автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой

На правах рукописи

Кузьмин Александр Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ВЕГЕТАТИВНОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информапии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2003

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Филист Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Довгаль Виктор Митрофанович кандидат технических наук, доцент Жмакнн Анатолий Петрович

Ведущая организация Белгородский государственный

университет

Зашита диссертации состоится 29 сентября 2003 года в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета 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_августа 2003 г.

Ученый секретарь диссертационш совета Д 212.105.03 /

Старков Ф.А

Зссб-У

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Нарушения работы систем управления организма приводят к развитию различных заболеваний. Биологическим системам свойственно дублирование управляющих механизмов, поэтому нарушение функций одной управляющей системы приводит к сложным реакциям перераспределения функций управления между дублирующими системами. При этом организм как функциональная система переходит к другой устойчивой рабочей точке, с другим устойчивым набором рабочих параметров. Причем в целом ряде случаев эта новая рабочая точка находится за границами физиологической нормы и характеризует наличие патологии.

Сбои в работе управляющей системы, отвечающей за стабилизацию артериального давления (АД), приводят к эссенциальной гипотензии или гипертензии. Наиболее распространенная и опасная нозология из них - это эссенциальная гипертензия (ЭГ)- Согласно докладу экспертов научного общества по изучению артериальной гипертензии, распространенность эссенциальной гипертензии в России составляет среди мужчин 39,2 %, среди женщин 41,1% (Кушаковский М.С.). Особенно опасны осложнения ЭГ - ишемияеская болезнь сердца (ИБС) и инсульт. По данным рабочей группы Всемирной организации здравоохранения среди населения России в возрасте от 45 до 74 лет свыше 85% случаев смерти от сердечно-сосудистых заболеваний приходится на ИБС и инсульт, а Россия по смертности от этих нозологий находится на одном из первых мест в Европе. Причем большая часть сердечных больных погибает в результате расстройств регуляции деятельности сердца при наличии еще значительных функциональных резервов миокарда даже после инфаркта и хронической ИБС (Хомазюк А.И.),

Первичные механизмы возникновения ЭГ связаны с нарушениями функций управления, что приводит к запуску компенсаторных, приспособленческих реакций, которые обеспечиваются дублирующими системами управления, в результате чего организм как функциональная система переходит на другой уровень функционирования с изменением рабочего параметра - артериального давления - за предел физиологической нормы. От того, какая управляющая система (вегетативная нервная, эндокринная, система регуляции баланса натрия и воды в организме и т.д.) вносит основной вклад в поддержание патологического значения АД во многом зависит тактика лечения. Однако современная методика лечения ЭГ (ступенчатый метод) представляет собой эмпирический подбор лекарств методом проб и ошибок, так как выяснять патогенетические механизмы эссенциальной гипертензии в каждом конкретном случае или очень дорого, или вообще невозможно на сегодняшний день (до 11*'

гипертоний имеют неясную этиологию, Виноградов АЛ

Одной из важнейших управляющих систем, которая обеспечивает регуляцию деятельности сердца, а также стабилизацию артериального давления, является вегетативная нервная система (ВИС). Чем больше напряженность физиологических регулирующих систем, тем меньший возможен от них ответ на возбуждающие стимулы (Вейн A.M.). Поэтому оценка вегетативной обеспеченности (т.е. вегетативной реактивности на определенные виды деятельности) является инструментом для дифференцирования гиперсимпатической формы патогенеза ЭГ.

Существует множество методов определения состояния вегетативной нервной системы: психофизиологические опросники, биохимические анализы мочи и крови, исследование вариабельности сердечного ритма (ВСР) и т.д. Однако все они имеют те или иные недостатки и ограничения. В частности, значительный недостаток психофизиологических опросников - это большой субъективизм значительного количества показателей. Определение катехоламинов в моче очень сильно зависит от состояния почек, активности ферментов, разрушающих эти нейропередатчики и т.д. Исследование плазмы крови - это инвазивная процедура, во время которой может развиться очень сильная нервная реакция, что завуалирует искомые показатели.

Гораздо большую популярность завоевали методы исследования ВСР, так как эти показатели оцениваются объективно и неинвазивно, а изменения частоты сердечных сокращений напрямую зависят от изменения активности ВНС. Однако ценность показателей состояния вегетативной нервной системы, особенно параметров, характеризующих симпатический тонус, вычисленных с помощью современных методик исследования ВСР (вариационная пульсометрия, спектральный анализ ВСР и др.) в целом ряде случаев сомнительна и является предметом дискуссий (Хаютин В.М., Лукошкова Е.В.). Показатели ВСР также не отличаются высокой воспроизводимостью (Яблучанский Н.И., БаевскиЙ P.M.). Для физиологической корректности результата исследования вегетативной нервной системы необходимо сокращать время обследования пациента. Однако в этом случае имеет место противоречие с математической корректностью рассчитываемых показателей (Федоров В.Ф.), которое состоит в том, что для корректности статистических выводов необходимо наоборот, увеличивать время обследования. Для обеспечения математической корректности при изучении управляющих воздействий нервной системы с инфранизкими частотами в методах исследования ВСР применяют окна наблюдения с апертурой в единицы-десятки минут. За это время на человека постоянно действуют неконтролируемые случайные факторы, которые искажают результат исследования. Повысить помехозащищенность показателей состояния вегетативной нервной системы можно путем использования явления функционального резонанса (ФР), которым обладает вегетативная система управления сердечным ритмом (Ващилло Е.Г., Зннгерман А.М, Константинов М.А.).

Для возбуждения ФР в вегетативную систему управления сердечным ритмом необходимо вносить внешние возмущения с частотой около 0.1 Гц, Наиболее эффективно использовать при этом управляемое дыхание, так как вследствие дыхательных движений создается аддитивное изменение интраторакального давления, которое непосредственно девствует на вегетативные барорецептивкые поля, расположенные в грудной клетке.

Поэтому разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления

кардиореспираторной системой, позволяющей оценивать состояние отделов вегетативной нервной системы, что, в свою очередь, позволит дифференцировать гиперсимпатическую форму патогенеза ЭГ, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 204 «Технологии живых систем».

Цель работы. Разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления

кардиореспираторной системой, позволяющих неинвазивно, в реальном времени контролировать работу отделов вегетативной нервной системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

исследовать зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления и механизмы влияния тонуса ВНС на параметры ФР;

разработать математическую модель контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, с учетом резонансных свойств его компонент;

разработать способ возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса;

разработать алгоритмы н программы, реализующие цифровую обработку электрокардносигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы;

разработать медико-техническую систему регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, позволяющую осуществить способ возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса;

синтезировать решающее правило по оценке вегетативной обеспеченности и провести экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить адекватность выбранного признакового пространства для оценки вегетативного обеспечения.

