Биоинструментальная информационно-измерительная система идентификации адаптивных контуров управления сердечным ритмом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Бугров, Александр Викторович

• Бугров, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бугров, Александр Викторович

Перечень сокращений, условных обозначений, символов и терминов.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА.

1.1. Анализ объекта как источника информации.

1.2. Анализ существующих методов исследования RR-интервалов.

1.2.1. Статистический анализ. j • * I

1.2.2. Корреляционный анализ.

1.2.3. Спектральный анализ.

1.2.4. Методы нелинейно-динамического анализа.

1.3. Цель и задачи исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биоинструментальная информационно-измерительная система идентификации адаптивных контуров управления сердечным ритмом»

Актуальность темы. На современном этапе развития медицины наряду с традиционными направлениями широкое применение в общеобразовательных учреждениях, спорте, экологии и на производстве получили профилактическая и оздоровительная медицина. Если до недавнего времени основным объектом исследования являлся организм в состоянии нарушения здоровья, то теперь большая доля методов направлена на профилактику и предупреждение заболевания, изучение функционального состояния и адаптационных возможностей организма, поскольку эффективность функционирования любой системы зависит от её функционального состояния.

В настоящее время отсутствуют показатели, характеризующие в полной мере такой важный параметр, как функциональное состояние. Существующие методы базируются на эмпирических наблюдениях и, как правило, не имеют четко выраженной физиологической основы, при этом не учитываются многочисленные факторы, оказывающие как непосредственное, так и косвенное влияние. При изучении такого сложного многоуровневого и многосвязного динамического объекта, каким является организм человека, при исследовании его как системы «черный ящик», во многих прикладных задачах медицины на современном этапе является неприемлемым. Построение аналитической модели при оценке функционального состояния без использования системного подхода, в принципе невозможно, поскольку многоуровневые обратные связи имеют сложное аналитическое представление. Во многих работах по физиологии организм рассматривается как сложная динамическая система, взаимодействующая с внешней средой, то необходимо изучение связи элементов, внешней среды, биологического объекта и измерительной системы в рамках единого системного похода. Исследование и построение измерительных систем в рамках такого направления является актуальным при изучении сложных биологических систем, поскольку устанавливает однозначную связь объекта и инструмента измерения, обеспечивает необходимую точность и достоверность при анализе и принятии решения.

В данной работе предложен синтез нового класса систем — биоинструментальной информационно-измерительной системы, в которой первичным преобразователем входного воздействия является сам биологический объект. При этом, в биоинструментальной ИИС структурно выделяют две подсистемы: биопреобразователь и инструментальный преобразователь.

Биопреобразователь содержит модель исследуемого объекта и модель входного взаимодействия, инструментальный преобразователь осуществляет сбор, обработку и анализ информации, на основе знаний представленных биопреобразователем. При таком подходе наглядно представляется связь между входным воздействием на систему и выходом, что позволяет провести метрологический анализ системы, и вести речь о достоверности постановки диагноза.

В первой главе данной работы проведен анализ объекта измерения как источника информации. Рассмотрена физиологическая модель управления центральной нервной системой (ЦНС) функциональным состоянием и функцией адаптации посредством модуляции сердечного ритма, который рассматривается, как системный параметр и изучена предметная область применения вариабельности сердечного ритма. В итоге, были сформулированы цели диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является синтез новой биоинструментальной информационно-измерительной системы оценки функции адаптации и функционального состояния организма по одному системному параметру - вариабельности сердечного ритма, с использованием математического аппарата нелинейной динамики.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих подходов к исследованию адаптационных возможностей организма и оценки функционального состояния по вариабельности сердечного ритма.

2. Построить формальную модель объекта измерения.

3. Синтезировать модель функции адаптации и представить структуру информационных потоков;

4. Разработать структуру биоинструментальной измерительной системы.

5. Разработать методику оценки адаптивных возможностей на базе, математического аппарата нелинейной динамики.

