поза лежа и (или) с закрытыми глазами.

Микроконтроллерный регистратор-анализатор

Рис. 4: Структурная схема устройства кардиореспираторной синхронизации

Исследования показали, что у- некоторых людей наблюдается запоздалая реакция учащения (урежения) рй'тма се{Ьдца на вдох' (вЫдох), что при-

водит к появлению вслед за одним экстремумом других экстремумов, непосредственно не связанных с явлением кардиореспираторной синхронизации, а зависящих от индивидуальных особенностей реакции ритма сердца на дыхательные движения. Из-за этого микроконтроллерный регистратор-анализатор может выдать неверные команды. Для ликвидации этого негативного эффекта был введен сразу за выданной командой интервал блокировки анализа, во время которого наличие экстремума не приводит к выдаче управляющей команды. Длительность интервала блокировки целесообразно брать равным трем кардиоциклам после команды вдоха и одному кардио-циклу после команды выдоха. Это значение является компромиссом между ошибками первого и второго рода, то есть между пропуском экстремума, обусловленного резонансными свойствами кардиореспираторной системы и ложными срабатываниям анализатора экстремумов.

В ходе проводимых исследований сравнивались методы управления адаптационным резервом с помощью классической БОС, когда в контур управления активно включается центральная нервная система и с помощью предлагаемого кардиореспираторного тренинга. Результаты сравнения кар-диоинтервапограмм двух вариантов управления адаптационным резервом у одного из испытуемых приведены на рис. 5.

¡1,2. J 0 р. Щ- о,в ш

а.«

N 0 N

ТО : 20 зр 40 50 е V ; 20 39 40 * !

Рис. 5. Сравнение реальных графиков кардиоинтервалограммы во время проведения сеанса кардиореспираторного БОС-тренинга способом, основанном на использовании классической БОС а) и предлагаемым способом б)

По субъективным ощущениям глубина релаксации при организации биологической обратной связи предлагаемым способом выше, чем при организации биологической обратной связи классическим способом. По объективным данным при кардиореспираторной синхронизации способом, основанным на классическом подходе, усредненные Ю1-интервалы удлинились с 0,75 с до 0,87 с (ЧСС соответственно уменьшилась с 80 уд/мин до 69 уд/мин), а при кардиореспираторной синхронизации предлагаемым спосо-

бом усредненные ЯК-интервалы удлинились с 0,76 с до 1,05 с (ЧСС соответственно уменьшилась с 79 уд/мин до 57 уд/мин), что отражает большую релаксацию пациента, обеспечивающую процесс накопления адаптационного резерва, и большую стимуляцию блуждающего нерва предлагаемым способом. Подобные результаты получены и у других испытуемых.

В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования медико-технического комплекса управления функциональным состоянием сердечно-сосудистой системы на основе резонансного биоуправления кардио-респираторной синхронизацией.

Для проверки возможности метода кардиореспираторной синхронизации в подавлении артефактов в процессе измерений показателя ДАС вводилась помеха в виде «глотательной тахикардии», которая моделировалась глотательными актами испытуемого. Типовое влияние такой помехи на Ш1-интервалограмму человека, находящегося в состоянии оперативного покоя (сидя, с закрытыми глазами, в расслабленном состоянии) иллюстрируется рис. 6а. Характер возникающей помехи от глотательной тахикардии таков, что при определении показателя ДАС, который в дальнейшем используется для определения уровня адаптационного резерва, она вносит существенные погрешности, приводящие к ошибкам в оценке состояния испытуемого. При проведении кардиореспираторной синхронизации этот уровень помех в тех же условиях эксперимента значительно снижается, что хорошо иллюстрирует рис. 6,6.

ю;

/У 1

I :1 ! 4

■ ; \ ' " /

; \ /

\ /

; Сгяатывание

( 1 1 ; слюны

а я а

и

а) б>

Рис. 6. -интервалограмма сидящего человека: а) в покое; б) при кардиореспираторной синхронизации

Для объективной оценки помехозащищающих механизмов кардиореспираторной синхронизации в работе учитывалось, что дыхательную аритмию сердца связывают или с показателем мощности диапазона Нр (диапазон спектра вариабельности интервалов занимаемый частоты от 0,15 до 0,4 Гц), или со среднёквадратическим отклонением (СКО) Ю1-интервалограммы. >'

Эти показатели вычислялись в каждой строке теплицевой матрицы, которая получалась путем продвижения окна из 100 отсчетов (около 80 секунд) на один отсчет на апертуре наблюдения кардиоинтервалограммы. В табл. 1 приведены найденные таким образом показатели для сигнала, представленного на рис.6,а (верхняя строка показателя), и для сигнала, представленного на рис. 6,6 (нижняя строка показателя).

Разведочный анализ, проведенный в контрольных группах, различающихся социальным и возрастным статусом, показал результаты, близкие к результатом, приведенным в табл.1. Это позволило сделать вывод, что кар-диореспираторная синхронизация повышает достоверность контроля показателя ДАС по параметрам Ы7 и СКО М1-интервалов в 18 и 15 раз, соответственно.

