УДК 612.821:615.47:616.12-008
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРА ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОГО СИГНАЛА ЛУЧЕВОЙ АРТЕРИИ
© 2012 г. А. А. Десова, В. В. Гучук, А. А. Дорофеюк, А. М. Анохин
УРАН Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, Москва Поступила в редакцию 24.10.2011 г.
Реализован типологический анализ кривых спектральной плотности динамических рядов, формируемых из различных показателей единичных колебаний пульсового сигнала. Проведена формализованная классификация (типология) спектральных кривых в пространстве параметров — взаимных соотношений пиковых значений спектральной плотности медленных волн УЬ¥, Н¥. Определены критерии отнесения кривой спектральной плотности к тому или иному типу, которые характеризуют степень выраженности этих колебательных компонент.
Исследования проведены на основе экспериментального материала, полученного в ходе обследования детей и подростков по выявлению ранней стадии артериальной гипертензии. Проанализировано распределение объектов по типам спектральной плотности для различных параметров единичного колебания пульсового сигнала. Приведены результаты сравнительного анализа распределения типов спектра для различных параметров пульсового сигнала. Проведенный анализ позволил выявить спектральные параметры, обладающие наибольшей информативностью для дифференциальной диагностики двух классов заболеваний (1-й класс — первичная артериальная гипертензия, 2-й класс — различные функциональные патологии при нормальном артериальном давлении).
Показано, что применительно к задаче выявления признаков артериальной гипертензии в детском возрасте наибольшей информативностью обладают показатели, определяемые колебательными компонентами временного параметра дикротической волны пульсового сигнала.
Ключевые слова: ритмическая структура пульсового сигнала, типологический анализ спектральной плотности, формализованная классификация типов спектров.
В последние годы в диагностической практике достаточно широко используются методы анализа колебательной структуры параметров квазипериодических биосигналов. Большинство современных исследований в этой области направлены на оценку вариабельности сердечного ритма, отражающего механизмы регуляции физиологических функций в организме человека. Результаты этих исследований позволяют эффективно решать многие задачи диагностики и прогнозирования состояния больных, оценки функционального состояния человека, контроля эффективности лечебных процедур и ряда других задач [1, 2].
Наиболее распространенным методом анализа колебательной структуры биосигналов являются методы спектрального анализа, позволяющие количественно оценить частотные составляющие колебаний параметров биосигналов. При этом большое значение имеет объем анализируемой выборки. При коротких записях (порядка 5 мин) выделяют три главные спектральные компоненты, соответствующие диапазонам дыхательных волн и медленных волн 1-го и 2-го порядка. В западной литературе соответствующие спектраль-
ные компоненты получили названия высокочастотных (high frequency — HF), низкочастотных (low frequency — LF) и очень низкочастотных (very low frequency — VLF) (рис. 1).
Приняты [3] следующие диапазоны частот: высокочастотный диапазон HF: 0.4—0.15 Гц (2.5— 6.5 с); низкочастотный диапазон LF: 0.15—0.04 Гц (6.5—25 с); очень низкочастотный диапазон VLF:
Рис. 1. Спектральные компоненты медленноволно-вого диапазона.
51
4*
0.04—0.003 Гц (25—333 с). По данным многих исследований, высокочастотные колебания (ИШ) отражают влияние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы. Вагусная активность является основной составляющей высокочастотного компонента. Низкочастотные колебания (ЬШ) отражают преимущественно влияние симпатико-адреналовой системы, характеризуют состояние симпатического отдела вегетативной нервной системы, в частности, системы регуляции сосудистого тонуса. Очень медленные колебания (УЬШ), физиологическая интерпретация которых неоднозначна, вероятнее всего, связаны преимущественно с гуморально-метаболически-ми и церебральными влияниями.
Несмотря на значительное число работ в области анализа медленно-волновых колебаний, в том числе для практического применения в прикладной физиологии и клинической медицине, до сих пор существует много вопросов, требующих дальнейших исследований. В частности, совершенно не изучен вопрос взаимосвязи колебательных компонент различных функционально значимых элементов биосигнала.
В настоящей работе приводятся результаты анализа комплекса колебательных компонент, формируемых из различных функционально значимых элементов квазипериодического пульсового сигнала лучевой артерии. В этом сигнале находят отражение процессы сердечно-сосудистой системы, в том числе, внутрисосудистое давление, состояние артериальной стенки, волновые процессы в артериальной системе и многое другое [4]. Следует отметить, что в последнее время возрождается интерес к пульсовой диагностике. Это обусловлено, с одной стороны, высокой информативностью пульсового сигнала, подтверждаемой значительным опытом восточной медицины, а с другой стороны, высоким уровнем современной информационной технологии, обеспечивающей многосторонний анализ характеристик биосигналов.
