автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Разработка метода и средств диагностики хаотической деятельности сердца

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА

?Г6 ОД

На правах рукописи

3

ВАДНЛОВ Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ХАОТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЦА.

05.11.17 - Медицинские приборы и измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Москва - 1994

Работа выполнена в Центральной научно-исследовательской лаборатории Нижегородского Медицинского Института им. С.М.Кирова

Научный руководитель - академик АЭИН, профессор В.И. Лошилов Научный руководитель - член-корреспондент АЭИН.кандидат

биалошческих наук А.П. Гаврилуписии

Официальные онпонеаты:

- доктор технических наук, профессор, Н.М. Солома пи»

- кандидат технических наук. С.Б. Арсень?,.

Ведущая организация • Научный цеитр хируршн РАН

, Защита диссерташш состоится $ 1994 г.

в 7т часов на заседашш специализированного совета Д 053.15.13 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э.Баумана по адресу: 2-я Бауманская ул.. дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.Э.Баумана.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан Очреля .1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета клш., доцент

С.И. Щукин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Одной из центральных проблем современной медицины является диагностика и лечение заболеваний сердца, а интерес исследователей и практических врачей к изучению вопросов кардиологии приобретает все более широкие масштабы. В диагностике для объективизации кардиологических данных чаще всего используется анализ кривых (ЭКГ, кровяное давление, кровоток) н изображений (кинокардиография, компьютерная томография, ультразвуковая кардиография,, радиоязотопная апгиография).

Самый распространенный способ определения кардиологических нарушений ююкарда - электрокардиографический. При таком подходе данные зубцов ЭКГ тестируют по установленным критериям и получают набор непротиворечива заключений по ЭКГ.

Прк другом варианте рассчитывается вероятность того или ппого диагноза. Расчет вероятности основан па одповремешюм использовании большого числа ЭКГ переменных.

Компьютеризация ЭКГ и других электрофизиологаческих исследований с использованием самых различных подходов: автоматизированным обсчет показателей, идентификация желудочковых экстрасистол от изменений ЧСС, автоматизированный анализ усиленной ЭКГ с помощью оценки спектральной энтропии, компьютерный мониторинг, вектор-кардиография и многие другие варианты позволяют облегчить анализ кардиологической информации, объективизировать данные инструментальных методов исследований. Эта методы компьютерной диашостпкн иллюстрируют детерминистический подход.

В клинике контроль за состоянием пациента осуществляется с помощью блочных (компьютерных) контролирующих систем. Аппаратная часть, программное обеспечение, параметры функционального состояния разбиваются на отдельные компоненты, которые мо1уг объединяться в самых различных сочетаниях. Это позволяет применять такие системы в соответствии с требованиями индивидуального моннториого контроля больных, используемого в операционных, реанимационных отделениях, отделениях интенсивной тераиии, а также контроля пациентов с различной тяжестью заболевания.

Однако, такой Холтеровский мошпооинг построен на опреде

лении средних значений частоты пульса, общего количества экстрасистол и других усредненных параметров, иллюстрирующих деятельность сердца. В связи с этим он является достаточно поверхностным, т.к. совершенно одинаковые средние значения кардиологических характеристик могут наблюдаться при патологии.

Наряду с этим перспективным является другой подход для контроля • за состоянием обследуемого, в основе которого заложен анализ структуры хаотических колебаний ритма сердца. С этих позиций деятельность миокарда характеризуется хаотическими процессами.

Изучение хаотических колебаний Я-Я интервалов ЭКГ деятельности сердца в условиях нормы и патологии можег открыть новые перспективы в распознавании болезней на самых ранних палиях нх развития.

Одновременно с этим именно эта область в изучении механизмов хаотической деятельности сердца является наименее разработанной в настоящее время.

Это определяет необходимость разработки меюдоз и средств диагностики хаотической деятельности серии, теоретических и практических подходов ее практической оценки, изготовление устройств и приспособлений.

Изучение хаотической деятельности сердца в условиях нормы и патологии может открыть новые перспективы в распознавании болезней на самых ранних стадиях их зарождения.

Одновременно с этим именно эта область в изучении механизмов хаотической деятельности сердца, и основанных на исследовании этих механизмов, методов автоматизированной диагностики является наименее разработанной в настоящее время.