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

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

математическая модель контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, отличающаяся учетом резонансных свойств барорефлективной обратной связи, изменений интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров барорефлективной обратной связи, позволяющая получить аналитические соотношения между

регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем;

способ биологической обратной связи, отличающийся вводом в канал регистрации частоты сердечных сокращений анализатора экстремумов и блока выдачи синхронизированных с собственной частотой резонанса команд «вдоха-выдоха», позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости частоты функционального резонанса;

способ оценки степени напряженности симпатического отдела ВНС, отличающийся использованием параметров ФР, полученных при ортостатической пробе, позволяющий оценивать степень напряженности симпатического отдела ВНС на коротких апертурах наблюдения, а также определять дисфункцию адренергических систем управления;

способ обработки сигналов при телеметрической регистрации биопотенциалов, отличающийся гибкой компенсацией дрейфа изолинии в подвижном модуле, позволяющий повысить точность телеметрической регистрации биопотенциалов с учетом ограниченности динамического диапазона измерительного тракта;

решающее правило для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, отличающееся использованием в качестве признакового пространства параметров ФР, полученных при ортостатической пробе, позволяющее дифференцировать гиперсимпатическую форму ЭГ.

Практическая значимость и результаты внедрения работы. Разработанные математические модели, способы, алгоритмы и проведенные исследования позволили создать опытно-конструкторский образец телемедицинской системы регистрации ЭКС для оперативного и холтеровского контроля электрокар диосигнала, который позволяет реализовывать цифровую обработку сигнала в реальном масштабе времени, формировать петлю биологической обратной связи, формируя тем самым функциональный резонанс, обрабатывать, накоплять, передавать по телекоммуникационным каналам, визуализировать результаты исследования.

Получено заключение Министерства здравоохранения Российской Федерации о целесообразности дальнейшей разработки и освоения технических средств, реализующих разработанные в диссертации способы, утверждены медико-технические требования (соответственно протокол №1 от 13 мая 2003 г. и протокол Ха4 от 15 июля 2003 г. комиссии по клиникодиагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской техники).

Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре «Биомедицинской инженерии» Курского государственного технического университета и на кафедре общеинженерной подготовки Курского государственного медицинского университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», (Москва, 1999), VI российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-98» (Курск, 1998), на Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии», (Курск, 1999-2003), на Молодежной научно-технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2000), на Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (Тверь, 2002).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Личный вкяар автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, в [1, 2, 3, 5] приводятся результаты проведенных лично автором исследований вегетативного управления сердечной деятельностью, в частности, влияние отделов вегетативной нервной системы на биоритмы. В [4, 6, 7, 8] автором предлагаются способы выделения из биологических сигналов параметров, характеризующих деятельность вегетативной нервной системы. В [9] приводятся результаты проведенных лично автором исследований зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления, автором предложены подходы к построению модели регуляторных механизмов кардиореспираторной системы. В [10, 11) лично автором предложена медико-техническая система регистрации биопотенциалов с передачей информации по телекоммуникационным каналам. В [12] автором предлагаются алгоритмы программы, реализующие цифровую обработку ЭКС в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего !24 наименования. Объем диссертации 134 страницы машинописного текста, 48 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой гд^ве анализируется роль вегетативной нервной системы в поддержании гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии, исследуются современные способы оценки состояния вегетативной нервной системы. Проведен анализ ограничений и противоречий этих способов, на основании которого показана целесообразность исследования управляющих систем организма резонансными воздействиями. В заключении определяются цели и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математической модели контура регуляции ритма сердца (№ интервалов), обеспечивающего стабилизацию артериального давления с учетом резонансных свойств его компонент.

Обзор литературных источников приводит к выводу, что основной целью изменения сердечного ритма является стабилизация артериального давления (АД). Вегетативный контур адаптационной системы регуляции АД включает в себя барорецепторы крупных артерий, информация с которых поступает в центры головного мозга, которые через вегетативные нервы управляют резистивными, емкостными сосудами, сердцем, что приводит к изменениям АД. Согласно этим сведениям из физиологии были проведены исследования зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления. Результаты показали, что реакция сердечного ритма на воздействие в виде короткого вдоха-выдоха носит вид затухающей синусоиды, а реакция ритма сердца на скачкообразные изменения интраторакального давления, наблюдающиеся при медленном вдохе-выдохе, имеет колебательный вид (рис. 1).

здоровых людей на скачкообразные изменения интраторакального давления, N - номер кардиоцикла.

На основе результатов этих экспериментов синтезирована математическая модель контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего артериальное давление с учетом резонансных свойств его компонент (рис. 2):

где Т - период резонансной частоты барорефлекса (параметр может изменяться во времени), t - время, £(/) - афферентные показания барорецепторов, щ - декремент затухания (параметр может изменяться во времени), P(t) - среднее АД за время сердечного цикла, z(t) - аддитивное изменение интраторакального давления вследствие дыхательных движений, Ро -вклад систолического давления в среднее давление за время сердечного цикла, Um • давление в левом желудочке во время систолы, 1о, С -параметры модели (рис. 2), отношение которых Io/С характеризует скорость изменения АД в диастоле, f(t) - результирующая частота синусового узла, Ки - коэффициент влияния ВНС на синусовый узел, e(t) - управляющий сигнал ВНС на синусовый узел, fo - собственная частота синусового узла, So + &(') ~ амплитуда задающего воздействия.

Передаточная функция барорефлекса облапает свойствами низкочастотного фильтра, поэтому при выводе передаточной функции нелинейной части модели использовалось усредненное значение АД за время сердечного цикла, которое вычислялось по модели пульсовой волны, изображенной на рис.3.

Расчет сигналов модели контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего АД, производился численно в пакете программ PSpice. Для заданных изменений внутригрудного давления получены сходные результаты изменения длительности кардиоциклов (RJR интервалов) как у модели (рис,4г), так и у реального человека (рис.1).

При частоте дыхания, равной резонансной частоте барорефлекса, в кардиореспираторной системе наблюдается функциональный резонанс -максимальное изменение частоты сердечных сокращений. Известно, что по амплитуде функционального резонанса можно судить о парасимпатической обеспеченности деятельности человека. Предложено в качестве оценки степени напряженности симпатического отдела ВНС использовать локальные минимумы кардиоинтервалограммы при функциональном резонансе, так как именно в эти моменты влияние вагуса на ритм сердца минимально. Для обозначения интерполяционной кривой, проходящей

тг

dt1

f(t) = Kue(t) + f0

(1)

через локальные минимумы кардноинтервалограммы при функциональном резонансе, введен термин «минимальная граница амплитуд кардиоинтервалов» (МГАК), Для нормировки оценки степени напряженности симпатического отдела ВНС учитывается ответ МГАК на изменение положения тела (ортостатическую пробу). Для оценки симпатического вегетативного обеспечения деятельности предложено использовать разницу между усредненным значением МГАК в фиксированном положении тела (стоя или лежа) и минимальным кардиоинтервалом, зафиксированным после изменения положения тела -дифференциальную минимальную границу кардиоинтервалов при функциональном резонансе (ДМГАК). Из двух параметров - оценки парасимпатической обеспеченности деятельности по амлнтуде ФР и оценки симпатической обеспеченности деятельности по ДМГАК - сформировано признаковое пространство для определения вегетативной обеспеченности.

Дтчик ржеммсмяяя

»оадвйствм -УС^с

(уровань Л/ т '

№+8(0

т

ПцчдЯйчи»

А.

