информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: насер рафт ахмед

 Введение: 

Актуальность проблемы. Проблема оценки текущего состояния организма и его контроль имеют важное значение для человека. Высокий темп жизни, информационные перегрузки и дефицит времени оказывают все возрастающее влияние на нервную систему человека и могут являться причинами разнообразных отклонений в нормальной деятельности систем организма. Однако оценка функционального состояния человека необходима не только в медицинской практике с целью диагностики, но также и в психофизиологии. Актуальность изучения психофизиологических функциональных состояний определяется их вкладом в обеспечение эффективности и надежности деятельности человека, а также увеличением количества профессий и изменением условий труда, когда психофизиологические возможности человека становятся определяющими в развитии тех или иных состояний.

Одним из наиболее перспективных методов оценки функционального состояния человека является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР). Использование методов анализа ВСР позволяет получить количественные показатели взаимодействия различных регуляторных систем организма, оценить степень психического напряжения при выполнении тех или иных видов деятельности. Для расчета показателей ВСР наиболее широко используются записи сигналов длительностью 5 минут или 24 часа. Особенностью данной работы является исследование динамики изменения показателей сигнала сердечного ритма в процессе проведения психофизиологического исследования, длительность этапов которого варьируется от 1 до 3 минут.

Традиционные методики анализа ВСР основаны на предположении, что в пределах анализируемого фрагмента сигнал остается стационарным. На практике это возможно благодаря корректному съему сигнала в ходе исследования, а также при условии визуального контроля полученного сигнала. Однако в случае круглосуточного наблюдения за состоянием человекаоператора или холтеровского мониторирования визуальный анализ стационарности сигнала является затруднительным и даже невозможным.

Проведенный анализ показал, что, несмотря на многообразие существующих методов автоматического анализа ВСР, используемые алгоритмы оказываются недостаточно эффективными. Актуальность данной работы определяется необходимостью разработки новых методов, позволяющих повысить информативность и статистическую устойчивость вычисляемых диагностических параметров, а также формирования показателей, обеспечивающих возможность оценки динамики изменения состояния человека в процессе проведения психофизиологического тестирования.

Цель диссертационной работы: повышение качества автоматизированного контроля психофизиологического состояния человека в процессе выполнения ментальной нагрузки.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи исследования:

1. Разработка и экспериментальное исследование методов определения опорной точки желудочкового комплекса, позволяющих получать более точные и статистически состоятельные оценки частотных показателей вариабельности сердечного ритма.

2. Разработка и экспериментальное исследование методов сегментации сигнала на локально стационарные участки, использующих набор параметров, оцениваемых во временной и частотной областях.

3. Экспериментальное исследование статистических и частотных свойств сигнала сердечного ритма с целью обоснованного выбора информативных признаков и разработка решающих правил для дифференциации стадий психофизиологического тестирования.

4. Разработка и экспериментальное исследование методов оценки динамики изменения показателей сердечного ритма в ходе проведения психофизиологического тестирования.

Методы исследования. Для решения поставленных теоретических задач в диссертационной работе использовались методы математического моделирования, математической статистики, спектрального анализа, теории случайных процессов и теории распознавания образов.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием наборов реальных записей сигналов, полученных в медицинских учреждениях, а также при проведении психофизиологических исследований. Программное обеспечение для проведения экспериментов разрабатывалось с использованием пакета MATLAB.

Научная новизна результатов заключается в разработке и исследовании:

• метода определения опорной точки желудочкового комплекса, основанного на интегральных характеристиках электрокардиосигнала;

• метода оценки степени нестационарности сигнала и его сегментации на локально стационарные участки, учитывающего статистические и частотные свойства сигнала;

• метода количественной оценки отличия состояния покоя от нагрузки в процессе психофизиологического тестирования, основанного на использовании информативных признаков, рассчитываемых как во временной, так и в частотной областях;

• метода оценки динамики изменения статистических и частотных показателей сигнала сердечного ритма, рассчитываемых по коротким интервалам.

Практическую ценность работы представляют следующие результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Алгоритмы расчета показателей ВСР длй оценки динамики изменения психофизиологического состояния человека при выполнении ментальной нагрузки.

2. Алгоритмы оценки степени нестационарности сигнала сердечного ритма, предназначенные для использования в системах контроля психофизиологического состояния человека.

3. Программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы и предназначенное для использования в автоматизированных системах контроля сердечного ритма.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение точности вычисления длительности RR-интервала достигается за счет использования методов, основанных на интегральных характеристиках сигнала, а также двух синхронно снимаемых отведений вместо одного.

