Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 620.179

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ

АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РИТМА СЕРДЦА МЕТОДОМ ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТ

Чиликин А. В.

Введение

В настоящее время для анализа вариабельности ритма сердца применяются два основных математических метода: метод, основанный на статистическом подходе к ряду RR-интервалов и спектральный анализ.

Оба математических метода получили признание в клинической практике, имеют стандартный набор вычисляемых параметров и таблицы допустимых значений для каждой возрастной группы [1]. Один из статистических параметров SDNN (standard deviation of NN intervals) является интегральным показателем, характеризующим вариабельность ритма сердца в целом и зависит от влияния различных систем регуляции на синусовый узел. Спектральный анализ позволяет обнаружить периодические составляющие в колебаниях сердечного ритма и оценить количественно их вклад в общую мощность колебаний.

Тем не менее, будучи пригодными в повседневной клинической практике, эти методы уже не полностью отвечают современным требованиям к анализу вариабельности ритма сердца. Так, например, традиционный метод спектрального анализа обладает существенным недостатком: этот метод не позволяет локализовать время увеличения или уменьшения интенсивности частотной компоненты, показывая лишь ее наличие или отсутствие. Преобразование Фурье «размазывает» локальное изменение интенсивности частотной компоненты, давая интегральную характеристику за все время наблюдения.

Одним из эффективных методов анализа многокомпонентных многочастотных нестационарных сигналов, к которым, несомненно, принадлежит и кардиоритмограмма, является метод главных компонент [2].

Метод главных компонент, который сравнительно недавно начал применяться для анализа одномерных временных рядов, позволяет выделить отдельные слагаемые исходного временного ряда, такие как медленный тренд, периодические составляющие и случайные вариации, не требуя при этом никакой априорной информации о структуре временного ряда, о наличии или отсутствии в нем определенных периодических компонент, а также о законе изменения этих компонент во времени.

Несомненными преимуществами метода является то, что:

- базовые функции метода порождаются исследуемым рядом;

- возможна оценка не только мгновенных частоты и амплитуды периодических компонент исходного временного ряда, но и их фазы;

- имеется возможность полного или частичного восстановления временного ряда по информативным компонентам, что приводит к выборочной фильтрации или сглаживанию исходного временного ряда.

Целью настоящей работы была разработка программного обеспечения компьютерной системы анализа вариабельности ритма сердца методом главных компонент.

Результаты работы

Программное обеспечение состоит из двух основных подсистем: подсистема управления персональными данными обследуемых и подсистема исследования вариабельности ритма сердца.

Основные функции подсистемы управления персональными данными:

- создание и удаление групп обследуемых;

- создание карточки обследуемого, входящего в одну из групп, ввод и редактирование персональных данных обследуемого, удаление карточки обследуемого и всех связанных с ним исследований и отчетов (рис.1);

Рис. 1. Ввод и редактирование персональных данных обследуемого

- запуск нового исследования вариабельности ритма сердца для выбранного обследуемого, сохранение первичных данных и созданного отчета для дальнейшего просмотра;

- экспорт результатов исследований в Excel для последующего статистического анализа данных как по целой группы, так и по индивидуально выбранным обследованным.

Все данные по группам, персональные данные обследуемых и первичные данные проведенных исследований хранятся в базе данных, работающей под управлением сервера базы данных Microsoft SQL Desktop Edition. Такая организация позволяет использовать единую базу обследуемых в случае наличия нескольких компьютеров, объединенных в локальную сеть.

Независимая подсистема управления персональными данными позволяет хранить в базе данных не только результаты исследований вариабельности ритма средца, но и любых других исследований, реализуемых сторонними исследовательскими модулями на основе единого программного интерфейса.

Подсистема исследования вариабельности ритма сердца, в свою очередь, состоит из следующих модулей:

- модуль мониторирования и записи первичного электрокардиосигнала (рис. 2);

- модуль обработки первичного электрокардиосигнала, внутри которого реализованы алгоритмы адаптивной фильтрации сетевой помехи, удаления дрейфа изолинии, поиска характерных точек кардиоцикла. В случае необходимости возможна ручная обработка электрокардиограммы, коррекция местоположения найденных автоматически характерных точек кардиоцикла;

- модуль формирования исходного ряда RR-интервалов, реализующий алгоритм распознавания экстрасистол и удаления артефактных кардиоинтервалов из анализируемой последовательности, алгоритм уточнения местоположения R-зубца на основе параболической аппроксимации, алгоритм формирования исходной временной последовательности кардиоинтервалов;

- модуль традиционного математического анализа кардиоритмограммы, включающий в себя анализ на основании статистического подхода и спектральный анализ. Внутри модуля вычисляется общепринятый набор показателей, строятся гистограмма кардиоинтервалов, диаграмма Лоренца и график спектра мощности колебаний;

- модуль анализа кардиоинтервалограммы методом главных компонент. В автоматическом режиме произодится разложение исходного временного ряда на главные компоненты и построение амплитудно-частотного поля. Производится визуализация амплитудно-частотного поля в 3-мерном пространстве, рассчитываются мощности колебаний спектральных компонент;

- генератор итогового отчета проведенного исследования.

Рис. 2. Регистрация первичного электрокардиосигнала.

Отчет, а также первичный электрокардиосигнал сохраняются в базе данных для последующего просмотра и возможного анализа другими математическими методами, которые будут появляться в обновленных версиях системы.

Система реализована на языках C# и managed C++ с использованием .NET Studio 2003. Для работы программы на компьютере пользователя должны быть установлены операционная система Windows 2000/XP, основной компонент технологии .NET Framework 1.1, пакет поддержки русского языка для .NET Framework 1.1 и Microsoft SQL Desktop Edition SP3.

Для удобства пользователя реализована инсталляционная программа, позволяющая с минимальными усилиями установить программную систему и все необходимые компоненты, а также деинсталлировать ее в случае необходимости.

Заключение

Таким образом, использование метода главных компонент для анализа вариабельности ритма сердца позволяет построить амплитудно-частотное поле сигнала, являющееся одним из вариантов время-частотного представления.

Модульное построение программы позволяет не только обновлять уже имеющиеся модули, но и прозрачно подключать другие исследовательские модули.

Использование для разработки технологии .NET позволяет значительно сократить общее время разработки системы, а также предоставляет максимально простой механизм  подключения сторонних исследовательских модулей для интеграции в данную систему.

1.                  Коркушко О. В., Шатило В. Б., Писарук А. В., Чеботарев Н. Д., Лишневская В. Ю., Коркушко А. О., Чеботарева Ю. Н. Методы анализа и возрастные нормы вариабельности ритма сердца. Рекомендации рабочей группы Института геронтологии по изучению вариабельности сердечного ритма.  // В кн. Анализ вариабельности ритма сердца в клинической практике: Материалы 1-й международной научной конференции (Киев, 24-25 октября 2002 года). – Киев: ИПЦ «Алкон», 2002. – 216 с.

2.                  Главные компоненты временных рядов: метод «Гусеница». Под ред. Данилова Д. Л. и Жиглявского А. А. Санкт-Петербургский университет, 1997. – 180 с.