ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.Оценка функционального состояния организма (ФСО) играет решающую роль в диагностике сердечно-сосудистой системы (ССС), заболевания которой являются одной из главных причин смертности во всём мире.

С позиции специалиста функциональной диагностики или лечащего врача задача определения общего состояния организма без симптомов приобретает дополнительную сложность. Поэтому приобретает актуальность создание чув­ствительных методов распознавания различных функциональных состояний организма, при которых отсутствуют симптомы заболеваний ССС. Традицион­ные методы анализа ЭКГ не являются достаточными для построения индивиду­ального системного представления о работе сердца и не позволяют оценить стационарность и изменения функциональных физиологических связей, приво­дящих к изменению функционального состояния ССС.

зования методов и средств системного анализа в практической медицине отме­чают многие учёные медико-биологического профиля, в том числе создатель теории функциональных систем академик П.К. Анохин. Системная цикличе­ская работа сердца при участии двухконтурной системы регуляции реализуется на ЭКГ в виде последовательности топологически одинаковых кардиоциклов. В прямоугольной системе координат становится возможным характеризовать каждый кардиоинтервал ЭКГ-сигнала длительностью и амплитудным значени­ем доминирующего зубца R, которые в совокупности определяют амплитудно­фазовую характеристику ССС. Таким образом, актуальность данного исследо­вания определяется необходимостью получения показателей, характеризующих причинно-следственные связи между энергетическими и фазовыми компонен­тами ЭКГ-сигнала в рамках механизмов регуляции и управления функциями системы сердца.

Степень разработанности темы исследования.На основе обзора до­ступной литературы показано, что диагностика ФСО является сложной меж­дисциплинарной задачей, а основной подход к оценке состояния ФСО может быть сформулирован следующим образом: определение уровня функциониро­вания комплекса жизненно важных систем организма с оценкой их вегетатив­ной регуляции. В настоящее время развитие и внедрение в практику методов системного анализа ЭКГ-данных базируется на преимуществах цифрового представления данных ЭКГ, при котором возможно использование различных математических моделей и их связей с системными признаками ЭКГ и элек­трофизиологическими изменениями в электропроводящей системе сердца.

Проблемам исследования функционального состояния сердечно­сосудистой системы и механизмов его регуляции на основе анализа электро­кардиографических данных посвящен ряд работ российских (Р.М. Баевский, В.В. Парин, А.П., Д.А. Берсенева, Е.Ю. Берсенев, Г.Г. Иванов, С.А. Филист, А.Н. Флейшман, А.Н. Калиниченко, А.Е. Северин, Н.И. Шлык, Н.В. Дмитриева, Ю.Н. Семёнов, М.Ю. Руденко, А.В. Соболев, Г.В. Рябыкина, М.В.

др.) и зарубежных ученых (Л. Файзильберг, M. Malik, G. Moody, J.F. Brosschot, A. Malliani, S.Z. Abildstrom, S. Leonhardt, и др.).

Примером диагностических систем, использующих системный подход в анализе ЭКГ-данных, являются системы «Кардиовизор» и «Варикард». Не­смотря на несомненные успехи использования данных систем в диагностиче­ской практике, они не охватывают весь спектр функциональных отклонений показателей сердечной деятельности от нормы, не обеспечивают исследование системных физиологических механизмов, приводящих к развитию отклонений в деятельности ССС. Это не позволяет проводить своевременную раннюю диа­гностику функционального состояния у обследуемых без явных симптомов сердечно-сосудистых заболеваний, и, соответственно, разработать критерии оценки эффективности медицинских процедур. По сравнению с большим кли­ническим материалом ЭКГ больных людей с различными заболеваниями, коли­чество записей ЭКГ здоровых людей ничтожно мало. Это приводит, зачастую, к непреодолимым трудностям при разработке теорий и стандартов в донозологи- ческой диагностике.

В работах различных исследователей (В.М. Бочкарев, А.И. Завьялов, Р.А. Кавасма, А.А. Кузнецов, Л.Т. Сушкова) было показано, что исследование дан­ных условно-здоровых обследуемых способствует развитию систем функцио­нальной диагностики и позволяет разрабатывать системные подходы для реше­ния задач прогнозирования в медицине, а также исследования влияния нестан­дартной среды обитания на организм человека с учётом его функционального состояния. В этих условиях в качестве главных походов целесообразно исполь­зовать исследование ЭКГ-данных в диапазоне медленных волн и структурно­топологический анализ интервальных рядов ЭКГ-данных (А.А. Кузнецов, Р.А. Кавасма).

Наиболее перспективным в данном направлении исследований является подход к анализу ЭКГ-информации, основывающийся на исследовании взаимо­связи энергетических и ритмических процессов в миокарде (А.А. Кузнецов и соавт.). Поэтому научно-технической задачей исследования является разработ­

ка моделей и методов анализа амплитудных и фазовых ЭКГ-компонентов, ос­нованных на сопоставлении статистических и структурных особенностей орто­гональных составляющих ЭКГ-сигнала.

Целью диссертационной работы является совершенствование средств диагностики функционального состояния сердечно-сосудистой системы на ос­нове разработки модели и методов оценки механизмов регуляции ССС по па­раметрам и характеристикам амплитудно-фазового сопряжения электрокардио­графической информации.

Объектом исследования является средства оценки и анализа электро­кардиографической информации.

Предмет исследования:методы и модели системного анализа механиз­мов регуляции сердечно-сосудистой системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за­дачи:

1. Провести системный анализ распределений параметров RR- интервалограмм и R-грамм регистраций условно-здоровых молодых людей;

2. Провести сравнительный анализ параметров RR-интервалограмм и R- грамм и их связей в группе условно-здоровых молодых людей;

3. Разработать модель системного анализа амплитудно-фазового сопря­жения компонентов ЭКГ-сигнала;

4. Разработать методы системного анализа амплитудно-фазового сопря­жения компонентов ЭКГ-сигнала;

5. Разработать программно-алгоритмическое обеспечение для системного анализа электрокардиографической информации и управления процессом диа­гностики работы сердца.

6. Оценить возможности применения экспериментальных методов иссле­дования амплитудно-фазового сопряжения компонентов ЭКГ-сигнала ЭКГ- данных больных людей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведенный системный анализ распределений параметров RR- интервалограмм и R-грамм регистраций условно-здоровых молодых людей в покое показал тренд реакции амплитуды и фазы ЭКГ-сигнала здорового орга­низма человека к логнормальному распределению, что является основой для популяционно-сравнительных исследований ЭКГ и может быть использовано в массовых скрининговых исследованиях.

2. Разработанная модель системного сопряжения амплитудной и фазовой ЭКГ-составляющих в виде параметрической диаграммы сопряжения позволяет классифицировать амплитудно-фазовые связи качественно по направлению и количественно по размеру угла линии связи, что способствует исследованию системных связей, регулирующих деятельность механизмов миокарда.

3.

4. Разработанный метод исследования амплитудно-фазового сопряжения компонентов ЭКГ-сигнала на основе циркуляционных кривых отличается от стандартных методик исследования ЭКГ-сигнала возможностью классифика­ции функционального состояния ССС и выявления причинно-следственных связей механизмов регуляции деятельности миокарда, что может быть исполь­зовано для расширения возможностей мониторинга функционального состоя­ния с помощью оценки динамики и устойчивости регулирующих влияний на работу сердца.

5. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение для обработ­ки и визуализации результатов анализа ЭКГ-информации обеспечивает воз­можность работы с ансамблями ЭКГ-регистраций, а также исследования и ви­

зуализации данных амплитудно-фазового сопряжения компонентов ЭКГ- сигнала с использованием современных методов обработки информации для управления диагностическим процессом.

Теоретическая и практическая значимость работысостоит в том, что разработанные методы системного анализа и модель амплитудно-фазового со­пряжения компонентов ЭКГ-сигнала способствуют развитию теории системно­го анализа биотехнических систем и расширяют функционал инструменталь­ных средств диагностики ССС, а разработанное программно-алгоритмическое обеспечение для обработки и визуализации результатов системного анализа ЭКГ-информации может стать основой построения систем поддержки принятия решений при оценке функционального состояния организма. Предложенные методы анализа ЭКГ имеют преимущества перед известными методами оценки ФСО, основанными на общепринятых параметрах вариационной пульсометрии и частотного анализа ритма сердца.

Исследования, связанные с разработкой программно-алгоритмического обеспечения для оценки функционального состояния организма человека, были поддержаны грантом по программе «УМНИК» (2015) Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере (Российская Федерация).

