Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов исследования вегетативного обеспечения
1.1. Роль вегетативной нервной системы в поддержании гомеостаза 11
1.2 Дисфункция ВНС как основной фактор нарушения гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии 17
1.3 Современные методы исследования вегетативной нервной системы 21
1.3.1 Психофизиологические опросники и вегетативные индексы 21
1.3.2 Биохимические анализы 23
1.3.3 Показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР) 24
1.3.4 Функциональные пробы 32
1.4 Исследование состояния ВНС при функциональном резонансе (проба «6 дыханий в минуту») 37
1.5 Цель и задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Оценка вегетативного обеспечения на основе функционального резонанса ССС
2.1 Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления 47
2.2 Разработка математической модели контура регуляции ритма сердца, стабилизирующего артериальное давление с учетом резонансных свойств его компонент 52
2.3 Исследование механизмов влияния тонуса ВНС на параметры функционального резонанса ССС 59
2.4 Выводы второй главы 66
ГЛАВА 3. Разработка технических и алгоритмических средств оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой
3.1. Разработка способа возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса 68
3.2 Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам 70
3.3 Разработка способа гибкой компенсации дрейфа изолинии при телеметрической регистрации биопотенциалов 82
3.4 Конвейерная обработка сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени в программно-аппаратном комплексе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы 92
3.5 Выводы третьей главы 96
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования методов и средств для оценки вегетативной обеспеченности на основе резонансного биоуправления кардиореспираторной системой
4.1. Определение необходимых объемов исследуемых выборок 99
4.2. Исследование параметров функционального резонанса ССС при ортостатической пробе у спортсменов 101
4.3 Исследование параметров функционального резонанса ССС при ортостатической пробе у больных эссенциальной гипертензией гиперсимпатического типа. 105
4-4 Исследование фазовых траекторий управляющих систем при равномерной физической нагрузке 110
4.5 Разработка решающих правил для принятия решений о недостаточности вегетативного обеспечения 113
4.6 Выводы четвертой главы 119
Заключение 120
Библиографический список 122
- Дисфункция ВНС как основной фактор нарушения гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии
- Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления
- Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам
- Исследование параметров функционального резонанса ССС при ортостатической пробе у спортсменов
Введение к работе
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 41Л % (Кушаковский М.С.). Особенно опасны осложнения ЭГ - ишемичсская 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 нозологии 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
5 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 А.Вводной 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 гиперадренергическои 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.
6 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 ОЛ Гц, Наиболее эффективно использовать при этом управляемое дыхание, так как вследствие дыхательных движений создается аддитивное изменение интраторакальпого 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:
Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления,
Разработка математической модели контура регуляции ритма сердца, обеспечивающего стабилизацию артериального давления, с учетом резонансных свойств его компонент.
Исследование механизмов влияния тонуса ВНС на параметры ФР.
Разработка способа возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса.
Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам, позволяющей осуществить способ возбуждения ФР с учетом изменчивости основной частоты резонанса;
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 орто статической 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 орто статической пробы, позволяющие дифференцировать гиперадренергическую форму ЭП
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 клинико диагностическим 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-
10 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 (RR 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.
Дисфункция ВНС как основной фактор нарушения гомеостаза на примере патогенеза эссенциальной гипертензии
Как уже отмечалось, нарушения работы систем управления организма приводят к развитию различных заболеваний. Эссенциальная гипертензия наступает тогда, когда устойчиво нарушается соотношение между активностью прессорных и депрессорных механизмов. Если рассматривать только управляющие звенья системы автоматической стабилизации давления (рис. 1,1), то возможными патогенетическими механизмами в данном случае являются [82]: 1- увеличение уровня задающего воздействия (например, центрогенно-нервная теория патогенеза ЭГ Г.Ф.Ланга), 2- изменение чувствительности элемента сравнения по одному из входов (например, центральная гипоталамическая форма ЭГ, при которой снижается чувствительность альфа-два-адренергических рецепторов), 3- неадекватное увеличение сигнала рассогласования, что может быть следствием первых двух механизмов, а может быть и самостоятельным явлением, например при повышенном выбросе катехоламинов из норадреналиновых депо симпатических нервов (гиперсимпатикотония), 4- снижение чувствительности рецепторов {рефлексогенная гипертензия), 5- неадекватная передача сигнала рецептора (например, центральная гипоталамическая форма ЭГ, при которой происходит дефект синтеза нейромедиатора - нор адреналин-дефицитная форма ЭГ).