Это определяет необходимость создания технологии изучения хаотической деятельности сердца, теоретических и практических подходов ее практической оценки, изготовление устройств и приспособлений.

Целью, настоящей работы является разработка научных наложений диагностики хаотической деятельности сердца. В задачи работы входило:

- Анализ и квалификация хаотических процессов электрической деятельности сердца.

- Определение параметров характерных элементов ЭКГ.

- Разработка диагностических критериев хаотического состоятгая

сердца.

- Разработка алгоритмов оценки хаотического состояния сердца.

- Разработка методики диагностики.

Методы . исследования- Теоретические исследования базировались на теории нелинейных динамических систем, синергетики, и радиотехники. Экспериментальные и клинические исследования проводились на отечественных и иностранных кардиографах и мингографах, исследования и разработка новой технологии контроля состояния миокарда выполнялась на макете устройства, созданного автором. Расчеты и математическая обработка данных проводилась на персональном компьютере PC/AT фирмы IBM, при этом использовался специализированный пакет прикладных программ, разработанный автором.

Научная новизна. Классическая электрокардиография - это пространственное исследование электрических потенциалов, вырабатываемых миокардом, которое является общепринятой рутинной процедурой. Как правило, регистрируется 4-5 кардиошислов в различных отведениях (системах отсчета). По данным ЭКГ невозможно сделать предсказание развития процесса. Например, куда движется организм, к угрожающему жизни состоянию, к инфаркту, или от него. Зачастую, даже уже когда патологический процесс достиг своего апогея - развился инфаркт, в некоторых случаях его трудно диагносцировать с помощью ЭКГ. Обычно врачей терапевтов интересуют стационарные состояния сердечно - сосудистой системы. В случае, если обнаруживается ровный сердечный пульс, то делается вывод о нормальном состоянии пациента, о его хорошем здоровье, при наличии неровного пульса, фиксируется заболевание.

В отличие от электрокардиографии в дапной работе используется принципиально другой подход - анализируется временная эволюция кардиорнтма, закономерности его хаотических колебаний. При этом составление систем дифференциальных уравнений, моделирование промежуточных состояний не являлось целью исследования. В работе получил развитие более общий геометрический подход в анализе закономерностей хаотического поведения кардноритма. Регистрируемый процесс анализировался на фазовой и энергетической плоскостях. Из интег

рированной картины хаоса выделялись элементарные геометрические фигуры, а затем использовались различные геометрические метрики: периметр, площадь, форма, углы поворота, сечение Пуанкаре и т.д.

На основании исследований хаотических колебаний ритма сердца показано, что при изменении его физиологического состояния случайный (хаотический) процесс кардиоритма претерпевает закономерные изменения, раскрывая его внутренний скрытый порядок. В результате исследований динамики хаоса, проведенных на группе пациентов, имеющих подтвержденный клинический диагноз заболевания и оптимизации полученных данных, установлено:

Каждое заболевание миокарда имеет свой пространственный геометрический "портрет".

Гипертрофическая кардиомиоиатия дифференцируется от дпля-тационной с помощью геометрических метрик.

Для гипертонической болезни и артериальной гипертепзии в сечении Пуанкаре характерно диффузное, равномерное распределение точек на энергетической плоскости. На фазовой плоскости в сечении Пуанкаре данное множество точек выстраивается вдоль вертикальных линий, указывая на появление в ритме сердца фиксированных, близких частот.

В отличие от пшертошгческой болезни в ишемическом сердце, осложненном ностинфарктным кардиосклерозом, работа сердца на фиксированных частотах проявляется уже на энергетической плоскости.

Таким образом, научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработан метод диагностики хаотической деятельности сердца. Указанный метод содержит следующие взаимосвязанные аспекты:

а) анализ и квалификация хаотических процессов электрической деятельности сердца;

б) определение параметров характерных элементов ЭКГ (1?1?-интервалов, амплитуда И-зубца, площадь Я-зубца и др.);

в) определение диагностических критериев хаотической деятельности сердца (размерности хаоса сердца в состоянии покоя, фазовый параметр на фазовой плоскости, энергетический параметр на энергетнческо йплоскости;

г) формализация процессов обработки информации хаотической деятельности сердца на основе разработанных алгоритмов.

д) идентификация нормы гота паталопш.

2. Исследован и доказан фрактальный механизм деятельности сердца. Выявлены хаотические "портреты" динамики сердечного ритма. Показано, что каждое заболевание миокарда имеет свой пространственный геометрический портрет.