Дальнейшее развитие методических и технических решений, касающихся анализа колебательной структуры биосигналов, позволит благодаря ее огромному диагностическому потенциалу создать новые методы диагностики, применимые для широкого класса заболеваний.
МЕТОДИКА
Анализ колебательной структуры пульсового сигнала лучевой артерии проводился на базе экспериментального материала, полученного в ходе клинических обследований по выявлению ранней стадии артериальной гипертензии (АГ) в детском и подростковом возрасте [5]. Обследования
проводились в клинике функциональной патологии Научного центра здоровья детей РАМН.
Диагностика АГ не представляет трудностей при уровнях артериального давления (АД), которые превышают пороговые значения. Задача значительно усложняется при отсутствии характерных для АГ вторичных изменений в органах и слабо выраженном или непостоянном повышении АД. В то же время диагностика таких состояний имеет большую важность для целей профилактики АГ. В настоящее время отсутствуют простые и оперативные методы выявления ранних признаков этого заболевания при нормальном давлении. В связи с этим весьма актуален поиск новых методов, отличающихся простотой реализации и позволяющих использовать их в широкой практике профилактических обследований.
В процессе исследований было обследовано более 400 пациентов в возрасте от 9 до 16 лет. В соответствии с целью исследования, направленного на выявление признаков первичной артериальной гипертензии, все виды заболеваний пациентов были разделены на два класса: 1-й класс (149 пациентов) — первичная артериальная ги-пертензия, 2-й класс (253 пациента) — различные виды психосоматической функциональной патологии при нормальном артериальном давлении, в том числе длительный субфебрилитет, ночной энурез, цефалгия напряжения и ряд других заболеваний.
Исследования проводились с помощью разработанного в Институте проблем управления макета пульсодиагностической системы на базе ПЭВМ [6]. Аппаратная часть системы состоит из оптоэлектронного датчика пульса лучевой артерии, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства сопряжения и персонального компьютера. Принцип действия датчика основан на просвечивании исследуемых сосудов световым потоком и измерении отраженного потока фотоэлектрическим преобразователем. Спецификой используемого датчика [7] является применение нескольких параллельных каналов излучатель— приемник, что позволяет существенно упростить процедуру установки датчика и обеспечить меньшую критичность к движениям пациента. Сигнал от датчика через 10-разрядный АЦП вводится в память ПЭВМ с частотой опроса 100 Гц и временем записи 300 с. Выбранные параметры позволяют практически без искажений восстанавливать исходный сигнал и обеспечивают адекватное представление его спектра во всем диапазоне частот. Комплекс программного обеспечения ориентирован на выявление информативных признаков пульсового сигнала и построение решающего диагностического правила применительно к конкретной задаче диагностики. В процессе измерения автоматически производится запись
пульсограммы и ввод сопровождающих данных пациента в архив. При этом вид пульсограммы контролируется по монитору. Предусмотрен обмен данных с архивом на всех этапах функционирования программы.
Разработанная авторами и используемая в данном исследовании методика анализа ритмической структуры квазипериодических биосигналов [8] предусматривает идентификацию функционально — значимых элементов единичных колебаний пульсового сигнала (для пульсового сигнала лучевой артерии — это систолическая, дикротическая и диастолическая волны), синхронное вычисление колебательных компонент, отражающих динамику амплитудных и временных параметров этих элементов, оценку их взаимно-корреляционных связей и степени синхронизации. Методика направлена на формирование комплекса информативных признаков сигнала и определение их диагностической значимости применительно к конкретной задаче медицинской диагностики.
Реализация методики осуществляется следующими последовательными процедурами:
1. Автоматическая разбивка сигнала на последовательный ряд единичных колебаний (квазипериодов).
2. Идентификация в каждом квазипериоде функционально-значимых элементов и вычисление их амплитудных и временных значений [8].
3. Формирование динамических рядов амплитудных и временных параметров, каждый из которых представляет собой зависимость значений данного параметра в функции от номера периода.
4. Проведение корреляционно-спектрального анализа динамических рядов, выявление колебательных составляющих динамических рядов, вычисление взаимной спектральной плотности и ряда статистических характеристик. Полученные на данном этапе оценки параметров колебательных компонент используются при формировании исходного пространства признаков для решения конкретных задач диагностики.
5. Оценка степени информативности
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.