Разработка радиотехнических методов оценки состояния сердца по интракардиальным сигналам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Разработка радиотехнических методов оценки состояния сердца по интракардиальным сигналам

Специальность 05.12.04 - Радиотехника

Аносов Олег Львович

Владимир - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Сердце, являясь одной из основных систем жизнеобеспечения человека, на протяжении долгого времени привлекает внимание специалистов из различных областей знаний: биологии, медицины, биофизики и радиотехники. Это вызвано безусловной важностью решения общечеловеческих и социальных проблем, связанных с заболеванием сердца. Несмотря на огромные достижения кардиологии, сердечные заболевания остаются ведущей причиной смертности в мире. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) на долю сердечнососудистых заболеваний приходится 30 процентов смертей в мире. Около 2000 человек ежечасно в мире погибают от жизнеугрожающих сердечных аритмий, применительно к России - это 200 тысяч случаев внезапной смерти каждый год.

С начала 2000-х годов активно развивается и приобретает все большее значение новое направление в кардиологии - «интракардиальная телекардиология» - раздел телекардиологии, базирующийся на передаче внутрисердечных сигналов радиоэлектронным устройством, имплантированным кардиопациенту. Радиотехнические системы интракардиальной телекардиологии реализуют измерение параметров и сигналов у кардиологических больных непосредственно в сердце в повседневной жизни (in vivo) и их передачу через глобальные системы мобильной связи лечащим врачам.

Такие системы предоставляют врачам уникальные возможности дистанционного мониторинга состояния пациентов в режиме on-line на всей территории земного шара, охваченной сетями мобильной связи. Широкое внедрение в практику радиотехнических систем интракардиальной телекардиологии существенно повышает качество лечения кардиологических больных, одновременно снижая до 60% расходы на лечение (данные Канадского агентства по лекарствам и медицинским технологиям на декабрь 2008). Поэтому создание радиотехнических методов оценки состояния сердца по интракардиальным сигналам является одной из актуальнейших задач для производителей систем телекардиологии.

Большое значение в становлении направления и решении возникающих задач имели работы российских ученых Григорьева А.И., Миронова С.П., Бокерия Л.А., Гуляева Ю.В., Никитова С.А., Анциперова В.Е., Ревишвилли А.Ш., Сыркина А.Л., Гапонова-Грехова A.В., Иваницкого Г.Р., Кринского В.И., Романовского Ю.М., Кравцова Ю.А., Анищенко В.С., Титомира Л.И., Баевского Р.М., Панфилова А., Бикташева В. и др. и зарубежных ученых Schaldach M., Sack S., Bauer W., Nerlich M., Sanders J., Wootton R., Pedersen S., Bashshur R., Glass L, Mackey M, Kaplan D, Rudy Y, Jalife J., Guevara M., Malik M., Goldberger A., Kurths Yu. и др.

В настоящее время на мировом рынке представлены радиотехнические системы интракардиальной телекардиологии CareLink® компании Medtronic, Merlin™.net компании St. Jude Medical, Latitude® компании Guidant и Home Monitoring® компании Biotronik GmbH & Co. KG. Наиболее развитой в настоящее время является система Home Monitoring® компании Biotronik GmbH & Co. KG, которая на июнь 2007 года охватывала более 50000 пациентов в 35 странах мира и активными пользователями которой к этому времени являлись более 1500 клиник.

До последнего времени такие системы реализовывали функции мониторинга состояния пациентов на основе только отдельных интегральных параметров и контроля над некоторыми техническими параметрами имплантированных устройств. В 2006 году компанией Biotronik GmbH & Co. KG была реализована технология IEGM Online®, которая позволила передавать целые эпизоды исходных интракардиальных сигналов, измеренных непосредственно в сердечных камерах пациентов, предоставив тем самым уникальную возможность оперативного анализа формы интракардиальных сигналов от пациентов в повседневной жизни (in vivo). Однако до сих пор предназначение радиотехнических систем телекардиологии на практике ограничивается контрольными функциями за работой радиоэлектронных имплантатов и предоставлением исходной необработанной медицинской информации лечащему врачу.

Круг задач, связанных с сердцем, которые охватывала радиотехника, традиционно ограничивался разработкой электронных устройств для нужд кардиологии. Внедрение в практику и развитие систем интракардиальной телекардиологии позволяет существенно расширить применение радиотехнических методов и устройств в этой области, не ограничиваясь частными техническими решениями, а подойдя к общей проблеме мониторинга и оценки состояния сердца как к радиотехнической задаче наблюдения за волновой средой.

Цель диссертационной работы - разработка радиотехнических методов оценки и мониторинга состояния сердца по интракардиальным сигналам на основе подхода к проблеме как к радиотехнической проблеме наблюдения за волновой средой. Методы могут дополнить современные системы телекардиологии новыми возможностями и тем самым улучшить качество контроля состояния кардиологических больных.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Анализ и интерпретация с позиции радиотехники процесса распространения в сердечной ткани волны электрического возбуждения и волновых явлений, проявляющихся на неоднородностях сердечной ткани.

2. Анализ процесса наведения интракардиальных сигналов на измерительных электродах имплантируемых устройств.

3. Разработка радиотехнических методов оценки состояния сердца на основе обработки формы интракардиальных сигналов.

4. Анализ и радиотехническая интерпретация реакции сердечной клетки на воздействие электрическими импульсами с постоянным и флуктуирующим периодом следования с целью создания основ для новых методов, позволяющих дополнить системы телекардиологии возможностью мониторинга устойчивости возбуждения в сердце.

5. Анализ и интерпретация с позиции радиотехники процессов подстройки длительности сердечных циклов и частоты дыхания к стационарной и возрастающей нагрузке с целью создания основ для новых методов мониторинга адаптационных свойств сердца.

6. Исследование проблемы реконструкции по наблюдаемым данным нелинейных динамических систем с изменяющимися управляющими параметрами с целью создания теоретических основ для новых методов оценки состояния сердца, базирующихся на динамике сердечного ритма.