3. Разработана и синтезирована биотехническая система для оценки хаотической леятелности сердца.

4. Разработан комплекс алгоритмов обработки информации хаотической деятельности сердца.

5. Разработана методика диагностирования хаотической деятельности сердца.

Практическая пеипость. Предложен новый метод диагностики хаотической деятельности сердца, получивший назвапие метод "Heart-chaos".

Доказан фрактальный механизм деятельности сердца. Показано, что каждое заболевание миокарда имеет свой пространственный геометрический портрет. Решена практическая задача разпознования заболеваний сердца для четырех нозологический единиц: дилятационяой кардно-миопатип, гипертрофической кардиомиопатни, шпемической болезни сердца (постинфарктный кардиосклероз), пшертопяческой болезни. Для практического использования метода разработана методика и создан пакет прикладных программ, написанный на языке Турбо Паскаль для ПЭВМ типа IBM PC/AT.

Анробаиня работы. Материалы работы докладывались на научных семинарах ЦНИЛа Нижегородского медицинского института им. С.М. Кирова (г. Н.Новгород. 1990,1991). на научных семинарах кафедры "Биомедицииские технические системы и устройства" МВТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва. 1991), на Международной выставке - ярмарке (г. Н.Новгород 1991). ряд рекомендаций работы прошел государственную экспертизу н признан изобретением.

Публикация. Основные результаты работы опубликованы в восьми печатных статьях.

Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций диссертации подтверждены верифицированными данными 411 пациентов, выполненных при техническом обеспечении автора.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введе

ния, четырех глав, заключения, вьшодов, списка литературы (152 наименований из них 96 иностранных) и приложения, содержит 169 страниц текста, 48 рисунков, 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обоснована актуальность проблемы, определна цель работы, сформулированы научные и практические задачи, приведены положения, выдвигаемые на защиту.

Первая глава посвящена исследованиям и разработке метода хаотической деятельности сердца. Проведен анализ состояния по рассматриваемой проблеме. Проанализировано состояние вопросов автоматизации доврачебного кардиологического скрининга, характеристики компонентов, алгоритмы автоматического анализа ЭКГ и принятия общего решения.

Анализ применяемых компьютерных средств для оптимизации диагностики оценки состояния кардиологических больных показал, что при реализации программы массовой диспансеризации населения одномоментное скринирующее обследование с использованием опросников становится затруднительным ввиду трудностей обработки массива информации, больших экономзтческнх и временных затрат. Оптимальным в этом отношении может явиться автоматический анализ анкетных данных.

Созданные к настоящему времени разнообразные автоматизированные комплексы для практической реализации скрининга имеют ряд недостатков, препятствующих широкому распространению данных систем (громоздкость, необходимость дорогостоящей техники, ее эксплуатация с привлечением специального технического персонала, сложность проведения такого скрининга в условиях ограниченного контингента без территориального отрыва от производства). Кроме того даже самые современные доврачебные автоматизированные системы скрининга дают большой процент лиц с неуточненными сердечно-сосудистыми заболеваниями, порядка 24%. Все это поставило задачу исследования и разработки компактных приборов контроля и оценки функционального состояния миокарда, наиболее полно учитывающих требования практической реализации скрининга. Рутинная регистрация ЭКГ в двенадцати отведениях для целей кардиологического скрининга так же является дорогостоящей и громоздкой процедурой.

Непрерывному наблюдению за динамикой основных параметров кровообращения в современной терапии острого периода инфаркта миокарда уделяется основное внимание. Во многах клиниках страны используются адекватные комплексы математического анализа состояния регуляции синусового ритма сердца. Основные показатели структуры ритма это: средпее, максимальное и минимальное значения, мода, амплитуда моды, вариационный размах, индекс напряжения, среднеквадратичное отклонение, показатели автокорреляционных функций. Ряд авторов вводит нормированные статистические показатели ритмограммы. Использование для анализа ритма сердца методики статистической обработки материала явно недостаточно, так как в современной литературе имеются сведения о том, что ритмограммы изменяются не случайным образом, а имеют внутренние закономерности (скрытый порядок). Поэтому возникла задача проведения компьютерного исследования ритма сердца с позиции синергетики - теории саморегулирующих систем.

