Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов и средств электрической стимуляции сердца 16
1.1. Вводные замечания 16
1.2. Основная задача и принципы ЭСС 17
1.3. Анализ современных методов ЭСС 20
1.4. Систематизация функционирования режимов КС 22
1.5. Анализ средств ЭСС 35
1.5.1. Систематизация средств ЭСС 35
1.5.2. Анализ структурных схем кардиостимуляторов 38
1.5.3. Основные преимущества имплантируемых КС 44
1.6. Анализ основных программируемых параметров КС 46
Основные результаты и выводы по первой главе диссертации 54
ГЛАВА 2. Медико-технические аспекты возникновения детерминированного хаоса при электрокардиостимуляции 55
2.1. Вводные замечания. 55
2.2. Особенности хаотической динамики при электрокардиостимуляции 56
2.3. Анализ основных переходов от нормальных состояний к хаотическим 64
2.3.1. Анализ единичных переходов из нормального состояния в хаотическое 66
2.3.1.1. Анализ пути перехода к хаосу через удвоение периода 69
2.3.1.2. Анализ квазипериодического пути перехода к хаосу 72
2.3.1.3. Анализ пути перехода к хаосу через появление нечетного числа неподвижных точек 75
2.3.2. Анализ множественных переходов из нормального состояния в хаотическое (перемежаемость) 77
2.4. Анализ возникновения кризисов при изменении влияющих параметров КС 79
2.5. Связь параметров СИ с возникновением детерминированного хаоса 80
2.5.1. Математическое описание исследуемых математических моделей 80
2.5.2. Модернизация математических моделей с учетом синусовой аритмии 87
2.6. Алгоритм исследования хаотической динамики ЭКС при ЭСС 89
2.7. Алгоритм обработки ЭКС на основе обнаружения и распознавания импульсов ЭКС и СИ. 93
Основные результаты и выводы по второй главе диссертации 95
ГЛАВА 3. Компьютерное исследование хаотической динамики электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции 97
3.1. Вводные замечания 97
3.2. Исследование математических моделей хаотической динамики при ЭСС. 97
3.2.1. Исследование математической модели 1 99
3.2.2. Исследование математической модели 2 106
3.3. Исследование модернизированных математических моделей с синусовой аритмией. 111
3.3.1. Исследование модернизированной математической модели с регулярной синусовой аритмии 113
3.3.2. Исследование модернизированной математической модели с нерегулярной синусовой аритмией произвольного закона распределения 117
3.3.3. Исследование модернизированной модели с нерегулярной синусовой аритмией нормального закона распределения 121
3.3.4. Коррекция бифуркационных диаграмм модернизированных математических моделей 126
Основные результаты и выводы по третьей главе диссертации 129
ГЛАВА 4. Практическое применение теоретических и экспериментальных результатов 130
4.1. Вводные замечания 130
4.2. Разработка измерителя пороговых характеристик биоэлектрических сигналов при ЭСС 131
4.3. Разработка лабораторного стенда для исследования параметров электрокардиостимуляторов 136
4.4. Универсальный измерительно-вычислительный комплекс 140
4.4.1. Разработка структурной схемы УИВК 145
4.4.2. Техническая реализация и внедрение УИВК 145
4.4.3. Методика компьютерного подбора безопасных параметров ИКС 151
4.5. Методика исследования моделей динамики поведения ЭКС при ЭСС 157
4.6. Комплекс лабораторных работ для исследования управления в биологических и медицинских системах на базе пакета Matlab 157
Основные результаты и выводы по четвертой главе диссертации 164
Основные результаты диссертационной работы 166
Литература 169
- Основная задача и принципы ЭСС
- Особенности хаотической динамики при электрокардиостимуляции
- Исследование модернизированной математической модели с регулярной синусовой аритмии
- Разработка измерителя пороговых характеристик биоэлектрических сигналов при ЭСС
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее важными проблемами медицины являются своевременная диагностика, предупреждение и лечение сердечно - сосудистых заболеваний, решение которых невозможно без разработки и исследования алгоритмов и технических средств обработки электрокардиосигнала для управления имплантированными кардиостимуляторами (ИКС).