Методы исследования

Для решения вышеперечисленных задач использовались методы численного моделирования волновых процессов в активных средах. Для анализа экспериментальных данных использовались методы теории обработки сигналов, статистической теории принятия решений, теории обнаружения и выделения сигналов и методы решения обратных задач нелинейной динамики.

Научная новизна

1. Предложен подход к задаче телекардиологического мониторинга как к задаче наблюдения за волновой средой с помощью радиотехнических средств, что делает возможным по-новому подойти к обработке интракардиальных сигналов и дополнить системы телекардиологии возможностью мониторинга неоднородности сердечной ткани.

2. Разработан метод асимметрии интракардиальных сигналов, чувствительный к изменению направления распространения волн возбуждения в сердце; обнаружены дрейфы и вариации направления распространения волны электрического возбуждения.

3. Предложен новый подход к процессу распространения в сердце волны электрического возбуждения как к процессу распространения волны в эквивалентной среде с дисперсией; разработан метод эквивалентной дисперсии, чувствительный к изменению свойств сердечной ткани; обнаружены резонансное и нерезонансное распространение волн возбуждения и выявлены случаи изменения свойств сердечной ткани перед развитием в сердце некоторых аритмий.

4. Предложено использовать для радиомониторинга устойчивости волн электрического возбуждения в сердце малые шумовые вариации интервалов следования импульсов воздействия; исследованы особенности мультистабильности сердечной клетки при воздействии импульсными последовательностями с постоянным и флуктуирующим периодом следования.

5. Обнаружено качественное изменение подстройки мгновенных частот дыхания и высокочастотной компоненты сердечных циклов при смене механизмов адаптации сердца; установлены возможные сценарии подстройки мгновенных частот дыхания и высокочастотной компоненты сердечных циклов к линейно нарастающей нагрузке и выдвинута объясняющая их гипотеза; разработан новый метод детектирования смены механизмов адаптации сердца к нагрузке.

6. Разработаны теоретические основы для создания радиотехнических методов оценки состояния сердца на основе обработки сердечного ритма с позиции реконструкции нелинейных динамических моделей с изменяющимися управляющими параметрами; показано, что метод реконструкции позволяет свести задачу обнаружения малой модуляции управляющих параметров нелинейных динамических систем в условиях малых внутренних и внешних шумов к классической задаче обнаружения сигналов в аддитивном шуме; показано, что основная причина ухудшения предсказуемости динамики нелинейных систем по неполному набору данных связана с дополнительным шумом дифференцирования, возникающим в рамках процедуры реконструкции.

Достоверность результатов

Достоверность научных выводов подтверждается согласованностью теоретических результатов с результатами численных и натурных экспериментов.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на 2^nd Experimental Chaos Conference (Arlington, VA, USA, 1993); International Conference on Dynamical System and Chaos (Tokyo, Japan, 1994); International Conference “Chaotic, Fractal and Nonlinear Signal Processing” (Mystic, Connecticut, USA, 1995); International Conference on Applied Nonlinear Dynamics near the Millenium “ANDM97” (San Diego, USA, 1997); Международной конференции "Аппроксимация функций и операторов", посвященной 80-летнему юбилею С.Б.Стечкина (Екатеринбург, Россия, 2000); 39^th Annual Congress of the German Society for Biomedical Engineering within VDE (Nuremberg, Germany, 2005); 41 Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fьr Biomedizinische Technik im VDE (Aachen, Germany, 2007); IX Polish School "Selected problems of the mechanical constructions' modal analysis" (Krakуw, Poland, 2004); Joint Congress of the German and Scandinavian Physiological Societies (Hamburg, Germany, 1998); The 78^th Congress of the German Physiological Society (Bonn, Germany, 1999); Конференции "Кардиостим - 2002" (Санкт-Петербург, Россия, 2002); II Всероссийском Съезде Аритмологов (Москва, Россия, 2007).

Практическая значимость работы

1. Разработанные методы асимметрии интракардиальных сигналов и эквивалентной дисперсии могут быть использованы для создания радиотехнических методов и устройств оценки состояния неоднородности сердечной ткани, дополняющих системы телекардиологии новыми возможностями.

2. Обнаруженные дрейфы и вариабельность направления распространения волн возбуждения, а также явления резонансного и нерезонансного взаимодействия волн возбуждения с сердечной тканью могут быть использованы для повышения информативности радиомониторинга сердца.

3. Результаты исследования отклика сердечной клетки на воздействие импульсами с малыми шумовыми вариациями в интервалах следования и результаты исследования мультистабильности сердечной клетки могут быть использованы для разработки новых методов радиомониторинга и прогнозирования устойчивости волн возбуждения в сердце, а также служить базой для создания радиотехнических методов и приборов коррекции сердечных аритмий.

4. Результаты исследования подстройки мгновенных частоты и фазы сердечного ритма к нагрузке могут быть использованы для создания новых методов радиомониторинга адаптационных свойств сердца, а также при разработке имплантатов с физиологически обусловленной регуляцией сердечного ритма, радиоэлектронных систем операционного и послеоперационного контроля и приборов для спортивной медицины.

5. Выявленные возможные сценарии подстройки сердечного ритма и частоты дыхания к нагрузке и обнаруженный факт их ограниченного количества (4 - 5) могут быть использованы для разработки радиотехнических методов и устройств физиологически обусловленного подбора и мониторинга кадров для деятельности, связанной с большими и длительными нагрузками.

6. Результаты исследования проблемы реконструкции нелинейных динамических систем с переменными управляющими параметрами, проблемы реконструкции систем с хаосом по неполному набору данных и результаты исследования задачи обнаружения модуляции управляющих параметров в условиях шумов могут быть использованы для разработки алгоритмов обработки сердечного ритма, а также имеют значение для других практических задач радиотехники, в частности для задач сверхширокополосной связи и радиолокации.