Т^Г1*®1

к Чувсгеи- ЧасмкмьЛ Темнитель Одно-

ТЙЛЫЮСТЬ СУ МОАУЛЯТСр т ОфвНИЧН- т«ль ■иЕрмэр

СсОсгнн-

ИИ

част* О

Сосудисто« русло

Ъ(1)

ПЫХКШПг

Рис 2. - Структурная схема системы стабилизации артериального давления через контур регуляции ритма сердца. СУ- синусовый узел.

Те

ли.ммртсг

им

Д V

с

—>

Рис. 3 - Упрощенная модель пульсовой волны; г - текущая длительность кардиоцикла, Та - время изгнания крови из левого желудочка, иш - систолическое давление, ит- АУ - диастолическое давление.

б) сигнал изменения АД P(t), среднее АД за время сердечного цикла д/), сигнал с выхода барорецепторов £((), в) сигнал изменения внутршрудного давления вследствие дыхательных движений z(t) (входное воздействие, моделирующее вдох-выдох) и сигнал рассогласования (управляющий сигнал ВНС) e(t), г) длительность RR интервалов в секундах 1//(/).

В третьей главе рассматриваются вопросы аппаратной и алгоритмической поддержки для оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

На основе модели контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, был разработан способ возбуждения функционального резонанса ССС, отличающийся

вводом в канал регистрации частоты сердечных сокращений анализатора экстремумов, который анализировал переходную функцию сердечного ритма на дыхательные движения и затем выдавал синхронизированные с собственной частотой резонанса команды вдоха-выдоха: если после команды «Начало вдоха» детектируется минимум кардиоингервалограммы, то выдается команда «Начало выдоха», а если после команды «Начало выдоха» детектируется максимум, то выдается команда «Начало вдоха» (рис.5). Для исключения ложных срабатываний введены временные промежутки нечувствительности, так как за одним экстремумом часто наблюдается серия из других экстремумов, непосредственно не связанных с ФР, а зависящих от индивидуальных особенностей реакции ритма сердца на дыхательные движения. Такой подход позволил повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости частоты ФР.

ши

0

мгаркяютоыюся

Рис. 5 - Принцип работы анализатора экстремумов: а) формирование команд вдоха-выдоха в зависимости от детектирования точек экстремумов, б) Алгоритм подпрограммы, обеспечивающий анализ точек экстремумов

Проведенные исследования, разработанные алгоритмы и программы позволили спроектировать и создать медико-техническую систему регистрации электрокардиосигнала с передачей информации по телекоммуникационным каналам, которая позволяет обрабатывать сигнал в реальном масштабе времени на компьютере, формировать петлю

биологической обратной связи, осуществляя тем самым способ возбуждения ФР, обрабатывать, накоплять, передавать по другим телекоммуникационным каналам, визуализировать результаты исследования. Как показали испытания этой медико-технической системы наибольшее влияние на точность телеметрической регистрации биопотенциалов оказывают помехи дрейфа изолинии. При этом использование емкостных связей для фильтрации подобных помех приводит к искажению низкочастотных компонент сигнала, которым в настоящее время придают большое диагностическое значение. Предложен способ обработки сигналов ори телеметрической регистрации биопотенциалов, отличающийся гибкой маркируемой компенсацией дрейфа изолинии в подвижном модуле. Суть этого способа состоит в том, что микроконтроллер на подвижном модуле производит анализ низкочастотных компонент сигнала, и если детектируется наличие значительного дрейфа изолинии, то формируется скачкообразное компенсирующее напряжение, которое передается на вход корректировки постоянного выходного уровня предусилитеяя. В выходном кадре микроконтроллер устанавливает маркеры (флаги) в поле служебных битов. Наличие этих маркеров позволяет ЭВМ и человеку исключить из анализа артефактные комплексы. Если дрейф изолинии незначителен, то корректировка изолинии осуществляться не будет, сигнал будет регистрироваться без искажений нижних частот, так как в измерительном тракте в этом случае не будет цепей, изменяющих соотношения между низкими частотами. В этом есть суть гибкой компенсации в том смысле, что установившимся процессом в данном контексте считается сигнал без дрейфа изолинии, а переходным процессом -сигнал с дрейфом изолинии.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований способов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

Адекватность выбранных оценок вегетативной обеспеченности (ДМГАК и амлитуда ФР) исследовалась на выборках из здоровых людей -спортсменов, у которых вегетативная обеспеченность считалась отличной, и выборках из больных ЭГ гиперсимпатического типа, у которых вегетативная обеспеченность считалась неудовлетворительной. На рис. 6 приведена типичная резонансная кривая длительности ЯК интервалов у человека-спортсмена, а на рис. 7 приведена типичная резонансная кривая длительности № интервалов у больного эссенциальной гипертензией гиперсимпатичес кого типа, у которого регистрируются гораздо меньшие ответы частоты сердечных сокращений на резонансные дыхательные возбуждения и на изменение положения тела. На рис. 8 показано распределение исследуемых спортсменов и гипертоников в положении лежа в признаковом пространстве ДМГАК - амлитуда ФР. Регистрируются два непересекающихся кластера.

На рис. 9 показаны реакция резонансной кривой и предложенных параметров вегетативной обеспеченности на равномерную нагрузку на велоэргометре. Под действием равномерной нагрузки на велоэргометре происходит практически равномерное уменьшение показателей вегетативного обеспечения, так как происходит увеличение напряженности симпатического отдела вегетативной нервной системы и антагонистическое угнетение парасимпатического отдела._

Д У^я СП*ДР Меняна—И Огчрм»« №0 (Цр -1*1

|*я|ны г и |

Рис б - Резонансная кривая длительности ЯЯ интервалов у человека-спортсмена

£иЬ< Спияр Вш^ышм и Огт—и ^ич ГРО

1Дд1»1

Рис 7 • Резонансная кривая длительности ЯК интервалов у больного эссенциальной гипергензией гиперсимпатического типа

0,35 0.3

0,25 | °>2

| 0,15

i о-1

0,05 0

-0,05 4

Ütn— *

£

—I—

-0Д-

-0т2-0,3-

Спортсмены Гипертоники

Амплитуда рм»им«(ПСНС), с

Рис. 8 - Распределение параметров, характеризующих вегетативную обеспеченность у больных эссенциальной гипертеызией гиперсимпатического типа и у спортсменов в положении лежа

2« ; 380

0,35 0,3 : 0,25

I 0.2---

0.15

t ü.is 0,1

0,05 -

о

О 0.2 0,4 0,6

Аннлитдо р*)онтс* СЛСНС}, с

- Отдых

б)

1(¡0 ; 2Ú0 а)

Рис. 9 - Реакция резонансной кривой спортсмена (а) и соответствующих параметров вегетативного обеспечения (б) на равномерную нагрузку на велоэргометре

Фазовая траектория имеет вид гистерезисной кривой, так как восстановление тонуса симпатических нервов происходит относительно медленно. Амплитуда и частота резонанса во время отдыха возрастают. Это указывает на улучшение управленческих функций блуждающего нерва после умеренной физической нагрузки, а также отражает эффект «усиления антагонизма» блуждающего нерва.

Полученные кластеры неудовлетворительного (пациенты -гипертоники) и отличного (спортсмены) вегетативного обеспечения не позволяют исследовать структуру переходной зоны. Для уточнения границ

переходной зоны, которая названа зоной удовлетворительного вегетативного обеспечения, были созданы выборки из здоровых людей, которые не занимаются спортом или интенсивным физическим трудом.