В настоящее время значительное количество сердечно — сосудистых больных имеют ИКС, которые позволяют им вести активную жизнь, несмотря на серьезные заболевания. Процесс взаимодействия кардиостимулятора (КС) с сердцем сложен и неадекватен, что вызывает необходимость проведения контрольно - диагностических мероприятий, призванных обеспечить адекватный подбор и длительную эффективную эксплуатацию стимуляторов. Накопленный опыт применения различных типов КС, говорит о том, что они, в основном, обеспечивают возложенные на них функции. Однако многие известные конструкции не решают задачи оптимального регулирования системы ни с технической, ни с медицинской точек зрения. Поэтому современная медицина нуждается в специальной аппаратуре для управления ИКС, основанной на обработке электрокардиосигнала (ЭКС).
Практика показывает, что только для единиц пациентов подходит электрическая стимуляция сердца (ЭСС) в стандартном режиме, т.к. необходимо учитывать возраст, физическую активность и другие факторы. Кроме того, неоднократное перепрограммирование амплитудных параметров ИКС обязательно после операции вследствие снижения порога стимуляции в процессе заживления миокарда, а также в 80% случаев требуется перепрограммирование ИКС по частоте стимуляции. Медицинскими методиками рекомендовано производить корректировку параметров ИКС сначала один раз в квартал, затем один раз в полгода, а по истечении гаран-
тийного срока эксплуатации снова 4 раза в год. Такой подход является безопасным в технической части и обычно не вызывает дискомфорта при непрерывном контроле по электрокардиограмме (ЭКГ), однако в настоящее время не существует четких рекомендаций и критериев определения амплитудно-временных параметров ИКС, обеспечивающих безопасные режимы ЭСС с учетом индивидуальных особенностей пациентов.
В связи с этим необходима разработка алгоритмов и технических средств, которые позволят уменьшить риск от некорректного подбора ИКС и их параметров за счет компьютерного прогнозирования возникновения угрожающих состояний у широкого спектра кардиологических больных и обеспечивать принятие адекватных решений о необходимости изменения управляющих воздействий.
Динамика сердечного ритма, несомненно, является чрезвычайно сложной и в настоящее время не поддается формализованному описанию. Однако быстрое развитие новых математических подходов позволяет подойти к установлению закономерностей в сердечных аритмиях с нетрадиционной для медицины точки зрения — на основе исследования их хаотической динамики. Поэтому необходимо повысить эффективность процесса управления КС на основе правильного подбора перепрограммируемых параметров стимулирующих импульсов (СИ).
Процесс управления КС должен осуществляться с учетом зон безопасности хаотических срывов, на основе обработки и математического моделирования хаотических процессов в миокарде и исследования условий их возникновения, развития и прекращения, что является актуальной задачей развития в этой области знаний. Работа выполнена в соответствии с научно - технической программой «Новая медицинская техника».
Цель работы. Разработка и исследование алгоритмов и технических средств обработки электрокардиосигнала, позволяющих уменьшить риск от некорректного подбора ИКС и их параметров и обеспечить принятие
адекватных решений о необходимости изменения управляющих воздействий.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
систематизация возможных путей перехода к хаотической динамике для ЭКС при ЭСС и условий возникновения кризисов;
разработка алгоритма исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающего результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС;
формулировка рекомендаций для подбора безопасных параметров стимулирующих импульсов на основе исследования и прогнозирования развития хаотической динамики ЭКС с помощью математического моделирования процесса ЭСС;
разработка алгоритма обработки ЭКС, основанного на обнаружении и распознавании спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ;
разработка и клиническая апробация алгоритма и методики автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции с учетом индивидуальных особенностей ЭКС пациентов;
разработка универсального измерительно - вычислительного комплекса, обеспечивающего уменьшение риска от некорректного подбора ИКС и их параметров.