2. Оценка степени нестационарности сигнала наиболее эффективно осуществляется за счет использования интегрального показателя, основанного на контроле изменения среднего значения, стандартного отклонения, угла наклона линейного тренда и ошибки предсказания авторегрессионной модели.

3. Задача дифференциации психофизиологических состояний в динамике наиболее эффективно решается за счет использования правила, основанного на произведении трех показателей: среднего значения, стандартного отклонения и сдвига автокорреляционной функции до первого пересечения нуля.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы на кафедре БМЭиОС СПбГЭТУ по проекту РФФИ 06-08-01247-а «Компьютерный комплекс мониторного контроля ЭКГ» (2006 - 2008), в ОКР по теме: "Разработка технологий управления подачей анестетических газов и создание опытных образцов наркозно-дыхательного комплекса" (шифр 2009-02-2.2-0405 по государственному контракту № 02.522.11.2020 от 10 марта 2009 г.), а также в работах, проводимых рядом организаций: ООО«Биосигнал» — пакет прикладных программ для функциональных исследований по ЭКГ «Кардио

Кит»; Санкт-Петербургский государственный университет, факультет Психологии - грант №00014-08-1-0731 «Технология оценки устойчивости обучения к воздействию стрессовых факторов».

Результаты диссертационной работы были внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в форме материала для лекций и лабораторных работ по дисциплинам: «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных», «Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях».

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации были доложены и получили одобрение на следующих конференциях и симпозиумах: Международных конференциях «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (РОАИ-8-2007, Йошкар-Ола; РОАИ-9-2008, Нижний Новгород.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2006 - 2009 гг.), научно-технической конференции НТО РЭС им. А. С. Попова (2006 - 2008 гг.); Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (КАРДИОСТИМ-2008, С.-Петербург); научных семинарах кафедры Биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них — 3 статьи (опубликованные в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ - 2 статьи), 7 работ - в материалах российских и международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, списка условных обозначений и аббревиатур. Основная часть работы изложена на 165 страницах машинописного текста. Работа содержит 48 рисунков и 30 таблиц.

Заключение: 

Выводы

Разработанные методы и алгоритмы оценки степени нестационарности сигнала сердечного ритма и автоматической сегментации сигнала на локально стационарные участки внедрены в пакет прикладных программ для функциональных исследований по ЭКГ «КардиоКит», а также в состав программного комплекса для проведения психофизиологического тестирования, разработанного на факультете Психологии СПбГУ. Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в форме материала для лекций и лабораторных работ по дисциплинам: «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных» и «Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях».

Заключение

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований, представленных в работе, были разработаны методы, позволяющие повысить качество автоматизированного контроля психофизиологического состояния человека в условиях ментальной нагрузки по параметрам сигнала сердечного ритма.

1. Разработан метод определения опорной точки желудочкового комплекса, основанный на анализе интегральных характеристик сигнала и использовании двух синхронно снимаемых отведений, обладающий наилучшей помехоустойчивостью и устойчивостью к снижению частоты дискретизации.

2. Проведено исследование влияния частоты дискретизации на точность вычисления спектральных показателей ВСР. Установлено, что снижение частоты дискретизации в диапазоне от 100 до 500 Гц не оказывает существенного влияния на точность расчета спектральных показателей ВСР.

3. Разработан метод оценки степени-нестационарности сигнала и сегментации на локально стационарные участки, основанный на совместном использовании четырех параметров: среднее значение, среднеквадратическое отклонение, угол наклона линейного тренда и ошибка предсказания авторегрессионной модели.

4. Разработан метод, позволяющий получить количественную оценку отличия состояния покоя от нагрузки в процессе психофизиологического тестирования, основанный на использовании информативных признаков, рассчитываемых как во временной, так и в частотной областях.

5. Экспериментальные исследования показали, что при использовании произведения трех параметров "среднее значение", "стандартное отклонение" и "сдвиг АКФ до первого пересечения нуля" средняя ошибка классификации уменьшилась на 7,5% по сравнению с наилучшим методом для параметров, рассматриваемых по отдельности, основанном на использовании показателя "стандартное отклонение".

6. Разработан метод расчета показателей ВСР, определяемых по коротким интервалам и характеризующих динамику изменения психофизиологического состояния человека при выполнении ментальной нагрузки.

7. Создано программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы и предназначенное для использования в автоматизированных системах контроля сердечного ритма.

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

8 + 1 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии