Способ анализа нарушений регуляции гемодинамики
Владельцы патента RU 2578367:
НИКОЛАЕВ Дмитрий Викторович (RU)
ТУЙКИН Салават Анасович (RU)
ФЕДОРОВ Виктор Федорович (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно способу диагностики сердечнососудистой системы. Выполняют непрерывную регистрацию электрокардиосигнала и центральной реограммы при проведении функциональной нагрузочной пробы. Осуществляют выделение из сигнала ЭКГ длительностей кардиоциклов, а из реограммы - величин ударного объема и общего периферического сопротивления. Причем в качестве тестирующей нагрузки используют активную ортоклиностатическую пробу. Так, в каждой фазе теста регистрируют от двухсот до четырехсот кардиоциклов, анализу подвергают, кроме исходных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления в каждом кардиоцикле, нормированные временные последовательности. Последовательности состоят из логарифмов относительных изменений исходных величин, получаемых логарифмированием отношений текущего значения каждого из регистрируемых параметров к предыдущему. После чего статистические параметры исходных и нормированных временных рядов используют для автоматизированного отнесения обследованного пациента к одной из известных групп. Способ позволяет повысить информативность метода анализа нарушений регуляции гемодинамики, а также осуществить дифференциальную диагностику сердечнососудистых патологий. 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 11 табл.
Область изобретения
Изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии и физиологии. Уровень техники
Известны способы анализа нарушений регуляции гемодинамики, связанные с анализом ритма сердца, как описывается, например, в «Heart Rate Variability - Standards of Measurement, Physiological Interpretation, and Clinical Use, Task Force» of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology, Circulation, 93, 1043-1065, 1996, и в «Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем. Методические рекомендации. Подготовлены в соответствии с решением Комиссии по клинико-диагностическим приборам и аппаратам Комитета по новой медицинской технике МЗ РФ (протокол №4 от 11 апреля 2000 г. )». Вестник аритмологии, №24, С-Пб., 2001 г. С. 65-87, Баевский P.M., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В., Гаврилушкин А.П., Довгалевский П.Я., Кукушкин Ю.А., Миронова Т.Ф., Прилуцкий Д.А., Семенов Ю.Н., Федоров В.Ф., Флейшман А.Н., Медведев М.М.
В названных способах анализируется только ритм сердца, что является существенным недостатком, т.к. по представлениям классической физиологии основной целевой функцией системы кровообращения (гемодинамики) является транспорт кислорода к нагруженным органам (мозгу, сердцу, мышцам и др.), что известно, например, из документов: «Физиология кровообращения. Регуляция кровообращения» под ред. Ткаченко Б.И., Л., Наука, 1986, 640 с, и «Физиология человека» в 3-х томах, изд. 2-е, дополненное и переработанное, под ред. Шмидта Р. и Тевса Г., перевод с англ. под ред. Костюка П.Г. М., Мир, 1996: (Т.II. Процессы нервной и гуморальной регуляции. Кровь и система кровообращения. Дыхание, с. 414). Транспорт кислорода к нагруженным органам обеспечивается, как минимум, тремя механизмами: регулированием ритма сердца, регулированием ударного объема сердца и регулированием просвета сосудов малого калибра (общего периферического сопротивления сосудов).
При ряде патологий регуляция гемодинамики нарушается не во всех регуляторных механизмах, а только в одном или двух из трех. Соответственно, в ритме сердца может не быть нарушений, а, в то же время, у пациента наблюдаются гемодинамические нарушения, приводящие к снижению уровня снабжения кислородом нагруженных органов ниже допустимого предела.
Вторым существенным недостатком известных способов является то, что в них исследуются только абсолютные значения длительностей сердечных циклов, в то время как из физиологии известно, что абсолютные значения зависят как от антропометрических характеристик организма пациента (роста, конституции), так и от поло-возрастных особенностей. В известной работе Шмидта-Нельсона (смотрите: Шмидт-Нельсон К. «Размеры животных: почему они так важны?» пер. с англ. В.Ф. Куликова, И.И. Полетаевой; под ред. Н.В. Кокшайского. - М.: Мир, 1987. - 259 с.) анализируется зависимость ритма сердца от размеров млекопитающих вообще: «У всех млекопитающих сердце имеет одинаковое строение, и на какое-то время мы можем предположить, что ударный объем пропорционален размеру самого сердца. Таким образом, снижение и относительной потребности в кислороде, и кровотока достигается у больших животных не в результате относительного уменьшения сердца или ударного объема, а путем снижения частоты сокращений». И там же: «… частота сердечных сокращений у теплокровных существ тем выше, чем меньше их масса (в общем случае - fC=241MT -0,25, где fC - частота сердечных сокращений в мин-1, МТ - масса тела в кг)».
