разработка методик предварительного

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ
НИЗКОЧАСТОТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМОВ ДЛЯ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО СЖАТИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Е.И.Боровкова1, А.С. Караваев1,2
1
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
2
Саратовский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
E-mail: [email protected]
Ранее нами был разработан метод количественной оценки фазовой
синхронизации 0.1 Гц ритмов нервной регуляции сердечно-сосудистой
системы
(ССС)
по
10
минутным
одновременным
записям
электрокардиограммы (ЭКГ) и фотоплетизмограммы (ФПГ) [1].
Предложенный метод был аппробирован на клинической базе в ФГУ
Саратовском НИИ кардиологии Минздравсоцразвития РФ. В ходе
исследований на обширной статистике было показано, что изучение
синхронизации 0.1 Гц регуляторных ритмов ССС является актуальной
проблемой современной физиологии и кардиологии, учитывая перспективное
значение их исследования для совершенствования методов клинической
диагностики у больных сердечно-сосудистыми заболеваниями [2, 3]. Кроме
того, было сделано заключение, что длительный мониторинг синхронизации
исследуемых 0.1Гц систем даст существенно новую важную
фундаментальную и прикладную информацию об исследуемых системах.
Нами был изготовлен лабораторный макет аппаратно-программного
комплекса, позволяющего осуществлять многочасовой мониторинг ФПГ с
помощью оптического датчика и
сохранять временные ряды
экспериментального сигнала в энергонезависимой памяти.
Основными требованиями к устройству хранения была способность
хранить 24 часовую запись 24 битного сигнала с частотой дискретизации
100Гц, минимальный объем такой записи составляет 30 Мбайт. Требованиям
задачи удовлетворяют SD-flash карты, которые потребляют в режиме записи
в среднем около 100 мА и является основным источником энергопотребления
разработанного устройства, что требует в качестве источника питания
использование
2
последовательно
включенных
литий-ионных
аккумуляторных форм-фактора ААА емкостью не менее 2 Ач.
Поэтому для уменьшения габаритов и массы устройства критически
важным является вопрос сжатия данных. Ограничение емкости памяти до 4
Мбайт позволит использовать в качестве энергонезависимого хранилища
малогабаритную микросхему flash памяти, вместо SD-карты. Это снизит
габариты и массу устройства, кроме того, так как ее энергопотребление
порядка 10мА, а напряжение питания ниже, чем у SD-карты, то в качестве
источника питания можно будет ограничиться малогабаритной плоской
литий-полимерной аккумуляторной батареей емкостью менее 1 Ач с
номинальным напряжением питания 3.7 В.
Целью данной работы является разработка методик предварительного
выделения низкочастотных составляющих физиологических ритмов для
интеллектуального сжатия исходных данных на основе априорной
информации об их статистических свойствах.
В ходе работы удалось разработать такой алгоритм, отличающейся
высокой вычислительной эффективностью, который позволяет реализацию
на простых малопотребляющих 8 битных микроконтроллерах (МК).
Для исследования синхронизации ритмов нервной регуляции сердечнососудистой системы методом [1] необходимо получить 0.1 Гц составляющую
кардиоинтервалограммы (КИГ) и 0.1 Гц составляющую ФПГ, сохранить их
на энергонезависимую память и в дальнейшем обработать на персональном
компьютере.
Для выделения 0.1 Гц составляющей ФПГ, сигнал ФПГ предварительно
фильтровался БИХ-фильтром нижних частот четвертого порядка с частотой
среза 2.5 Гц. Такая фильтрация в дальнейшем позволяет снизить частоту
дискретизации сигнала ФПГ до 5 Гц, что обеспечивает сжатие сигнала в 20
раз. Далее проводится выделение 0.1 Гц составляющей полосовым КИХфильтром Бартлета с длиной импульсной характеристики 10001 отсчетов.
Полученная 0.1 Гц составляющая сигнала ФПГ сохраняется на
энергонезависимую память.
На рисунке 1 показан сигнал ФПГ, снятый с помощью изготовленного
нами лабораторного макета устройства, и перевыбранный до 5 Гц после
предварительной фильтрации сигнал.