6. Провести измерительные эксперименты, подтверждающие адекватность биоинструментальной ИИС.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач были использованы методы теории функциональных систем Анохина-Судакова, системного анализа, структурные методы, теории множеств, теории категорий; и функторов, математический аппарат нелинейной динамики.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту, заключается в следующем:

• Метод синтеза структуры информационных потоков; управления сердечным ритмом в рамках; теории категорий и функторов, отличающийся тем, что физиологические объекты представлены объектами категорий, а взаимосвязи отображениями - морфизмами и функторами, позволяет наглядно представить сложный процесс функции адаптации, и адекватно интерпретировать показатели математической обработки биологического сигнала;

• Впервые разработана структурная модель адаптивных контуров управления сердечным ритмом и функциональным состоянием организма, основанная: на аппарате категорий и функторов. В рамках модели дана физиологическая интерпретация результатов нелинейно-динамического анализа, позволяющая исследовать и оценивать как количественно, так и качественно процесс адаптации;

• Определен новый класс информационно-измерительных систем - биоинструментальная ИИС, в которой первичным преобразователем входного воздействия является исследуемый биологический объект, что позволяет конкретизировать исследование свойств биообъекта и повысить качество диагностики.

Практическая ценность исследования заключается в следующем:

• на основе предложенной модели управления сердечным ритмом проведен синтез биоинструментальной ИИС;

• проведен метрологический анализ и представлены категории погрешностей биопреобразователя и инструментального преобразователя;

• проведена серия экспериментов, в которых подтверждена адекватность измеряемых параметров процессу идентификации адаптивных контуров.

• Применение разработанной модели идентификации адаптивных контуров управления сердечным ритмом позволяет повысить качество профилактических и реабилитационных мероприятий.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты приняты к использованию в МЛПУ "Пушкинская районная больница им. профессора Розанова В.Н." (городская поликлиника) г. Пушкино Московской области.

Результаты работы использованы в госбюджетной научно - исследовательской работе в соответствие с темой № 31-53/429-04 «Разработка методов синтеза сложных измерительных систем на базе нейронных сетей», выполняемой в настоящее время на кафедре вычислительной техники ВолгГТУ по плану Минобразования РФ. Отдельные теоретические и практические результаты использовались в учебном процессе ВолгГТУ при проведении практических работ по дисциплинам «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий» и «Организация работы сложных измерительных комплексов системы».

Апробация работы. Основные положения и материалы докладывались и обсуждались: на XI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (12-15 ноября 2004 г.) г. Волгоград, ВолгГТУ; на Межвузовском научно-техническом семинаре кафедры «Радиотехнические системы» (7 октября 2004), СамГТУ; на Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в медицине» по направлению «Новые информационные технологии в диагностике и лечении заболеваний» (26 мая 2006 г.) г. Волгоград, ВолГМУ; на научных семинарах кафедры ВТ ВолгГТУ, 2004-2007.

Положения, выносимые на защиту.

I. Метод исследования функции адаптации организма с помощью биоинструментальной информационно-измерительной системы, заключающийся в том, что биообъект представлен, как входная подсистема преобразования внешнего воздействия в биомедицинский сигнал, который обрабатывается инструментальной частью с целью идентификации состояния и электронного документирования.

II. Метод формализации функции адаптации сложной системы (в данном случае организма), состоящий в том, что компоненты управления системным процессом (в данном случае сердечным ритмом) определены как объекты категорий, а взаимосвязи между ними отображениями - функторами и морфизмами, что позволяет представить основные и частные информационные потоки, существующие в системе управления на уровне отображений, и не требует аналитических соотношений.

III. Алгоритм математического исследования функции адаптации, обеспечивающий реализацию процедур диагностики и прогнозирования функционального состояния при профилактике и реабилитации.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 научных журналах и сборниках трудов международных и межвузовских конференций, из них три работы в журналах по перечню журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 115 наименований.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Бугров, Александр Викторович

Основные результаты и выводы по разделу IV

1. На основании категорно-функторной модели функции адаптации представлена методика расчета полной погрешности биопреобразователя.

2. Общая погрешность биопреобразователя представлена структурной суммой погрешностей объектов и межобъектных связей.

3. На основании категорной структуры инструментального преобразователя методика расчета полной погрешности комбинированным методом.

4. Проведена серия экспериментов. Показана адекватность предложенной биоинструментальной ИИС исследуемому процессу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведен анализ физиологических моделей существующих подходов к исследованию адаптационных возможностей организма и оценки функционального состояния по вариабельности сердечного ритма. В результате исследования за основу приняты двухуровневая четырехконтурная модель управления сердечным ритмом и математический аппарат на основе нелинейной динамики.

2. Проведен синтез категорно-функторной модели функции адаптации и представлена структура информационных потоков.