Таблица 1

Изменение показателей, характеризующих дыхательную аритмию сердца, от наличия помехи в виде глотательных движений_

ПОКАЗАТЕЛЬ Усредненное значение до сглаты-вания слюны Усредненное значение после сгла-тывания слюны Процент изменения, %

Мощность диапазона И7, мс2 183 439 140

586 858 46

Мощность диапазона 1Л% мс2 421 1750 315

7200 5980 17

СКО Ш1- интервалограммы, мс 27 47 74

79 75 5

Для статистического подтверждения этого вывода были сформированы три основных группы и три контрольных группы по 20 человек в каждой. Селекция в группах осуществлялась по диапазону ДАС. Для каждого человека в основных и контрольных группах определялось 20 показаний ДАС на временном интервале 10 минут. Причем в основных группах ДАС определялась при кардиореспираторной синхронизации, а в контрольных - без нее. После этого для каждого пациента определялась средняя ДАС и СКО ДАС, а затем средняя ДАС по группе и СКО ДАС по группе. Статистические исследования показали, что точность определения ДАС в основной группе с нормальным адаптационным резервом более чем в 2.5 раза превышает точность в контрольной группе с тем же самым диапазоном ДАС. Кроме того, проведенные статистические исследования показали, что эффективность исполь-

зования кардиореспираторной синхронизации при определении показателя ДАС снижается по мере уменьшения адаптационного резерва.

Таким образом, снижение степени нестационарности регулирования ритмом сердца, а, следовательно, повышение точности контроля показателя ДАС, возможно п^ем"Целенаправленных внешних воздействий и изучением ответов на эти воздействия.

В процессе проведенных исследований было показано, что параметры кардиоинтервалограммы при функциональном резонансе (амплитуда, основная частота и т.д.) могут служить обобщенными показателями адаптационного резерва человека. В качестве параметров, несущих информацию об адаптационном резерве, использовались средняя основная частота резонанса при кардиореспираторной синхронизации и средняя амплитуда частоты, которые находили посредством расчета периодограмм длительного процесса с усреднением и перекрытием временных окон по методу Уэлча. Для проверки гипотез использовался непараметрический критерий Уилкоксона.

Для исследования статистической значимости выбранных критериев использовались две выборки людей. В первую выборку включались люди, восстановившие адаптационные резервы в ходе здорового продолжительного сна и подтверждающие свою готовность к активной работе и хорошее самочувствие. Высокий уровень адаптационного резерва объективно был подтвержден индексом функциональных изменений (ИФИ), предложенный для оценки уровня адаптационного потенциала (резерва) научной школой P.M. Баевского (внешний критерий по отношению к ДАС). Вторая выборка формировалась из тех же людей, но которые выполнили несвойственную им многочасовую работу (служащие занимались физическим трудом, а рабочие вместе с физическим трудом решали умственные задачи). В результате чего они переводились в класс утомления.

Снижение адаптационного резерва у людей, находящихся в состоянии утомления подтверждалось показателем ИФИ.

Проведенное исследование адаптационного резерва методами кардиореспираторной синхронизации показало, что общее снижение мощности волн функционального резонанса и сдвиг в область более низких частот резонансных волн статистически значимо при уровне значимости а<0,02 и характерно для людей со сниженной величиной адаптационного резерва после многочасовой нагрузки (рис. 7).

Для исследования эффективности управления адаптационным резервом использовались основные и контрольные группы, в которых группировались люди с одинаковым возрастным и социальным статусами. В контрольных группах кардиореспираторная синхронизация осуществлялась с помощью аппарата «Кардиотренинг» и прилагаемой к нему методики. В основных группах кардиореспираторная синхронизация осуществлялась по методике, основанном на разработанном способе.

0,1 0,2

СПМ. с1!

ои

0,3 Частота, Гц

Частота, Гц|°

Рис. 7. Усредненные периодограммы спектральной плотности мощности во время сеанса кардиореспираторной синхронизации: слева до рабочей смены, справа - после рабочей смены. Периодограммы получались путем временного сдвига минутного прямоугольного временного окна на апертуре в 6 минут и вычислением спектральной плотности мощности в нем через авторегрессионную модель 15 порядка

Эксперимент проводился следующим образом. В течение 15 минут снималась ЭКГ и в реальном времени вычислялась Ш1-интервалограмма, причем около 3-х минут ЭКГ снимали в состоянии покоя сидя, затем около 4-х минут проводился сеанс резонансного биоуправления кардиореспираторной системой, а остальное время ЭКГ снимали в состоянии покоя сидя.

Перед сеансом производились измерения артериального давления, массы тела и роста. После сеанса еще раз контролировали артериальное давление.

Контроль адаптационного резерва определялся по уровню функционирования системы кровообращения (адаптационного потенциала) Р. Баевско-го и по экспертным оценкам, полученным на основе тестов с нагрузочными пробами. Эффективность биоуправления оценивалась как отношение числа благоприятных исходов (переходов из состояния с более низким адаптационным потенциалом в состояние с более высоким адаптационным потенциалом) в группе к общему числу возможных исходов в группе, а также по отношению среднего адаптационного потенциала в выборке после БОС-тренинга к среднему адаптационному потенциалу в выборке до БОС-тренинга.

Проведенные исследования показали, что эффективность кардиореспираторной синхронизации повысилась в основных группах, в среднем, на 30% по сравнению с контрольными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена решению научных и практических задач, связанных с повышением качества управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека посредством разработки и исследования медико-технического комплекса кардиореспираторной синхронизации.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Синтезирована .математическая модель регулирования давления в сердечно-сосудистой ристеме с передаточной характеристикой барорефлекса в виде затухающего колебательного звена с собственной частотой 0.1 Гц, учитывающая изменение" интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров барорефлек-тивной обратной связи, позволяющая прогнозировать реакцию сердечнососудистой системы на входные воздействия в виде дыхательных упражнений.