* Здоровые

* Спортсмены

* Гипертоники

_00^).ЬО 0.10 0.20 0.30 ОАО

А1Я1литударе10ианса(ПСНС), с

Рис. 10 - Распределение параметров вегетативного обеспечения в разных группах исследуемых людей при клиностатическом положении тела

0,35

аОгомное (. Уцотетщжгвлькс* а Не*долго овиюънш

анса(ПСНСкс

Рис. 11 - Выделенные в результате кластерного анализа кластеры вегетативного обеспечения

Эти выборки объединили с выборками спортсменов и гипертоников (рис.10).

Так как здоровые люди обладают большим разбросом параметров вегетативного обеспечения, то зарегистрированные данные образовали достаточно обширный кластер, располагающийся в переходной зоне, с перекрытием как кластера спортсменов, так и кластера гипертоников. При

этом, нельзя говорить об удовлетворительном вегетативном обеспечении у всех здоровых людей, поэтому обучающая информация нуждается в корректировке. Проведенные исследования н теоретическая проработка позволили сделать вывод об автоинформативности системы выбранных признаков. На этом основании был проведен кластерный анализ данных методом к-средних Мак-Куина (рис. 11). В процессе кластеризации вычислены центры тяжести кластеров: центром кластера неудовлетворительного вегетативного обеспечения в координатах амплитуда резонанса - ДМГАК является вектор (0.07, 0.1), центром кластера удовлетворительного вегетативного обеспечения является вектор (0,16, 0.14), центром кластера отличного вегетативного обеспечения является вектор (0.29, 0.23). Центры кластеров фактически являются прототипами, поэтому распознавание неизвестного объекта можно производить методом сравнения с прототипом. Решающее правило для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения сформулировано следующим образом:

Рассчитываются расстояния от неизвестного объекта до центров прототипов:

<11 « т](Лг - 0.07)* + ф1 - 0.1)1

с12 = 4(Аг~ 0.16)1 +ф/-0.14)г , (2)

¿3 = Л/(Лг-0.29)1+ф/-0.23)2

где Аг - это измеренная в секундах амплитуда резонанса, 01 -измеренная в секундах ДМГАК.

Решение о принадлежности к тому или иному классу принимается по минимальному расстоянию до соответствующего прототипа (рис. 12):

если («11 £(12)&((11 £(13), то вегетативное обеспечение неудовлетворительное,

если (ё2<сП)&<с12 <с)3), то вегетативное обеспечение удовлетворительное,

если ((13«Л) &{ с13<<32), то вегетативное обеспечение отличное. При проверке точности решающего правила методом скользящего экзамена получены следующие результаты: у 94 % исследуемых гипертоников с признаками гиперсимпатикотонии диагностируется неудовлетворительная вегетативная обеспеченность, у 6% удовлетворительная; у 92 % исследуемых спортсменов диагностируется отличная вегетативная обеспеченность, у 8% - удовлетворительная; 9% исследованных здоровых людей попадают в класс неудовлетворительной вегетативной обеспеченности, 21 % - в класс отличной и 70% - в класс удовлетворительной вегетативной обеспеченности.

Для проверки возможности данного решающего правила дифференцировать патогенетические механизмы эссенциальной гипертензии была создана контрольная выборка из 36 пациентов, у которых эксперты не выделили гиперсимпатической формы эссенциальной гипертензии (у которых диагностируется вторичная почечная гипертензия или гиперволемический тип патогенеза эссенциальной гипертензии). Сформулированное выше решающее правило у 28 человек выявило удовлетворительное вегетативное обеспечение (78%) и у 8 человек неудовлетворительное вегетативное обеспечение (22%). Таким образом, можно сделать вывод об удовлетворительном качестве предложенного решающего правила при дифференцировании гиперсимпатической формы эссенциальной гипертензии.

01«

О O.OS 0.1 0.35 0,3 0, и 0,4

JWininim>piMii«ci (lOQ, с

Рис. 12 - Разбиение пространства признаков согласно выработанному решающему правилу

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Исследованы зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления, отражающие резонансные свойства барорефлективной обратной связи, которые показали, что для оценки вегетативного обеспечения целесообразно использовать параметры функционального резонанса кардиореспираторной системы.

2 Разработана математическая модель контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего артериальное давление, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем,

3 Разработан способ возбуждения функционального резонанса кардиореспираторной системы, позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости основной частоты функционального резонанса.

4 Разработаны алгоритмы, программные модули, реализующие обработку ЭКС в реальном масштабе времени, обеспечивающие

формирование петли биологической обратной связи в диагностической системе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспнраторной системы.

5 Разработана медицинская система регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, отличающаяся гибкой маркируемой компенсацией дрейфа изолинии, позволяющая реализовать разработанный способ возбуждения функционального резонанса кардиореспнраторной системы и автоматически вычислять разработанные оценки вегетативного обеспечения.

6 Сформулировано решающее правило для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, позволяющее выделить три класса вегетативной обеспеченности и дифференцировать гиперсимпатическую форму патогенеза ЭГ. Проведены активные эксперименты на выборках спортсменов и гипертоников позволяющие сделать заключение об эффективности предложенных методов и средств оценки вегетативного обеспечения.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В. Двумерное спектральное представление биомедицинских сигналов в диагностических системах//Х1 научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления»: сб. материалов. - М.: МГИЭМ, 1999.-С. 108-109.

2. Кузьмин A.A., Филист С.А, Принципы построения и анализа двумерных спектральных изображений биомедицинских сигналов/ZVI российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии-98»: сб. материалов.-Курск: КГТУ, 1998.-С.214-218.

3. Кузьмин A.A., Филист С.А., Кудрявцев Е В. Ранняя диагностика экстрасистолических ритмов на основе двумерного спектрального анализа ЭКГ// II международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии-99»: сб. материалов. - Курск: КГТУ, 1999.-С.16-19.

4. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В. Использование локальных автокорреляционных функций квазипериодов при построении двумерных частотных плоскостей кардиосигнала// Молодежная научно-техническая конференция технических вузов центральной России: Тез.докл. - Брянск: БГТУ, 2000. - С.22-24.

5. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В. Методологическая роль двумерных частотных плоскостей квазипериодических сигналов в исследовании биоритмов// Молодежная научно-техническая конференция технических вузов центральной России: Тез.докл. - Брянск: БГТУ, 2000. - С.49-51.

6. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В., Филист С.А. Экстенсиональная классификация двумерных частотных плоскостей кардиосигнала,

IS

Ûf/c> ¿.fß

построенных с помощью локальных автокорреляционных функций квазнлериодов// Ш международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные техналогии-2000»: сб. материалов. - Курск: КГТУ, 2000.-С.6-11.

7. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В., Филист С.А. Анализ биологических сигналов нестационарными спектральными методами.// IV международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии-2001»; сб. материалов. - Курск: КГТУ, 2001,-С.137-141.

8. Кудрявцев Е.В., Кузьмин A.A., Филисг С.А, Сегментация изображений двумерных частотных плоскостей.// IV международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технопогии-2001»: сб. материалов. - Курск: КГТУ, 2001.-С. 174-177.

