Введение

Разработка новых методов медицинской диагностики и современного диагностического оборудования на их основе является приоритетным направлением развития медицины и здравоохранения. В последние годы растет понимание того, что здоровье человека определяется не только состоянием отдельных органов и систем организма, но и качеством их функционального взаимодействия. Например, было показано, что у здоровых людей основные ритмы сердечно-сосудистой системы, а именно, главный сердечный ритм, дыхание и низкочастотные колебания сердечных сокращений и кровяного давления с собственной частотой 0,1 Гц, находятся в состоянии достаточно высокой степени синхронизации между собой, что обеспечивает хорошую адаптацию организма [1-5]. Однако такая синхронизация может быть нарушена при развитии патологических процессов в сердечно-сосудистой системе, возникающих, например, при остром инфаркте миокарда, при котором происходит разрушение нормальных функциональных взаимосвязей между различными подсистемами регуляции сердечно-сосудистой системы [6]. Информация о степени синхронизованности ритмов сердечно-сосудистой системы оказывается важной для диагностики ее состояния [7-14], является дополнительным критерием оценки кардиоваскулярного риска, а также эффективности и безопасности лечения у пациентов с такими заболеваниями как артериальная гипертония и ишемическая болезнь сердца [15-25].

Анализ синхронизованности ритмов сердечно-сосудистой системы обычно проводится по относительно коротким временным рядам. Переход от анализа коротких реализаций к анализу данных, полученных в ходе суточного наблюдения, может дать важную дополнительную информацию о взаимодействии подсистем регуляции сердечно-сосудистой системы [26]. В данной работе нами разработано компактное, автономное, носимое на теле устройство для суточного анализа синхронизованности ритмов сердечно-сосудистой системы.

Метод поиска участков синхронизации

В предшествующих работах было обнаружено, что для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы на основе анализа синхронизованности ее ритмов наиболее информативной оказывается оценка синхронизации между низкочастотными (НЧ) колебаниями сердечных сокращений и кровяного давления человека с собственной частотой около 0,1 Гц [7-14]. Для оценки синхронизации между НЧ колебаниями сердечно-сосудистой системы ранее был предложен следующий способ [11]. Сигналы электрокардиограммы (ЭКГ) и фотоплетизмораммы (ФПГ) со среднего пальца испытуемого одновременно регистрировались при спонтанном дыхании. Сигнал оцифровывались с частотой дискретизации 250 Гц и разрядностью 14 бит. Длительность  каждой записи в нашем эксперименте была 10 минут.

На рисунках 1a и 1b приведены характерные участки экспериментальных записей. Выделяя из сигнала ЭКГ последовательность RR интервалов, ряд временных интервалов между двумя последующими R пиками, получали информацию о вариабельности сердечного ритма. Для получения эквидистантного ряда RR интервалов проводилась аппроксимация кубическими сплайнами и перевыборка с частотой 5 Гц исходного неэквидистантного ряда (рис. 1c).

Рис. 1. Временные реализации сигнала ЭКГ(a), сигнала кровенаполнения сосудов (b), и последовательность RR интервалов (c). Сигналы ЭКГ и ФПГ приведены в произвольных единицах.

На спектре мощности последовательности RR интервалов выделяются четкие характерные пики на частотах f_r и f_h, связанные с респираторными и НЧ колебаниями сердечного ритма, соответственно (рис. 2a). На спектре мощности сигнала ФПГ выделяются пики на частотах f_r and fp, связанные с респираторными и НЧ колебаниями артериального давления, соответственно (рис. 2b).

Рис. 2. Спектр мощности последовательности RR интервалов (a) и сигнала ФПГ (b). Частоты f_r связаны с респираторными колебаниями, а частоты f_h и fp связаны с НЧ колебаниями.

Для выделения НЧ компонент последовательности RR интервалов и сигнала ФПГ использовался полосовой фильтр (0,05-0,15 Гц). С помощью преобразования Гильберта были введены фазы f₁ и f₂ этих компонент, а также рассчитана их разность . Наличие фазовой синхронизации определяется условием . В этом случае разность фаз j(t) колеблется около постоянного значения. Регистрировались участки синхронизации – области, где j колеблется во времени около постоянного значения, считалась общая длительность S, и выражалось в процентах от общей длительности записи T: , где d_k длительность k-ого участка синхронизации и N общее число участков. Индекс S определял относительное время синхронизации между рассматриваемыми 0,1 Гц ритмами.