Все выше рассмотренные механизмы так или иначе связаны с симпатическим отделом вегетативной нервной системы. Кроме того, существует еще множество системэ влияющих на уровень АД и соответственно на развитие ЭГ- Это система ренин - ангиотензин II - альдостерон, система простагландинов, калликреин-кининовая система, допаминергическая система, система имидазолиновых рецепторов, пептидергические системы мозга (нейропептид Y, натрийуретический пептид, эндотелины, вазопрессин, пролактин, серотонин и др.), механизм «давление-натрийурез» и другие выделительные функции почек, внеклеточная гипергидратация, проницаемость клеточных мембран для ионов кальция и др.
Как отмечал еще в середине 30-х годов Г.Ф.Ланг: «Этиология и патогенез гипертонической болезни, вероятно, различны в различных ситуациях и, следовательно, мы в этом отношении имеем не одну болезнь, а группу болезней». М.СКушаковский подчеркивает, что ЭГ является «болезнью регуляции и болезнью (формой) компенсации (приспособления)», имея ввиду при этом, что 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.
У лиц с пограничной артериальной гипертензией (ПАГ) часто выявляют увеличение минутного объема сердца вследствие гиперсимпатикотонии, а в развернутых стадиях эссенциальной гипертензии оно встречается примерно в 4 раза реже. Сущность гемодинамической эволюции при прогрессировании ЭГ состоит в нормализации (или даже в снижении) сердечного выброса у большинства больных вследствие возрастания общего периферического сопротивления (ОПС). Этот процесс происходит как при НЦЦ (гиперсимпатикотония), так и у больных, у которых причиной повышения минутного объема сердца (МОС) служит внеклеточная гипергидратация и гиперволемия [63]. Такая перестройка гемодинамики осуществляется включением дублирующего управляющего механизма «системной авторегуляции»- Автор этого термина [24] исходил из известных положений; а) в физиологических условиях между потребностью ткани (органа) в кислороде и скоростью местного кровотока существует строгое соответствие; б) каждая ткань располагает комплексом механизмов, регулирующих региональный кровоток и восстанавливающих равновесие между ее энергетическими потребностями и кровообращением. Авторегуляция — это защитное миогенное сужение артериол в ответ на чрезмерное поступление кислорода к ткани или органу. При повышении МОС, т.е. объемной скорости кровообращения в организме, авторегуляция приобретает генерализованный характер. Системное сужение артериол и прекапилляров ведет к повышению общего периферического сопротивления (ОПС), что, в свою очередь, способствует замедлению общего кругооборота крови и уменьшению ранее увеличенного МОС- Такая общая авторегуляция всего тела может осуществляться только в условиях угнетения барорецепторного рефлекса.
Итак, существует три альтернативных пути формирования ЭГ [63, 82]: I) В результате первичного сужения (спазма) резистивных сосудов и повышения ОПС; 2) вследствие первичного нейрогенного (гиперсимпатикотония) увеличения МОС с последующей системной авторегуляцией и повышением ОПС; 3) вследствие первичного увеличения МОС, вызванного задержкой ионов натрия и повышения внутрисосудистого объема жидкости с последующей системной авторегуляцией и повышением ОПС,
Соответственно от вида патогенетического механизма эссенциальной гипертензии должна подбираться и методика лечения. Однако современная методика лечения эссенциальной гипертензии (ступенчатый метод) представляет собой просто эмпирический подбор лекарств методом проб и ошибок- Гипотензивные средства совершенно по-разному действуют на каждого конкретного больного, причем в ряде случаев целый класс лекарств может быть абсолютно неэффективным. На выяснение факта эффективности лечения у врача уходит время от 5 - 7 дней до нескольких недель. Например, начинают лечение ЭГ обычно или диуретиками, или бета-блокаторами. Причем абсолютно четких показаний для начала лечения, например, бета-блокаторами, нет. Есть рекомендации, что эффективность лечения бета-блокаторами будет высокой при увеличенном МОС, однако увеличение МОС может зависеть не только от гиперактивности симпатической нервной системы, но и от других причин, например от гиперволемии, которая наблюдается по данным [27] среди гипертоников у 50% больных. Поэтому основными рекомендациями для назначения бета-блокаторов является наличие сопутствующих заболеваний: стенокардии напряжения, постинфарктном кардиосклерозе, экстрасистолии и тахиаритмиях, гиперфункции щитовидной железы.
Исследование зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления
После задержки дыхания мощность всех волн, модулирующих сердечный ритм, заметно снижалась во всех трех сериях. Вдох-выдох длился всего 1 секунду, однако реакция частоты сердечных сокращений очень сильная (особенно в третьей серии на рисунке) и характерная: сначала RR-интервалы почти скачкообразно уменьшаются, а затем изменяются синусоидально с периодом 10-12 кардиоинтервалов. Так как средний кардиоинтервал примерно равен 0,9 сек, то частота синусоиды составит примерно 0,09-0, И Гц. Следует отметить возникновение коротких (примерно 40 кардиоинтервал о в) приступов тахикардии после окончания задержки дыхания, которые являются гипоксической реакцией ритма. Также после всех этих возмущений в покое на отдыхе между сериями экспериментов наблюдается существенное увеличение мощности волн периодом 11-12 кардиоцикпов (диапазон LF).
Итак, проиллюстрированные результаты показывают, что реакция сердечного ритма на воздействие в виде короткого вдоха-выдоха, при условии отсутствия наложения влияния других дыхательных движений, носит вид затухающей синусоиды с периодом Т=10-12 кардиоциклов, или около 0Л Гц (диапазон LF) [61]. Все эти результаты позволяют сделать вывод, что передаточную характеристику барорефлекса можно представить в виде затухающего колебательного звена с собственной частотой 0.1 Гц (рис. 2.2): где Т - период собственной частоты колебательного звена, rj -параметр (декремент) затухания колебательного звена, Р(0 -среднее давление в аортальном русле за время сердечного цикла, z(t) - аддитивное изменение интраторакального давления вследствие дыхательных движений диафрагмы и грудной клетки, (/) - измерительная информация барорецепторов. Аналогичные результаты получаются и при регистрации амплитуды изменения ритма сердца при изменении частоты дыхания (рис, 1.12), Другим распространенным входным сигналом для исследования переходных характеристик динамических звеньев является скачок Хевисайда, В физиологических условиях для исследования зависимости сердечного ритма от дыхательных изменений интраторакального давления близким по форме к скачку Хэвисайда (ступенчатой функции) является смена фаз вдоха и выдоха. Для изучения протяженных по времени переходных процессов необходимо делать глубокие дыхательные движения. Проведем еще один эксперимент: в определенном положении тела (например, сидя) дышим со спонтанной частотой дыхания. Потом делаем медленный глубокий вдох в течение 10 - 15 секунд, затем медленный глубокий выдох, а потом опять дышим спонтанно. Следует заметить, что после глубокого выдоха опять следует достаточно глубокий вдох, а затем дыхание нормализуется. Типичная реакция длительностей RR-интервалов у исследованных здоровых людей на такие дыхательные упражнения приведена на рис. 2.3. Отчетливо видны следующие фазы реакции RR интервалов на медленный вдох-выдох: а) RR интервалы уменьшаются сразу после вдоха. б) Через 4-6 кардиоциклов RR интервалы увеличиваются, иногда достигая величины даже большей, чем перед началом вдоха. в) После выдоха RR интервалы еще более увеличиваются, г) Через 4-6 кардиоциклов RR интервалы уменьшаются, причем процесс этот в большинстве случаев протекает волнообразно. Расстояние между максимумами волны составляет 12 кардиоциклов, что с учетом средней ЧСС составляет примерно 0.1 Гц. д) Начало спонтанного дыхания. Так как эта фаза начинается с достаточно глубокого вдоха, то и реакция RR интервалов примерно такая же, как в фазы а,б. Постепенно ритм стабилизируется, однако в нем явно присутствуют достаточно большие по амплитуде частоты с периодом около 10-12 кардиоциклов (примерно 0.1 Гц). Приведенные зависимости реакции RR интервалов на глубокий вдох-выдох обладают достаточно хорошей воспроизводимостью. Во время исследований сглатывание слюны не допускалось. На рис. 23 показаны реакции на 3 разделенных во времени воздействия у одного человека. Характерный паттерн не очень сильно меняется во времени и, следовательно, отражает состояние сердечных регулирующих систем, что само по себе имеет важное диагностическое значение.