9. Кузьмин A.A., Филист С.А., Кудрявцев Е.В. Моделирование регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы при решении задач прогнозирования адаптационных процессов.// V международная научно-техническая конференция "Медико-экологические информационные технологии-2002": сб. материалов. - Курск: КГТУ, 2002. - С. 75 - 80.

10. Кузьмин A.A., Филист С.А. Особенности проектирования телеметрических медицинских систем с цифровой передачей информации по инфракрасному каналу. //Телекоммуникации. - 2002.- Xs7. - С.27-29.

11. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В., Филист С.А. Применение Р1С -контроллеров в телекоммуникационных сетях систем распределенного кардвомониторинга. //Телекоммуникации. - 2002.- №3. - С. 18-20.

12. Кузьмин A.A., Долгарева С.А. Программно-аппаратный комплекс для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспнраторной системы. //Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании (КТУДО-2002). Сборник трудов международной научно-технической конференции. - Тверь: Тверской государственный технический университет. - 2002- - С. 106-109.

13. Кузьмин A.A. Математическая модель регулирования давления в сердечно-сосудистой системе.// VI международная научно-техническая конференция "Медико-экологические информационные технологии-2003": сб. материалов. - Курск: КГТУ, 2003. - С. 38 -48.

ИД №06430 от Г Подписано в печать

Печатных листов 1,0. Тир

Курский государственный тех* Издательс ко-полиграфичес и 305040, г.Курск, ул. 5С

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 11 ВЕГЕТАТИВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

1.1 Роль вегетативной нервной системы в поддержании гомеостаза

1.2 Дисфункция ВНС как основной фактор нарушения гомеостаза на 17 примере патогенеза эссенциальной гипертензии

1.3 Современные методы исследования вегетативной нервной 21 системы

1.3.1 Психофизиологические опросники и вегетативные 21 индексы

1.3.2 Биохимические анализы

1.3.3 Показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР)

1.3.4 Функциональные пробы

1.4 Исследование состояния ВНС при функциональном резонансе 37 (проба «6 дыханий в минуту») ' '

1.5 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ВЕГЕТАТИВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НА 47 ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РЕЗОНАНСА ССС

2.1 Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных 47 изменений интраторакального давления

2.2 Разработка математической модели контура регуляции ритма 52 сердца, стабилизирующего артериальное давление с учетом резонансных свойств его компонент

2.3 Исследование механизмов влияния тонуса ВНС на параметры 59 функционального резонанса ССС

2.4 Выводы второй главы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ 68 СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ВЕГЕТАТИВНОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ

3.1 Разработка способа возбуждения ФР с учетом изменчивости 68 основной частоты резонанса

3.2 Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с 70 передачей информации по телекоммуникационным каналам

3.3 Разработка способа гибкой компенсации дрейфа изолинии при 82 телеметрической регистрации биопотенциалов

3.4 Конвейерная обработка сигнала ЭКГ в реальном масштабе 92 времени в программно-аппаратном комплексе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы

3.5 Выводы третьей главы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ И 99 СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЕГЕТАТИВНОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМОЙ

4.1 Определение необходимых объемов исследуемых выборок

4.2 Исследование параметров функционального резонанса ССС при 101 ортостатической пробе у спортсменов

4.3 Исследование параметров функционального резонанса ССС при 105 ортостатической пробе у больных эссенциальной гипертензией гиперсимпатического типа.

4.4 Исследование фазовых траекторий управляющих систем при 110 равномерной физической нагрузке

4.5 Разработка решающих правил для принятия решений о 113 недостаточности вегетативного обеспечения

4.6 Выводы четвертой главы 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 120 Библиографический список

Актуальность проблемы. Нарушения работы систем управления организма приводят к развитию различных заболеваний. Биологическим системам свойственно дублирование управляющих механизмов, поэтому нарушение функций одной управляющей системы приводит к сложным реакциям перераспределения функций управления между дублирующими системами. При этом организм как функциональная система переходит к другой устойчивой рабочей точке, с другим устойчивым набором рабочих параметров. Причем, в целом ряде случаев эта новая рабочая точка находится за границами физиологической нормы и характеризует наличие патологии.

Сбои в работе управляющей системы, отвечающей за стабилизацию артериального давления (АД), приводят к эссенциальной гипотензии или гипертензии. Наиболее распространенная и опасная нозология из них - это эссенциальная гипертензия (ЭГ). Согласно докладу экспертов научного общества по изучению артериальной гипертензии, распространенность ЭГ в России составляет среди мужчин 39.2 %, среди женщин 41.1% (Кушаковский М.С.). Особенно опасны осложнения ЭГ - ишемическая болезнь сердца (ИБС) и инсульт. По данным рабочей группы Всемирной организации здравоохранения среди населения России в возрасте от 45 до 74 лет свыше 85% случаев смерти от сердечно-сосудистых заболеваний приходится на ИБС и инсульт, а Россия по смертности от этих нозологий находится на одном из первых мест в Европе. Причем большая часть сердечных больных погибает в результате расстройств регуляции деятельности сердца при наличии еще значительных функциональных резервов миокарда даже после инфаркта и хронической ИБС (Хомазюк А.И.).

Первичные механизмы возникновения ЭГ связаны с нарушениями функций управления, что приводит к запуску компенсаторных, приспособленческих реакций, которые обеспечиваются дублирующими системами управления, в результате чего организм как функциональная система переходит на другой уровень функционирования с изменением рабочего параметра - артериального давления - за предел физиологической нормы. От того, какая управляющая система (вегетативная нервная, эндокринная, система регуляции баланса натрия и воды в организме и т.д.) вносит основной вклад в поддержание патологического значения АД во многом зависит тактика лечения. Однако современная методика лечения эссенциальной гипертензии (ступенчатый метод) представляет собой эмпирический подбор лекарств методом проб и ошибок, так как выяснять патогенетические механизмы эссенциальной гипертензии в каждом конкретном случае или очень дорого, или вообще невозможно на сегодняшний день (до 77% всех артериальных гипертоний имеют неясную этиологию, Виноградов A.B.).

Одной из важнейших управляющих систем, которая обеспечивает регуляцию деятельности сердца, а также стабилизацию артериального давления, является вегетативная нервная система (ВНС). Чем больше напряженность физиологических регулирующих систем, тем меньший возможен от них ответ на возбуждающие стимулы (Вейн A.M.). Поэтому оценка вегетативной обеспеченности (т.е. вегетативной реактивности на определенные виды деятельности) является инструментом для дифференцирования гиперадренергической формы патогенеза ЭГ.

Существует множество методов определения состояния вегетативной нервной системы: психофизиологические опросники, биохимические анализы мочи и крови, исследование вариабельности сердечного ритма (ВСР) и т.д. Однако все они имеют те или иные недостатки и ограничения. В частности, значительный недостаток психофизиологических опросников - это большой субъективизм значительного количества показателей. Определение катехоламинов в моче очень сильно зависит от состояния почек, активности ферментов, разрушающих эти нейропередатчики и т.д. Исследование плазмы крови - это инвазивная процедура, во время которой может развиться очень сильная нервная реакция, что завуалирует искомые показатели.