Для автоматизации метода поиска участков с фазовой синхронизацией был разработан алгоритм на основе линейной аппроксимации мгновенной разницы фаз j(t) в скользящем окне. Временной ряд j(t), нормированный на 2p, линейно аппроксимировался в окне шириной b, с помощью метода наименьших квадратов (рис. 3a). В результате, в момент времени t_i, отвечающий за середину окна, получали коэффициент a_i – угол аппроксимирующей прямой (рис. 3b). Двигаясь окном по одной точке вдоль всего ряда j(t), мы рассчитывали угол a_i+1 для момента времени t_i+1, и т.д. В областях фазовой синхронизации относительное значение j(t) выходило на плоский уровень вблизи малого постоянного значения . Области малого значения  определялись как участки синхронизации, если выполнялось условие , где a пороговое значение. Отметим, что вторым необходимым условием наличия синхронизации является большое время длительности области малого  значения. Время длительности этой области должно превышать значение l (рис. 3b), чтобы исключить короткие участки с высокой вероятностью случайного совпадения мгновенной фаза колебаний. Также следует отметить, что конечная ширина скользящего окна не позволяет исследовать синхронизацию в начальных и конечных областях j(t), где ее длительность составляет b/2. Похожий метод поиска синхронизации колебаний дыхания и сердечного ритма использовали в [27]. Однако данный метод основан на анализе синхрограмм вместо изменений относительной фазы.

Рис. 3. Иллюстрация автоматической процедуры регистрации участков фазовой синхронизации: (a) линейная аппроксимация нормированной фазы j(t) в скользящем окне; (b) угол аппроксимирующей линии.

Эффективность метода для поиска участков синхронизации тестировался в зависимости от выбора параметров b, a, и l. Значение индекса S уменьшалось при уменьшении  и при увеличении l. Зависимость S от параметра b не монотонна. При выборе параметров метода мы руководствовались следующей концепцией: автоматическая процедура должна идентифицировать области синхронизации аналогично обычно используемой визуальной диагностике поиска участков синхронизации. Было установлено, что это выполняется, если параметр l порядка 1–2 характерных периодов колебаний, параметр b близок по величине характерному периоду колебаний и  из диапазона 0,005–0,01. Обычно использовались следующие фиксированные значения параметров:b=13 c, =0,01 и l=16 c, для исследований всех экспериментальных записей.

Длительная оценка синхронизации между 0,1 Гц колебаниями сердечного ритма и артериального давления

Анализ синхронизации ритмов сердечно-сосудистой системы проводился нами по относительно коротким временным рядам, длительность которых обычно не превышала 30 минут. Исследуемые экспериментальные сигналы записывались нами в клинике или в научной лаборатории с помощью стационарного оборудования фирмы Медиком.

Переход от анализа коротких реализаций к анализу данных, полученных в ходе суточного наблюдения, может дать качественно новую информацию о степени взаимодействия подсистем сердечно-сосудистой системы. Для расширения возможностей диагностики важной задачей является разработка компактного, автономного, носимого на теле устройства, осуществляющего суточный анализ синхронизованности ритмов в реальном времени. Применение такого устройства, способного передавать лечащему врачу записанные и обработанные данные о состоянии пациента, находящегося в группе риска или проходящего курс реабилитации, в перспективе позволит решить задачу непрерывного удаленного контроля состояния пациента и в случае необходимости, своевременно назначать и корректировать лечение.

Создание носимого на теле устройства для суточного анализа синхронизации 0,1 Гц ритмов сердца и кровяного давления требует решения ряда технических задач. Устройство должно быть легким, компактным, иметь низкое энергопотребление и обеспечивать качество регистрации сигналов, достаточное для диагностики синхронизации. Первый разработанный нами экспериментальный образец осуществлял суточную регистрацию ЭКГ и ФПГ. Однако он имел достаточно большие размеры (160x80x20 мм), массу более 200 г. и энергопотребление более 100 мА.

В [28] было показано, что синхронизация между различными процессами может быть выявлена даже из анализа унивариантных данных.

В ходе проведенных исследований оказалось, что удается отказаться от одновременной регистрации ЭКГ и ФПГ и ограничиться регистрацией единственного сигнала ФПГ, из которого с помощью специальной процедуры выделяются ритмы исследуемых систем. Это позволило уменьшить массу, габариты и энергопотребление устройства, а также значительно улучшить его эргономику. Такое решение позволяет также существенно упростить схемотехническую реализацию устройства.

В этом случае информацию о вариабельности сердечного ритма мы должны извлечь из сигнала ФПГ, а не ЭКГ. Для этого вместо последовательности RR интервалов, выделяемой из ЭКГ, выделим из ФПГ последовательность интервалов времени между двумя последовательными основными пиками (рис. 1b). Обозначим эту последовательность rr интервалы.

Исследования показывают, что ряд rr интервалов почти совпадает с рядом RR интервалов (рис. 1a). Так как r пики в ФПГ менее острые, чем R пики в ЭКГ, их труднее выделить. В результате, некоторые rr интервалы немного отличаются от соответствующих RR интервалов. Однако число таких rr интервалов в наших исследованиях было менее 5%. Мы сравнили значения показателя синхронизации S 0.1-Гц колебаний сердечного ритма и кровяного давления, рассчитанные по бивариантным данным (ЭКГ и ФПГ) и по унивариантным данным (только ФПГ). При анализе записей 5 здоровых испытуемых и 5 пациентов, перенесших инфаркт миокарда, разница значений S, рассчитанных двумя указанными способами не превышала 2%. В результате нами был сделан вывод о возможности анализа унивариантного сигнала ФПГ для диагностики синхронизованности регуляторных ритмов сердечно-сосудистой системы.

