Разработка методов символической динамики для системного анализа кардиологических процессов Гуров, Юрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Методы нелинейной динамики являются одними из самых перспективных инструментов системного анализа, нашедших эффективное применение в физике, химии, экономике, биологии и т.д. Эти методы крайне редко приводят к точным аналитическим решениям, в силу чего особую важность приобретают математическое моделирование и компьютерный эксперимент. Актуальность такого подхода определяется возможностью прогнозирования, адекватного описания и управления динамикой изучаемых явлений.

Бурное развитие теории нелинейных систем в конце 1970-х годов привлекло внимание исследователей, занимающихся проблемами биологии и медицины. Уже тогда укрепляется осознание существенной нелинейности процессов в живой природе и возникает интерес к применению методов нелинейной динамики при исследовании поведения биологических объектов.

Среди публикаций, посвященных применению аппарата нелинейной динамики в биологии, следует выделить класс статей, в которых анализируется работа сердечно-сосудистой системы. Существует несколько направлений исследовательской деятельности в этой области, которые условно можно разбить на две группы. Первая группа включает в себя моделирование и анализ динамики отдельных клеток и ритмообразующих подсистем сердца. Старт такого рода исследованиям был дан в работах Guevarra et. al. (1981) и Ritzenberg et. al. (1984). Направление деятельности второй группы работ связано с системным хронобиологическим подходом, с позиций которого ритм сердца является результатом взаимодействия различных подсистем организма. В рамках этого подхода изучаются не только электрокардиограммы сердца, но и его ритм,о граммы (Wolf et.al (1978), Kleiger et.al (1987)), относительно просто получаемые с помощью акустических, оптических, пьезо-элек- трических и других видов датчиков. Для анализа ритмограмм в последнее время наиболее эффективными оказались методы нелинейной динамики, такие как фрактальный и мультфрактальный анализ, реконструкция динамических систем, изучение энтропийных показателей и т.д. С обзором последних достижений в этой области можно ознакомится в статье Voss et. al. (2009). Однако, большинство используемых методов анализа ритма сердца требуют стационарности процесса и являются чувствительными к артефактам записи. Поскольку в практических задачах диагностики использование одного лишь выделенного метода в большинстве случаев не дает адекватных результатов, как правило, используется комплексный подход с применением нескольких различных методов. В связи с этим, особую актуальность приобретает создание новых средств моделирования и анализа ритма сердца.

Существенный интерес при исследовании ритма сердца представляют собой методы символической динамики из-за относительной простоты их реализации и отсутствия требования стационарности сигнала. К недостаткам этих методов следует отнести то обстоятельство, что исходный сигнал «огрубляется» за счет перехода к последовательности символов, из-за чего теряется часть детальной информации. С другой стороны, удачно выбранная процедура кодирования позволяет существенно повысить информативность проводимого анализа. Первые успешные попытки применения методов символической динамики в практических задачах диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы были представлены статьях Voss et. al. (1993,1996) и Kurths et. al. (1995). В этих работах моделировались кратковременные флуктуации сердечного ритма и изучались характеристики получающихся символических строк. Другие характеристики и различные способы символьного моделирования ритма сердца использовались в ряде последующих публикаций: Porta et. al. (2001), Yang et. al. (2003), Guzzetti et. al. (2005) и Cysarz et. al. (2007). Однако во всех вышеперечисленных работах исследуются кратковременные изменения динамики ритма сердца, которые в основном отражают барорефлекторную и парасимпатическую активность.

Представляется актуальным исследовать более длительные изменения динамики ритма сердца в связи с тем, что они более адекватно отражают симпатическую и парасимпатическую регуляцию организма.

Набор наиболее распространенных методов нелинейной динамики для исследования ритма сердца был реализован в ряде программных продуктов, самым известным из которых является свободно распространяемое программное обеспечение WFDВ, доступное на сайте physionet.org. Однако во всех известных нам программных комплексах для анализа ритмограмм сердца отсутствуют реализации методов символической динамики, в связи с чем, разработка соответствующего программного обеспечения представляется актуальной задачей.

Целью диссертационного исследования является разработка методов символической динамики при моделировании и системном анализе механизма регуляции сердцебиения.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Провести математическое моделирование процесса регуляции сердцебиения с выделением роли основных управляющих факторов - парасимпатических и симпатических тонусов нервной системы.

2. В рамках методологии символической динамики, с помощью полученной модели, разработать алгоритмы кодирования ритмограмм сердца,

позволяющие провести анализ сердечного ритма на временах от одного до нескольких сокращений сердца.

3. Выявить характерные особенности символьных моделей, полученных с помощью кодирования ритмограмм сердца, для различных физиологических состояний организма человека. Дать численные оценки этих особенностей и представить способы визуального анализа символьных строк. Продемонстрировать возможности символической динамики в практических задачах.

Научная новизна:

2. 1. Получена новая математическая модель физиологической регуляции сердцебиения, описывающая особенности динамики регуляторных подсистем на временных интервалах от одного до нескольких десятков сокращений сердца. Представленная модель является относительно простой по сравнению с существующими, но, тем не менее, достаточно хорошо описывает ряд характеристик кардиоритма.

   2. Разработаны новые алгоритмы кодирования ритма сердца, выделяющие особенности работы важнейших ритмообразующих факторов. Указанные процедуры позволяют сфокусировать анализ кардиоритма на управляющих воздействиях организма - парасимпатических и симпатических тонусах нервной системы.