3. Разработана структура биоинструментальной информационно-измерительной системы, проведен метрологический анализ и представлена полные категории погрешностей биопреобразователя и инструментального преобразователя.

4. Предложены принципы оценки адаптивных возможностей на базе математического аппарата нелинейной динамики, по шкале адаптации и расстоянию между аттракторами в фазовом пространстве.

5. Проведены измерительные эксперименты на основе экспресс тестов, которые подтвердили адекватность биоинструментальной ИИС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бугров, Александр Викторович, 2008 год

1. Александров, П.С. Введение в теорию множеств и общую топологию / П.С. Александров. М.: Наука, 1977 - 368 с.

2. Алексеевская, И. А. Диагностические игры в медицинских задачах. Вопросы кибернетики / И. А. Алексеевская, А.В. Не доступ // Задачи медицинской диагностики и прогнозирования с точки зрения врача. — 1988. — № 112.-С. 128-139.

3. Анищенко, B.C. Знакомство с нелинейной динамикой: лекции соровско-го профессора: учеб. пособие. — М. — Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. — 144 с.

4. Анищенко, B.C. Нелинейные эффекты в хаотических и стохастических системах / Под ред. B.C. Анищенко. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. — 529 с.

5. Анохин, П.К. Очерки по физиологии функциональных систем / П.К. Анохин. -М.: Медицина, 1975. 448 с.

6. Анохин, П.К. Узловые вопросы теории функциональных систем / П.К. Анохин. -М.: Наука, 1980. 196 с.

7. Антомонов, Ю.Г. Моделирование биологических систем. Справочник / Ю.Г. Антомонов. — Киев: Наукова думка, 1977. — 260 с.

8. Ахутин, В.М. Биотехнические системы: теория и проектирование /

9. B.М. Ахутин и др.. — Л.: изд-во Ленингр. ун-та, 1981. 220 с.

10. Баевский, P.M. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний / P.M. Баевский, А.П. Берсенева. -М.: Медицина, 1997.-235 с.

11. Баевский, P.M. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (Методические рекомендации) / P.M. Баевский // Вестник аритмологии. 2001. - №24.1. C.65-87.

12. Баевский, P.M. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе / Р.М: Баевский, О.И. Кириллов, С.З. Клецкин. — М.: Наука, 1984. -223 с.

13. Бибикова, JI.A. Системная медицина (путь от проблем к решению) / JI.A. Бибикова, С.В. Ярилов. СПб.: НИИХ СПбГУ, 2000. - 154 с.

14. Болбас, М.М. Основы эксплуатации и ремонта автомобилей: учеб. пособие / М.М. Болбас. Мн.: Выш. шк., 1985. - 284 с.

15. Брусакова, И. А. Достоверность результатов метрологического анализа: учеб пособие / И.А. Брусакова, Э.И. Цветков. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001.- 120 с.

16. Бугров, А.В. Диагностика функционального состояния по вариабельности ритма сердца на основе системного подхода / А.В. Бугров, Ю.П. Муха, И.Ю. Колесникова // Бюллетень волгоградского научного центра

17. РАМН и Администрации Волгоградской области. 2006. - №2.С. 48. »

18. Бугров, А.В. Применение многомерного пространства состояния для построения диагностической модели по результатам анализа вариабельности сердечного ритма / А.В. Бугров // Вопросы физической метрологии.

19. Научно-техн. сб. Поволжского отделения Метрологической академии

20. России. 2004. - Вып. 6. - С. 39^4.

21. Бугров, А.В. Структурно-топологическая модель функции адаптации / А.В. Бугров, Ю.П. Муха // Известия СПб ТЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Биотехнические системы в медицине и экологии». — 2006. Вып. 2. - С. 2027.

22. Бугров, А.В. Структурно-топологическая модель функции адаптации и оценка качества адаптации / А.В. Бугров, Ю.П. Муха // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. - №5. — С. 29-34.

23. Букур, И. Введение в теорию категорий и функторов / И. Букур, А. Деляну; пер. Д.А. Райков, B.C. Ретаха. М.: Мир, 1972. - 218 с.

24. Буравлев, А. И. Управление техническим состоянием динамических систем / А. И. Буравлев, Б. И. Доценко, И. Е. Казаков; под общ. ред. И. Е. Казакова. М.: Машиностроение, 1995. - 240 с.

25. Бурбаки, Н. Общая топология. Основные структуры / Н. Бурбаки; пер. С.Н. Крачковского, под ред. Д.А.Райкова. М.: Наука, 1968. - 272 с.