Методы исследований. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена на основе применения системного подхода к анализу биоэлектрической информации, теории вероятностей, методов автоматического управления, обработки информации, исследования хаотической динамики и компьютерного моделирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
алгоритм исследования хаотической динамики математических
моделей, учитывающий результаты обработки индивидуальных парамет-
ров ЭКС при ЭСС, основанный на предложенной систематизации путей перехода из нормального состояния в хаотическое и позволяющий выявлять и прогнозировать опасные состояния и интервалы изменения влияющих параметров сигнала.
математические модели динамики сердечного ритма учитывающие влияние дыхательной синусовой аритмии, что позволило скорректировать границы зон интервалов стимуляции и сформулировать рекомендации для подбора параметров стимуляции, принадлежащих выявленным безопасным зонам.
способ формирования графических отображений в виде ритмо-грамм стимулированной активности миокарда, фазовых портретов и бифуркационных диаграмм, позволяющих определять динамику ЭКС и безопасные интервалы при стимуляции;
алгоритм обработки ЭКС на основе обнаружения и распознавания спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС, позволяющий обеспечить надежное параллельное детектирование информативных элементов ЭКС за счет операций децимации дискретных значений входного сигнала, автоматической настройки абсолютных и относительных амплитудно-временных порогов и комплекса физиологически обоснованных зон нечувствительности.
алгоритм и методика автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции, обеспечивающие предоставление специалистам дополнительной информации с целью снижения вероятности появления отрицательных эффектов при предсердной стимуляции миокарда.
измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий уменьшить риск от некорректного подбора КС и их параметров за счет компьютерного прогнозирования вероятности возникновения угрожающих состояний у широкого спектра кардиологических больных.
На защиту выносятся:
Алгоритм исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающий результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС, основанный на предложенной систематизации путей перехода из нормального состояния в хаотическое.
Математические модели динамики сердечного ритмогенеза, позволяющие учитывать влияние синусовой аритмии при ЭСС, и результаты корректировки коэффициентов предложенных моделей в используемых в медицинской практике диапазонах изменения их параметров.
Алгоритм обработки ЭКС, основанный на обнаружении и распознавании спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС.
Способ графического представления результатов исследований ЭКС при ЭСС в виде бидиаграмм, позволяющих произвести сопоставление временных параметров и показателей динамики сердечного ритмогенеза.
Алгоритм и методика автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции.
Схемотехнические и программные решения, реализующие разработанные алгоритмы и методики и имеющие высокие технические характеристики.
Практическая значимость и результаты внедрения работы. Разработанные методы и средства составили основу построения информационно - вычислительного комплекса, позволяющего выявлять и прогнозировать опасные состояния в работе КС, организовывать оптимальные управляющие воздействия с целью снижения риска от некорректного управления состоянием ССС.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в Пензенском государственном институте усовершенствования врачей, в учебном
процессе Пензенского государственного университета и в медицинской компании ООО "ЭНЕЯ-МЕДИКАЛ".
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных и всероссийских научно-технических конгрессах и конференциях: на III и IY международных конгрессах "КАРДИОСТИМ" (г. Санкт-Петербург, 1998 и 2000 гг.); на III сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике "ИНПРИМ-98" (г. Новосибирск, 1998 г.); на международной телекоммуникационной конференции "Молодежь и наука - 97" (г. Москва, 1997 г.); на Научной сессии МИФИ-98 (г. Москва, 1998 г.); на XI научных чтениях памяти акад. Бурденко (г. Пенза, 1998 г.); на III и IV международных НТК "Радиоэлектроника в медицинской диагностике" (г. Москва 1999 и 2001 гг.); на Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы" (г. Рязань, 1997 и 2001гг.); на НТК "Медико-технические технологии на страже здоровья" (г. Геленджик, 1999 и 2000 гг.); на международных НТК "Биомедприбор-98 и 2000" (г. Москва, 1998 и 2000 гг.); на международной НТК "Измерения -2000" (г. Пенза).