Проиллюстрированные результаты показывают, что реакция сердечного ритма па воздействие в виде короткого вдоха-выдоха, при условии отсутствия наложения влияния других дыхательных движений, носит вид затухающей синусоиды с периодом 10-12 кардиоциклов, или около 0.1 Гц (диапазон LF), причем фаза реакции (синусоиды) зависит только от времени воздействия. Исследования позволяют сделать вывод, что передаточную характеристику барорефлекса можно представить в виде затухающего колебательного звена с собственной частотой 0.1 Гц. На основе исследованных реакции RR интервалов был спроектирован и изготовлен программно-аппаратный комплекс для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы, который позволяет не только достигать более точных значений возмущающих резонансных частот, по и исследовать динамику параметров резонанса [52]
Разработка медико-технической системы регистрации ЭКС с передачей информации по телекоммуникационным каналам
Современные интегральные инструментальные усилители и микроконтроллеры позволяют создать достаточно дешевые и доступные в эксплуатации электрокардиографы, которые возможно использовать в бытовых условиях. Однако цены на средства отображения данных в настоящее время относительно высоки. Кроме того, заключение о состоянии здоровья по электрокардиосигналу (ЭКС) должен делать специалист очень высокой квалификации. Если же процесс диагностики автоматизировать полностью, то для его реализации недостаточно ресурсов бытового электрокардиографа. Поэтому целесообразно пространственно разнести процессы сбора и данных и принятия решения. Для этой цели был предложен распределенный кардиомониторинг [13], который позволяет контролировать состояния здоровья группы пациентов из единого центра (диспетчерского пункта). Данные о ЭКС пациентов в этот центр передаются в симплексном режиме посредством стандартных телекоммуникационных средств. При этом обратная связь с пациентом осуществляется посредством абонентской телефонной связи. В качестве каналов для передачи ЭКС могут использоваться телефонные, радио, оптические каналы или их комбинации.
Одной из основных проблем распределенного мониторинга ЭКС является экономическая эффективность. Большая часть средств, необходимых для его реализации, приходится на каналы связи- Поэтому целесообразно использовать «беззатратную» технологию, то есть уже существующие линии связи и технические устройства. Наиболее удобен в этом отношении телефонный канал, так как уже имеется большой опыт передачи сопутствующей информации, в частности цифровых данных- Но непосредственное подключение бытового электрокардиографа к телефонной линии связи вызывает проблемы с ее эксплуатацией по прямому назначению, кроме того, это доставляет неудобства самому пациенту. Поэтому бытовой электрокардиограф должен быть выполнен в виде носимого блока, а связь между ним и телефонной линией поддерживаться посредством радио (или оптического) канала связи. Оптический канал имеет ряд преимуществ перед радиоканалом, но при отсутствии ограничений на перемещение пациента (динамическом мониторинге) связь по этому каналу с телефонной линией весьма проблематична,
В случае использования радиоканала связь с диспетчерским пунктом осуществляется посредством двух модулей: носимого модуля с радиопередатчиком и стационарного модуля, находящегося непосредственно у телефонной линии и включающего радиоприемник и средства передачи данных по телефонному каналу. Такое техническое решение позволяет использовать одну телефонную линию для передачи данных ЭКС нескольких пациентов. Связь между носимым модулем (пациентом) и базовым модулем может быть осуществлена как в аналоговой, так и в цифровой форме на частотах УКВ диапазона, диапазона Си-Би. Однако в этом случае возникает ряд проблем, связанных со снижением потребления питания носимого блока и многоканальной передачи данных. Технические решения аналоговой передачи ЭКС по радиоканалу рассмотрены в [3]. Для повышения достоверности принятия решения здесь предлагается использовать два или три отведения, хотя имеются надежные диагностические программы, использующие и одно отведение.