Патенты и публикации

Результаты работы защищены 2 патентами ФРГ, 2 патентами Европейского Союза, 1 патентом США. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 2 главы в книге, 37 научных статей, докладов и тезисов докладов. Из них 12 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук.

Внедрение результатов работы

Владельцем патентов на представленные в диссертации методы обработки интракардиальных сигналов является компания Biotronik GmbH & Co. KG. Кроме того, полученные результаты внедрены в учебный процесс кафедры Радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета.

Положения, выносимые на защиту

1. Подход к задаче мониторинга состояния сердца как к радиотехнической задаче наблюдения за волновой средой.

2. Метод асимметрии интракардиальных сигналов как метод обработки сигналов для радиомониторинга преломления волн электрического возбуждения в сердечной ткани.

3. Метод эквивалентной дисперсии как радиотехнический метод оценки неоднородности сердечной ткани.

4. Результаты исследования воздействия на сердечную клетку последовательностей импульсов с постоянным и флуктуирующим периодом следования.

5. Подход к проблеме прогнозирования потери в сердце устойчивости электрического возбуждения на основе стимуляции импульсами с малыми шумовыми вариациями периода следования.

6. Результаты исследования подстройки сердечного ритма к нагрузке и метод обнаружения смены механизмов адаптации сердца по мгновенной фазе (мгновенной частоте) высокочастотной составляющей вариабельности сердечных циклов.

7. Результаты исследования проблемы обнаружения в условиях малых шумов модуляции управляющих параметров нелинейных динамических систем, проблемы реконструкции в условиях шумов нелинейных динамических систем по неполному набору наблюдаемых данных и процедура реконструкции нелинейных динамических систем с изменяющимися управляющими параметрами.

Эти положения могут быть использованы при разработке новых радиотехнических методов и устройств для систем мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния сердца. В своей совокупности результаты могут быть положены в основу нового направления радиотехники - разработка для систем удаленного кардиомониторинга методов и устройств on-line оценки состояния сердца на основе обработки интракардиальных сигналов.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложено общее состояние проблемы, сформулирована цель и основные решаемые задачи, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, и приведен краткий обзор содержания работы.

Первая глава диссертации посвящена подходу к задаче разработки методов оценки и мониторинга состояния сердца как к задаче разработки радиотехнических методов наблюдения за волновой средой.

В главе определяются основные особенности сердца как объекта мониторинга, которые определяют основополагающие принципы разработки радиотехнических методов и устройств для оценки состояния сердца. Анализ показал, что информация о состоянии объекта мониторинга, сердца, содержится в сигналах, которые наводятся на измерительных электродах волной электрического возбуждения, распространяющейся в активной волновой среде.

Среда распространения волны, сердечная ткань, неоднородна, нестационарна и неавтономна, а процесс распространения волны - циклический. Возможности изменения условий измерения и методов, в том числе использование активных методов, сильно ограничены медицинской целесообразностью. Общая схема систем радиомониторинга для интракардиальной телекардиологии представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема систем радиомониторинга для интракардиальной телекардиологии.

В главе описываются основополагающие электрические процессы, происходящие в сердце в норме и патологии, и предлагается их интерпретация с позиции радиотехники. Проводится обоснование задачи разработки методов радиомониторинга сердца и обработки интракардиальных сигналов как задачи выделения информации о текущем состоянии волновой среды, сердечной ткани, на основе анализа наблюдаемой волновой картины. Рассматриваются особенности наведения на введенных в сердце измерительных электродах интракардиальных сигналов, обработка которых является основной реальной возможностью радиомониторинга волновой картины в сердце системами телекардиологии.

В главе определяются три базовых направления создания радиотехнических методов и устройств обработки интракардиальных сигналов: (1) выделение информации о текущем состоянии волновой среды посредством обработки формы интракардиальных сигналов, (2) контроль стабильности электрического возбуждения в сердце, (3) анализ динамики длительности сердечных интервалов с целью получения информации о текущем состоянии сердца через реакцию системы сердечной регуляции на нагрузку. Эти направления подробно рассматриваются в главах 2 - 5 диссертации. В заключении главы проводится обзор современного состояния и тенденций развития радиотехнических систем телекардиологии.

На основе анализа, проведенного в главе 1, предлагается общий подход к задаче мониторинга состояния сердца как к задаче наблюдения с помощью радиотехнических средств за волновой средой. Удаленное наблюдение за состоянием сердца может быть определено как раздел радиотехники, который охватывает задачи исследования процессов генерации и распространения волн электрического возбуждения в сердце, разработки методов и устройств измерения сигналов от этих волн, создания систем передачи сигналов, разработки методов и устройств обработки сигналов.

Вторая глава посвящена разработке для систем радиомониторинга сердца методов обработки формы интракардиальных сигналов, базирующихся на радиотехнической интерпретации волновых процессов в сердце и обнаруженных автором новых явлениях, происходящих при распространении в сердечной ткани волн электрического возбуждения [3-7, 14, 15, 24, 25, 27-29, 34, 35, 38-42].

Сердечная ткань, в которой распространяется волна электрического возбуждения, является неоднородной средой. Изменение состояния сердца часто происходит вследствие изменения структуры неоднородности сердечной ткани. На этой основе разработаны два новых метода обработки интракардиальных сигналов - метод асимметрии интракардиальных сигналов и метод эквивалентной дисперсии.

В основу метода асимметрии интракардиальных сигналов положена радиотехническая интерпретация изменения в сердце направления распространения волн электрического возбуждения как преломление волн на границах неоднородностей среды распространения. Компьютерное моделирование показало, что степень асимметричности формы интракардиального сигнала зависит от направления распространения в сердечной ткани волны возбуждения. В качестве численной меры асимметричности сигнала введен фактор асимметрии :

,

где и - положительное и отрицательное пиковые значения интракардиального сигнала соответственно.