Гораздо большую популярность завоевали методы исследования ВСР, так как эти показатели оцениваются объективно и неинвазивно, а изменения частоты сердечных сокращений напрямую зависят от изменения активности вегетативной нервной системы. Однако ценность показателей состояния вегетативной нервной системы, особенно параметров, характеризующих симпатический тонус, вычисленных с помощью современных методик исследования ВСР (вариационная пульсометрия, спектральный анализ ВСР и др.) в целом ряде случаев сомнительна и является предметом дискуссий (Хаютин В.М., Лукошкова Е.В.). Показатели ВСР также не отличаются высокой воспроизводимостью (Яблучанский Н.И., Баевский P.M.). Для физиологической корректности результата исследования вегетативной нервной системы необходимо сокращать время обследования пациента. Однако в этом случае имеет место противоречие с математической корректностью рассчитываемых показателей (Фёдоров В.Ф.), которое состоит в том, что для корректности математических формул необходимо наоборот, увеличивать время обследования. Для обеспечения математической корректности при изучении управляющих воздействий нервной системы с инфранизкими частотами в методах исследования ВСР применяют окна наблюдения с апертурой в единицы-десятки минут. За это время на человека постоянно действуют неконтролируемые случайные факторы, которые искажают результат исследования. Повысить помехозащищенность показателей состояния вегетативной нервной системы можно путем использования явления функционального резонанса (ФР), которым обладает вегетативная система управления сердечным ритмом (Ващилло Е.Г., Зингерман А.М, Константинов М.А.). Для возбуждения ФР в вегетативную систему управления сердечным ритмом необходимо вносить внешние возмущения с частотой около 0.1 Гц. Наиболее эффективно использовать при этом управляемое дыхание, так как вследствие дыхательных движений создается аддитивное изменение интраторакального давления, которое непосредственно действует на вегетативные барорецептивные поля, расположенные в грудной клетке.

Поэтому разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой, позволяющих оценивать состояние как парасимпатического (ПСНС), так и симпатического (СНС) отделов вегетативной нервной системы, что, в свою очередь, позволит дифференцировать гиперадренергическую форму патогенеза ЭГ, является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 204 «Технологии живых систем».

Целью работы является разработка методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой, позволяющих неинвазивно, в реальном времени контролировать работу отделов вегетативной нервной системы.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления.

2. Разработка математической модели контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, с учетом резонансных свойств его компонент.

3. Исследование механизмов влияния тонуса ВНС на параметры ФР.

4. Разработка способа возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса.

5. Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, позволяющей осуществить способ возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса;

6. Разработка алгоритмов и программ, реализующих цифровую обработку электрокардиосигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы;

7. Синтез решающих правил по оценке вегетативной обеспеченности и экспериментальные исследования, позволяющие подтвердить адекватность выбранного признакового пространства для оценки вегетативного обеспечения.

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

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

• математическая модель контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, отличающаяся учетом изменений интраторакального давления из-за дыхательных движений и изменчивости во времени резонансных параметров обратной связи, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем;

• способ биологической обратной связи, отличающийся вводом в канал регистрации частоты сердечных сокращений анализатора экстремумов и блока выдачи синхронизированных с собственной частотой резонанса команд «вдоха-выдоха», позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости частоты функционального резонанса;

• способ оценки степени напряженности симпатического отдела вегетативной нервной системы, отличающийся использованием параметров функционального резонанса (ФР) вместе с ортостатической пробой, позволяющий получать оценки на коротких апертурах наблюдения, а также определять дисфункцию адренергических систем управления;

• способ обработки сигналов при телеметрической регистрации биопотенциалов, отличающийся гибкой компенсацией дрейфа изолинии в подвижном модуле, позволяющий повысить точность телеметрической регистрации биопотенциалов с учетом ограниченности динамического диапазона измерительного тракта;

• решающие правила для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, отличающиеся совместным использованием параметров ФР и ортостатической пробы, позволяющие дифференцировать гиперадренергическую форму ЭГ.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Разработанные математические модели, способы, алгоритмы и проведенные исследования позволили создать опытно-конструкторский образец телемедицинской системы регистрации ЭКС для оперативного и холтеровского контроля электрокардиосигнала, который позволяет реализовывать цифровую обработку сигнала в реальном масштабе времени на компьютере, формировать петлю биологической обратной связи, формируя тем самым функциональный резонанс, обрабатывать, накоплять, передавать по телекоммуникационным каналам, визуализировать результаты исследования.

Получено заключение Министерства здравоохранения Российской Федерации о целесообразности дальнейшей разработки и освоения технических средств, реализующих разработанные в диссертации способы, утверждены медико-технические требования (соответственно протокол №1 от 13 мая 2003 г. и протокол №4 от 15 июля 2003 г. комиссии по клиникодиагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской техники).

Результаты работы внедрены в учебном процессе на кафедре «Биомедицинской инженерии» Курского государственного технического университета и на кафедре общеинженерной подготовки Курского государственного медицинского университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», (Москва, 1999), VI российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-98» (Курск, 1998), на Международных научно-технических конференциях «Медико-экологические информационные технологии», (Курск, 1999-2003), на Молодежной научно-технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2000), на Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (Тверь, 2002).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Краткое содержание работы. В первой главе анализируется роль вегетативной нервной системы в поддержании гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии, исследуются современные способы оценки состояния вегетативной нервной системы. Проведен анализ ограничений и противоречий этих способов, на основании которого показана целесообразность исследования управляющих систем организма резонансными воздействиями.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математической модели контура регуляции ритма сердца (Ш1 интервалов), обеспечивающего стабилизацию артериального давления с учетом резонансных свойств его компонент.

В третьей главе рассматриваются вопросы аппаратной и алгоритмической поддержки для оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований способов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

4.6 Выводы четвертой главы

В результате проведенных исследований было установлено, что у людей с большой вегетативной обеспеченностью деятельности лежа средняя амплитуда функционального резонанса ССС находится в пределах от 0.16 до 0.36 сек, а ДМГАК составляет от 0.1 до 0.31 сек; стоя амплитуда функционального резонанса ССС находится в пределах от 0.07 до 0.31 сек, а ДМГАК составляет от 0.01 до 0.16 сек. У исследуемых пациентов в основном также наблюдается уменьшение адаптационных резервов в ортостазе.

Под действием равномерной нагрузки на велоэргометре происходит практически равномерное уменьшение показателей вегетативного обеспечения, так как происходит увеличение напряженности симпатического отдела вегетативной нервной системы и антагонистическое угнетение парасимпатического отдела.

В результате проведенного кластерного анализа было определено, что центром кластера (прототипом) неудовлетворительного вегетативного обеспечения в координатах амплитуда резонанса - ДМГАК является вектор (0.07, 0.1), центром кластера (прототипом) удовлетворительного вегетативного обеспечения является вектор (0.16, 0.14), центром кластера (прототипом) отличного вегетативного обеспечения является вектор (0.29, 0.23).

Сформулированы решающие правила для определения недостаточности вегетативного обеспечения, исследования которых позволяют сделать вывод об удовлетворительном качестве предложенного решающего правила при дифференцировании гиперсимпатической формы эссенциальной гипертензии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая работа посвящена решению научных и практических задач, связанных с разработкой методов и средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

1 Исследованы зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления, отражающие резонансные свойства барорефлективной обратной связи, которые показали, что для оценки вегетативного обеспечения целесообразно использовать ФР кардиореспираторной системы.

