47665 (Моделювання та методи обробки кардіоінтервалограм при фізичних навантаженнях)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

Тиш Євгенія Володимирівна

УДК 681.518.3+519.21

МОДЕЛЮВАННЯ ТА МЕТОДИ ОБРОБКИ

КАРДІОІНТЕРВАЛОГРАМ ПРИ ФІЗИЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

01.05.02 – Математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тернопіль – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державного технічному університеті імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Бойко Іван Федорович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри радіоелектроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Яворський Богдан Іванович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя, завідувач кафедри біотехнічних систем, м. Тернопіль

доктор технічних наук, професор

Прокопенко Ігор Григорович,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри авіаційних радіоелектронних комплексів, м. Київ.

Захист відбудеться “ 3 ” липня 2008 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, ауд.79

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56

Автореферат розісланий “ 30 ” травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К58.052.01

кандидат технічних наук Гладьо В.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Організм людини – надзвичайно складна система, елементи якої тісно взаємодіють між собою. Визначення адаптивно-регулятивних характеристик живого організму є актуальною проблемою сучасної медицини, а розробка комп’ютерної системи та відповідного математичного забезпечення для автоматизованої діагностики адаптивно-регулятивних можливостей організму є важливою науково-технічною проблемою.

Одним із перспективних, високо інформаційних методів діагностики адаптивних можливостей організму є дослідження серцевого ритму за кардіоінтервалограмою (КІГ). На переваги діагностики за КІГ вказували автори багатьох наукових робіт медичного спрямування, а в сучасних автоматизованих діагностичних системах використовується математичне забезпечення, на основі робіт Баєвського Р.М., Іванова Г.Г., Меєрсона Ф.З., Саєрса Б., Жемайтіте Д. та ін. Низка праць із математичного моделювання КІГ належить Яворському Б.І., Драгану Я.П., Яворській Є.Б. Встановлено, що дослідження ритму серця в спокої не відображає приховані патології. Тому для людей (наприклад, спортсменів), в яких патологічні зміни та відхилення від норми зі сторони серцево-судинної системи нерідко можуть компенсуватися хорошою функціональною здатністю організму, необхідно для виявлення патології проводити реєстрацію та аналіз КІГ після адекватного фізичного навантаження.

Сучасні методи аналізу КІГ та відомі діагностичні ознаки на її основі базуються на двох теоретичних підходах – детермінованому та стохастичному.

Математичні моделі КІГ у вигляді детермінованих функцій застосовуються для прогнозування стану організму. Розглядають два простих методи прогнозування, що базуються на уявленні про лінійну та експоненціальну зміну тривалостей кардіоциклів. Детерміновані моделі не враховують випадковий характер зміни тривалостей кардіоінтервалів і тому є досить спрощеними. Завдяки своїй простоті детерміновані моделі КІГ дають змогу досить легко реалізувати методи експрес-аналізу стану адаптивно-регулятивних механізмів організму, але вони не враховують стохастичний характер КІГ, що не дозволяє їх використовувати для високоінформативної діагностики.

Сучасні стохастичні методи аналізу КІГ базуються переважно на її двох математичних моделях – моделі у вигляді випадкової величини та моделі у вигляді стаціонарної дискретної послідовності. Проте такі моделі є адекватними лише для випадку, коли КІГ реєструється в стані спокою. У випадку ж реєстрації КІГ при фізичних навантаженнях необхідно враховувати нестаціонарний, перехідний характер зміни тривалостей КІГ.

Наведені аргументи вказують на актуальність побудови нової математичної моделі КІГ при фізичних навантаженнях як нестаціонарного випадкового процесу, а також визначення на її основі нового класу діагностичних ознак та методів їх оцінювання для діагностування адаптивно-регулятивних можливостей організму людини засобами сучасних інформаційних технологій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження проводилося в рамках наукової теми ВК 21-06 “Математичне моделювання, методи обробки та імітації біометричних циклічних сигналів в інформаційних системах”, номер держреєстрації №0106U009380, де здобувачу належить розробка програмного забезпечення для імітаційного моделювання ритмічних сигналів серця.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичної моделі, методів обробки, визначення діагностичних ознак та методу імітаційного моделювання КІГ для моніторингу адаптивно-регулятивних можливостей організму людини при фізичних навантаженнях. Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

Провести порівняльний аналіз та класифікацію існуючих математичних моделей, методів обробки, діагностичних ознак КІГ у технічних системах функціональної діагностики стану серцево-судинної системи.

Побудувати математичну модель КІГ при фізичних навантаженнях з урахуванням її перехідного випадкового характеру для розробки ефективних методів діагностування адаптивно-регулятивних можливостей організму та імітаційного моделювання КІГ засобами сучасних інформаційних технологій.

Розробити методи статистичної обробки КІГ на базі створеної математичної моделі та вибрати діагностичні ознаки, виходячи з критерію мінімуму їх кількості при збережені однакової інформативної цінності (без зниження інформативності).

Розробити метод імітаційного моделювання КІГ для потреб тестування та навчання комп’ютерних діагностичних систем.

Створити систему комп’ютерних програм обробки КІГ та проведення імітаційних експериментів для кардіоінтервалометричної діагностичної системи на базі ЕОМ.

