Тернопiльський нaцiонaльний технiчний унiверситет iменi Iвaнa Пулюя Суський Андрій Васильович УДК 616.073.759 МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА МЕТОД АНАЛІЗУ РИТМІКИ СЕРЦЯ В ЕКСПЕРТНИХ СИСТЕМАХ 163 – Біомедична інженерія Aвтореферaт дипломної роботи мaгiстрa Тернопiл

Тернопiльський нaцiонaльний технiчний унiверситет iменi Iвaнa Пулюя

Суський Андрій Васильович

УДК 616.073.759

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА МЕТОД АНАЛІЗУ РИТМІКИ СЕРЦЯ В ЕКСПЕРТНИХ СИСТЕМАХ

163 – Біомедична інженерія

Aвтореферaт дипломної роботи мaгiстрa

Тернопiль – 2018

1

Роботу виконано на кафедрі біотехнічних систем Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Керівник роботи: кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри біотехнічних систем Яворська Євгенія Богданівна,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Рецензент: кандидат технічних наук,

старший викладач кафедри приладів і контрольно- вимірювальних систем

Стрембіцький Михайло Олексійович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя

Захист відбудеться 23 лютого 2018 р. о 10

годині на засіданні екзаменаційної комісії № 22 у Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Текстильна, 28, навчальний корпус №9, ауд. 9-507.

2

ЗAГAЛЬНA ХAРAКТЕРИСТИКA РОБОТИ

Актуальність теми . У сучасній фізіології значна увага приділяється діагностиці функціонального стану певних cистем, за якими можна було б оцінити стан цілого організму та здатність його до адаптації. Серцево- судинна система є однією з важливих для забезпечення швидких реакцій на події у оточуючому середовищі. Адже її функція полягає у забезпеченні організму киснем і поживними речовинами та виведенні шкідливих метаболітів, а саме у цьому зростає потреба під час екстрених подій (небезпека чи інтенсивне фізичне навантаження).

Одним зі швидких та зручних методів оцінки стану серцево-судинної системи є аналіз варіабельності серцевого ритму (ВСР). Серце під час скорочення генерує електричні імпульси, які можна зареєструвати за допомогою накладених на певні ділянки тіла електродів. Отримана у такий способом крива, що відображає електричну активність серця, називається електрокардіограмою (ЕКГ).

Оцінка функціонального стану організму за даними варіабельності серцевого ритму є перспективним діагностичним методом, який вже широко використовується в клінічній медицині.

Цільова група Європейського Товариства кардіології і Північно- Американського Товариства електростимуляції і електрофізіології у 1996 році опубліковала Cтандарт вимірювання, фізіологічної інтерпретації та кліничного застосування варіабельності серцевого ритм. Цей Стандарт визначає методи вимірювання, аналізу і клінічної інтерпретації показників варіабельності серцевого ритму. В цьому документі не вказаний метод автокореляційного аналізу кардіоінтервалограм. Тим часом ранні класичні роботи російських вчених показали високу діагностичну цінність показників автокореляційного аналізу при оцінці функціонального стану організму.

Упродовж останніх років дослідження варіабельності ритму серця (ВРС) стало одним з доступних неінвазивних методів стратифікації ризику у пацієнтів із серцево-судинною патологією. Широке впровадження методу холтерівського моніторування ЕКГ у клінічну практику дозволило оцінювати показники ВРС упродовж доби та за певні проміжки часу, використовувати цей метод для вивчення стану вегетативної регуляції серцевого ритму, перспектив виживання пацієнтів з кардіологічними захворюваннями та оцінки ефективності терапії. Зміни ВРС були виявлені при ряді несерцевих захворювань, зокрема, цукровому діабеті, неврологічній та легеневій патології. Водночас, основні стандарти інтерпретації та клінічного використання показників ВРС, підготовлені американськими та європейськими експертами у 1996 р., до цього часу не переглядалися.

Існує очевидна потреба у визначенні реального місця оцінки ВРС серед інших відомих неінвазивних методів оцінки кардіального ризику, а також оптимального обсягу дослідження ВРС.

Аналіз практики визначення характеристик ВСР, наприклад, за допомогою

біомедичних систем КАРДІОСЕНС (НТЦ „ХАІ-МЕДИКА”, м. Харків), DiaCard

(АОЗТ „Сольвейг”, м. Київ), CARDIO-10DX (Pallar Ltd. Co, м. Вінниця), KARDi

(УльтраМед, Росія), КАД-03 «КИГ» (ДНК и К, Росія), Medilog-Ex.(Oxford, Англія), Micro AM (Kontron, Франція) показує, що для оцінювання ВСР застосовують різноманітні методи, які відрізняються способом параметризації стаціонарної моделі. У працях Драгана Я.П., Яворської Є.Б. використано стохастичний підхід до побудови математичної моделі ритмокардіосигналу у вигляді періодично корельованого випадкового процесу, яка на відміну від відомих враховує у своїй структурі поєднання властивостей періодичності із випадковістю, що дає змогу проаналізувати фазово-часову структуру сигналу для задач виявлення ранніх змін у функціонуванні серцево-судинної системи.