Рис. 1. Сигнал ФПГ, зарегистрированный разработанным аппаратно-программным
комплексом (тонкая линия) и перевыбранный, после процедуры предварительной
фильтрации, до 5 Гц сигнал ФПГ (жирная линия).
Следующим важным этапом является выделение 0.1 Гц составляющей
КИГ. Ранее было показано, что информация о моментах сердечных
сокращений может быть выделена из ФПГ [4]. Учитывая высокую
вычислительную сложность алгоритма выделения КИГ из сигнала ФПГ на
данном этапе работы было решено сохранять сжатый с помощью
разработанной методики сигнал ФПГ, а выделение КИГ и ее 0.1 Гц
составляющей проводить на ПК.
Первый этап методики сжатия заключается в предварительной
фильтрации сигнала ФПГ. Применяется полосовой БИХ-фильтр с частотами
среза [0.05;10] Гц. Далее производится передискретизация сигнала до 5 Гц и
выполняется процедура сжатия сигнала, которая заключается в выделении
точек локальных экстремумов. В результате такой методики на SD-flash
сохраняется сжатый сигнал ФПГ. Каждой точке сжатого сигнала
соответствуют два значения (экстремум и количество точек между
соседними экстремумами). Планируется дальнейшее развитие методики для
выполнения всех операций выделения 0.1 Гц КИГ на микроконтроллере.
Работоспособность методики сжатия ФПГ продемонстрирована в
исследовании, в ходе которого для 10 здоровых людей КИГ выделялась из
сжатого сигнала ФПГ и из одновременно зарегистрированного сигнала
ЭКГ. Исследование показало, что метод сжатия обеспечивает высокую
точность определения моментов R-пиков (  0.01 с) при анализе рядов
здоровых испытуемых.
Разработаны методики предварительного выделения 0.1 Гц
составляющих ритмов регуляции сосудистого тонуса и сжатия сигнала ФПГ
для дальнейшего выделения КИГ и их 0.1 Гц составляющей на ПК. На
экспериментальных записях показано, что разработанные алгоритмы
отличаются высокой вычислительной эффективностью и позволяют
реализацию на простых 8 битных МК. Показано, что разработанные
алгоритмы позволят сжать данные до 4 Мбайт и использовать в качестве
энергонезависимого хранилища малогабаритную микросхему flash памяти,
вместо SD-карты.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых
кандидатов наук МК-2267.2014.8, РФФИ 14-08-31145, гранта Президента РФ
для государственной поддержки ведущих научных школ РФ НШ1726.2014.2, стипендии Президента РФ СП-3975.2013.4.
Библиографический список
1. Безручко Б.П. и др. Методика исследования синхронизации колебательных процессов с
частотой 0.1 Гц в сердечно-сосудистой системе человека // Изв. ВУЗов «ПНД». -2009.
–Т. 17. –№ 6. –С. 44-56.
2. Кисилев А.Р. и др. Возможности индивидуализации контроля эффективности
гипотензивной терапии у пациентов с артериальной гипертонией на основе
синхронизации 0,1 Гц-колебаний в сердечнососудистой системе человека // Сборник
научных трудов "Медленные колебательные процессы в организме человека.
Теоретические и прикладные аспекты нелинейной динамики в физиологии и
медицине", Новокузнецк. -2011. –С. 168-172.
3. Гриднев В.И. и др. Применение спектрального анализа вариабельности сердечного
ритма для повышения диагностической значимости нагрузочных проб // Вестник
Санкт-Петербургского университета. Серия 11. –2008. –Вып. 2. –С. 18.
4. Кульминский Д.Д. и др. Диагностика состояния сердечнососудистой системы на основе
оценки степени синхронизованности ее ритмов по унивариантному сигналу
фотоплетизмограммы // Сборник материалов Всероссийской молодежной научной
конференции Актуальные вопросы биомедицинской инженерии. –2013. –С. 330-335.
Сведения об авторах
Боровкова Екатерина Игоревна – аспирант, ассистент, дата рождения:
17.05.1989г.
Караваев Анатолий Сергеевич – к.ф.-м.н., доцент, дата рождения: 18.12.81г.
Вид доклада: стендовый (/устный)