Результаты работы внедрены в учебном процессе Владимирского госу­дарственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых при подготовке бака­лавров и магистров по направлению «Биотехнические системы и технологии», а также в диагностическую практику кардиологического отделения с ПРиИТ

№3 ГБУЗ ВО «Городская больница №4 г. Владимира», Акты внедрения прила­гаются.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в ра­боте задач использовались методы теории биотехнических систем медицинско­го назначения, корреляционного, статистического, структурно-топологического анализа и цифровой обработки сигналов. Для сбора ЭКГ-данных использова­лось аппаратно-программное обеспечение “AnnaFlash 3000” производства ООО «МКС» (г. Зеленоград). Обработка ЭКГ-данных, формирование базы данных, разработка программно-алгоритмического обеспечения, а также вычислитель­ные эксперименты проводились в программной среде Matlab и MS Excel.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 . Метод системного анализа амплитудно-фазового сопряжения компо­нентов ЭКГ-сигнала обеспечивает построение структурно-параметрических связей RR-интервалограмм и R-грамм и последующий их количественный и ка­чественный анализ для оценки функционального состояния сердечно­сосудистой системы.

2. Метод системного анализа амплитудно-фазового сопряжения компо­нентов ЭКГ-сигнала, в основе которого лежит построение циркуляционных кривых, позволяет выделять и классифицировать участки ЭКГ-сигнала по ста­ционарности и характеру компонентов ЭКГ-сигнала для оценки функциональ­ного состояния ССС и расширяет возможности исследования реакции ССС на воздействие внешних факторов среды обитания с учётом состояния внутренней среды организма.

3. Модель амплитудно-фазового сопряжения компонентов ЭКГ-сигнала, разработанная на основе структурно-параметрического анализа, характеризует инфокоммуникационные связи параметров амплитудной и фазовой ЭКГ- составляющих, что позволяет исследовать закономерности интеграции регули­рующих процессов управления в сердечно-сосудистой системе.

4. Программно-алгоритмическое обеспечение, предназначенное для ис­следования амплитудно-фазового сопряжения компонентов ЭКГ-сигнала, поз­

воляет формировать информативные параметры амплитудно-фазового сопря­жения ЭКГ, визуализировать результаты анализа функционального состояния ССС и оценить стационарность режима регуляции сердечной деятельностью при управлении диагностическим процессом.

Достоверность и апробация работы. Достоверность полученных в ра­боте результатов обеспечивается следованием принципам системного подхода к анализу сопряженных процессов; однородностью ансамбля условно-здоровых обследуемых, сравнением результатов экспериментов с данными других авто­ров, а также использованием в вычислительных экспериментах моделирования виртуальных диаграмм ритма сердца.

Апробация работы. В период 2011- 2018 гг. материалы работы были до­ложены в рамках Всероссийского симпозиума «Вариабельность сердечного ритма: теоретические аспекты и практическое применение» (Ижевск, 2011), Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектрони­ка в медицине и экологии» (Владимир 2012, 2014, 2016,2018), Международного Конгресса «Кардиостим» (Санкт-Петербург 2012, 2014, 2018), Российско- Германской Конференции по Биомедицинской инженерии (2013,2015), Между­народной конференции по биоэлектромагнетизму (Аахен, Германия, 2018).

Публикации. Всего по материалам диссертационной работы опублико­вано 48 работ, в том числе 16 в трудах конференций, 24 статьи и 8 статей в из­даниях, рекомендованных ВАК, в том числе 2 в базе Scopus.

Личный вклад автора. Выносимые на защиту положения, информаци­онные технологии, методы системного анализа и модель были разработаны и реализованы автором в программно-алгоритмическом комплексе. Личный вклад автора также заключался в проведении экспериментальных регистраций, формировании верифицированной базы данных ЭКГ и обработке результатов исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че­тырёх глав, заключения, списка используемых сокращений, библиографическо­го списка, содержащего 1 44 наименования, и 3 приложений. Диссертация из­

ложена на 1 59 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков и 21 таблицу.

Благодарность

Автор благодарит научного руководителя д.т.н., проф. Л.Т. Сушкову за постоянную помощь, полезные замечания и поддержку на протяжении подго­товки диссертации. Автор признателен д.т.н, доц. А.А. Кузнецову за помощь при проведении экспериментальных регистраций, сборе базы данных и за об­суждения и дискуссии о полученных результатах, без которых данная работа была бы невозможна. Автор благодарен доктору В.В. Чепенко за помощь при сборе и интерпретации данных ЭКГ.