На основании анализа научных публикаций, выполненных исследовании и обобщений разработан новый метод диагностики сердца на основе информации его хаотической деятельности. Указанный метод получил название метод "НгапсЬаоЕ". Основу метода составляют следующие взаимосвязанные объекта:

1. Анализ и квалификация хаопгческих процессов электрической деятельности сердца.

2. Определение параметров характерах элементов ЭКГ: ЯК-интервалов. Я-амплитуды, Я-площади, И-порога и др. именованного зубпа.

3. Определение днапюстических критериев хаотической деятельности сердца: размерности хаоса в состоянии покоя; фазового параметра, измеренного на фазовой плоскости; энергетического параметра, измеренного на энергетической плоскости.

4. Формализация процессов обработки информации хаотической деятельности сердца иа основе разработанных алгоритмов.

Разработанный метод является определяющей компонентой научных положений диссертации.

Вторая глава посвящена исследованиям фрактального механизма деятельности сердца. В условиях обычного клинического обследования, проведенного в Нижегородском областном диагностическом центре было обследовано 291 человек, мужчины и жешцины в возрасте от б до 75

лет, которые представляли различные нозологические группы, от врожденных пороков сердца до больных хроническими гастритами.

Регистрация деятельности патологически измененного сердца у лиц с выверенными клиническими диагнозами позволили выявить наличие специфических "портретных" характеристик хаотической деятельности сердца для ряда нозологических единиц.

Так, наиболее характерной геометрической фигурой для лиц с постишемическими изменениями, является фиксированный точечный аттрактор, где все траектории сходятся в одной точке, поскольку это тип геометрического равновесия.

Другим типичным примером проявления патологических изменений у обследуемых, был периодический аттрактор (ограниченный цикл), при котором траектории проходят правильный (¡хмулярный) путь, соответствующий процессу, который является циклическим. Этот тин "портретной" характеристики присущ патологии при экстраснстолин.

Качественно иной "портрет" сердечной деятельности у больных, имеющих пороки сердца, когда чаще всего выявляются странные аттракторы, а характерные системные динамики не сходятся в одной фиксированной точке или в органическом цикле (Рис.1).

Проведенные исследования позволяют установить:

- измерение ритма сердца при нормальном синусовом ритме в покое выявляет его хаотический характер;

- хаотичекие колебания ритма сердца, развернутые на фазовой плоскости, имеют не случайное происхождение;

- изменение патологии у обследуемых влечет за собой изменение характера процесса на фазовой плоскости;

- для выявления внутренних закономерностей в хаотическом процессе необходимо измерять дополнительный параметр ЭКГ, предпочтительно - энергетический, имеющий связь с метаболизмом органа.

- расчет энергетического параметра характеристического импульса ЭКГ, совместно с определением другого параметра - величины кардиоинтервалов позволит развернуть объемную геометрическую фигуру хаотических колебаний на две плоскости, увеличить разрешающую способность технологии.

Кроме того бьи разработан экспертный анализ геометрических избражеиий хаотических портретов ритма сердца. Предложенная экс

на А

\ ООО

5 О

я а

С Е к

(«З'оО

I О О У ;

2 Я т С ¡5 К

5 0

100 и

у V

т С • К

А к

| ООО

50

й А *г\ с

Рис.1

"Портреты" функционального состояния миокарда па фазовой плоскости 1-точечный аттрактор; 2-ииклический аттр?ктор;3-странный аттрактор.

Рис. 2. Копия экрана с изображением хаосов двух файлов Е87.гез и У87.гез.

пертная диагностическая система способна одновременно обрабатывать от одного до четырех файлов данных, каждый из которых представляет из себя набор пар чисел. Масштабируя эти числа по окну изображения, программа преобразует данные к изображению с тем, чтобы подвергнуть их анализу методами распознавания образов.

Согласно принятой терминологии описание изображения - это преобразование исходной или предварительно обработанной двумерной функции в совокупность количественных (числовых) или качественных (логических) характеристик, нужных для решения поставленных перед системой задачи. Классифицирующими признаками в данном случае использованы формы гистограмм, построенных по каждой координате. На рис. 2. - копия экрана процесса обучения, когда два файла данных обрабатываются одновременно.

1 2Л2> У "

I ?0\>ГЛ И

1 I I! . V V-. : •

•дм

1 I А

I жг-^тохихл [V V

I ! !