В главе описываются обнаруженные с помощью метода асимметрии интракардиальных сигналов новые явления, происходящие in vivo в сердце человека - дрейфы и вариации направления распространения волны электрического возбуждения. Предложена интерпретация причин обнаруженных явлений - в сердечной ткани in vivo постоянно происходят медленные и быстрые изменения структуры неоднородности сердечной ткани, что и приводит к изменению направления распространения волны электрического возбуждения.

Обнаруженные новые явления и предложенная радиотехническая интерпретация этих явлений закладывают основы нового направления радиомониторинга состояния сердца - мониторинг структуры неоднородности сердечной ткани. Направление может быть реализовано путем внедрения в современные системы телекардиологии радиотехнических устройств и алгоритмов, базирующихся на разработанном методе асимметрии интракардиальных сигналов. На рис. 2 представлена возможная структурная схема подсистемы радиомониторинга структуры неоднородности сердечной ткани на основе метода асимметрии интракардиальных сигналов.



Рис. 2. Возможная структурная схема подсистемы радиомониторинга структуры неоднородности сердечной ткани на основе метода асимметрии интракардиальных сигналов.

Сердечная ткань является средой активной, однако волна электрического возбуждения в ней распространяется за счет дисперсии, что позволяет рассмотреть процесс как процесс распространения волны в эквивалентной дисперсионной среде. Применяя вейвлет - преобразование к интракардиальным сигналам и , измеренным в двух точках сердечной ткани в ходе одного, k - ого, сердечного цикла, каждый исходный сигнал может быть представлен в виде суммы сигналов - суммы вейвлет - компонент и соответственно:

.

Вейвлет - коэффициенты и вычисляются по формулам

,

где параметр определяет сдвиг базового вейвлета по оси аргумента t, а параметр a - ширину вейвлета (“уровень вейвлета”), которая для вейвлета определяет характерную частоту . Сравнивая амплитуды и скорости распространения огибающей и нулевой фазы вейвлет - компонент и , для каждого уровня можно оценить комплексные коэффициенты рефракции, , где - коэффициент передачи, а - коэффициент преломления вейвлет - компоненты i-ого уровня. Такой подход позволяет после замены уровней на соответствующие характерные частоты вейвлетов построить на каждом сердечном цикле эквивалентную дисперсионную зависимость сердечной ткани .

На этой основе разработан метод, позволяющий проводить радиомониторинг in vivo дисперсионных свойств сердечной ткани - метод эквивалентной дисперсии. В главе описываются обнаруженные при обработке данных лабораторных и натурных экспериментов с помощью метода эквивалентной дисперсии явления резонансного и нерезонансного распространения волн электрического возбуждения в сердечной ткани. На рис. 3 приведены примеры двух эквивалентных дисперсионных зависимостей, рассчитанных по интракардиальным сигналам: у пациента A (рис. 3a) зависимость носит явно резонансный характер, в то время как у пациента B характерная для резонанса область аномальной дисперсии практически отсутствует (рис. 3b).

Рис. 3. Примеры эквивалентных дисперсионных зависимостей, рассчитанных по интракардиальным сигналам. Здесь - эквивалентный коэффициент передачи, - эквивалентный коэффициент преломления, f - частота. В полосе частот у пациента А (a), в отличие от пациента B (b), отчетливо наблюдается аномальная дисперсия ( - выбранный частотный диапазон анализа).

Было зарегистрировано, что дисперсионные свойства сердечной ткани за несколько часов до начала тяжелой формы аритмии, фибрилляции предсердий, могут изменяться. Выдвинута гипотеза, что такому нарушению сердечного ритма может предшествовать нарушение в сердце резонансного взаимодействия волны электрического возбуждения со средой распространения. Предложенный подход к волновым процессам в сердце и обнаруженные с его помощью в сердце новые явления закладывают основу нового направления оценки и мониторинга состояния сердца - радиомониторинг дисперсионных свойств сердечной ткани. Направление может быть реализовано путем внедрения в современные системы телекардиологии радиотехнических устройств и алгоритмов, базирующихся на разработанном методе эквивалентной дисперсии. Возможная структурная схема подсистемы радиомониторинга дисперсионных свойств сердечной ткани на основе метода эквивалентной дисперсии представлена на рис. 4.

Рис. 4. Возможная структурная схема подсистемы радиомониторинга дисперсионных свойств сердечной ткани на основе метода эквивалентной дисперсии.

Метод асимметрии интракардиальных сигналов, метод эквивалентной дисперсии и их приборная реализация защищены международными патентами (владелец патентов компания Biotronik GmbH & Co. KG).

Третья глава диссертации посвящена созданию основ для разработки методов радиомониторинга и прогнозирования потери в сердце устойчивости электрического возбуждения [18, 19].

Для нормальной работы сердца необходима устойчивая пространственно - временная последовательность возбуждения его участков, поэтому разработка радиотехнических методов и устройств, способных осуществлять мониторинг устойчивости волн электрического возбуждения, предсказывать потерю устойчивости и предотвращать возникновение аномальных режимов возбуждения, является одной из важнейших задач современных систем телекардиологического радиомониторинга.

Базовыми элементами формирования волны электрического возбуждения в сердечной ткани являются сердечные клетки, которые в нормальном состоянии (состояние 1:1) находятся в ждущем режиме и возбуждаются только при получении внешнего электрического импульса воздействия, откликаясь на него одиночным сигналом (потенциалом действия). Однако сердечные клетки являются сложными динамическими системами, которые при определенных условиях могут терять устойчивость нормального состояния и переходить в другие устойчивые или неустойчивые состояния. В этом случае нормальный процесс передачи возбуждения от клетки к клетке, благодаря которому в сердце и формируется волна электрического возбуждения, нарушается, волна теряет свою устойчивость, и в сердце возникают неустойчивые, вплоть до хаотических, режимы аномального возбуждения. Потеря сердечными клетками устойчивости нормального состояния и бифуркационный переход к другим состояниям часто являются первым этапом возникновения в сердце нарушений ритма, приводящих к внезапной сердечной смерти.