2. Разработан способ коррекции функционального состояния сердечно-сосудистой системы человека, основанный на синхронизации дыхательных движений с колебаниями собственного сердечного ритма, позволяющий повысить эффективность воздействия на вегетативную нервную систему человека путем кардиореспираторной синхронизации, организованной посредством биологической обратной связи таким образом, что центральная нервная системы человека не входит в цепь биологической обратной связи.

3. Предложены алгоритмы и разработаны программы, реализующие цифровую обработку электрокардиосигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы, повышающие помехозащищенность формирования петли биологической обратной связи.

4. Разработано устройство регистрации и анализа электрокардиосигнала, формирующее отсчеты электрокардиосигнала с помощью аналоговых и цифроаналоговых преобразователей с учетом предлагаемого комплекса показателей, вычисляемых посредством универсального микроконтроллера, позволяющее формировать команды «вдох-выдох», обеспечивая устойчивую и эффективную кардиреспираторную синхронизацию.

5. Проведены исследования медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации, которые показали, что при измерении показателя дыхательной аритмии сердца при наличии кардиореспираторной синхронизации точность измерения показателя ДАС увеличивается более чем в 2 раза, а эффективность управления кардиореспираторной синхронизацией увеличивается в среднем на 30%.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Пронин, Т.В. Исследование и коррекция состояния вегетативной нервной системы способом функционального резонанса сердечнососудистой системы [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин, С.А. Филист // Вестник новых медицинских технологий. Тула, 2006. Т. XIII, №2. С.85 - 87.

2. Пронин, Т.В. Регистрация и обработка медицинских сигналов в операционной системе Windows в реальном времени с использованием аналогового интерфейса L-Card [Текст]/ Т.В. Пронин, А.Е. Белозеров, A.A. Кузьмин// Медицинская техника. Москва, 2008. №2. С.4 - 7.

Авторские свидетельства и патенты

3. Пронин, Т.В. Способ коррекции функционального состояния человека [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин, С.А. Филист // Патент РФ А61В 5/08 № 2323681. Заявка 2006118481/14, 29.05.2006. Опубликовано: 10.05.2008. Бюл.№ 13.

Статьи и материалы конференций

4. Пронин, Т.В. Функциональная коррекция состояния человека способами кардиораспираторной синхронизации [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин// Медико-экологические информационные технологии - 2006: сб. материал. IX Междунар. научн.-техн. конф. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2006. С.65-69.

5. Пронин, Т.В. Разработка биоуправляемого портативного электронного прибора для лечения артериальной гипертензии [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция "Электроника - 2006" - М.-.МИЭТ, 2006. С.87.

6. Пронин, Т.В. Комплекс кардиореспираторной синхронизации [Текст] /Т.В. Пронин // Материалы и упрочняющие технологии-2007: сборник материалов XIV Российской научно-технической конференции с международным участием / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2007. С.237-241.

7. Пронин, Т.В. Коррекция функционального состояния человека путем биоуправляемого воздействия на кардиораспираторную систему[Текст] / Т.В. Пронин // Биомедсистемы-2007: материалы XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов.- Ря-заньский. гос. радиотехнический ун-т. Рязань, 2007.- С. 46-47.

8. Пронин, Т.В. Основные направления повышения эффективности оценки функционального состояния сердечно-сосудистой системы / Т.В. Пронин, А.Ф. Рыбочкин, A.A. Кузьмин // Опто-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов. Обработки изображений и символьной информации. Распознавание-2008 [Текст]: сб. материалов VIII Междунар. конф. 4.2/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2008. С.67-70.

9. Пронин, T.B. Проектирование моделей систем автоматического управления в системе PROTEUS [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин// Современные информационные технологии в деятельности органов государственной власти «Информтех-2008»: материалы I Всерос. Науч.-техн. конф. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2008. С.42-44.

10. Пронин, Т.В. Модель адаптационной.регуляции артериального давления [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин, С.А. Филист, В.В. Руденко// Материалы и упрочняющие технологии - 2008. сб. материал. XV Российской научн.-техн. конф. с международным участием/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2008. С.290-294.

11. Пронин, Т.В. Моделирование механизмов адаптивных реакций сердечно-сосудистой системы [Текст]/ Т.В. Пронин, A.A. Кузьмин, В.В. Руденко II Медико-экологические информационные технологии - 2008: сб. материал. XI Междунар. научн.-техн. конф. / Курск, гос. техн. ун-т, Курск, 2008. С.61-68.

12. Пронин, Т.В. Использование кардиораспираторной синхронизации для повышения помехоустойчивости контроля дыхательной аритмии сердца [Текст] / A.A. Кузьмин, Т.В. Пронин, А.Ф. Рыбочкин, С.А. Филист//Известия Курского государственного технического университета №2 (23), 2008. С. 7477.

ИД №06430 от 10.12.01г.