Третьим существенным недостатком известных способов является то, что анализу подвергаются данные, полученные в состоянии покоя, в то время как из физиологии, кибернетики и функциональной диагностики известно, что значительно информативнее исследование при изменении состояния системы (т.е. при нагрузке и отмене нагрузки) (смотрите, например, документы: Ермилов Л.П., Цырлин В.А., Кулешова Е.В., Бершадский Б.Г., Нифонтов Е.М. «Многофакторный анализ динамики частоты сердечных сокращений при физической нагрузке у больных ишемической болезнью сердца как способ оценки миокардиального резерва» Кардиология. 1989, январь, 29 (1): 63-8, и Кудряшев В.Е., Белецкий Ю.В., Иванов С.В., Лабуцкий А.К. «Сравнительная ценность электрокардиографических критериев ишемии миокарда в пробах с физической нагрузкой» Клиническая медицина. М., 1990 июль; 68 (7): 40-2, и Кутузова А.Э., Перепеч Н.Б., Евдокимова Т.А. «Гемодинамический ответ на изометрические нагрузки у здоровых лиц с различными типами кровообращения» Физиология человека, 1995, Т. 31, №2, С.74-80).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является способ анализа суточной вариабельности ритма сердца, описанный в патенте РФ №2417741, в котором анализируются не исходные значения длительностей сердечных циклов, а их разности (RRi+1-RRi). В названном способе анализа суточной вариабельности ритма сердца рассчитывают параметры разностей (RRi+1-RRi), последовательно идущих интервалов, и по величине этих разностей, соотношению положительных и отрицательных разностей и времени, за которое сумма положительных и отрицательных разностей становится равной нулю, оценивают динамические особенности вегетативного баланса, преобладание симпатических или парасимпатических звеньев регуляции и сбалансированность их влияний на сердечную деятельность.
Названному способу присущи три из вышеназванных недостатков: он не учитывает других механизмов регуляции гемодинамики, анализирует данные вне тестирующих нагрузок и основан на абсолютных значениях, зависящих от антропометрических и половозрастных характеристик пациента.
Из патента РФ №2141246 известен способ исследования вариабельности ритма сердца, использующий функциональную пробу - нагрузку, в частности ортостатическую пробу (исследование в положениях «лежа» и «стоя»). Названному способу так же присущи недостатки.
Во-первых, в нем используются спектральные методы анализа (как, впрочем, и в других упомянутых выше способах), интерпретация результатов которых существенно зависит от антропометрических характеристик организма пациента (роста, конституции) и от половозрастных особенностей.
Покажем количественно такие зависимости.
Возьмем реальную запись хронокардиограммы пациента (с точностью ±1 мс), затем умножим и разделим исходные длительности кардиоциклов на коэффициент 1,2 (что может соответствовать реальной ЧСС у пациентов) и получим следующие векторы значений (Таблица 1):
| Таблица 1 | ||
| Численный эксперимент. Преобразование векторов первичных параметров. Первые три строки каждого вектора отображают дату и время проведения исследования и количество значений в векторе, показаны первые 6 значений каждого вектора. | ||
| N:1,2 | Исходные данные | N×1,2 |
| 10.11.00 | 10.11.00 | 10.11.00 |
| 11:59:29 | 11:59:29 | 11:59:29 |
| 659 | 659 | 659 |
| 890 | 1068 | 1282 |
| 840 | 1009 | 1211 |
| 898 | 1078 | 1294 |
| 856 | 1028 | 1234 |
| 882 | 1059 | 1271 |
| 860 | 1032 | 1238 |
Для начала проведем обработку полученных массивов во «временной области» классической дескриптивной статистикой. Результаты обработки представим в виде таблицы 2.
| Таблица 3 | ||
| Расшифровка обозначений в таблице 2. | ||
| № п/п | Обозначение | Расшифровка обозначения |
| 1 | mHR | Среднеарифметическая частота сердечных сокращений (heart rate) |
| 2 | mRR | Среднеарифметическая длительность RR-интервала |
| 3 | MRR | Статистическая мода длительности RR-интервалов |
| 4 | sdRR | Среднеквадратичное отклонение (standard deviation) длительностей RR-интервалов |
| Ь | VRR | Коэффициент вариации (variance) длительностей RR-интервалов |
| 6 | AsRR | Асимметрия (скошенность) распределения длительностей RR-интервалов |
| 7 | ExRR | Обостренность (эксцессивность) распределения длительностей RR-интервалов |
Как видно из полученных результатов (в таблице 1 выделены значения для 1-ой фазы теста), параметры, отражающие усредненные абсолютные значения, закономерно и ожидаемо изменялись при «замедлении» и «ускорении» ритма, а параметры, отражающие относительные значения (VRR, AsRR, ExRR), остались практически неизменными (что столь же закономерно и ожидаемо).
Но эта таблица отражает «временную область», а что же в «частотной области»?
В способах, известных из уровня техники, выделяются следующие диапазоны частот: высокие (HF - 0,15-0,4 Гц), низкие (LF - 0,04-0,15 Гц), очень низкие (VLF - 0,003-0,04 Гц), ультранизкие (ниже 0,003 Гц), вне всякой связи с антропометрическими и иными особенностями пациентов. При этом утверждается, что высокочастотная часть спектра (HF - high frequency) отражает парасимпатические влияния на ритм сердца (воздействие блуждающего нерва - вагуса), низкочастотная - симпатические. «Корректность» этих утверждений с точки зрения физиологии хорошо видна на графиках, приведенных на Фиг. 1.