В главе путем численного моделирования исследуется реакция сердечной клетки на воздействие электрическими импульсами с постоянными и случайными интервалами следования. Показано, что в обоих случаях при одной и той же частоте воздействия клетка может занимать несколько разных состояний, т.е. является мультистабильной системой. Выявлено, что при периодическом воздействии причиной мультистабильности является зависимость конечного состояния клетки от ее начального состояния. Показано, что даже при малом шуме в периоде следования импульсов воздействия сердечная клетка может проявлять свои мультистабильные свойства. Тип и ширина зон мультистабильности, а также вероятности нахождения клетки в том или ином состоянии зависят от уровня шума и отличаются от мультистабильности, возникающей при периодическом воздействии.

В главе исследуются статистические свойства шума в последовательности длительностей потенциала действия („action potential duration“, APD) сердечной клетки, вызванного равномерным шумом в периоде следования импульсов воздействия („pacing cycle length”, PCL), и показывается, что они существенно различаются в области устойчивого нормального состояния и вблизи точки потери клеткой устойчивости. Показано, что при больших интервалах следования импульсов воздействия, когда клетка находится в устойчивом нормальном состоянии, она слабо реагирует на шум в периоде воздействия - уровень шума отклика мал, его распределение повторяет равномерное распределение шума воздействия, а корреляция между соседними откликами близка к нулю. Однако по мере приближения частоты воздействия к частоте, при которой клетка теряет устойчивость, уровень, эксцесс и радиус корреляции шума отклика сначала резко возрастают, а на более близких расстояниях выходят на насыщение (см. рис. 5). При этом распределение шума отклика перестает повторять форму распределения шума в периоде воздействия и переходит от равномерного распределения к куполообразному распределению, а соседние отклики клетки становятся коррелированными.

Полученные результаты могут лечь в основу новых методов радиомониторинга устойчивости волн возбуждения в сердце и, кроме того, могут быть использованы при создании устройств коррекции сердечных аритмий. По результатам исследования предложен новый подход к проблеме прогнозирования потери в сердце устойчивости электрического возбуждения, основанный на стимуляции импульсами с малыми шумовыми вариациями периода следования. На основе такой стимуляции могут быть разработаны новые радиотехнические устройства для телекардиологии, способные контролировать удаленность режима возбуждения в сердце от точки потери устойчивости. На рис. 6 представлены две возможные структурные схемы системы радиомониторинга устойчивости возбуждения в сердце на основе малых шумовых вариаций периода следования стимулирующих импульсов (рис. 6a - пассивный подход и рис. 6b - активный подход).

Рис. 5. Значения нормированного стандартного отклонения (a), эксцесса (b) и радиуса корреляции (c) шума APD в зависимости от удаленности r сердечной клетки от точки потери устойчивости.

Глава четвертая диссертации посвящена разработке основ для создания методов радиомониторинга адаптационных свойств сердца на основе анализа динамики длительности сердечных циклов [23, 26, 36, 43, 44].

Сердце не является изолированным объектом и реализует свои функции в условиях внешней и внутренней нагрузки, взаимодействуя с другими системами организма. Способность сердца адекватно подстраиваться к условиям функционирования является одним из важнейших показателей его состояния.



Рис. 6. Возможные блок-схемы подсистемы радиомониторинга устойчивости возбуждения в сердце на основе малых шумовых вариаций периода следования стимулирующих импульсов: (a) - пассивный и (b) - активный подходы.

Подстройка сердца к условиям функционирования осуществляется системой сердечной регуляции, в первую очередь путем регуляции длительности сердечных циклов. Разработка методов и устройств, способных на основе обработки последовательности длительностей сердечных циклов контролировать адекватность реакции сердца на нагрузку, является одной из важнейших задач систем кардиологического радиомониторинга.

В главе с радиотехнической позиции проводится интерпретация особенностей подстройки к нагрузке мгновенной фазы и частоты дыхания и длительности сердечных циклов, выявленных в ходе проведенных экспериментов. Показано, что базовые линии мгновенной фазы и мгновенной частоты высокочастотной компоненты последовательности длительностей сердечных циклов строго следуют мгновенной фазе и мгновенной частоте дыхания, и предложено использовать это явление для разработки новых методов радиомониторинга дыхания по динамике сердечных циклов. Описываются новые явления качественного изменения поведения базовой линии мгновенных фазы и частоты дыхания, а также мгновенных фазы и частоты высокочастотной компоненты сердечных циклов при смене механизмов адаптации.

На этой основе предлагается метод детектирования смены адаптационных механизмов (детектирование аэробно - анаэробного перехода, AT) по мгновенной фазе (мгновенной частоте) дыхания или высокочастотной составляющей последовательности длительностей сердечного цикла. Метод может быть использован в современных системах радиомониторинга сердца, так как не требует газового анализа дыхания, обычно проводимого для этой цели на практике, а базируется на анализе длительности сердечных циклов, традиционно измеряемых в системах телекардиологии. Кроме того, установлено, что при линейно нарастающей нагрузке подстройка мгновенной частоты дыхания и мгновенной частоты высокочастотной компоненты последовательности сердечных циклов может происходить по ограниченному количеству качественно различных сценариев (рис. 7).



Рис. 7. Основные сценарии подстройки мгновенной частоты высокочастотной компоненты длительности сердечных циклов к линейно нарастающей нагрузке P. AT - порог смены механизмов адаптации.

На основе полученных результатов выдвигается гипотеза, что система регуляции сердечной деятельности у человека является нелинейной системой с катастрофой типа «сборка» в области смены механизмов адаптации (анаэробного перехода). На базе этой гипотезы объясняются обнаруженные сценарии подстройки мгновенной частоты сердечных циклов и мгновенной частоты дыхания к нагрузке, а также разъясняются противоречия некоторых результатов, опубликованных в литературе.