Подписано в печать_2008. Формат 60x84 1/16

_Печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 60 _

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ 11 АДАПТАЦИОННЫМ РЕЗЕРВОМ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

1.1 Роль вегетативной нервной системы в управлении 11 функциональным состоянием

1.2 Дисфункция ВНС как основной фактор ухудшения 18 функционального состояния на примере патогенеза эссенциальной гипертензии

1.3 Современные методы управления функциональным состоянием

1.3.1 Психофизиологические методы

1.3.2 Биохимические методы

1.3.3 Показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР) в 24 определении функционального состояния

1.3.4 Функциональные пробы

1.4 Способы исследования и коррекции адаптационного резерва 38 посредством кардиореспираторной синхронизации

1.5 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ АДАПТАЦИОННЫМ РЕЗЕРВОМ 47 ССС НА ОСНОВЕ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

2.1 Модели механизмов адаптивных реакций сердечно-сосудистой 47 системы

2.2 Модель сердца как частотно-импульсного модулятора

2.3 Модель аорты

2.4 Модель барорецепторов и рефлекторной дуги

2.5 Исследование механизмов влияния функционального состояния 67 на параметры функционального резонанса ССС

2.6 Выводы второй главы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ

СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЕМ АДАПТАЦИОННЫМ РЕЗЕРВОМ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ

3.1 Разработка способа коррекции адаптационного резерва человека 76 на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой

3.2 Структурная схема системы коррекции адаптационного резерва 84 человека

3.3 Алгоритм сегментации ЭКС при наличии помех

3.4 Выводы третьей главы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 107 МЕДИКОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АДАПТАДИОНЫМ РЕЗЕРВОМ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ

4.1 Использование медико-технической системы 107 кардиореспираторной синхронизации при контроле дыхательной аритмии сердца

4.2 Исследование статистической значимости критериев оценки 124 адаптационного резерва сердечно-сосудистой системой, полученных на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой

4.3 Исследование эффективности управления адаптационным 132 резервом способами резонансного биоуправления кардиореспираторной системой

4.4 Выводы четвертой главы 137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139 Библиографический список

Актуальность проблемы. Работами отечественных и зарубежных ученых было убедительно показано, что одной из ведущих причин возникновения и развития заболеваний является снижение адаптационных возможностей организма (Казначеев В.П., Баевский P.M., Сорокин А.П., Судаков К.В.). Обеспечивая достоверный контроль и управление адаптационными резервами организма можно решать задачи снижения риска возникновения заболеваний, и в ряде случаев оптимизировать процессы их лечения.

В ряде работ убедительно показывается, что в качестве надежного индикатора адаптационных резервов целостного организма может выступать система кровообращения человека (Парин В.В., Баевский P.M., Машин В.А.). С точки зрения функционального и адаптационного резервов, при различных типах адаптации, исследование реакций системы кровообращения дает наиболее наглядные и типичные примеры. Это объясняется тем, что методы измерения уровня функционирования сердечно-сосудистой системы общедоступны (артериальное давление, частота пульса, минутный и ударный объем крови и т.п.), а также тем, что большое количество различных рецепторов контролируют множество параметров, как в самом сердце, так и в разных точках сосудистого русла. Это обеспечивает гибкость приспособления сердца и сосудов к непрерывно изменяющимся условиям окружающей среды в результате деятельности весьма совершенных механизмов регуляции. В свою очередь существуют доступные методы оценки состояния регуляторных механизмов системы кровообращения, одним из которых является математический анализ ритма сердца (Баевский P.M., Парин В.В., Берсенева А.П.).

Существуют различные подходы к определению адаптационных резервов организма, среди которых широкое применение находят различные приемы оценки параметров ритма сердца (Пятакович Ф.А., Баевский P.M., Федоров

В.Ф.). Однако точная оценка адаптационных резервов по параметрам сердечных ритмов затрудняется из-за влияния целого ряда помех, не связанных с процессом адаптации. В свою очередь недостаточная точность в оценке адаптационных резервов создает проблемы в выборе рациональных схем коррекции состояния человека. Одним из подходов к повышению достоверности оценок адаптационных резервов по параметрам ритма сердца является применение кардиореспираторной синхронизации, которую можно использовать также и для управления уровнем адаптационных резервов, снижая тем самым риск возникновения и развития целого ряда заболеваний (Парцерняк С.А., Суворов Н.Б., Сметанкин А.А.).

Однако современные системы управления адаптационным резервом, основанные на кардиреспираторной сонхронизации, не обеспечивают стабильной синхронизации из-за высокого уровня помех и наличия субъективно устанавливаемой задержки между экстремальными показателями ритма сердца и командами управления «вдох-выдох».

Поэтому разработка медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации, позволяющего немедикаментозно улучшать адаптационный резерв систем организма, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Предупреждение и борьба с социально-значимыми заболеваниями» 2007-2011 г., подпрограмма «Артериальная гипертония» и с научным направлением Курского государственного технического университета «Медико-экологические информационные технологии».

Целью работы является разработка и исследование медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы на основе кардиореспираторной синхронизации.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи: б синтезировать математическую модель системы регуляции ритма сердца, обеспечивающей гомеостаз, с учетом резонансных свойств ее компонент; разработать способ возбуждения функционального резонанса кардиореспираторной системы с учетом изменчивости основной частоты резонанса и алгоритмическое и программное обеспечение для его реализации; разработать устройство, позволяющее осуществить способ коррекции адаптационного резерва человека с учетом изменчивости основной частоты резонанса кардиореспираторной системы; провести экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить повышение качества управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации в разработанном медико-техническом комплексе.