   3. Предложен ряд числовых характеристик символьных строк, информативных при анализе кардиологических данных

   а. Индекс V(S,u), характеризующий средневзвешенную длину слов в символьной строке частота вхождения которых превышает ш.

   б. Индекс t_m(S,u), характеризующий относительное количество символов, которое может появиться после rn-символьного блока, входящего в строку S более ш раз.

   в. Индексы c_m(Si)S₂] н K_m(S_i) S₂], первый из которых характеризует долю общих m-символьных слов в строках Si и S_2j а второй - различие в распределении этих слов в указанных символьных строках.

   г. Индекс v_m(S), который описывает характер неравномерности распределения m-символьных слов в строке S.

   2. 4. Для анализа символьных строк, описывающих динамику ритма сердца, предложен ряд средств визуализации:

      а. ST-диаграмма, характеризующая переходы между разрешенными символами строки.

      б. WSG - диаграмма, характеризующая распределения слов в подстроках разной длины.

      5. Применение разработанной методики анализа ритмограмм сердца позволили выявить возрастные и патологические изменения сердечно-сосудистой системы. Интерпретация полученных результатов в рамках модели регуляции кардиоциклов дает качественное представление о формировании ритма сердца при различных физиологических состояниях.

      Практическая значимость. Полученные в работе результаты, разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение представляют собой вклад в методику диагностики сердечных заболеваний. Они могут быть использованы различными коллективами ученых и медиков, проводящих исследования в этой области.

      Созданные программные комплексы «Symbolic» и «ДДУ-1» позволяют легко и быстро применить описанные в настоящей диссертационной работе методы для мониторинга состояния больных и здоровых людей, прогнозирования неблагоприятных реакций и проводить биоуправляемую терапию.

      Результаты и положения, выносимые на защиту:

      2. 4. 1. Математическая модель регуляции ритма сердца, базирующаяся на основополагающей роли парасимпатического и симпатического тонуса нервной системы в управлении сердечной активностью.

            2. Алгоритмы кодирования ритмограмм сердца, осуществляющие переход к символической динамике и позволяющие выделить характерные особенности парасимпатической и симпатической регуляции ритма сердца.

            3. Методика анализа кардиологических данных с использованием разработанных в диссертации числовых показателей символьных строк и средств визуализации.

            Апробация работы. Полученные автором результаты обсуждались на конференциях:

            «Первый российский съезд по хронобиологии и хрономедицине» с международным участием (Владикавказ, 2008); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН (Po- стов-на-Дону, 2008); Международный конгресс: «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2009); Международная конференция «Системы и модели в информационном мире»(Таганрог, 2009); Научно-методическая конференция «СИТО-2007» (Ростов-на-Дону, 2007);

            Научно-методическая конференция «СИТО-2010» (Ростов-на-Дону, 2010); Ha- учно-практическая конференция «Образовательная среда сегодня и завтра» (Москва, 2006); Международный симпозиум «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Москва, 2007); Научно практическая-конференция «Экстремальная медицина. Проблемы экстремальных состояний» (Владикавказ, 2006), 9-я Международная школа «Хаотические автоколебания и образование структур» (ХАОС-2010, Саратов, 2010)

            Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 9 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК [1-9] и 10 работ [Ю-19] в сборниках трудов конференций. На программное обеспечение получено свидетельство РосПатента о регистрации [20].

            Личный вклад автора. Работы [6, 7] выполнены без соавторов, в остальных работах автор диссертации принимал участие в постановке задачи, анализе и интерпретации результатов исследований. Непосредственно автором была проведена разработка программного обеспечения. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

            Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 116 наименований. Основное содержание диссертации имеет объем 160 страниц, содержит 34 рисунка и 12 таблиц. В приложениях приведены дополнительные таблицы и диаграммы рассеяния показателей символьных строк, скриншоты программ, акт внедрения и техническое описание прибора «ДДУ-1».

            Похожие диссертации на Разработка методов символической динамики для системного анализа кардиологических процессов

            

            Исследование и разработка методов анализа и рационального управления процессом лечения кариеса с учетом терапевтических и минералогических факторов Кущева Ольга Александровна

            

            Разработка методов и средств тестового диагностирования и анализа процессов регулирования объектов теплоэнергетикиВиноградов Александр Николаевич

            

            Исследование и разработка методов и алгоритмов адаптивного спектрального анализа широкополосных случайных процессов Столбов Михаил Борисович

            Разработка методов имитационного моделирования для анализа и синтеза технологических процессов дискретного типаЛановий, Алексей Феликсович

            

            Исследование свойств и разработка методов анализа степенных-рейтинговых распределений эмпирических данных развивающихся процессовКалягина Людмила Викторовна

            Исследование и разработка методов управления процессами прогрева мерзлой древесины с учетом динамики ее структурных измененийСтерлин, Михаил Давидович

            Разработка методов и средств математического моделирования и анализа структурно сложных систем на основе аппарата полиэдральной динамикиДегтярев, Константин Юрьевич

            

            Разработка методик анализа и расчета процессов транспорта газа в магистральном газопроводе для задач проектирования и управленияКуцев Владислав Анатольевич

            

            Разработка моделей и алгоритмов многомерного анализа процессов в управлении качеством на предприятииГолованов Виктор Владимирович

            

            Системный анализ и программно-информационное обеспечение процесса разработки месторождений в неизотермических условияхИванова Наталья Владимировна