! N1 ЛИГ; . I 1 И1 ГТ'!* У

! I ' I ; Г1 м " | ■■

Рис.З. Копня экрана после квалификации данных из файла Е40.гез

Картина хаоса в окне изображения складывается из наложения отдельных замкнутых фрагаентов (примитивов), соединенных друг с другом ломанной линией. Формально, описание изображения можно представить в виде набора подобных примитивов. Такое онисаиие дополняет полученные гистограммы, так как учитывает процесс получения хаоса, последовательность наложения данных, вращение вокруг определенных точек с тем или иным радиусом, в то время как гистограммы вычисляются по конечному результату всей картины хаоса в целом.

Геометрическими признаками, характеризующими примитивы, могут быть проекции на оси. площадь, периметр, коэффициент формы (нормированное отношение площади к квадрату периметра). Обучение классификации примитивов начинается с пустой базы. Постепенное предъявление примитивов позволяет распознавать до десяти классов различной конфигурации.

Гистограмма численности этих классов оннсьтает картину хаоса и служит дополнительным признаком представленных данных. Примитивы. принадлежащие одному классу окрашиваются в один цвет на изображение хаоса, что видно на рисунках 3 и 4. где представлены копии экранов после классификашш файлов с разными типами данных.

Основные выводы по исследованиям второй главы сводятся к следующему:

1. Обоснован и доказан фрактальный механизм возбуждения миокарда, что приводят к электрокардиографическим импульсам ОИБ со спектром, отражающим хаотический пронесс;

Рис.4. Копия экрана после квалификации данных из файла У99.гсх.

2. Показано, что фрактальный процесс не может быть охарактеризован единственной частотой колебаний; спектр Фурье фрактального процесса подтверждает широкий частогаый разброс;

3. Исследования подтвердили, что ряд патологий заболевания сердца связан с потерей механизма фрактальности.

Третья глава посвящена синтезу биотехнической системы (БТС) и разработке алгоритмов ее функционирования.

Известные устройства контроля функционального состояния миокарда используют в качестве диагностических критериев в основном различные параметры ЭКГ. При таком подходе теряются ценные сведения о жизнедеятельности миокарда, скрытые в хаотических колебаниях кардиоритма. Из этого следует, что в автоматическую расшифровку электрокардиосигналов по комплексу СЖБ также вносится систематическая ошибка, обусловленная хаотическим характером кардиоспгаа-ла, так как зубцы <3,1?,Б разнесены во времени, а комплексы СЩБ -разнесены в пространстве.

Были исследованы различные физические принципы построения приборов контроля функционального состояния изучаемого объекта. Исследования показали, что дня обеспечения высокой разрешающей способности по времени исследуемый сигнал должен иметь достаточно большое произведение ишрипы спектра па длительность. Одним из известных способов расцшреиия спектра характеристического импульса является глубокая модуляция его несущей частоты по линейному закону в пределах длительности. Значительное увеличение выходного сигнала достигается за счет оптимальной фильтрации с использованием дисперсионной ультразвуковой липии задержки. Все спектральные составляющие задерживаются в оптимальном фильтре на такое время, что поступает па его выход одновременно, имея одну и ту же нулевую фазу. Этим объясняется значительное увеличение амплитуды выходного сигнала. Передаточная функция Б оптимального фильтра равна О = ДГ г, где г - длительность входного сигнала. М = 5 мГц.

Мгновенное значение напряжения на выходе оптимального фильтра сигнала равно:

sin(x)

Его комплексная амплитуда имеет вид функщшя-------

X

Выходной сигнал симметричен относително t = ^ и достигает в этот момент пикового значения V шах = V ~fD, которое в Го раз больше амплитуды сигнала на входе.

Функциональная схема программно-технического комплекса (БТС) для изучения нелинейных эффектов в деятельности сердца состояла ю следующих модулей

m—GO—сю—GО

1- объект исследования

2- электрокардиограф;

3- устройство для измерения кардиоинтервалов;

4- устройство сопряжения АЦП;

5- персональный компьютер PC/AT.

В свою очередь создание устройства для выделения величины кардиоинтервалов с минимальным уровнем шума и разработка алгоритмов системы подразделяется на подсистемы, представляющих собой также дерево целей для приборной и алгоритмической частей проекта (рис.5, рис.б).