26. Вейн, A.M. Заболевания вегетативной нервной системы / A.M. Вейн, Т.Г. Вознесенская, B.JI. Голубев. -М.: Медицина, 1991. 200 с.

27. Верещагин, Н.К. Лекции по математической логике и теории алгоритмов. Часть 1. Начала теории множеств / Н.К. Верещагин, А. Шень. — М.: МЦНМО, 1999. 128 с.

28. Габриель, П. Категории частных и теория гомотопий / П. Габриель, М. Цисман; пер. М. М. Постникова. М.: МИР, 1971. - 297 с.

29. Галлагер, Р. Теория информации и надежная связь / Р. Галлагер; пер. М.С. Пинскера, Б. С. Цыбакова. М.: Советское радио, 1974. - 720 с.

30. Гейн, К. Структурный системный анализ: средства и методы. В 2-х частях. 41 / К. Гейн, Т. Сарсонт; пер. под ред. А. В. Козлинского. -М.: Эй-текс, 1993.-188 с.'

31. Данилова, Н.Н. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний: учеб. пособие / Н:Н. Данилова. М.: изд-во МГУ, 1992. -192 с.

32. Жемайтите, Д.И. Связь реакции сердечного ритма на* пробу активного ортостаза с характеристикой центральной гемодинамики / Д.И. Жемайтите // Физиология человека. 1989. - Т.15. —№2. — С. 30-47.

33. Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем / И.Я. Каверкин, Э.И. Цветков. Л.: Энергия, 1974. - 156 с.

34. Кануников, И.Е. Применение теории динамического хаоса для анализа электроэнцефалограмм / И.Е. Кануников,- Е.В. Антонова, Д.Р. Белов, Ю.Г. Марков // Вестник СПбГУ серия 3 (биология). 1998. - Вып. 1. -№3. - С. 55-61.

35. Картан, А. Гомологическая алгебра / А. Картан, С. Эйленберг. — М.: И. Л., 1961.-508 с.

36. Каток, А.Б. Введение в современную теорию динамических систем / А.Б. Каток, Б. Хассельблат. М.: Факториал УРСС, 1999. - 767 с.ь

37. Келли, Дж. Л. Общая топология / Дж.,Л. Келли. — М.: Наука, 1981'. — 431 с.

38. Колмогоров, А.Н. Об энтропии на единицу времени- как метрическом инварианте автоморфизмов / А.Н. Колмогоров // ДАН СССР. 1959. -Т.124. — С. 754-755.

39. Колтун, В.М. Селектор зубцов электрокардиосигналов с. умножением амплитуды на крутизну / В. М. Колтун; A. Hi Лебяжьев // Мед: техника. 1990. — №3. С. 17-20.

40. Кореневский, Н.А. Приборы и технические средства функциональной диагностики: учеб. пособие в 2ч. Ч. 1 / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечите-лев, С.А. Филист. Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2004. — 230 с.

41. Кореневский, Н.А. Приборы и технические средства функциональной диагностики: учеб. пособие в 2ч. 4.2 / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечите-лев, С. А. Филист. Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2004. — 252 с.

42. Кореневский, Н.А. Приборы и технические средства для терапии: учеб. пособие в 2ч. Ч. 1 / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, С.А. Филист. — Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2004. 252 с.

43. Кореневский, Н.А. Синтез систем обработки биомедицинской информации / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, С.А. Филист. — Курск: Курский гос. техн. ун-т, 2007. 273 с.

44. Кроновер, Р. М. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории / Р. М. Кроновер. М: Постмаркет, 2000. - 352 с.

45. Кузнецов, А.А. К анализу фазовых портретов флуктуации R-R интервалов // Вестник аритмологии. 2002. - Т. 25. - № 498. - С. 131. *

46. Кузнецов, А.П. Нелинейные колебания: учеб. пособие / А.П. Кузнецов, С.П. Кузнецов, Н.М. Рысеин. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 292 с.

47. Кузнецов, Ю.И. Введение в теорию динамических систем: учеб. пособие / Ю.И. Кузнецов. М.: изд-во Моск. ун-та, 1991. — 132 с.

48. Лебедев, А.В. Аттракторы динамических систем, связанных с параболическим уравнением / А.В. Лебедев // Электронный журнал: «Дифференциальные уравнения и процессы управления» (http://www.neva.ru/journal/). 2002. - № 3. - С. 15-27.