Методы исследований. В работе использовались методы системного анализа, теории автоматического управления, спектрального анализа, математического моделирования, математической статистики, цифровой обработки сигналов и распознавания образов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: математическая модель системы регуляции ритма сердца, отличающаяся учетом резонансных свойств барорефлективной обратной связи, учетом изменений интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и адаптационным резервом регулирующих систем; способ коррекции адаптационного резерва сердечно-сосудистой системы человека, заключающийся в регистрации и анализе кардиоинтервалограммы пациента и управлении его дыхательными движениями в зависимости от результатов этого анализа, отличающийся тем, что для повышения помехоустойчивости управляющих команд установлены временные интервалы блокировки анализа кардиоинтервалограммы; устройство регистрации и анализа электрокардиосигнала, обеспечивающее устойчивую и эффективную кардиореспираторную синхронизацию, отличающееся тем, что команды «вдох-выдох», которым подчиняется пациент, формируются микроконтроллерным регистратором-анализатором на основе анализа системы комплексных показателей, .вычисляемых по параметрам электрокардиосигнала.

Практическая значимость и результаты внедрения работы. Разработанные математические модели, способы, устройство и алгоритмы использованы для создания опытно-конструкторского образца медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечнососудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации.

Применение предложенных в диссертации разработок позволяет повысить точность оценки адаптационного резерва человека и улучшить качество его коррекции, что в свою очередь обеспечивает снижение риска появления и развития различных патологий, связанных с изменениями в механизмах адаптации.

Предложенные в работе способ, алгоритмы и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры биомедицинской инженерии Курского государственного технического университета (дисциплина «Проектирование диагностической и терапевтической техники») и используются в клинической практике в Больнице скорой медицинской помощи №1 г. Курска.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе-конференции «Электроника - 2006» (Москва, 2006); на XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Биомедсистемы - 2007) (г. Рязань, 2007); на I Всероссийской научно-технической конференции «Информтех-2008» (Курск, 2008); на XIV и XV

Российских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии - 2007 и 2008» (Курск 2007, 2008); на IX и XI Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии 2006 и 2008» (Курск, 2006, 2008); на VIII Международной конференции «Распознавание - 2008» (Курск, 2008); на научно-технических семинарах кафедры биомедицинской инженерии КурскГТУ (Курск, 2005, 2006, 2007, 2008).

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель системы регуляции ритма сердца, учитывающая резонансные свойства барорефлективной обратной связи, изменения интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивость во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи позволяет разработать способ и алгоритмы управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы на основе кардиореспираторной синхронизации, повышающие качество управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы.

2. Управление адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека, основанное на синхронизации дыхательных движений с колебаниями собственного сердечного ритма посредством биологической обратной связи с формированием команд «вдох-выход» микроконтроллерным регистратором-анализатором, позволяет повысить эффективность управляющих воздействий на вегетативную нервную систему человека и увеличить адаптационный резерв сердечно-сосудистой системы.

3. Предложенный медико-технический комплекс позволяет повысить достоверность контроля дыхательной аритмии сердца более чем в два раза, контролировать адаптационный резерв сердечно сосудистой системы в процессе терапевтических воздействий на основе параметров кардиореспираторной синхронизации и повысить эффективность управления адаптационным потенциалом сердечно-сосудистой системы более чем на 30%.

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, в [1], [3], [4] и [8] автором предлагаются и исследуются способы коррекции адаптационного резерва сердечно-сосудистой системы посредством кардиореспираторной синхронизации, в [2] автор предложил способы и алгоритмы обмена данными между микроконтроллерным анализатором-регистратором и персональным компьютером, в [5] автором предложено устройство для реализации способов кардиореспираторной синхронизации; в [9], [10] и [11] соискатель предложил и исследовал модели регуляции артериального давления, в [12] соискателем доказано, что применение разработанного медико-технического комплекса повышает точность контроля показателей дыхательной аритмии сердца.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 93 отечественных и 13 зарубежных наименований. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц.

4.4 Выводы четвертой главы

Проведены исследования влияния кардиореспираторной синхронизации на помехозащищенность контроля показателя дыхательной аритмии сердца (ДАС). Показано, что кардиореспираторная синхронизация снижает вариации как мощности диапазона LF, так и вариации с.к.о. RR-интервалов.

Статистические исследования, проведенные с выборками людей с различным уровнем адаптационного резерва показали, что кардиореспираторная синхронизация позволяет увеличить точность определения показателя ДАС более чем в 2.5 раза в выборках с нормальным адаптационным резервом. По мере снижения адаптационного резерва в выборках эффективность использования кардиореспираторной синхронизации для повышения точности определения показателя ДАС снижается.

Для контроля изменения адаптационного резерва в процессе кардиореспираторной синхронизации было предложено использовать показатели средней амплитуды резонанса и показатели средней частоты резонанса, вычисленные по максимуму периодограммы. Статистические исследования этих показателей в выборках с различным функциональным состоянием показали статистическую значимость их изменения при переходе человека из состояния с одним адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы в состояние с другим резервом. Проверка статистической значимости коррекции функционального состояния посредством резонансного биоуправления кардиореспираторной системой показала, что с доверительной вероятностью более 0.98 изменение ИФИ в сторону улучшения функционального состояния могут считаться статистически значимыми.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена решению научных и практических задач, связанных с повышением качества управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека посредством разработки и исследования медико-технического комплекса кардиореспираторной синхронизации.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Синтезирована математическая модель регулирования давления в сердечнососудистой системе с передаточной характеристикой барорефлекса в виде затухающего колебательного звена с собственной частотой 0.1 Гц, учитывающая изменение интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи, позволяющая прогнозировать реакцию сердечно-сосудистой системы на входные воздействия в виде дыхательных упражнений.