Устройство,, А1

оЭ— — — — 1м-П

Рис.5. Дерево целей для приборной части проекта. А1-1 - датчик ЭКГ; А1-2 - усилитель ограничитель НЧ; А1-3 - дифференцирующая ЛС цепочка; А1-4 - ждущий генератор прямоугольных импульсов; А1-5 - интегрирующая КС цепочка; А1-6 - генератор; А1-7 - согласованный фильтр; А1-8 - усилитель высокой частоты; А1-9 - детектор; А1-10 - линия задержки; А1-11 - выходное устройство;

Функциональная схема комплекса алгоритмов представлена на рис.6.

Рис.6. Функциональная схема. А2-1 - запись электрокардиограммы на жесткий диск; А2-2 - отображение ЭКГ для её контроля и уровня отсчета; А2-3 - энергетическая обработка ЭКГ; А2-4 - отображение обработки ЭКГ; А2-5 - расчет плотности вероятности массива дашых; А2-6 - вычисление коэффициентов Фурье и построение спектральных характеристик;

А2-7 - расчет фрактальной размерности хаотического состояния сердца;

А2-8 - построение отображения Пуанкаре;

А2-9 - сортировка данных.

А2-10 - построение фазовой плоскости

А2-11 - экспертная система распознавания образов

Для расчета фрактальной размерности С(г) была выбрана корреляционная функция, которая вычислялась следующим образом:

1 N

С(г) = — £Н(Г-5;;), где Н - функция Хэвисайда. N У 4

1 при X > О

Н(Х) =

0 при х < О ^ 3 = |Х} - I

Я; ^ - расстояние между выбранными точками в сечении Пуанкаре.

Основные выводы по исследованиям третьей главы заключаются в следующем:

1, Синтезирована структура биотехнической системы, содержащей модули: объет исследования; информационно-измерительный модуль (набор датчиков, аппаратура усиления, формировнаия, фильтрации и пр. сигналов); электрокардиограф; модули интерфейсов: обрабатывающий и

преобразующий модули (АЦП, ПЭВМ); определены частоты квантования аналоговых сигналов; оптимальными являются частоты 250Гц и 500Гц; максимальное время обработки информации - 7сек.; в качестве технических средств ЭВМ используется IBM PC/AT 286; тактовая частота генераьора - 16МГц, оперативная память - 2Мб.

2. Разработан комплекс алгоритмов функционирования системы, содержащий семь типов алгоритмов: запись и отображение ЭКГ в память ЭВМ; энергетическая обработка ЭКГ и ее отображение; расчет плотное -ти вероятности массива данных; вычисление коэффициентов Фурье и построение спектральных характеристик; расчет фрактальной размерности хаотического состояния сердца; построение отображения Пуанкаре; фазовая обработка ЭКГ и ее отображение.

3. Показано, что целесообразно организовать банк данных "портретных" характеристик хаоса при различной паталогии сердечнососудистой системы для обеспечения постановки диагноза в тех случаях, когда другие методы не дают результата.

практическим результатам и внедрениям. Приводятся данные испытания разработанной технологии в институте кардиолоши им Л.Н. Мясникова (г. Москва). Особенностью этого обследования являлось набор пациентов с заведомо известной патологией, которые были собраны в четыре группы по признакам заболевания. Общее число обследуемых составило 120 человек, но 30 человек в группе. Электрокардиологпчес-кн, -выбранные патологии трудно различимы, поэтому была поставлена задача разработки экспертной системы для оценки характера заболевания.

На рис.7 представлены результаты проведенного исследования. Энергетическая плоскость несет новую информацию в характере хаотических колебаний. Если геометрические фигуры на фазовых плоскостях (1 и 3) рис. 7, трудно различимы, то на энергетической они имеют совершенно разные "портретные" характеристики.

На рис.8 приведены распределения точек в сечении Пуанкаре. Для дилятациониой кардиомиопатин (2) характерно стремление массива точек занять весь объем фазового пространства. В случае более серьезной патологии (1) массив точек в сечении Пуанкаре выстраивается вдоль определенных линий, что является доказательством возникновения фрактального механизма работы органа.

посвящена экспериментальным исследованиям,

Рнс.7. Энергетические н фазовые характеристики ритма сердца для 4-х различных заболеваний.

1 - гипертрофическая кардиомиопатия;

2 - дилятационная кардиомиопатия;

3 - ишемическая болезнь сердца, постинфарктный кардиосклероз;

4 - гипертоническая болезнь.