Провести серію експериментів по обробці та моделюванню КІГ з метою апробації розроблених математичних моделей, методів обробки та імітаційного моделювання.

Об’єкт дослідження. Процес моделювання КІГ людини при фізичних навантаженнях.

Предмет дослідження. Математична модель, методи моделювання та статистична обробка КІГ.

Методи дослідження. Розв’язання задач:

теоретичного характеру – виконано з використанням методів теорії ймовірностей, теорії випадкових процесів, стохастичних інтегральних зображень, теорії ортогональних рядів;

практичного характеру – виконано з використанням математичної статистики та методів імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше побудовано математичну модель КІГ у вигляді суми дискретної детермінованої функції та стаціонарної лінійної випадкової послідовності. Побудована модель враховує як нестаціонарний (перехідний) характер, так і стохастичність КІГ при фізичних навантаженнях.

Обґрунтовано методи статистичної обробки КІГ, а саме – з використанням методу найменших квадратів побудовано алгоритм оцінювання математичного сподівання КІГ, а з використанням теорії статистичного оцінювання ймовірнісних характеристик ергодичних відносно кореляційної функції та щільності розподілу випадкових послідовностей, запропоновано алгоритм оцінювання кореляційної функції та щільності розподілу стаціонарної компоненти КІГ.

Запропоновано нові діагностичні ознаки для діагностики адаптивно-регулятивних можливостей організму людини: коефіцієнти розкладу оцінки математичного сподівання та оцінки кореляційної функції КІГ в ряди за ортогональними дискретними поліномами Чебишева, а також параметри кривої Пірсона, що апроксимує щільність розподілу КІГ.

Створено метод імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях на основі побудованої математичної моделі.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані в дисертаційній роботі методи обробки та імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях, що ґрунтуються на їх новій математичній моделі, призначені для клінічного використання з метою проведення діагностики адаптовно-регулятивних можливостей організму людини на базі ЕОМ та дослідницької роботи в науково-експериментальних лабораторіях медичного та фізіологічного напряму.

Запропонована математична модель та обґрунтовані методи обробки на її основі вперше дають змогу проводити діагностику стану адаптивно-регулятивних можливостей організму людини за КІГ при фізичних навантаженнях, оскільки враховують як перехідний, так і стохастичний характер зміни тривалостей кардіоінтервалів. Розроблений метод імітаційного моделювання КІГ може бути використаний для потреб тестування та навчання комп’ютерних діагностичних систем.

Систему комп’ютерних програм для обробки та імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях впроваджено в консультативному лікувально-діагностичному центрі ТОВ “Десна” ЛТД (акт впровадження від 12.02.2008 р.), в навчальний процес на кафедрі фізіології Тернопільської державної медичної академії імені І.Я. Горбачевського (акт впровадження від 15.02.2008 р.) та на кафедрі радіокомп’ютерних систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (акт впровадження від 4.12.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які становлять основний зміст дисертаційної роботи, автор отримав особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертаційної роботи належить: у [1] – побудова математичної моделі та статистична обробка КІГ; у [2] – проведення імітаційного експерименту та визначення похибок імітаційного моделювання; у [3] – проведення порівняльного аналізу методів дослідження КІГ та їх класифікація в стані спокою та при фізичних навантаженнях; у [4] – зменшення розмірності вектора діагностичних ознак за щільністю розподілу шляхом апроксимації гістограм кривими Пірсона; [6] – обґрунтування конструкції математичної моделі КІГ при фізичних навантаженнях; [7] – проведення імітаційного експерименту та визначення похибок імітаційного експерименту; [8] – обґрунтування діагностичних ознак за оцінкою математичного сподівання; [9] – класифікація та порівняльний аналіз існуючих математичних моделей, діагностичних ознак та методів їх оцінювання; [10] – уточнення типу детермінованої складової математичної моделі КІГ з урахуванням фізичного навантаження; [12] – обґрунтування вибору математичної моделі та методу імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на шостій, сьомій, восьмій, дев’ятій, десятій науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 р.), VI міжнародній науково-практичній конференції „Наука і освіта ’2003” (Дніпропетровськ – Мелітополь 2003 р.), міжнародній науково-практичної конференції „Дні науки ’2005” (Дніпропетровськ-Бєлгород), всеукраїнській науково-практичної конференції “Медична інформатика - 2005” Тернопільського державного медичного університету ім. І.Я. Горбачевського (Тернопіль), наукових семінарах кафедри комп’ютерних наук та кафедри радіокомп’ютерних систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Основні результати, отримані в дисертації, опубліковано в 13 наукових працях, 5 з них – статті у наукових фахових виданнях (зокрема 1 – без співавторів), 8 – тези доповідей науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 108 найменувань, містить 35 рисунків, 4 таблиці, 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 178 сторінок, основний зміст викладено на 112 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв’язок з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, також розглянуто питання апробації результатів дисертації та їх висвітлення у друкованих працях.

У першому розділі на основі аналітичного огляду літературних джерел проведено класифікацію та порівняльний аналіз існуючих математичних моделей, діагностичних ознак та методів їх оцінювання, що лежать в основі сучасних комп’ютерних систем діагностики за КІГ, принцип формування якої з електрокардіографічного сигналу зображено на рис. 1.