2. Разработан способ коррекции функционального состояния сердечнососудистой системы человека, основанный на синхронизации дыхательных движений с колебаниями собственного сердечного ритма, позволяющий повысить эффективность воздействия на вегетативную нервную систему человека путем кардиореспираторной синхронизации, организованной посредством биологической обратной связи таким образом, что центральная нервная системы человека не входит в цепь биологической обратной связи.

3. Предложены алгоритмы и разработаны программы, реализующие цифровую обработку электрокардиосигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы, повышающие помехозащищенность формирования петли биологической обратной связи.

4. Разработано устройство регистрации и анализа электрокардиосигнала, формирующее отсчеты электрокардиосигнала с помощью аналоговых и цифроаналоговых преобразователей с учетом предлагаемого комплекса показателей, вычисляемых посредством универсального микроконтроллера, позволяющее формировать команды «вдох-выдох», обеспечивая устойчивую и эффективную кардиреспираторную синхронизацию.

5. Проведены исследования медико-технического комплекса управления адаптационным резервом сердечно-сосудистой системы человека на основе кардиореспираторной синхронизации, которые показали, что при измерении показателя дыхательной аритмии сердца при наличии кардиореспираторной синхронизации точность измерения показателя ДАС увеличивается более чем в 2 раза, а эффективность управления кардиореспираторной синхронизацией увеличивается в среднем на 30%.

1. Анохин, П.К. Очерки по физиологии функциональных систем Текст./ П.К. Анохин. — JI. Медицина, 1975. 447 с.

2. Аритмии сердца Текст. В 3 т. Т.1/ Пер. с англ./ Под ред. В.Дж.Мандела. — М.: Медицина, 1996. 510с.

3. Баевский, P.M., Берсенева, А.П. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний Текст./ P.M. Баевский, А.П. Берсенева. М.: Медицина, 1997. 235с.

4. Баевский, P.M. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии Текст./ P.M. Баевский. М.1979. 285 с.

5. Баевский, P.M., Кирилов, О.И., Кпецкин, С.З. Математический анализ сердечного ритма при стрессе Текст./ P.M. Баевский, О.И. Кирилов, С.З. Кпецкин. М.: Наука, 1984. 380 с.

6. Бесекерский, В.А., Попов, Е.П. Теория систем автоматического регулирования Текст./ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. — М.: Наука, 1975. 768 с.

7. Ващилло, Е.Г., Зингерман, А.М, Константинов, М.А. Исследование резонансных характеристик сердечно-сосудистой системы Текст./ Е.Г. Ващилло, A.M. Зингерман, М.А. Константинов /Физиология человека. -1983. Т9№2. С.257-265.

8. Ю.Вегетативные расстройства: клиника, лечение, диагностика Текст./ под ред. A.M. Вейна. М.: Медицинское информационное агентство, 1998. 752 с.

9. П.Вейн, A.M. , Соловьева, А.Д., Колосова, О.А. Вегетативно-сосудистая дистония Текст./ A.M. Вейн, А.Д. Соловьева, О.А. Колосова. М.: Медицина, 1981. 306 с.

10. Гайтон, А. Физиология кровообращения. Минутный объём сердца и его регуляция Текст./ А. Гайтон. М., Медицина, 1969. 472 с.

11. Гланц С. Медико-биологическая статистика Текст./ С. Гланц. М.: Практика, 1998.-459 с.

12. Горин, Е.Н. К стандартизации оценок ортостатической пробы Текст./ Е.Н. Горин//Физические методы и вопросы метрологии биомедицинских измерений. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции 24-27 октября 1978 г. М., ВНИИФТРИ, 1978. С. 199-200.

13. Жемайтите, Д.И. Вегетативная регуляция синусового ритма у здоровых и больных Текст./ Д.И. Жемайтите // Анализ сердечного ритма. Вильнюс, 1980. С. 22-31.

14. Каро, К., Педли, Т., Шротер, Р. и др. Механика кровообращения Текст./ К.Каро, Т.Педли, Р. Шротер и др. М.: Мир, 1981. 624 с.

15. Коркушко, О.В., Шатило, В.Б. Ортостатические реакции кровообращения и вегетативной регуляции у здоровых людей разного возраста Текст./ О.В. Коркушко, В.Б. Шатило // Физиологический журнал, 1989.- Т.36. №1. С. 38.

16. Косицкий, Г.И. Афферентные системы сердца Текст./ Г.И. Косицкий. -М.Медицина, 1973. 207 с.

17. Косицкий, Г.И. Нейрогуморальная регуляция сердечной деятельности. // Превентивная кардиология Текст./ Г.И. Косицкий. М.: Медицина, 1987. 512 с.

18. Косицкий, Г.И., Смирнов В.М. Нервная система и стресс Текст./ Г.И. Косицкий. -М.:Наука. 1970.

19. Кушаковский, М.С. Эссенциальная гипертензия (гипертоническая болезнь). Причины, механизмы, клиника, лечение Текст./ М.С. Кушаковский. 5-е изд. доп. и перераб. - СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2002. 416 с.

20. Лищук, В.А. Математическая теория кровообращения Текст./ В.А Лищук. М. Медицина, 1991. 256 с.