Отже, розроблення методу опрацювання ритмокардіосигналу (РКС) на базі математичної моделі у вигляді періодично корельованої випадкової послідовності для комп’ютерних систем діагностики стану серцево-судинної системи, який дасть можливість отримати оперативні відомості про зміну стану роботи серця людини на ранніх стадіях, необхідних лікареві для установлення діагнозу, є актуальною науковою задачею.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є компонентний метод опрацювання ритмокардіосигналу на базі моделі у вигляді періодично корельовано випадкової послідовності для розширення можливостей комп’ютерних систем діагностики стану серцево-судинної системи.

Досягнення цієї мети вимагає розв’язання таких задач:

1. Провести аналіз відомих математичних моделей ритмокардіосигналів та методів опрацювання їх для обґрунтування напрямку наукового дослідження.

2. Побудувати математичну модель риттмокардіосигналу, яка враховує у своїй структурі механізм поєднання властивостей періодичності із випадковістю, для розв’язання задач оперативного виявлення змін стану серцево-судиннгої системи людини.

3. Обґрунтувати метод статистичного опрацювання ритмокардіосигналу на основі його математичної моделі з метою виявлення нових інформативних ознак.

4. Провести експериментальні дослідження ритмокардіосигналів над групою пацієнтів з метою перевірки обґрунтованої математичної моделі та методів її опрацювання.

5. Удосконалити програмне забезпечення комп’ютерних систем діагностики стану серцево-судинної системи.

Об'єкт дослідження: процес компонентного опрацювання ритмокардіосигналу для розширення можливостей комп’ютерних систем діагностики стану серцево-судинної системи.

Предмет дослідження: математична модель ритмокардіосигналу у вигляді періодично корельованого випадкового процесу.

Методи дослідження побудовано на базі енергетичної теорії стохастичних сигналів (ЕТСС), зокрема подання періодично корельованого випадкового процесу для обґрунтування математичної моделі ритмокардіосигналу і методів оцінювання його параметрів. Для програмної реалізації алгоритмів опрацювання використано пакет прикладних програм MATLAB.

Н а у к о в а н о в и з н а о т р и м а н и х р е з у л ь т а т і в . Вперше на базі

математичної моделі ритмокардіосигналу у вигляді періодично корельованого

випадкового процесу опрацьовано його компонентним методом, що дало змогу розширити можливості оперативної діагностики стану серцево-судинної системи людини із використанням комп’ютерних систем діагностики стану серцево-судинної системи шляхом впровадження в область електрокардіографії нового класу інформативних характеристик – спектральних компонент.

А п р о б а ц і я р е з у л ь т а т і в д о с л і д ж е н н я . Виклaденi в дипломнiй роботi результaти доповiдaлися i обговорювaлися нa X Всеукрaїнськiй студентськiй нaуково-технiчнiй конференцiї „Природничi тa гумaнiтaрнi нaуки. Aктуaльнi питaння“ (м. Тернопiль, 2017 р.).

Структурa тa обсяг. Дипломнa роботa склaдaється iз вступу, семи роздiлiв, висновку, виклaдених нa 112 сторiнкaх, списку використaних джерел з 24 нaзв нa 3 сторiнкaх, додaткiв нa 19 сторiнкaх. Зaгaльний обсяг роботи стaновить 135 сторiнок.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступi шляхом aнaлiзу тa порiвняння діагностичних методів оцінювання функціонального стану організму за даними варіабельності серцевого ритму та практики визначення характеристик ВСР обґрунтовaно aктуaльнiсть теми роботи, сформульовaно мету i зaдaчi дослiдження, визнaчено об’єкт, предмет i методи дослiдження, покaзaно нaукову новизну тa прaктичне знaчення отримaних результaтiв, розкрито питaння aпробaцiї результaтiв роботи нa конференцiях i семiнaрaх.

У першому роздiлi «Варіабельність серцевого ритму: стандарти і методи вимірювання, показники» встановлено, що всі поширені методи аналізу ВСР такі як визначення статистичних та спектральних характеристик ВСР, кореляційний аналіз розглядають кардіоритмограму як ергодичний, стаціонарний в широкому сенсі випадковий процес.

У другому роздiлi «Математична модель варіабельного ритмокардіосигналу»

описано фактори, які спричиняють ВСР та її нестаціонарність, розглянуто механізми іннервації серця, внутрішні та зовнішні впливи на ВСР. Описано ПКВП як випадковий процес, що є моделлю природного ритмічного процесу. Зроблено логічний висновок про використання ПКВП як математичної моделі ВСР, а отже і застосування до аналізу ВСР методів аналізу ПКВП — фільтрового, когерентного та компонентного.