Публикации. Самостоятельно ив соавторстве по материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала и приложений, заключения и списка литературы из 101 наименований. Общий объем работы составляет 197 страниц основного текста, в том числе 92 рисунков и 5 таблиц. Приложение содержит материалы, подтверждающие внедрение результатов работы.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность работы, определяются цели и задачи исследований, дана общая і характеристика выполненной работы, показана новизна решаемых задач.
В первой главе дан анализ основных параметров КС, позволивший выделить несколько влияющих факторов, изменение которых способно вызвать негативные проявления в динамическом поведении ЭКС. К ним относятся длительность интервала стимуляции (частота стимуляции) и амплитуда стимулирующего импульса, неадекватное управление значениями которых может вызвать хаотическую динамику ЭКС.
В главе исследованы существующие классификации режимов КС и технических средств КС.
По результатам обзора отечественных и зарубежных источников, касающихся классификации КС была предложена систематизация режимов электрокардиостимуляторов, реализующих метод учащающей ЭСС. В отличие от существующих классификаций КС, предложенная систематизация охватывает все многообразие их режимов и функций.
В данной главе диссертации был также проведен обзор структурных схем и способов реализации функциональных узлов КС и сделан вывод о необходимости разработки современных технических средств для анализа эффективности ЭСС, для чего следует определить возможные пути перехода к хаотической динамике для ЭКС при ЭСС и выбрать основные влияющие параметры СИ для математического моделирования. В заключении главы определены основные задачи теоретических и экспериментальных исследований для остальных глав диссертации.
Во второй главе диссертации рассматриваются вопросы прогнозирования хаотической динамики ЭКС при ЭСС. Проблема подбора безопасных параметров электрокардиостимуляции крайне актуальна, т.к. статистические данные свидетельствуют, о том, что применение имплантированных стимуляторов в ряде случаев не только не улучшает состояние пациента, но даже приводит к резким ухудшениям, таким как фибрилляция желудочков (предсердий) сердца. Появление у больных с имплантированными стимуляторами опасных нарушений ритма может свидетельство-
вать об угрозе возникновения хаотической динамики в ЭКС, поэтому несомненный интерес представляет исследование возможностей прогнозирования риска возникновения хаотических состояний по ЭКС.
В этой связи во второй главе диссертации решены следующие задачи:
систематизация путей перехода к хаотической динамике для ЭКС при ЭСС и выявление условий возникновения кризисов;
выбор адекватных математических моделей сердечного ритмо-генеза и определение основных влияющих параметров СИ для математического моделирования;
разработка математических моделей с учетом наличия у пациентов дыхательной синусовой аритмии;
разработка алгоритма исследования хаотической динамики математических моделей ЭКС при ЭСС;
разработка алгоритма обработки ЭКС на основе обнаружения и распознавания спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования математических моделей в пакете Excel - 2000. Компьютерные исследования хаотической динамики сердечного ритма при ЭСС целесообразно проводить при изменении какого - либо одного параметра, т.к. одновременное изменение двух и более факторов приводит к неоправданному усложнению и даже к невозможности собственно моделирования на современном уровне развития прикладных математических методов. В диссертации моделирование хаотической динамики ЭКС при ЭСС проводилось только для режима предсердной ЭСС, как наиболее безопасного для возникновения отрицательных последствий и позволяющего, в связи с этим, осуществлять экспериментальные исследования на пациентах с целью практического подтверждения предложенных математических моделей.
В четвертой главе диссертации рассмотрены вопросы практического применения полученных в работе теоретических и экспериментальных результатов и решены возникающие при этом задачи схемотехнического и алгоритмического плана.