67 б

47 в

Л "

N N ГУЛ 1 к

Рис. 8

Сечение Пуанкаре для фазовых плоскостей гипертрофической (I) и дилятационной (2) кардиомиопатий.

Из приведенных исследований следует, что:

- сечение Пуанкаре несет иш}юрмацию о возникновении близких частот в режиме работы сердца, что характеризует тяжесть заболевания.

- в состав экспертной системы должны входить пять уровней обработки кардиосишала; сечение Пуанкаре для энергетической и фазовой плоскостей, энергетическая и фазовая плоскости и функция распределения плотности вероятности.

Основные выводы по исследованиям четвертой главы сводятся к следующему:

1. Разработан аппаратно-программный комплекс для обработки Ш1(|юрмацни о хаотической деятельности сердца, включающий набор стандартных и оригинальных блоков. К оптимальным относится оптимальный модулятор кардиоинтервалов сердца.

2. Разработан пакет прикладных программ, включающий 11 программных модулей, содержащий более 5000 операторов языка Турбо Паскаль 6.0.

3. Разработана диалоговая система в форме мешо для работы с аппаратно-программным комплексом. Интерфейс пользователя включает реализацию пяти функций: ввод данных и отображение на экране; обработка ЭКГ сигнала; отображение обработанной ЭКГ (построение фазовой и энегетической плоскостей); другие расчеты (сортировка, Фурье-анализ и пр.); выход из пользовательского интерфейса.

4. Разработана диагаостическая экспертная система распозиова-ння заболеваний сердца для четырех нозологических единиц: днлятационная кардиомиопатия, гипертрофическая кардномиопатня, ишемическая болезнь сердца (ностинфарктный кардиосклероз), гипертоническая болезнь.

5. Разработана методика диагностирования заболеваний сердца но информации полученной от компьютера.

В диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработан метод диагностики хаотической деятельности сердца, получивший название метода "НеапсЬаоз". Указанный метод содержит следующие взаимосвязанные аспекты:

- анализ и квалификация хаотических процессов электрической деятельности сердца;

- определение параметров характерных элементов ЭКГ (ЯК-интервалов, амплитуды Я-зубца, площади И-зубца и др.);

- определение диагностических критериев хаотической деятельности сердца (размерности хаоса сердца в состоянии покоя, фазовый параметр на фазовой плоскости, энергетический параметр на энергетической плоскости);

- формализация процессов обработки информации хаотической деятельности сердца на основе разработанных алгоритмов;

- идентификация нормы или патологии.

2. Исследован и доказан фрактальный механизм деятельнсоти сердца. Выявлены хаотические портреты динамики сердечного ритма. Показано, что каждое заболевание миокарда имеет свой пространственный геометрический портрет.

3. Разработана и синтезирована биотехническая система для оценки хаотической деятельности сердца, использующая методы и средства новых информационных технологий.

4. Разработан комплекс алгоритмов обработки информации хаотической деятельности сердца. Указанный комплекс содержит семь типов алгоритмов.

5. Разработана методика диагностирования хаотической деятельности сердца. Методика включает пакет программ, реализующий разработанные алгоритмы и предложенный новый метод диагностирования. Приведены результаты испытаний и внедрения предлагаемой методики. Проведен сравнительный анализ разработанного метода, свидетельствующий о его эффективности и практической ценности.

Из приведенных исследований следует, что:

- сечение Пуанкаре несет информацию о возникновении близких частот в режиме работы сердца, что характеризует тяжесть заболевания.

- в состав экспертной системы должны входить пять уровней обработки кардиосигнала: сечение Пуанкаре для энергетической и фазовой плоскостей, энергетическая и фазовая плоскости и функция распределения плотности вероятности.

Основные выводы по исследованиям четвертой главы сводятся к следующему:

1. Разработан аппаратно-программный комплекс для обработки информации о хаотической деятельности сердца, включающий набор стандартных и оригинальных блоков. К оптимальным относится оптимальный модулятор кардиоинтервалов сердца.

2. Разработан пакет прикладных программ, включающий И программных модулей, содержащий более 5000 операторов языка Турбо Паскаль 6.0.