У третьому роздiлi «Опис методів аналізу ВСР як ПКВП» показано, що біофізіологічна варіабельність послідовності RR-інтервалів адекватно та коректно моделюється у вигляді часової періодично-корельованої випадкової послідовності.

Для отримання інформативних характеристик РКГ на підставі застосування синфазного та компонентного методів аналіз використано спектрально- кореляційний метод. Встановлено, що синфазний метод аналізу РКГ є ефективним при тривалішій однорідності статистики РКГ, а компонентний — при короткочасовій стабільності, тобто він чутливіший до швидких змін.

У четвертому роздiлi «Результати експериментальних досліджень

характеристик ритмокардіосигналу» у результаті проведено порівняльного аналізу

відомих математичних моделей ритмокардіосигналу сформульовано основні вимоги

до математичної моделі: врахування випадковості та повторності характеру сигналу, можливість застосування для задач оперативного виявлення змін у функціонуванні серцево-судинної системи.

Розроблено метод дослідження ритмокардіосигналу на базі моделі у вигляді періодично корельованого випадкового процесу, який дає змогу оцінити стан серцево-судинної системи на ранній стадії її захворювання

Отримано нові в області кардіології інформативно-інваріантні ознаки, а саме – спектральні компоненти.

Створено програмне забезпечення із графічним інтерфейсом, яке реалізує статистичний метод аналізу, і є придатним для використання як складової частини спеціалізованого програмного забезпечення автоматизованих комп’ютерних електрокардіографічних систем

У п’ятому роздiлi «Спецiaльнa чaстинa» описано метрологічне забезпечення медико-біологічних досліджень кардіографічного сигналу та проведено обґрунтування вибору Matlab як програмного забезпечення для розв’язання наукової задачі, а саме є компонентного методу визначення характеристик кардіографічного сигналу на базі моделі у вигляді періодично корельовано випадкової послідовності для підвищення можливостей комп’ютерних кардіографічних систем.

У шостому роздiлi «Обґрунтувaння економiчної ефективностi» на підставі виконаних розрахунків та нормативних даних встановлено, що планова калькуляція вартості проведення досліджень по темі становить 75067,53 грн., а кількісна оцінка науково-технічна ефективність науково-дослідної роботи, яка здійснюються експертним шляхом за десятибальною шкалою і визначається як середньоарифметичне, що складає 0,685 від максимального числа 1, а рекомендації по результатам виконання НДР можуть бути сформульовані після ретельного аналізу отриманих результатів.

У сьомому роздiлi «Охоронa прaцi тa безпекa в нaдзвичaйних ситуaцiях»

розглянуто питання організації наукових досліджень та ергономічних вимог інженера дослідника.

У восьмому роздiлi «Екологiя» проаналізовано механізм дії електромагнітного випромінювання на біологічні об’єкти і організм людини та принципи захисту для зменшення негативного впливу електромагнітного випромінювання на організм людини. Також у розділі описано статистику екологічних показників.

У додaткaх нaведено тексти прогрaм, розробленi для ПК (ОС Windows XP).

ВИСНОВКИ

У дипломній роботі магістра узагальнено і вирішено наукову задачу, яка полягає в розробленні структурної концепції комбінованої інформаційно- аналітичної системи модульного типу.

При цьому отримані такі наукові та практичні результати:

1. Аналіз відомих інформаційно-аналітичних систем показав, що розробка електронної інформаційно-аналітичної системи тривалого контролю фізіологічних параметрів організму людини є важливим у медичній галузі.

2. На основі проведеного аналітичного огляду сучасних інформаційних медичних систем було обрано інтерактивну медичну систему комбінованого типу, що поєднує в собі переваги індивідуальних і професійних систем.

3. Розроблена система має модульну структуру. Основні модулі: модуль аутентифікації, модуль навігації, аналітично-розрахункові модулі та модуль пам’яті для збереження результатів. Передбачено можливість розширення функціональних можливостей системи за рахунок підключення інших модулів.

4. Практично розроблено програмне забезпечення для модулів з використанням мов програмування: HTML - для розмітки сторінки, GWT - для створення захисту і розрахунків, а також забезпечення зв’язку із сервером через систему віддалених викликів процедур , CSS - для дизайну та СКБД MySQL для збереження результатів.

5. Створене програмне забезпечення передбачає розмежування доступу до ресурсів системи для користувача-пацієнта та користувача-лікаря. Це дозволило в межах однієї системи розподілити інтерфейс тестування в залежності від рівня користувачів.

6. Розроблено методичне забезпечення системи у вигляді інструкцій для користувача та адміністратора. Проведено тестування та експериментальне дослідження працездатності системи.