21. Макаров, Л.М. Особенности вариабельности циркадного ритма сердца в условиях свободной активности Текст./ Л.М. Макаров. Физиология человека, 1998. Т.24. №2. С.56-62.

22. Макаров, JI.M. Характеристика дополнительных критериев оценки ритма сердца при Холтеровском мониторировани Текст./ Л.М. Макаров //Вестник аритмологии, 1998. №10. С. 10-13.

23. Марпл.-мл., С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения Текст./ С.Л. Map пл.-мл.: Пер. с англ.- М.: Мир, 1990. 584 с.

24. Машин, В. А. Нестационарность и длительность временного ряда сердечного ритма при диагностике функциональных состояний Текст./ В.А. Машин//Биофизика, 2007. Т. 52. N2. С. 344-354.

25. Медведев, В.И. Устойчивость физиологических и психологических функций человека при действии экстремальных факторов Текст./ В.И. Медведев. Л.: Наука, 1982. 104 с.

26. Михайлов, В.М. Вариабельность ритма сердца. Опыт практического применения метода Текст./ В.М. Михайлов. Иваново, 2000. 200 с.

27. Парашин, В.Б., Иткин, Т.П. Механика кровообращения Текст./ В.Б.Парашин, Г.П. Иткин. М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э.Баумана, 2005. 223 с.

28. Пат. 2214160 Российская Федерация, МПК7 А61В5/02. Способ оценки состояния вегетативной регуляции сердечно- сосудистой системы Текст. /

29. Имя изобретателя: Кутькии В.М. Патентообладатель: Алтайскийгосударственный медицинский университет Опубл. 2003.10.20

30. Писарук, А. В. Количественная оценка эффективности барорефлекторной регуляции сердечного ритма при старении Текст./ А. В. Писарук // Проблемы старения и долголетия, 1998.-№ 2-3. С. 54-56

31. Писарук, А. В. Амплитудно-частотная характеристика системы барорефлекторной регуляции сердечного ритма при старении Текст./ А. В. Писарук // Проблемы старения и долголетия, 1996. № 1-2. С. 32-34.

32. Попечителев, Е.П., Кореневский, Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. Теория и проектирование Текст.: в 4 ч. / Под ред. Е.П. Попечителева. Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1999. 425 с.

33. Пронин, Т.В. Способ коррекции функционального состояния человека Текст./ Т.В. Пронин, А.А. Кузьмин, С.А. Филист // Патент РФ А61В 5/08 № 2323681. Заявка 2006118481/14, 29.05.2006. Опубликовано: 10.05.2008. Бюл.№ 13.

34. Пронин, Т.В. Регистрация и обработка медицинских сигналов в операционной системе Windows в реальном времени с использованием аналогового интерфейса L-Card Текст./ Т.В. Пронин, А.Е. Белозеров, А.А. Кузьмин// Медицинская техника. Москва, 2008. №2. С.4 7.

35. Рабинер, JI. Теория и применение цифровой обработки сигналов Текст.: [пер. с англ.] / JI. Рабинер, Б. Гоулд. М.: Мир, 1978. 848 с

36. Ратнер, Н.А. Артериальные гипертонии Текст./ Н.А. Ратнер. -М.Медицина, 1974. 415 с.

37. Рашевски, Н. Некоторые медицинские аспекты математической биологии Текст./Н. Рашевски. -М.: Медицина, 1966. 243 с.

38. Ритм сердца у спортсменов Текст. / Под ред. Р. М. Баевского и Р. Е. Мотылянской М.: Физкультура и спорт, 1986.

39. Рифтин, А.Д. Модель распознавания функционального состояния организма на основе математического анализа сердечного ритма Текст./ А.Д. Рифтин //Физиология человека, т. 16, № 3, 1990. С. 165-172.

40. Рифтин, А.Д. Оценка функциональных резервов организма на основе анализа сердечного ритма по результатам пробы с дозированной физической нагрузкой Текст./ Рифтин А.Д. //Физиология человека, т. 17, № 6, 1991.С.133-137.

41. Скоромец, А.А., Скоромец Т.А. Топическая диагностика заболеваний нервной системы Текст. / А.А. Скоромец, Т.А. Скоромец. СПб.: Политехника, 2000. 141 с.

42. Сломим, А.Д. Физиологические адаптации и поддержание вегетативного гомеостаза Текст./ А.Д. Сломим // Физиология человека. 1982. - № 3. С. 355-361.

43. Справочник по функциональной диагностике в педиатрии Текст. / под общ. ред. Ю.Е. Вельтищева, Н.С. Кисляк. М.: Медицина, 1979. 624 с.

44. Теория автоматического управления Текст. / Под ред А.А. Воронова. М.: Высшая школа, 1986.

45. Теория вероятностей и математическая статистика Текст. / В.А.Колемаев, О.В. Староверов, В.Б. Турундаевский; Под ред. В.А. Колемаева. М.:Высш. шк., 1991. 400 с.

46. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования Текст. В 3 к. 4.1. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающих систем автоматического регулирования / Под ред. В.В. Солодовникова, М. Машиностроение. 1969. — 608с.

47. Титов, B.C. Основы теории управления. Линейные системы автоматического регулирования Текст.: учебное пособие/ B.C. Титов, Т.А. Ширабакина.- Курск, гос. техн. ун., 1997. 71 с.

48. Толстов, Г.П. Ряды Фурье Текст. / Г.П. Толстов. М.: Наука, 1980. 384 с.