В заключении обобщены основные результаты работы.
В приложении приведены листинг программы и акты внедрения результатов диссертации.
Основная задача и принципы ЭСС
Современный уровень развития методов и технических средств ЭСС позволяет считать это направление весьма эффективным в борьбе с целым рядом заболеваний человеческого организма. Этому способствовал накопленный положительный опыт клинического применения кардиостимуляции в сочетании с успехами развития микроэлектроники, биологии, физиологии, электрохимии и т.д. Последние достижения в области электронной техники и технологии стимулировали разработку принципиально новых имплантируемых аппаратов - антитахикардических и частотно - адаптивных КС, а также комбинированных устройств, объединяющих функции кардиовертера, дефибриллятора и КС, и являющихся весьма перспективными для предотвращения внезапной сердечной смерти [3, 7, 8].
ИКС исключает возможность проведения профилактического обслуживания в течение всего срока службы, и основным средством предупреждения отказа является диагностика ранних нарушений в работе ЭКС. Выявление нарушений в работе КС и в процессе его взаимодействия с сердцем требует развития сервисной аппаратуры, необходимой для получения исходной информации о характеристиках ЭКС и о физиологических характеристиках пациента, определяющих нормальный режим стимуляции.
Таким образом, перед техническими средствами, реализующими клиническое использование методов ЭСС, стоит многоцелевая задача, в основу решения которой должен быть заложен комплексный подход, учитывающий взаимосвязь основных этапов контроля и диагностики.
Целью первой главы диссертации является рассмотрение общих технических аспектов клинического применения ЭСС, определение перепективных режимов метода учащающей ЭСС, определение путей улучшения эффективности КС, рассмотрение структурных схем и способы реализации функциональных узлов КС, обзор традиционно используемых классификаций режимов КС и средств КС и разработка на этой основе универсальных систематизации, анализ экспериментального материала по основным параметрам КС и определение факторов, влияющих на динамику ЭКС при ЭСС, определение задач для основных глав диссертации.
Основной задачей ЭСС, т.е. искусственного ритмовождения сердца, является искусственное возбуждение и сокращение сердечной мышцы посредством сформированных электрических импульсов (ЭИ) определенной амплитуды, частоты, длительности и формы. Существует два вида ЭСС: постоянная и временная.
Постоянная (интракорпоральная) ЭСС применяется при хронических нарушениях проводимости и ритма сердца. Для этого оперативным способом в организм больного имплантируется (вживляется) КС. В зависимости от путей введения электрода в сердце различают эндокардиальный и мио-кардиальный способ (когда электрод вводится через центральные вены) составляет 95 - 98% всех случаев ЭСС. Работа ИКС обеспечивается автономным источником питания, что и требует применения внешнего контрольно-программирующего устройства для выбора программы и корректировки следующих параметров ЭИ: частота следования, длительность стимулирующих импульсов (СИ), амплитуда СИ, чувствительность к сигналам биоуправления, длительность рефрактерного периода, (A-V) задержки, величина гистерезиса [9—11].
Временная (экстракорпоральная) ЭСС применяется в интенсивной терапии для нормализации сердечного ритма, выявления патологических отклонений в сердечно-сосудистой системе, обеспечения предоперационного контроля системы электрод - сердце и эффективного электростимуляционного ритмовождения, а также используется в неотложной интенсивной терапии. Однако условия, в которых временная ЭСС применяется часто (условия скорой помощи, отделения интенсивной терапии, кардиологические отделения), не всегда позволяют использовать этот вид стимуляции достаточно оперативно [9, 10, 12].
Чтобы понять принципы, положенные в основу электростимуляции сердечных сокращений посредством воздействия ЭИ, надо первоначально рассмотреть физиологию возникновения сердечного ритма [3].
