А.А. Михеев – д.т.н., профессор, кафедра автоматизированных систем управления,  Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина

E-mail: maa0312@yandex.ru

Т.А. Витязева – ассистент, кафедра автоматизированных систем управления;  аспирант, кафедра информационно-измерительной и биомедицинской техники,  Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина

E-mail: vsv630@yandex.ru

Постановка проблемы. При совместной обработке сигналов ритма сердца и дыхания в целях анализа состояния организма человека, если не предприняты специальные меры, отсчеты огибающей кардиоритмограммы и пневмограммы соответствуют различным моментам времени, что приводит к искажению оценки корреляционного отношения и снижению достоверности анализа. Возникает проблема синхронизации сигналов кардиоритмограммы и пневмограммы. 

Цель – нахождение на этапе регистрации сигналов кардиоритмограммы и пневмограммы процедуры их обработки, обеспечивающей максимальную синхронизированность друг с другом по времени.

Результаты. Разработана процедура выборки отсчетов сигнала дыхания, согласованная с моментами времени, определяемыми началом очередного цикла сердечных сокращений с их задержкой на время формирования очередного участка огибающей сигнала кардиоритмограммы. В этом случае для обеспечения синхронной регистрации сигналов в момент начала каждого n-го очередного цикла сердечного сокращения (кардиоцикла) берут n-й отсчет сигнала пневмограммы и задерживают его на время до следующего (n+1)-го цикла сердечного сокращения. В этот же момент, соответствующий началу каждого n-го очередного цикла сердечного сокращения, начинают измерение длительности текущего n-го кардиоцикла. В момент начала следующего (n+1)-го кардиоцикла запоминают значение длительности предыдущего n-го кардиоцикла и запоминают значение задержанного n-го отсчета сигнала пневмограммы. Таким образом, регистрация n-го отсчета пневмограммы и значения длительности n-го кардиоцикла произойдет в один и тот же момент времени, обеспечивая формирование синхронизированных временны́х последовательностей кардиоритмограммы и пневмограммы. С целью моделирования разработан набор программ, позволяющий сформировать последовательность моментов времени, соответствующих началам циклов сердечных сокращений, с последующим формированием отсчетов сигнала дыхания в эти моменты времени. Сигнал дыхания моделируется простым гармоническим сигналом. Сигнал на выходе детектора циклов сердечных сокращений моделируется последовательностью прямоугольных импульсов с переменной частотой. Путем моделирования показано, что предложенная согласованная регистрация сигналов пневмограммы и кардиоритмограммы позволяет существенно повысить достоверность оценки влияния дыхания на ритм сердца. Предложенный способ более чем на 10% превосходит по качеству подход, использующий дополнительную обработку, которая к тому же требует существенных вычислительных затрат. По сравнению с анализом сигналов без синхронизации выигрыш может достигать более 50%.

Практическая значимость. Предложенный способ формирования синхронизированных последовательностей кардиоритмограммы и пневмограммы может быть использован при анализе адаптационных возможностей организма и принимаемых на их основе диагностических заключений.

1. PanW., He A., Feng K., Li Y., Wu D., Liu G. Multi-Frequency Components Entropy as Novel Heart Rate Variability Indices in Congestive Heart Failure Assessment // IEEE Access. 2019. V.7. P. 37708–37717.
2. Task Force of the European Society of Cardiology and North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation and clinical use // Circulation. 1996. V. 93(5). P. 1043–1065.
3. Даниченко М.Ю., МельникО.В., Михеев А.А., Соломаха В.Н., Шувалов П.Л.  Оценка синхронизированности деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма // Биотехносфера. 2013. № 1(25). С. 2–6.
4. Патент № 2392848 (РФ). Способ диагностики стресса у человека / Р.П. Карасев, М.М. Лапкин. 2009.
5. Rangayyan R.M. Biomedical Signal Analysis. A Case-Study Approach. Calgary: John Wiley & Sons, Inc. 2002. P. 552.
6. Патент № 2219828 (РФ). Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления / О.А. Зуйкова, А.А. Михеев. 2003.
7. Vityazeva T., Vityazev S., Mikheev A.a Synchronization of Heart Rate and Respiratory Signals for HRV Analysis // 7th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). 2018. P. 549–552.