Алгоритм определения показателей синхронности системных ритмов на основе Фурье-анализа поликардиосигнала

Для исследования синхронизации 0,1 Гц-ритмов в ЭКГ и микроциркуляции крови использовался метод изучения функционального состояния ССС на основе анализа синхронизованности 0,1 Гц-ритмов.

Каждый числовой ряд, характеризующийся отсчетами фотоплетизмограммы (ФПГ) или электрокардиограммы (ЭКГ) можно охарактеризовать некоторым набором спектральных составляющих. Согласно [12] интерес представляет частота 0,1 Гц. Для оценки синхронности ритмов необходимо определить разность фаз на этой частоте между выделенными гармониками 0,1 Гц ФПГ и ЭКГ в некотором скользящем окне. Ширина скользящего окна выбирается таким образом, чтобы в него вошло не менее 10 циклов гармоники, фаза которой используется для формирования предиктора. Если частота дискретизации кардиосигнала составляет 200 Гц, то 10 гармоник частоты 0,1 Гц составят 20000 отсчетов. Для анализа использовались трехминутные записи кардиоосигналов, состоящие из 48000 отсчетов. Пример таких синхронных записей кардиосигналов представлен на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Синхронные записи фотоплетизмосигнала (вверху) и электрокардиосигнала (внизу) (а); амплитудные спектры записей кардиосигналов (б); фазовые спектры записей кардиосигналов (в). Маркерами на спектрах отмечена частота 0,1 Гц

Для каждого из кардиосигналов имеем возможность сформировать числовой ряд, состоящий из 20000 элементов, каждый из которых отражает значение фазы гармоники 0,1 Гц в скользящем окне. Таким образом, для поиска системной связи между системами ЭКГ и ФПГ требуется технология обработки кардиосигналов, позволяющая исследовать причинно-следственные отношения между фазовыми компонентами в рамках механизмов регуляции и управления функциями системы сердца [61, 62, 64].

На рисунке 2.11 представлены типичные диаграммы исследуемых фазовых характеристик гармоники 0,1 Гц для ФПГ (а) и ЭКГ (б).

Наличие синхронизации между ритмами с частотой 0,1 Гц, выделенными из ЭКГ и из ФПГ, определяли, вычисляя разность фаз:

φ=φ₁-φ_s, (2.7)

где φ— обобщенная разность фаз, или относительная фаза. При этом на графике зависимости относительной фазы от времени имелся участок, на котором φ колебался около некоторого постоянного значения, т.е. очевидно, что имела место фазовая синхронизация.

Рисунок 2.11 - Графическое представление фазы гармоники 0,1 Гц ФПГ а) и ЭКГ б)

По показателю разности фаз подсчитывали общую длительность всех участков синхронизации, т.е. время, на протяжении которого 0,1 Гц-ритмы были синхронизованы во время записи ЭКГ и ФПГ, также выражали его в процентах от длительности всей записи, т. е. рассчитывали суммарный процент синхронизации 5. Участки синхронизации определяли по внешнему виду графика зависимости разности фазы от времени, выделяя участки, на которых относительная фаза колебалась около некоторого постоянного значения. С помощью такого показателя синхронизации 5характеризовали относительное время синхронизации между ритмами с частотой около 0,1 Гц в микроциркуляции крови и ЭКГ.

В качестве «порогового» значения показателя 5, выше которого можно считать качество функционального взаимодействия 0,1 Гц-механизмов регуляции сердца и микроциркуляции крови удовлетворительным, у больных ишемической болезнью сердца, перенесших острый ИМ, эмпирически было принято 20% (для первичного анализа). Данное значение выбрано на основе предположения, что для обеспечения адекватных адаптационных способностей ССС наравне с механизмами местной и гуморальной регуляции у данной категории пациентов необходимо участие центральных 0,1 Гц-механизмов вегетативной регуляции в течение не менее 20% общего времени функционирования системы кровообращения [24].

Схема алгоритма определения параметра рассинхронизации представлена на рисунках 2.12. Алгоритм использует скользящее окно, в котором определяются спектры Фурье ЭКГ и ФПГ. После этого определяется разность фаз гармоники интереса в скользящем окне ЭКГ и ФПГ. Если эта разность фаз отличается от усредненной разности фаз по всей апертуре наблюдения на некоторую пороговую величину, то интервалы сигналов, попавшие в скользящее окно, считаются рассинхронизированными.

Ри

сунок 2.12 - Схема алгоритма определения параметров синхронности системных

ритмовкардиосигналов (начало)

Рисунок 2.12 - Схема алгоритма определения параметров синхронности системных ритмов кардиосигналов (окончание)

Алгоритм работает следующим образом. В блоках 1 и 2 происходит синхронная оцифровка кардиосигналов ЭКС и ФПГ. На рисунке 2.11а представлены эпюры синхронно оцифрованных ФПГ и ЭКС.

В блоке 3 задается гармоника интереса, то есть системный ритм, показатель синхронизации которого используется в качестве суррогатного маркера сердечно­сосудистой катастрофы. В блоках 4 и 5 определяются спектры Фурье сигналов ЭКС и ФПГ на всей апертуре наблюдения. После этого определяются фазы гармоник интереса этих сигналов (блоки 6 и 7) и разность фаз этих гармоник (блок 8). Интервал считается выпавшим из синхронизации, если фазы этих гармоник отличаются, в некоторую пороговую величину. В блоке 9 вводится длина интервала, на котором определяется показатель синхронности, которая составляет десять периодов гармоники интереса. В блоке 10 определяется длина интервала, на котором определяют показатели синхронности или, другими словами, количество скользящих окон на апертуре наблюдения, в которых определяется показатель синхронности.

В цикле, организованном в блоке 10, определяются фазы гармоник интереса в соответствующих скользящих окнах. В цикле, организованном блоком 18, определяется показатель синхронности гармоники интереса в исследуемых сигналах.

Алгоритм построен таким образом, что пороговое значение рассинхронизации можно менять (блок 16), изменяя тем самым число рассинхронизированных интервалов, следовательно, и показатель синхронности гармоники интереса на всей апертуре. Это позволяет построить соответствующие ROC-кривые и управлять качеством классификации.