Мы разработали компактное носимое устройство с автономным питанием для суточной записи сигнала ФПГ. Устройство включает следующие основные элементы: активный пальцевой датчик ФПГ с цифровым выходом,  органы управления и индикации, канал связи с персональным компьютером, работающий на скорости 2 Мбит/c, энергонезависимую флеш-память, а также микроконтроллер, управляющий работой всех элементов устройства. Система автономного питания включает Li-Pol battery, цепи контроля ее заряда и разряда, low-drop voltage linear regulator. Фотография изготовленного экспериментального образца представлена на рис. 4.

Рис. 4. Фотография экспериментального образца устройства, регистрирующего сигнал ФПГ.

В качестве сенсора, регистрирующего пальцевую ФПГ, использована специализированная транзисторная оптопара, работающая на отраженном свете в ИК диапазоне. Особенностью устройства пальцевого датчика является размещение 24 битного прецизионного сигма-дельта АЦП с предусилителем и anti-aliasing filter непосредственно на пальце рядом с оптическим сенсором. Выходной сигнал такого датчика цифровой (высокоскоростной Serial Peripheral Interface ‑ SPI). Благодаря этому, полезный сигнал, передаваемый по проводам от датчика к основному блоку, не подвергается искажениям и не зашумляется.

Соединение с компьютером реализуется через USB с помощью драйвера Virtual COM Port – VCP на скорости 2 Мбит/с.

Устройство имеет размеры 90x50x13 мм и массу 80 г. Оно крепится на руке, а датчик на пальце (рис. 5).

Рис. 5. Устройство и датчик на теле испытуемого

На данном этапе сигнал ФПГ, записанный с помощью представленного на рис. 6 экспериментального образца, передается после окончания съема данных в компьютер, в котором происходит его обработка и анализ синхронизации ритмов с помощью разработанного нами программного обеспечения.

На следующем шаге мы планируем оценивать синхронизацию 0,1 Гц ритмов сердца и кровяного давления в реальном времени с помощью малогабаритного микропроцессора с малым энергопотреблением c ядром ARM или AVR.

Анализ синхронизации исследуемых процессов в реальном времени на базе микроконтроллера требует модификации используемых алгоритмов обработки сигналов. В частности, для фильтрации сигналов предлагается использовать нерекурсивный цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, например, фильтр Блэкмана с полосой пропускания 0,06-0,14 Гц. Преобразование Гильберта, используемое для выделения мгновенных фаз сигналов в реальном времени, также предлагается реализовать в виде дискретного нерекурсивного цифрового КИХ-фильтра.

Смоделировав на компьютере ситуацию регистрации сигнала ФПГ в реальном времени, мы оценили требуемые вычислительные ресурсы для анализа синхронизации исследуемых 0,1 Гц ритмов в реальном времени и подобрали параметры модифицированного алгоритма. Установлено, что технические характеристики используемого в созданном устройстве микроконтроллера позволяют использовать его для анализа синхронизации ритмов в реальном времени.

Заключение

Разработанный нами метод оценки синхронизации регуляторных ритмов сердечно-сосудистой системы оказывается полезным для диагностики ее состояния. Он позволяет оценивать вероятность выживания пациентов, перенесших острый инфаркт миокарда, и помогает в выборе и корректировке медикаментозной терапии при лечении таких пациентов. Установлено, что диагностику синхронизации низкочастотных колебаний сердечного ритма и кровяного давления можно проводить по унивариантным данным, представляющим собой запись сигнала ФПГ.

Разработан экспериментальный образец автономного, носимого на теле устройства для суточной регистрации сигнала ФПГ и создано программное обеспечение для оценки по этому сигналу показателя синхронизации 0,1 Гц колебаний сердечного ритма и кровяного давления. Исследована возможность диагностики синхронизации исследуемых ритмов в реальном времени.

В дальнейшем планируется совместить процесс регистрации и обработки экспериментальных данных в одном устройстве. Мы разрабатываем устройство, которое сможет осуществлять суточную регистрацию ФПГ и рассчитывать показатель синхронизации 0,1 Гц ритмов сердечно-сосудистой системы в реальном времени. Особое внимание будет уделено уменьшению размеров, массы и энергопотребления устройства, а также улучшению эргономики.

Переход от анализа коротких реализаций к анализу данных, полученных в ходе длительного наблюдения, расширяет возможности диагностики и может дать важную дополнительную информацию о функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы.

Работа выполнена при поддержке РФФИ №14-08-31145, №13-02-00227, грантов и стипендии Президента РФ МК-2267.2014.8, СП-3975.2013.4, НШ-1726.2014.2, гранта «У.М.Н.И.К.», стипендии фонда некоммерческих программ «Династия».