2 Разработана математическая модель контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего артериальное давление с учетом резонансных свойств его компонент, позволяющая получить аналитические соотношения между регистрируемыми параметрами и состоянием регулирующих систем.

3 На основе проведенных исследований механизмов влияния тонуса ВНС на параметры ФР разработаны оценки симпатической и парасимпатической обеспеченности деятельности человека.

4 Разработан способ возбуждения функционального резонанса кардиореспираторной системы, позволяющий повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости основной частоты функционального резонанса.

5 Разработаны алгоритмы программные модули, реализующие обработку ЭКС в реальном масштабе времени, обеспечивающие формирование петли биологической обратной связи в диагностической системе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы.

6 Разработана медицинская система регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, отличающаяся гибкой маркируемой компенсацией дрейфа изолинии и позволяющая реализовать разработанный способ возбуждения ФР.

7 Проведены активные эксперименты с группой спортсменов и с группой гипертоников позволяющие сделать заключение об эффективности предложенных показателей оценки вегетативного обеспечения. Сформулированы решающие правила для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения, позволяющие выделить три класса вегетативной обеспеченности и дифференцировать гиперсимпатическую форму патогенеза ЭГ.

1. Авт. св. РФ №2026003, Устройство съема и регистрации электрофизиологических сигналов в памяти персональной ЭВМ / Дмитриев H.H., Зиновьев Н.В., Сыроегин Н.К.; Опубл. 1995.Бюл.№1.

2. Авт. св. РФ №2175212, Телеметрический комплекс для контроля и диагностики функционального состояния человека / Попов И.И., Комарова Л.М. и др.; Опубл. 2001. Бюл.№30.

3. Авт. св. РФ № 2144735. Устройство передачи трех отведений кардиосигнала посредством радиоканала/Белых A.B., Филист С. А., Кореневский Н.А.//Изобретения. 2000. Открытия. Бюл.№2.

4. Александров В.В., Алексеев А.И., Горский Н.Д. Анализ данных на ЭВМ. М.: Финансы и статистика. 1990. 275с.

5. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. Л.:Медицина, 1975,- 447 с.

6. Аритмии сердца. В 3 томах. Том 1: Пер. с англ./ Под ред. В.Дж.Мандела. М.: Медицина, 1996. - 510с.

7. Бабак А.Ф., Костылёв С.С., Псахис М.Б., Чепурных Т.А. Некоторые метрологические аспекты спектрального анализа сердечного ритма// Медицинская техника. 1989. № 2. С 11-15.

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

9. Баевский P.M. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М. 1979-285 с.

10. Баевский P.M., Волков Ю.Н., Нидеккер И.Г. Статистический корреляционный анализ сердечного ритма. М.: Наука, 1968. 305 с.

11. Баевский P.M., Кирилов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984. 380 с.

12. Баевский P.M., Фунтова И.И., Гариб К., Фортра Ж.О. Прогнозирование ортостатической устойчивости в длительном космическом полете по данным исследования вегетативной регуляции артериального давления и ритма сердца.

13. Клинические и физиологические аспекты ортостатических расстройств. Вторая научно-практическая конференция. М. 2000. С. 196-209.

14. Белых A.B., Филист С.А. Сетевой холтеровский мониторинг ЭКС с использованием цифровой передачи данных по радиоканалу // Материалы Международной технической конференции «Медико-экологические информационные технологии-99». Курск, 1999. С. 3-6.

15. М.Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975.-768 с.

16. Блудов A.A., Воронцов В.А. Динамический анализ вариабельности сердечного ритма при гипервентиляции. //Физиология человека, 1998, Т.24, №6, С.66

17. П.Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам — СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 1998. — 240 с.

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

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

20. Вейн A.M. , Соловьева А.Д., Колосова O.A. Вегетативно-сосудистая дистония. М.: Медицина, 1981.-306 с.21 .Виноградов A.B. Дифференциальный диагноз внутренних болезней: Справочное руководство для врачей 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1988.

21. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник СПб: Питер, 2001.-752 с.

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

23. Галягин Д.К., Фрик П.Г. Адаптивные вейвлеты (Алгоритм спектрального анализа сигналов). ММСП. Пермь: ПГТУ. 1996, №4.- С.20-28.

24. Голиков А.П., Рябинин В.А., Лукьянов H.H., Давыдов Б.В. Особенности кризового течения гипертонической болезни. Кардиология. № 9, 1999. С. 13.

25. Горелик A.JL, Скрипкин В.А. Методы распознавания.- М.:Высшая школа. 1989.

26. Горин E.H. К стандартизации оценок ортостатической пробы. В сб.: Физические методы и вопросы метрологии биомедицинских измерений. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции 24-27 октября 1978 г. М., ВНИИФТРИ, 1978. С. 199-200.

27. Гриднев В.И., Котельникова Е.В., Моржаков A.A., Игошева Т.Б., Довгалевский П.Я. Реакция частотных составляющих сердечного ритма на периодические возмущения.// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002.-№1. -С. 4-12

28. Гук М. Аппаратные средства PC. Энциклопедия -СПб: Питер Ком, 1998. 816 с.

29. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов.-Jl.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.-192с.

30. Дабровски А.,Дабровски Б., Пиотрович Р. Суточное мониторирование ЭКГ: (Перевод: Корнеев Н.В., Грабко H.H., Банникова С.Д.) М.: Медпрактика, 2000. - 208 с.

31. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1988.-488с.

32. Дж. Бендат, А. Пирсол. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

33. Дьяконов В.П. Справочник по MathCad Plus 7.0 Pro. М.: CK Пресс, 1998 -352 с.

34. Дюк В.А. Компьютерная психодиагностика. — СПб.:Братство, 1994 364 с.

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

36. Кардиомониторы. Аппартура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов / A.JI. Барановский, А.Н. Калиниченко, JI.A. Манило и др.; Под ред. A.JI. Барановского и А.П. Немирко. -М.: Радио и связь, 1993. 248 с.

37. Кобалава Ж.Д., Котовская Ю.В. Артериальная гипертензия 2000. -М. Медицина, 2001.-208 с.

38. Коркушко О.В, Писарук А. В., Лишневская В. Ю. Возрастные и патологические изменения суточной вариабельности сердечного ритма // Вестник аритмологии, 1999, N 14, С. 30-33

39. Коркушко О.В., Писарук A.B., Шатило В.Б., Лишневская В.Ю., Чеботарев Н.Д., Погорецкий Ю.Н. Анализ вариабельности ритма сердца (возрастные аспекты) Киев: ИВЦ "Алкон", 2002. - 191 с.

40. Коркушко О.В., Шатило В.Б. Ортостатические реакции кровообращения и вегетативной регуляции у здоровых людей разного возраста // Физиологический журнал,- 1989.- Т.36, N 1.- С. 3-8.