49. Турмян, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика Текст./ В.Е. Турмян.- М.: Высшая школа, 1988. 479 с.

50. Тьюки, Дж. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ Текст. / Дж. Тьюки. М.: Мир. 1981. 351 с.

51. Тюрин, Ю.Н. Статистический анализ данных на компьютере Текст. / Ю.Н. Тюрин, А.А. Макаров; под общ. ред. В.Э. Фигурнова. М.: ИНФА, 1998. 528 с.

52. Устинов, А.Г. Автоматизированные медико-технологические системы Текст. : монография / А.Г. Устинов, В А. Ситарчук, Н.А. Кореневский; под ред. А.Г. Устинова; Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1995. Ч.З. 105 с.

53. Устинов, А.Г. Автоматизированные медико-технологические системы Текст. : монография / А.Г. Устинов, В.А. Ситарчук, Н.А. Кореневский; под ред. А.Г. Устинова; Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1995. 4.2. 157 с.

54. Устинов, А.Г. Автоматизированные медико-технологические системы Текст. : монография / А.Г. Устинов, В.А. Ситарчук, Н.А. Кореневский; под ред. А.Г. Устинова; Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1995. 4.1. 128 с.

55. Физиология человека. Текст. В 3 т. Т2. Пер. с англ./Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.-М.: Мир, 1996. 313 с.

56. Фролов, М.В. Диагностика функциональных и депрессивных состояний по характеристикам интонации и временного потока речи Текст. / М.В. Фролов и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2004. № 12. С. 8-16.

57. Фролов, В.Н. Управление в биологических и медицинских системах: Учеб. пособие Текст./ В.Н. Фролов- Воронеж.гос.техн.ун-т. Воронеж, 2001. 327 с.

58. Хаютин, В.М., Бекбосынова, М.С., Лукошкова, Е.В. Тахикардия при глотании и спектральный анализ колебаний ЧСС Текст./ В.М. Хаютин, М.С. Бекбосынова, Е.В.Лукошкова// Бюлл. эксп. биол. и мед., 1999. Т. 127. № 6. С. 620-624,.

59. Хаютин, В.М., Лукошкова, Е.В. Спектральный анализ колебаний частоты сердцебиений: физиологические основы и осложняющие его явления Текст./ В.М. Хаютин, Е.В. Лукошкова // Российский физиологический журнал И. М. Сеченова, 1999. Т.85. №7.

60. Хомазюк, А.И. Патофизиология коронарного кровообращения Текст./ А.И. Хомазюк -К.:3доровья, 1985. 280 с.

61. Шенк, X. Теория инженерного эксперимента Текст./ X. Шенк М.: Мир, 1972. 381 с.

62. Шумаков, В. И., Новосельцев, В. Н., Сахаров, М. П., Штенгольд, Е. Ш. Моделирование физиологических систем организма Текст./ В. И. Шумаков, В. Н. Новосельцев, М. П. Сахаров, Е. Ш.Штенгольд. М.: Медицина, 1971.

63. Яблучанский, Н.И., Мартыненко, А.В., Исаева, А.С. Основы практического применения неинвазивной технологии исследования регуляторных систем человека Текст./ Н.И. Яблучанский, А.В. Мартыненко, А.С. Исаева. X.: Основа, 2000. С. 69-71.

64. Яшин, А.А. Математическая обработка результатов исследований в медицине, биологии и экологии Текст. : монография / С.А. Воробьев; под общ. ред. А.А. Яшина. Тула: ТулГУ, 1999. 120 с.

65. Ahmed, М., Kadish, A., Parker, М., Goldberg, J. Effect of physiologic and pharmacologic adrenergic stimulation on heart rate variability Текст./ M. Ahmed, A. Kadish, M. Parker, Goldberg // Am Coll Cardiol, 1994. №24. P. 1082-1090.

66. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task force of the European society of pacing and electrohpysiologyТекст./ Circulation, 1996;93(5). P. 1043-1065.

67. Malliani, A., Lombardi, F., Pagani, M. Power spectral analysis of heart rate variability: atool to explore neural regulatory mechanisms Текст./ A. Malliani, F. Lombardi, M. Pagani.- Br. heart J., 1994. V.71. P. 1-2.

68. Malik, M., Camm, A.J. Components of heart rate variability. What they really mean and what we really measure Текст./ M. Malik, A.J. Camm // Am. J. Cardiol, 1993.V.72. P.821-822.

69. Mark, AL. The sympathetic nervous system in hypertension: a potential long-term regulator af arterial pressure Текст./ AL Mark. J Hypertens. 1996;14 (suppl5) :SI59-SI65

70. Phyllis, K. Stein. Assessment of autonomic tone using frequency domain HRV Текст./ К. Stein Phyllis. Washington: University School of Medicine St. Louis, Missouri, USA. -37 p.

71. Pomeranz, В., Macaulay, R.J.B., Caudill, M.A. et al. Assessment of autonomic function in humans by heart rate spectral analysis Текст./ В.

72. Pomeranz, R.J.B. Macaulay, M.A. Caudill et al. Am J Physiol, 1985; 248:pp. H151-H153.

73. Walt Kester. Practical design techniques for sensor signal conditioning Текст./ Walt Kester. USA: Analog Devices, 1997.

74. Warner, H.R. and Cox, A., Mathematical model of heart rate control by sympathetic and vagus efferent information Текст./ H.R. Warner, A. Cox,. J. Appl. Physiol. 17 (1962). P. 349 355.