7. За допомогою розробленої системи ІНАНС проведено експериментальне дослідження антропологічних показників людини. Було встановлено що у 79%

досліджуваних антропометричні параметри (індекс маси тіла) відповідали нормі 8. Практично реалізовано дві модифікації системи (ІНАНС-1 та ІНАНС-2).

Перевагами системи ІНАНС-1 є дуже низький поріг входження для майбутніх

програмістів, що хотіли б вести її подальше вдосконалення, простий, зручний

інтерфейс, відкритий і прозорий, розширюваний програмний код. Недоліками

системи ІНАНС-1 є вузькі можливості щодо ведення обліку користувачів, відносна

примітивність і немасштабованість програмного коду. У ІНАНС-2 введено широкі

можливості ведення спостереження за фізіологічними параметрами користувачів,

також існує розширена служба облікових записів. Серверна частина системи

написана таким чином, що нові модулі до неї можна під’єднувати без внесення

модифікацій у код ядра. Це сприяє масштабованості системи, і дозволить

програмістам створювати нові модулі, оперуючи відносно невеликим набором

знань. У системі застосована низка патернів проектування, зокрема фабричний

метод, сінглтон, та MVP. Недоліками системи є порівняно високий поріг входження

програмістів, для розробки додаткових модулів Можливі напрямки розвитку та вдосконалення системи ІНАНС-2 такі:

Система ІНАНС-2 має можливості до подальшої функціональної декомпозиції на рівні клієнта. Професійний дизайн допоміг би підвищити ефективність використання системи.

Захист від збоїв у роботі встановлений лише у важливих місцях. Цей захист слід встановити всюди.

Перспективним напрямком удосконалення інформаційно-аналітичних систем для тривалого контролю стану здоров’я людини є також інтеграція таких систем з мікроелектронними засобами реєстрації фізіологічних показників організму людини на основі біомедичних сенсорів, які монтуються в одяг людини і дозволяють контролювати її фізичний стан та місцезнаходження.

ПЕРЕЛIК ПРAЦЬ

1. Судовий Н.Ю. Стан та тенденції розвитку засобів відбору та зберігання

медичної інформації / Н.Ю. Судовий // Мaтерiaли X Всеукрaїнської студентської

нaуково-технiчної конференцiї „Природничi тa гумaнiтaрнi нaуки. Aктуaльнi

питaння“, 25-26 квiтня 2017 року — Тернопіль : ТНТУ, 2017 — Том 1. — С. 264. —

(Секцiя: Рaдiоелектроннi бiотехнiчнi системи).

АНОТАЦІЯ

Суський Андрій Васильович. Математична модель та метод аналізу ритміки серця в експертних системах. – Рукопис.

Дипломна робота магістра за спеціальністю 163 – біомедична інженерія, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2018.

Дипломну роботу магістра присвячено розробленню методу аналізу варіабельності ритму серця для виявлення патології серця. У роботі обґрунтовано математичну модель ритмокардіосигналу у вигляді періодично корельованого випадкового процесу, яка враховує у своїй структурі поєднання стохастичної природи та повторності сигналу, що є властивим для сигналів біологічного походження. На базі обґрунтованої математичної моделі у вигляді періодично корельованого випадкового процесу застосовано компонентний метод для аналізу ритмокардіосигналу, який дає змогу оперативно виявити зміни у функціонуванні серцево-судинної системи. Розроблено програмне забезпечення в середовищі Matlab для автоматичних систем діагностики функціонального стану серцево-судинної системи на основі статистичного методу опрацювання ритмокардіосигналуяк періодично корельованої випадкової послідовності.

Ключові слова: електрокардіосигнал, ритмокардіосигнал, математична

модель, серцева ритміка, періодично корельований випадковий процес, стаціоналні

компоненти.

ANNOTATION

Suskyi A. Mathematical model and method of analysis of heart rhythm in expert systems. – Manuscript.

Master's thesis work on specialty 163 – biomedical engineering, Ternopil National Technical University named after Ivan Pul'uj, Тернопіль, 2018.

Master's thesis work is dedicated to the developing methods the analysis of heart rate variability to detect of heart disease. In the work the mathematical model of the rhythmic cardio signal in a periodically correlated random process, which takes into account the structure of the combination of stochastic origin and repeat the signal, which is characteristic for signals of biological origin. On the basis of a reasonable mathematical model in the form of periodically correlated random process applies component method for analyzing rhythm cardio signal that allows quickly detect changes to in functioning of the cardiovascular system. The software is developed in Matlab environment for automated diagnosis of the functional state of the cardiovascular system based on statistical method of processing a signal as cardio rhythm periodically correlated random sequence.

Keywords: electrocardiosignal, rhythmocardiosignal, mathematical model, heart

rate rhythmic, periodically-correlated stochastic sequence, stationary components.