Полученные результаты закладывают основы для разработки новых методов и устройств радиомониторинга адаптационных свойств сердца. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы при создании радиоэлектронных имплантатов с физиологически обусловленной регуляцией сердечного ритма, радиотехнических систем объективного мониторинга состояния пациентов в реанимационных отделениях клиник и при разработке радиотехнических методов и устройств для решения проблемы физиологически обусловленного отбора и мониторинга кадров для профессиональной деятельности, связанной с большими и длительными физическими нагрузками.

Глава пятая посвящена созданию теоретических основ для разработки методов радиомониторинга состояния сердца, использующих подход к обработке сердечного ритма с позиции реконструкции нелинейных динамических моделей [1, 2, 8-13, 16, 17, 20-22, 30-33, 37].

Регуляция сердечной деятельности является сложным динамическим процессом, реализуемым нелинейной системой с непостоянными управляющими параметрами. Процесс регуляции отображается в сердечном ритме, что делает естественным поиск практических алгоритмов радиомониторинга сердца, базирующихся на подходе к обработке последовательностей сердечных циклов с позиции нелинейной динамики. Последовательность сердечных циклов является дискретным динамическим процессом, который может быть приближен нелинейными динамическими моделями, в частности дискретными нелинейными отображениями с изменяющимися (модулированными) управляющими параметрами. Одной из основных сложностей на этом пути является отсутствие удовлетворительных процедур реконструкции таких моделей по реальным временным последовательностям. Другая сложность заключается в том, что система сердечной регуляции является нелинейной системой высокого порядка, однако в современных телекардиологических системах радиомониторинга имеется в основном возможность измерения лишь одной ее переменной - сердечного ритма - в то время как другие переменные остаются недоступными, т.е. задача обработки сердечного ритма в реальности есть задача анализа нелинейной динамической системы по неполному набору данных. Кроме того, эти проблемы усугубляются всегда существующими на практике внутренними шумами системы и шумами измерения.

В главе изложены результаты исследований, полученные применительно к разработке методов радиомониторинга сердца, общей проблемы теоретической радиотехники - проблемы реконструкции нелинейных динамических моделей с непостоянными (модулированными) управляющими параметрами. Рассматривается подход к проблеме с позиции дискриминантного анализа и описывается разработанная на его основе процедура, позволяющая по временным рядам реконструировать и параметризовать такие нелинейные системы. Эффективность процедуры подтверждается результатами численных экспериментов на логистическом отображении с постоянным управляющим параметром, а также с управляющими параметрами, изменяющимися плавно, периодически и скачкообразно. Исследуется проблема обнаружения малой модуляции управляющих параметров нелинейных динамических систем в условиях внутренних и внешних шумов. Подробно рассматривается задача обнаружения малой модуляции управляющих параметров нелинейных отображений вида

,

где - наблюдаемый процесс, F - нелинейная функция отображения, , - набор изменяющихся во времени управляющих параметров, а - обобщенный шум.

Показано, что метод реконструкции модели позволяет свести в этом случае задачу к классической задаче обнаружения сигналов в аддитивном шуме. Для случая малой гармонической модуляции управляющего параметра логистического отображения

, ,

,

где - амплитуда, - частота и - фазовый сдвиг сигнала модуляции, получены аналитические оценки пороговой амплитуды обнаружения для обнаружителя на основе реконструкции модели методом наименьших квадратов:

.

Здесь - эффективная полоса анализируемых частот, - дисперсия обобщенного шума, а - фактор усиления шума в нелинейном отображении, который вычисляется по формуле

,

где - наблюдаемая последовательность, N - длина анализируемой выборки, а - нелинейная функция отображения. Правильность аналитических оценок подтверждена результатами численного моделирования.

Показано, что обнаружители на основе реконструкции моделей имеют существенно лучшие рабочие характеристики по сравнению с обнаружителями на основе полосовой фильтрации наблюдаемой последовательности (рис. 8).

В главе также проводится теоретический анализ актуальной для создания методов радиомониторинга состояния сердца на основе обработки сердечного ритма проблемы реконструкции в условиях шумов нелинейных динамических систем по неполному набору наблюдаемых данных. Показано, что основная причина ухудшения предсказуемости динамики в этом случае связана с дополнительным шумом дифференцирования, возникающим в рамках процедуры реконструкции. На примере динамической системы третьего порядка с квадратичной нелинейностью показано, что допустимый уровень шума, обеспечивающий приемлемую предсказуемость, становится примерно в 30 ч 40 раз меньше для каждой отсутствующей переменной. Аналитические результаты подтверждены результатами численных экспериментов.

Рис. 8. Зависимости от стандартного отклонения шума пороговой амплитуды обнаружения , при которой достигается вероятность правильного обнаружения при обеспечении вероятности ложной тревоги . (a) - обнаружитель на основе реконструкции модели. (b) - обнаружитель на основе полосовой фильтрации наблюдаемой последовательности.

Описанные в главе результаты закладывают теоретические основы для разработки радиотехнических методов и устройств оценки состояния сердца, использующих подход к обработке сердечного ритма с позиции реконструкции нелинейных динамических моделей, которые могут быть применены в телекардиологических и других системах радиомониторинга сердца. Кроме того, полученные результаты носят общетеоретический характер и могут быть использованы для решения других практических задач радиотехники, в частности для разработки сверхширокополосных систем связи, радиолокации и др.

Приложения содержат копии титульных листов патентов автора и детальные уравнения модели Luo - Rudy (LR1) сердечной клетки, на основе которой проведены численные эксперименты главы 3 диссертации.

интракардиальный радиотехнический сердце волна

Заключение

В рамках развиваемого в диссертации радиотехнического направления - разработка для систем телекардиологии радиотехнических методов и устройств on-line оценки и мониторинга состояния сердца на основе обработки интракардиальных сигналов - получены следующие научные результаты:

1. Предложен подход к задаче мониторинга состояния сердца как к радиотехнической задаче наблюдения за волновой средой.