Структурная схема радиопередатчика аналогового ЭКС показана на рис. 3.2. Для передачи сигналов двух отведений здесь используется полярный модулятор [3]. Однако характер низкочастотной части спектра полярно модулированного ЭКС приводит к большим переходным искажениям при использовании в составе приемника цепи авто подстройки частоты. Наиболее приемлемым решением этой проблемы является сужение комплексного спектра ЭКС путем смещения спектра амплитудным модулированием поднесущей сигналами двух каналов с полным ее подавлением при помощи балансного модулятора. Однако современная элементная база не позволяет создать радиопередатчик по такой схеме с достаточно низким энергетическим потреблением, что очень важно для носимого модуля. Понизить энергетическое потребление в носимом модуле, а также оптимизировать эксплуатацию телефонной линии связи позволяет использование микроконтроллеров (например, семейства PIC16F87X) в носимом и стационарном модулях. Использование РІС-контроллера позволяет осуществить как аналогово-цифровое преобразование сигнала, так и преобразование данных в последовательный код. Носимое устройство (без передатчика), структурная схема которого показана на рис» 3,3, потребляет ток менее 30 мА. С выхода микроконтроллера последовательный код отсчетов ЭКС поступает на вход радио- или оптического передатчика. Структурная схема, показанная на рис. 3.2, может использоваться как кардиографическая приставка для реализации стационарного электрокардиографа на базе персонального компьютера. Для этого в схему, показанную на рис, 3,2, необходимо дополнительно ввести адаптер канала RS-232С с оптической развязкой, выполненный, например, на микросхеме МАХ252 .
Исследование параметров функционального резонанса ССС при ортостатической пробе у спортсменов
Самый «загруженный» работой участок в этом конвейере - это блок выделения RR интервалов. При нехватке ресурсов процессора возможны потери отдельных отсчетов сигнала ЭКГ. Связанная в связи с этим ошибка определения длин RR интервалов с учетом того, что частота дискретизации составляет сотни герц, может быть вполне допустимой. Наличие ошибок во время работы определяется показателем степени использования процессора (она не должна достигать 100%), а также сравнением динамически полученных значений RR интервалов со значениями, полученными при ретроспективном анализе сигнала ЭКГ, зафиксированным участком записи в файл. На тестовом компьютере, при частоте дискретизации сигнала 350 Гц, программа загружала процессор Celeron 333 менее чем на 10%. Следовательно, при такой частоте дискретизации сигнала, а также при условии отсутствия фоновых задач, теоретически не возникнет потери данных даже на компьютере с процессором 486DX4.
Используемые в программно-аппаратном комплексе для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспнраторной системы методы и технические средства получения и обработки информации могут найти широкое применение не только в медико-биологических системах, но и в обширном классе измерительных систем в промышленности, в системах управления технологическими процессами, в которых необходимо получать и обрабатывать информацию в реальном масштабе времени.
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 па дыхательные движения и затем выдавал синхронизированные с собственной частотой резонанса команды вдоха-выдоха. Это позволило повысить точность возбуждающей частоты дыхательных движений за счет динамического учета изменчивости частоты функционального резонанса.
Разработаны алгоритмы и программы, реализующие цифровую обработку электрокардиосигнала в реальном масштабе времени для возбуждения резонансных режимов работы кардиореспираторной системы.
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 при 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 передастся на вход корректировки постоянного выходного уровня предусилителя, 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. Разработано программное обеспечение, построенное по конвейерному принципу. Каждый участок-блок конвейера представляет собой поток мультизадачной операционной системы» синхронизация между которыми осуществляется объектами ядра операционной системы - мьготексами. Такая архитектура программы предоставляет широкие возможности по управлению вычислительными ресурсами ЭВМ.