Основным водителем (задатчиком) ритма сердца является синоатри-альный узел. Частота сигналов возбуждения, генерируемых специальными клетками, зависит от потребностей организма и обеспечивается разветвленной системой регуляции. Сигнал возбуждения быстро распространяется на предсердия, вызывая их сокращения, и замедляется в ат-риовентрикулярной области. Примерно через 120 мс после начала сокращения предсердий сигнал возбуждения достигает желудочков и распространяется по внутри желудочковой проводящей системе [3,13].
Вследствие возбуждения предсердий на ЭКГ регистрируется зубец Р, а при возбуждении желудочков — комплекс QRST.
Синоатриальный узел 1 представляет собой генератор сигналов возбуждения с регулируемой частотой Fc. Через связь 2 сигналы возбуждения подаются на предсердие 3. При нарушении связи 2 предсердие само начинает генерировать сигналы возбуждения, поэтому оно моделируется синхронизируемым генератором со спонтанной частотой Fn и временем нечувствительности Тп, которое имитирует рефрактерный период предсердия. А - V область 4 также может стать генератором сигналов возбуждения. Для ее моделирования используется синхронизируемый генератор со спонтанной частотой Fa.B и временем спонтанной частотой Fa.B и временем задержки сигнала синхронизации.
Особенности хаотической динамики при электрокардиостимуляции
Проблема подбора безопасных параметров стимуляции крайне актуальна, т.к. статистические данные свидетельствуют, что 30% ИКС не только не улучшают состояния пациентов, но даже приводят к резким ухудшениям, таким как фибрилляция желудочков сердца. Появление у больных с ИКС опасных нарушений ритма может свидетельствовать об угрозе возникновения детерминированного хаоса, т.к. в настоящее время было показано [4 — 6], что процессы, возникающие при определенных условиях ЭСС, имеют хаотическую динамику. Поэтому математическое моделирование хаотических процессов в миокарде и исследование условий их возникновения, развития и прекращения является актуальной задачей развития в этой области знаний.
Целью второй главы диссертации является систематизация возможных путей перехода к хаотической динамике для ЭКС при ЭСС и выявление условий возникновения кризисов, выбор и разработка адекватных математических моделей сердечного ритмогенеза и определение основных влияющих параметров СИ для математического моделирования, разработка алгоритма исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающего результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС и позволяющего выявлять и прогнозировать опасные состояния и интервалы изменения влияющих параметров ЭКС при ЭСС, а также разработка алгоритма обработки ЭКС на основе обнаружения и распознавания спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС. 2.2. Особенности хаотической динамики при электрокардиостимуляции
Для исследования хаотической динамики ЭКС при электрокардиостимуляции целесообразно использовать математическую теорию детерминированного хаоса. Поэтому прежде чем исследовать хаотическую динамику ЭКС при ЭСС, необходимо рассмотреть основные понятия и определения математической теории детерминированного хаоса для пояснения теоретических положений и практических результатов.
Обычно в математике принято представлять физиологические величины в виде функции времени. Для характеристики таких временных последовательностей разработаны четыре основные математические понятия: стационарные состояния, колебания, хаос и шум [4,29 - 32].
Гомеостаз - это относительное постоянство факторов внутренней среды, таких как: содержание сахара, газов и электролитов в крови, осмотическое давление, кровяное давление и рН. Физиологическое понятие го-меостаза может быть связано с понятием стационарных состояний в математике. Стационарные состояния соответствуют постоянным решениям математического уравнения [4, 33 — 35]. Хотя, как всем известно, среднее кровяное давление поддерживается относительно постоянным, сокращения сердца представляют собой почти периодический процесс. Разумеется, что тщательные измерения любой физиологической переменной никогда не дают временной последовательности, которая была бы абсолютно стационарной или периодической. Даже системы, которые считаются стационарными или периодическими, всегда дают флуктуации вокруг некоторого фиксированного уровня или периода колебаний. Кроме того, существуют системы настолько нерегулярные, что может оказаться трудным найти лежащий в их основе стационарный или периодический процесс [4,6]. Математика предлагает два различных способа рассмотрения нерегулярностей, которые можно использовать в физиологии. Более распространенным из них является рассмотрение нерегулярностей в виде шума, представленного случайными флуктуациями. На практике встречаются колебания вокруг некоторого среднего значения либо колебания, которые являются более или менее регулярными.