49. Левич, А. П. Категорно-функторное моделирование естественных систем / А.П. Левич, А.В. Соловьев //Анализ систем на пороге XXI века. М.: Интеллект, 1997. - С. 66-78.

50. Ляпунов, A.M. Собр. соч. T.l / A.M. Ляпунов. М.:Изд-во АН СССР, 1954.

51. Майоров, В.В. Корреляционная размерность электроэнцефалограммы и ее связь с объемом кратковременной памяти / В.В. Майоров, И.Ю. Мышкин // Психофизиол. Журн. 1993. - Т.14. - №2. - С. 62-72.

52. Маклейн, С. Категории для работающего математика / С. Маклейн; пер. под ред. В.А. Артамонова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 352 с.

53. Математическая Энциклопедия/ Гл. ред. И.М. Виноградов. — М.: Сов. Энциклопедия, 1979. Т.2: Д-Коо. - 1104 с.

54. Меклер, А.А. Обработка ЭЭГ методами фрактального анализа / А.А. Меклер // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. — 2004.- Т. 90.-№8.-С. 77.

55. Методы и средства обработки информации при оценке функционального состояния организма человека / Под ред. профес. Л.Т. Сушковой. Владимир: Собор, 2006. - 144 с.

56. Михайлов, В.М. Вариабельность ритма сердца. Опыт практического применения метода / В.М. Михайлов. Иваново, 2000. — 200 с.

57. Муха, Ю; П. Алгебраическая теория синтеза сложных систем:фонография / Ю.П. Муха, О.А. Авдеюк, И.Ю. Королева. Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2003. - 320с.

58. Муха, Ю.П. Структурные методы в проектировании сложных систем. Ч. I, II: учеб. пособие / Ю.П. Муха. Волгоград: Изд-во Волгоградского политехнического инст.-та, 1993 г.

59. Муха, Ю.П. Алгебраический подход к проектированию измерительных систем / Ю.П: Муха, О.А. Авдеюк //Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: тезисы доклада на 2 всероссийской НТК. Нижний Новгород, 2000. -Ч. 10. - С. 3.

60. Муха, Ю.П: Категорный синтез, структуры управления информационными потоками при передаче измерительной информации в телемедицинских измерительных системах / Ю.П. Муха // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2004. - № 4. - С. 23-29. '

61. Муха, Ю.П. Метрологические аспекты медицинских измерений / Ю.П. Муха //14 Российский симпозиум с международным участием «Миллиметровые волны в медицине и биологии»: Сб. трудов. М: ЗАО «МТА-КВЧ», 2007. - С. 258-259.

62. Муха, Ю.П. Связь метрологического анализа с теорией категорий и функторов / Ю.П. Муха // Вестник Северо-Заподного отделения Метрологической академии Спб. 2006. — Выпуск 17. - С. 47-61.

63. Неймарк, Ю.И. Метод точечных отображений в теории нелинейных колебаний / Ю.И. Неймарк. -М.: Наука, 1972. 472 с.

64. Новицикий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицикий, И.А. Зограф; 2-е изд., перераб. и доп. Д.: Энергоатомиздат, 1991.-304 с.

65. Песин, Я.Б. Характеристические показатели Ляпунова и гладкая эргоди-ческая теория / Я.Б,Песин // УМН. 1997. - Т. 32. - С. 55-112.

66. Попечителев, Е.П. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника / Е.П. Попечителев, Н.А.Кореневский. М.: Высш. шк.,2002: - 440 с.

67. Попечителев, Е.П. Методы медико-биологических исследований. Системные аспекты: учеб. пособие. / Е.П. Попечителев. -Житомир. 1997. — 186 с.

68. Пригожин, И. Порядок из хаоса: Новый диалог с природой / И. Приго-жин, И. Стенгерс; пер. И.А. Данилова. — М.: Прогресс, 1986. 432 с.

69. Рангайян, P. Ml Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход / P.M. Рангайян; пер. с англ. под ред. А.П. Немирко. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.-440 с.

70. Сахаров, В. Л. Методы и средства анализа медикобиологической информации: учеб. пособие / В. Л. Сахаров. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. — 70 с.

71. Сороко, С.И. Нейрофизиологические механизмы индивидуальной адаптации человека в Антарктиде / С.И. Сороко. — Л.: Наука, 1984. — 150 с.71