2. Проведено исследование процессов генерации и распространения волн электрического возбуждения в сердце, исследованы сигналы от этих волн, а также разработаны новые подходы к обработке интракардиальных сигналов с целью получения информации о состоянии среды распространения волн возбуждения.

3. Разработан новый метод (защищен патентами ФРГ, Европейского Союза и США, владелец патентов компания Biotronik GmbH & Co. KG) - метод асимметрии интракардиальных сигналов - чувствительный к изменениям направления распространения в сердце волн электрического возбуждения.

4. Обнаружены дрейфы и вариации направления распространения волны электрического возбуждения в сердце и предложена интерпретация их причин: в сердечной ткани in vivo постоянно происходят медленные и быстрые изменения неоднородности, что приводит к изменению направления распространения волны возбуждения. Эти результаты могут быть применены для разработки методов оценки состояния сердца на основе радиомониторинга преломления волн электрического возбуждения.

5. Предложен подход к процессу распространения в сердце волн электрического возбуждения как к процессу распространения волн в эквивалентной среде с дисперсией, для волн возбуждения в сердце введены понятия эквивалентной фазовой и групповой скорости, а для сердечной ткани - понятие эквивалентной дисперсионной зависимости. Разработан новый метод обработки интракардиальных сигналов (защищен патентами ФРГ и Европейского Союза, владелец патентов компания Biotronik GmbH & Co. KG) - метод эквивалентной дисперсии - чувствительный к изменению дисперсионных свойств сердечной ткани.

6. Обнаружены резонансное и нерезонансное распространение электрических волн в сердце и изменения дисперсионных свойств сердечной ткани перед развитием некоторых аритмий. Эти результаты могут быть использованы при разработке методов оценки состояния сердца на основе радиомониторинга дисперсионных свойств сердечной ткани.

7. Предложен новый подход к созданию методов и устройств радиомониторинга устойчивости возбуждения в сердце на основе стимуляции импульсами с малыми шумовыми вариациями периода следования. Показано, что статистические свойства шума в последовательности длительностей потенциала действия сердечной клетки, вызванного шумом в периоде следования импульсов воздействия, существенно различаются в области устойчивого нормального состояния и вблизи точки потери клеткой устойчивости.

8. Исследованы особенности мультистабильности сердечной клетки при воздействии последовательностями импульсов с постоянным и флуктуирующим периодом следования. Получены результаты, которые могут быть использованы при создании радиотехнических методов и устройств для коррекции сердечных аритмий.

9. Исследованы особенности подстройки мгновенных частот дыхания и сердечного ритма к нагрузке. Получены результаты, которые могут быть использованы при разработке для систем телекардиологии методов и устройств радиомониторинга адаптационных свойств сердца. Разработан метод детектирования смены механизмов адаптации сердца к нагрузке на основе обнаруженного качественного изменения подстройки мгновенной фазы (частоты) сердечных циклов.

10. Обнаружен факт ограниченного количества (4-5) сценариев подстройки сердечного ритма и частоты дыхания к нагрузке и выдвинута объясняющая их гипотеза. Получены результаты, которые могут быть использованы при разработке радиотехнических методов и устройств для физиологически обусловленного отбора и мониторинга кадров для профессиональной деятельности, связанной с большими и длительными нагрузками. Кроме того, результаты могут быть использованы при разработке радиоэлектронных имплантатов с физиологически обусловленной регуляцией сердечного ритма и радиотехнических систем операционного и послеоперационного контроля.

11. Разработана процедура реконструкции нелинейных динамических систем с непостоянными управляющими параметрами и исследована проблема обнаружения в условиях малых внешних и внутренних шумов малой модуляции параметров нелинейных систем. Показано, что при реконструкции нелинейных динамических систем по неполному набору наблюдаемых данных допустимый уровень шума, обеспечивающий приемлемую предсказуемость, становится примерно в 30 ч 40 раз меньше для каждой отсутствующей переменной. Получены результаты, которые могут быть использованы при разработке новых алгоритмов обработки сердечного ритма. Кроме того, результаты имеют значение для других практических задач радиотехники, в частности для разработки сверхширокополосных систем связи и радиолокации.

12. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки новых радиотехнических методов и устройств, повышающих качество индивидуального мониторинга кардиологических пациентов с помощью современных систем телекардиологии за счет улучшения прогнозирования состояния сердца, обнаружения патологий на ранних стадиях и т.д. Кроме того, результаты имеют существенное значение для других практических задач радиотехники.

Список основных публикаций по теме диссертации

Главы в книгах и монографии

1. Anosov O.L. A discriminant procedure for the solution of invers problems for nonstationary systems / O.L. Anosov, O.Ya. Butkovskii // In Book: Predictability of Complex Dynamical System, Yu.A. Kravtsov, J.B. Kadtke eds. - Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1996. - S. 67 - 77.

2. Anosov O.L. Strategy and algorithns for dynamical forecasting / O.L. Anosov, O.Ya. Butkovskii, Yu.A. Kravtsov // In Book: Predictability of Complex Dynamical System. Yu.A.Kravtsov, J.B.Kadtke eds. - Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1996. - S. 106 - 121.

3. Аносов О.Л. Реконструкция нелинейных динамических систем с непостоянными параметрами. Монография под. ред. проф. О.Р. Никитина / О.Л. Аносов, Т.В. Жанина, О.Р. Никитин, А.А. Селиверстов, А.В. Кирюхин // Муром, Мф. ВлГУ, 2009.

Патенты

4. Anosov O. Vorrichtung zur Charakterisierung des Myokardzustands / O. Anosov, S. Berdyshev, I. Khassanov, B. Hensel, M. Schaldach // Priority date: 21.03.01. Filing date: 21.03.01. Offenlegungs-Nr.: DE 10114724. Publication date: 26.09.02.