Многие физиологические ритмы генерируются одиночной клеткой или электрически связанными изопотенциальными клетками, способными генерировать колебания автономно или в присутствии постоянных сигналов, называемых пейсмекерами. Как было показано Ходжкиным и Хаксли, потенциал действия генерируется в результате изменения зависящей от времени и трансмембранного потенциала проводимости мембраны для натрия и калия.
Исследование модернизированной математической модели с регулярной синусовой аритмии
Известно [64], что на сердечный ритмогенез влияет дыхательная синусовая аритмия, которая связана с модуляцией частоты сердечных сокращений ритмом дыхания. Во второй главе диссертации автором были предложены математические модели синусовой аритмии (2.10 - 2.12) двух видов: регулярного (изменяющейся по синусоидальному закону) и нерегулярного (описываемого произвольным и нормальным законом распределения).
На основании анализа репрезентативной выборки электрокардиограмм автором экспериментально подтверждено, что синусовая аритмия может быть двух видов: регулярного и нерегулярного. Были построены ритмограммы, отражающие зависимость временных интервалов между QRS - комплексами ЭКС (Tj) от их порядковых номеров (N). На рисунке 3.14 приведены примеры ритмограмм сердечной активности миокарда с синусовой аритмией.
Из рисунка видно, что разброс соседних временных интервалов в ритмограммах при синусовой аритмии даже в норме составляет до 20% от среднего значения R-R интервала ЭКС. При необходимости электрокардиостимуляции наличие у пациента выраженной дыхательной аритмии может внести существенные осложнения в процедуру правильного подбора безопасных параметров стимулирующих импульсов. Поэтому целесообразно проведение экспериментальных исследований предложенных автором моделей, учитывающих наличие у пациента синусовой аритмии конкретного вида.
Ритмограммы сердечной активности миокарда синусовой аритмии а) синусовая аритмия (регулярного вида), в) синусовая аритмия циклического типа (регулярного вида), с) синусовая брадикардия (нерегулярного вида), d) синусовая брадикардия с синусовой аритмией (нерегулярного вида).
Таким образом, предложенная автором модернизация моделей (2.10 -2.12) позволит учесть индивидуальные особенности ЭКС кардиологических больных с регулярной и нерегулярной дыхательной аритмией, игнорирование которых может привести к неправильному подбору параметров СИ.
Как уже отмечалось во второй главе, наиболее сложная динамика наблюдается при исследовании модели 1. Кроме того, эксперименты показывают, что влияние наличия синусовой аритмии на поведение модели 2 можно считать несущественным. Поэтому в дальнейшем будут приведены результаты исследования только для модели 1.
Предложенная автором модернизация моделей ритмогенеза оказывает существенное влияние на результаты стимуляции в граничащих с хаотическими зонами интервалах изменения исследуемых параметров СИ. При этом необходимо определить области значений параметров СИ (особые точки изменения динамики), соответствующие моментам перехода бифуркационных диаграмм из стационарного (устойчивого) состояния в хаотическое.
Ритмограммы стимулированной активности миокарда и фазовые портреты модели регулярной синусовой аритмии без корректировки коэффициентов SHmin и осі (200 -s- 500 мс) представлены на рисунках 3.15 -3.18, с корректировкой коэффициентов SHmin и ai (600 -f- 1000 мс) на рисунках 3.19 - 3.22.
В целом по результатам исследований модернизированной математической модели регулярной синусовой аритмии можно сделать следующий вывод: динамика ЭКС при ЭСС имеет следующие тенденции: при ts=200 мс наблюдается хаос, при ts=500 мс - устойчивое состояние (норма), при ts=600 мс и при ts=900 мс - блокады различной степени.