3. Разработана диалоговая система п форме меню для рабопл с аппаратно-программным комплексом. Интерфейс пользователя включает реализацию пяти функций: ввод данных и отображение на экране; обработка ЭКГ сигнала; отображение обработанной ЭКГ (построение фазовой и энегетической плоскостей); другие расчеты (сортировка, Фурье-анализ и пр.); выход из пользовательского интерфейса.

4. Разработана диашостическая экспертная система распознова-ния заболеваний сердца для четырех нозологических единиц: днлятационная кардиомиопатия, гипертрофическая кардиомиопатия, ищемическая болезнь сердца (постинфарктный кардиосклероз), гипертоническая болезнь.

5. Разработана методика диагностирования заболеваний сердца по информации полученной от компьютера.

В диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработан метод диагностики хаотической деятельности сердца, получивший название метода "НеайсЬаоз". Указанный метод содержит следующие взаимосвязанные аспекты:

- анализ и квалификация хаотических процессов электрической деятельности сердца;

- определение параметров характерных элементов ЭКГ (1Ш-ип-тервалов, амплитуды Я-зубца, площади И-зубца и др.);

- определение диагностических критериев хаотической деятельности сердца (размерности хаоса сердца в состоянии покоя, фазовый параметр на фазовой плоскости, энергетический параметр на энергетической плоскости);

- формализация процессов обработки информации хаотической деятельности сердца на осиове разработанных алгоритмов;

- идентификация нормы или патологии.

2. Исследован и доказан фрактальный механизм деятельнсоти сердца. Выявлены хаотические портреты динамики сердечного ритма. Показано, что каждое заболевание миокарда имеет свой пространственный геометрический портрет.

3. Разработана и синтезирована биотехническая система для оценки хаотической деятельности сердца, использующая методы и средства новых информационных технологий.

4. Разработан комплекс алгоритмов обработки информации хаотической деятельности сердца. Указанный комплекс содержит семь типов алгоритмов.

5. Разработана методика диагностирования хаотической деятельности сердца. Методика включает пакет программ, реализукшош разработанные алгоритмы и предложенный новый метод диагностирования. Приведены результаты испытаний и внедрения предлагаемой методики. Проведен сравнительный анализ разработанного метода, свидетельствующий о его эффективности и практической ценности.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Вадилов С.А., Ильип Ю.М. Направление оптимизации программно-целевого комплекса материально-технического обеспечения процессов создания и производства новой техники. //Материалы научпо-тех-нической конференции МИЭТ и НИИТМ,. - М., 1982. - Вып.2. - С. 55-62.

2. Вадилов С.А., Ильина И.Ю., Карасева И.М. Повышение производительности программирования типовых процедур обработки данных в локально распределенной системе мини-ЭВМ. //Материалы научно-технической конференции МИЭТ. - М., 1985. Вып.2. - С. 97-99.

3. Вадилов С.А. Планирование материалыю-техпического обеспечения процесса разработки, освоепия и производства новой техники. //Материалы научно-технической конференции МИЭТ. - М., 1980, - С. 116-118.

4. Вадилов С.А., Кнеллер М.И., Лебедева В.Д. Опыт использования метода мтюгофакторного статистического моделирования для прогнозирования составляющих энергетического баланса Мипэиерго СССР. //Сборник материалов семинара "Энергетические балансы и планирование эпергоресурсов на промышленных предприятиях". - М.: Об-во "Знание" РСФСР. 1980. С. 25-31.

5. Вадилов С.А., Ильина И.Ю., Карасева И.М. Повышение производительности программирования для решения на ЭВМ задач обработки учетной информации. //Методология и опыт создания САПР комплексов специального технологического оборудования и систем управления производством в микроэлектронике. Материалы научпо-технической конференции. - М., 1984. Вьш.1. - С. 64-69.

• б. Будштан C.B., Шаров Ю.Г., Вадилов С.А., Перетягал С.П., Гаврилушкнн * К.А. Технология контроля хаотических состояний миокарда. Н.Новгород: Международная выставка-ярмарка, 1991. - С. 15.

7. Вадилов С.А., Гаврнлушкин А.П., Гаврилушкнн К.А., Жулина Н.И., Шаров Ю.Г. Дифференциальная диагностика кардиологической патологии методом нелинейной динамики, Н.Новгород: Международная выставка-ярмарка, 1991. - С. 16.

8. A.C. N 4837951 (СССР) Устройство для определения функционального состояния биоткани. /С.А. Вадилов с соавторами, 1991г.