5. Anosov O. Vorrichtung zur Charakterisierung des Myokardzustands / O. Anosov, S. Berdyshev, I. Khassanov, B. Hensel, M. Schaldach // Priority date: 21.03.01. Priority: DE 10114724.4. Filing date: 19.03.02. Patent Application: EP 1245185, Publication date: 02/10/02.

6. Anosov O. Verfahren zur Erfassung des Myokardzustandes des Herzens sowie eine Messeinrichtung zur Durchfьhrung dieses Verfahrens / O. Anosov, I. Khassanov // Anmeldenummer: 07020555.4-2319, Anmeldetag: 20.10.2007, Prioritдt: 18.11.2006 - DE 102006054474.9, Offenlegungs-Nr.: EP 1922993, Verцffentlichungstag: 21.05.2008.

7. Anosov O. Verfahren zur Erfassung des Myokardzustandes des Herzens sowie eine Messeinrichtung zur Durchfьhrung dieses Verfahrens / O. Anosov, I. Khassanov // Anmeldenummer: 102006054474.9, Anmeldetag: 18.11.2006, Offenlegungs-Nr.: DE 102006054474, Verцffentlichungstag: 21.05.2008.

8. Anosov O. Method for detecting the myocardial state of the heart and a measuring apparatus for performing this method / O.Anosov, I.Khassanov // Priority date: 18.11.2006, Priority: DE 102006054474.9, Filing date: 01.11.2007. Filing N. 11/933, 795: Patent Application: US 2008/0119746, Publication date: 22.05.2008.

Статьи в журналах, входящих в список, рекомендованный ВАК

9. Аносов О.Л. Выявление нестационарных участков при помощи нелинейной модели процесса / Аносов О.Л., Бутковский О.Я., Грибков Д.А., Кравцов Ю.А. и др. // Радиотехника и электроника. - 1995. - N40(2). - C. 255 - 260.

10. Аносов О.Л. Пpеделы пpедсказуемости для линейных автоpегpессионных моделей / О.Л. Аносов, О.Я. Бутковский, Ю.А. Кравцов // Радиотехника и электроника. - 1995. - N40(12). - C. 1866 - 1873.

11. Аносов О.Л. Запаздывающие корреляции между шумом и ошибкой прогноза в хаотических системах / О.Л. Аносов, О.Я. Бутковский, Ю.А. Кравцов, Е.Д. Суровяткина и др. // Радиотехника и Электроника. - 1996. - N41(9). - C. 1116 - 1119.

12. Аносов О.Л. Минимаксная процедура идентификации хаотических систем по наблюдаемой временной последовательности / О.Л.Аносов, О.Я. Бутковский, Ю.А. Кравцов // Радиотехника и электроника. - 1997. - N42(3). - C. 313 - 319.

13. Аносов О.Л. Степень предсказуемости нелинейных авто-регрессионных моделей / О.Л. Аносов, О.Я. Бутковский, Ю.А. Кравцов //. Радиотехника и электроника. - 2000. - N45(6). - C. 690 - 697.

14. Anosov O.L. Nonlinear chaotic system identification from observed time series / O.L. Anosov, O.Ya. Butkovskii, Yu.A. Kravtsov // Math. Mod. and Methods in App. Sciences. - 1997. - N7(1). - S. 49 - 59.

15. Anosov, O. Wave propagation in the atrial myocardium: Dispersion properties in the normal state and before fibrillation / O. Anosov, S. Berdychev, I. Khassanov, M. Schaldach, B. Hensel // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2002. - N49(12). - S. 1642 - 1645.

16. Anosov O. Equivalent Dispersion Dependence - a concept to characterize the cardiac myocardium in the normal state and before fibrillation / O. Anosov, S. Berdychev, I. Khassanov, B. Hensel // Math. Mod. and Methods in App. Sciences. - 2003. - N9(13). - S. 1245 - 1259.

17. Anosov O. Detection threshold of the control parameters modulation in a noisy chaotic map / O. Anosov, B. Hensel, S. Berczynski, Yu. Kravtsov // Int. J of Bif. and Chaos. - 2007. - N17(5). - S. 1661 - 1672.

18. Berczynski, S. Chaotic dynamics reconstruction from noisy data: phenomenon of predictability worsening for incomplete set of observables / S. Berczynski, Yu.A. Kravtsov, O. Anosov // Chaos, Solitons & Fractals. - 2008. - doi:10.1016/j.chaos.2008.06.007.

19. Аносов О. Сердечная клетка как мультистабильная система: отклик на воздействие последовательностями импульсов с постоянным и случайным периодом / О. Аносов, О.Р. Никитин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2009. - (принято к публикации).

20. Аносов О. Прогнозирование потери устойчивости состояния сердечной клетки путем воздействия импульсами с малыми шумовыми вариациями периода следования / О. Аносов, О.Р. Никитин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2009. - N1. - С.44 - 57.

Статьи в журналах и сборниках трудов

21. Аносов, О.Л. Дискриминантные процедуры в статистических и динамических задачах радиофизики / О.Л.Аносов // Диссертация на соискание степени к.-ф. м. н. - Москва, 1996.

22. Anosov O.L. Predictability of linear and nonlinear autoregressive models / O.L. Anosov, O.Ya. Butkovskii, Yu.A. Kravtsov // Physics of Wave Phenomena (Physics of Vibrations). - 1999. - N7(2). - S. 61 - 74.

23. Аносов О.Л. Реконструкция динамических систем по хаотической временной последовательности / О.Л. Аносов, О.Я. Бутковский, Ю.А. Кравцов // Изв. ВУЗ. Прикладная нелинейная динамика. - 2000. - N8(1). - C. 29 - 48.

24. Anosov O. High frequency oscillations of the heart rate during ramp load reflect human anaerobic threshold / O. Anosov, A. Patzak, Yu. Kononovich, P.B. Persson // Eur. J. App. Physiol. - 2000. - N83(4-5). - S. 388-394.

...