Разработка измерителя пороговых характеристик биоэлектрических сигналов при ЭСС
В данной главе приводятся примеры практического применения полученных в работе теоретических-и экспериментальных результатов и решаются возникающие при этом задачи схемотехнического и алгоритмического плана.
Реализация и внедрение необходимых для разработки структур и методик оценки их эффективности должны включать следующие направления: - разработка структуры измерителя пороговых характеристик биоэлектрических сигналов при электрической стимуляции сердца (ИПХ ЭСС); - разработка лабораторного стенда для исследования параметров электрокардиостимуляторов; - разработка универсального измерительно — вычислительного комплекса (УИВК); -разработка и клиническая апробация методики автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции; - разработка методики прогнозирования развития динамики ЭКС при ЭСС и внедрение ее в учебный процесс кафедры ИИТ и медицинского факультета ПГУ; - комплекс лабораторных работ для исследования управления в биологических и медицинских системах на базе пакета Matlab В настоящее время большое количество сердечно - сосудистых больных имеют ИКС, которые позволяют им вести активную жизнь при наличии серьезных заболеваний. Процесс взаимодействия ЭКС с сердцем весьма сложен и неадекватен, поэтому отечественная медицина остро нуждается в специальной аппаратуре для проведения контрольно-диагностических мероприятий, связанных с имплантацией КС [70- 73]. В предыдущих главах диссертации автором было установлено, что одной из самых важных задач при имплантации КС является подбор безопасных параметров КС на основе определения степени риска ухудшения состояния пациента при конкретных значениях интервала и частоты стимуляции. Автором разработан измеритель пороговых характеристик биоэлектрических сигналов при ЭСС. Важная особенность ИПХ ЭСС, заявлена в работах [74—78]. Разработанный ИПХ ЭСС способен: - контролировать реальные энергетические и временные характеристики ЭКС перед имплантацией; - тестировать ЭКС и определять степень разряда их источника питания; - исследовать реакцию ЭКС на некоторые нарушения сердечной деятельности с помощью реального или моделированного кард-иосигнала и осуществлять управление процессом компьютерного подбора безопасных параметров КС; - определять степень риска ухудшения состояния пациента при конкретных значениях интервала и частоты стимуляции; - исследовать характеристики ЭКС и процесса его взаимодействия с 132 сердцем после имплантации. ИПХ ЭСС имеет следующие технические характеристики: 1. Диапазон амплитуд импульсов, В 1- 9; 2. Диапазон длительности импульсов, мс 0,1- 10; 3. Погрешность установки амплитуды импульсов, % не более 0,2; 4. Погрешность установки длительности импульсов, % не более 0,1; 5. Диапазон амплитуд импульсов, мВ 1-5; 6. Диапазон измерения длительности импульсов, мс 20 - 200; 7. Диапазон частот сигнала, Гц 0,5 - 100; 8. Напряжение питания, 9 В; 9. Условия работы нормальные (по ГОСТ 502870 - 92). Данная разработка апробирована на отечественных КС типа ЭКС-500 в различных режимах его работы (режимы ЭКС были подробно описаны в первой главе диссертации). Использование в данной разработке ПК позволяет легко адаптировать ее технические характеристики для любых отечественных и зарубежных типов КС в соответствии с данными их технической документации. Разработка структурной схемы ИПХ ЭСС По результатам анализа научно - технической литературы была разработана структурная схема ИПХ ЭСС с учетом современных требований на базе ПЭВМ, которая представлена на рисунке 4.1. УОР1,2 - узел оптронной развязки - служит для исключения пробоя высокого напряжения с ПЭВМ на биообъект; УПК - узел преобразования кодов - служит для преобразования последовательного кода с выхода ПЭВМ в параллельный.