41. Коркушко О.В., Шатило В.Б., Мороз Г.З. и др. Особенности влияния стимуляции и блокады бета-адренорецепторов на сердечно-сосудистую систему в пожилом и старческом возрасте // Физиология человека. 1991. - Т. 17, N6.- С.42-50

42. Коркушко О.В., Шатило В.Б., Фролькис М.В. и др. Особенности реакции организма людей пожилого возраста на стрессорное воздействие (физическую нагрузку) // Проблемы старения и долголетия 1993 - Т.З, N 3 - С.184-193

43. Косицкий Г.И., Смирнов В.М. Нервная система и стресс. М.:Наука., 1970.

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

45. Косицкий Г.И. Афферентные системы сердца. М.:Медицина, 1973. - 207 с.

46. Косицкий Г.И., Червова И.А. Сердце как саморегулирующаяся система. — М.:Наука, 1968.- 131 с.

47. Кудрявцев Е.В., Кузьмин A.A., Филист С.А. Сегментация изображений двумерных частотных плоскостей//1У-я международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии-2001»: сб. материалов. Курск: КГТУ, 2001.-С. 174-177.

48. Кузьмин A.A. Математическая модель регулирования давления в сердечнососудистой системе.//У1-я международная научно-техническая конференция "Медико-экологические информационные технологии-2003": сб. материалов. -Курск: КГТУ, 2003 С. 38 -48.

49. Кузьмин A.A., Кудрявцев Е.В., Филист С.А. Применение PIC контроллеров в телекоммуникационных сетях систем распределенного кардиомониторинга. //Телекоммуникации. - 2002.- №3. — С. 18-20

50. Кузьмин A.A., Филист С.А. Особенности проектирования телеметрических медицинских систем с цифровой передачей информации по инфракрасному каналу. //Телекоммуникации. 2002.- №7. - С.27-29

51. Кузьмин A.A., Филист С.А. Принципы построения и анализа двумерных спектральных изображений биомедицинских сигналов//У1-я российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии-98»: сб. материалов.-Курск: КГТУ, 1998.-С.214-218.

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

53. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебн. пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. 320 с.

54. Лищук В.А. Математическая теория кровообращения.-М.:Медицина, 1991.-256 с.

55. Макаров Л.М. Особенности вариабельности циркадного ритма сердца в условиях свободной активности. Физиология человека т.24 N 2 1998 с.56-62.

56. Макаров Л.М. Характеристика дополнительных критериев оценки ритма сердца при Холтеровском мониторировани. Вестник аритмологии 1998. №10: С. 10-13.

57. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. М.: Мир, 1983, - т.2. 256с.

58. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ.- М.: Мир, 1990.- 584 с.

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

60. Меделяновский А.Н. Функциональные системы обеспечивающие гомеостаз сердечно-сосудистой системы. // Функциональные системы организма: К.В.Судаков (ред).- М.:Медицина, 1987.- 77- 104с.

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

62. Новиков Ю. В., Калашников О. А., Гуляев С. Г. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Ю. В. Новикова. Практ. пособие. М.: ЭКОМ., 1997.

63. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. — 248 с.

64. Основы проектирования автоматизированных систем анализа медико-биологических сигналов // В.В.Губанов, Л.В. Ракитская, С.А. Филист, ГУИ1111 «Курск».Курск. 1997. 134с.

65. Павлов В.Н. Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов 2-е изд., исправ. - М.:Горячая линия - Телеком, 2001. -320 с.

66. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. М.: Сов. радио, 1970. — 408 с.

67. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994.

68. Писарук А. В. Количественная оценка эффективности барорефлекторной регуляции сердечного ритма при старении // Проблемы старения и долголетия, 1998, 2, N2-3.-С.-54-56

69. Писарук А. В. Амплитудно-частотная характеристика системы барорефлекторной регуляции сердечного ритма при старении // Проблемы старения и долголетия, 1996, 6, N 1-2. -С. 32-34

70. Попечителев Е.П., Кореневский H.A. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. Теория и проектирование. В 4-х частях: Учебное пособие / Под ред. Е.П. Попечителева. Курский государственный технический университет Курск.-1999. 425 с.

71. Ратнер H.A. Артериальные гипертонии. М.:Медицина, 1974. - 415 с.

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

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

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

75. Рябыкина Г.В., Соболев A.B. Путина Э.А. и др. Влияние различных факторов на вариабельность ритма сердца у больных артериальной гипертонией// Тер. арх. 1997 №3. С. 55-58.

76. Семенов Ю.Н., Баевский P.M. Аппаратно-программный комплекс "Варикард" для анализа вариабельности сердечного ритма и перспективы его развития // Международный симпозиум "Компьютерная электрокардиография на рубеже столетия", Москва, 1999. С.1-6.

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

78. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992. - 592 с.

79. Справочник по среднему семейству микроконтроллеров PICmicro. М.: ООО «Микрочип», 2002. - 150 с.

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

81. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Часть 1. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающих систем автоматического регулирования. Под ред. В.В. Солодовникова, М. Машиностроение. 1969.-608с.

82. Ульрих В.А. Микроконтроллеры PIC16C7X. М.: Наука и техника, 2000. - 255 с.

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

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

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

86. Хомазюк А.И. Патофизиология коронарного кровообращения. -К.:Здоров'я, 1985.-280 с.

87. Хоровиц П. Искусство схемотехники:В 2-х томах/Пер с англ. М.:Мир,1983

88. Шамис В.A. Borland C++Builder. Программирование на С++ без проблем. -М.: «Нолидж», 1997-266с.

89. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. - 381 с.

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

91. Яблучанский Н.И., Кантор Б.Я., Мартыненко А.В. и др. Вариабельность сердечного ритма в современной клинике. Донецк, 1997.

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

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

94. De Boer RM., KaremakerJ.M., Strackee J. Relationships between short-term blood-pressure fluctuations and heart variability in resting subjects. A simple model. Med. Biol. Eng. Сотр., 1985, № 23(4), P. 359-364.

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

96. Kautzner J., Strovicek P., Anger Z., Psenicka M., Savlikova J., Malik M. Heart rate variability and plasma catecholamine levels early after acute myocardial infarction. Annals Noninvasive Electrocardiology 1997; № 2 (4). P. 354-361

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

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

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

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

101. PIC16F87X Data Sheet 28/40 Pin 8 bit CMOS FLASH Microcontrollers.-MicroChip Technology Intercorporated, 2001 - 214 p.

102. Pagani M., Lombardi F., Guzzetti S. et al. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variability as marker of sympatho-vagal interaction in man and conscious dog. Circul Research 1986; №59. P. 178-193.

103. Pomeranz B., Macaulay R.J.B., Caudill M.A. et al. Assessment of autonomic function in humans by heart rate spectral analysis. Am J Physiol 1985; 248:pp. H151-H153.

104. Serial Infrared Physical Layer Specification. Draft Version 1.4. Infrared Data Association, 2001 - 68p.

105. TOIM3232. Integrated Interface Circuits. Document Number 82521. Vishay Telefunken, 2001 -9p.

106. Walt Kester. Practical design techniques for sensor signal conditioning. — USA: Analog Devices, 1997.

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

108. Jasson S., Madique C., Maison-BIanche P. et.al. Instant power spectrum analysis of heart rate variability during orthostatic tilt using a time-frequency domain method. Circulation 1997, 96, P. 3521 -3526.