Подвергнув каждый из трех векторов (смотрите Таблицу 1) спектральному преобразованию в соответствии с рекомендациями, получим картину, отображенную на Фиг. 1.
Если верить полученным картинкам и утверждениям рекомендаций, то при «искусственной брадикардии» влияние вагуса (парасимпатических звеньев регуляции) снижается, а при «искусственной тахикардии» - повышается. Однако это противоречит как классическим руководствам по физиологии (смотрите, например, «Физиология кровообращения. Регуляция кровообращения.» Под ред. Ткаченко Б.И., Л., Наука, 1986, 640 с., и «Физиология человека» в 3-х томах, изд. 2-е, дополненное и переработанное, под ред. Шмидта Р. и Тевса Г., перевод с англ. под ред. Костюка П.Г. М., Мир, 1996: (Т. II. Процессы нервной и гуморальной регуляции. Кровь и система кровообращения. Дыхание. С.414)), так и множеству других работ по хронотропной регуляции сердца со стороны нервной и эндокринной систем. Иначе говоря, с точки зрения физиологии, некоторые утверждения рекомендаций не выдерживают серьезной критики.
Исходя из сказанного, гораздо более корректной представляется разбивка на диапазоны с учетом реальной средней частоты сердцебиений (ЧСС). Например, если принять вышеназванные границы деления на диапазоны при средней ЧСС 60 ударов в мин (или 1 Гц) за выбранные верно, то при средней ЧСС в 120 ударов в мин (или 2 Гц) эти границы должны сдвинуться вдвое вверх, а при ЧСС в 40 - в полтора раза вниз.
Однако и сама идея точных границ диапазонов уже давно не бесспорна при проведении классификации по количественным параметрам (смотрите, например, Тэрано Т. и др. «Прикладные нечеткие системы.», пер. с японского. - «Мир», М., 1993, и Zadeh L.A. «A Fuzzy Algorithm Approach to the Definition of Complex or Imprecise Concepts. E.R.L. Report M474.» Univ. of California - Berkeley.) и в медицине все чаще находят свое место подходы на основе «нечеткой логики» (смотрите, например, Кобринский Б.А. Нечеткая логика в анализе образных представлений в медицинских системах искусственного интеллекта. // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям: Сб. докл. T. I. СПб, 22-26 июня 1998 г. С. 233-235, и Кобринский Б.А. Нечеткий образный ряд в клинической медицине. // Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте: Сб. науч. тр. V-й Междунар. научно-практ. конф. (Коломна, 28-30 мая 2009 г.). T. I. - М.: Физматлит, 2009. - С. 121-127). В практике хронокардиографических измерений нередко наблюдается наличие некоего частотного максимума именно на одной из границ между частотными диапазонами и практически нулевой мощности колебаний в их центре. Вероятно, это говорит об условности границ и их неудачном расположении для данного индивида. Сама собой напрашивается процедура внутреннего нормирования на среднюю ЧСС как при применении спектральных алгоритмов анализа, так и при применении статистических методов.
Во-вторых, в способе, раскрытом в патенте РФ №2141246, теряется важная информация, связанная с восстановлением после нагрузки (обратным переходом из положения «лежа» в положение «стоя»). Характер восстановления отражает адаптивность организма (в иных терминах - адаптационный резерв), т.е. готовность к изменению функционирования при изменении внешних условий.
Сущность изобретения
Целью изобретения является повышение информативности методов анализа нарушений регуляции гемодинамики, в частности при построении систем автоматизированной диагностики, в том числе дифференциальной диагностики сердечнососудистых патологий, путем преодоления названных недостатков известных способов.
Данная цель достигается посредством заявленного способа анализа нарушений регуляции гемодинамики, включающего непрерывную регистрацию электрокардиосигнала и центральной реограммы при проведении функциональной нагрузочной пробы, выделение из сигнала ЭКГ длительностей кардиоциклов, а из реограммы - величин ударного объема и общего периферического сопротивления, а также обработку выделенных параметров методами дескриптивной статистики, отличающегося тем, что в качестве тестирующей нагрузки используют активную ортоклиностатическую пробу (лежа-стоя-лежа), причем в каждой фазе теста регистрируют от двухсот до четырехсот кардиоциклов, анализу подвергают, кроме исходных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления в каждом кардиоцикле, нормированные временные последовательности, состоящие из логарифмов относительных изменений исходных величин, получаемых логарифмированием отношений текущего значения каждого из параметров к предыдущему, а статистические параметры исходных и нормированных временных рядов используют в методах автоматизированной классификации (автоматизированного отнесения обследованного пациента к одной из известных групп).
Определения
Для дальнейшего описания введем термины и аббревиатуры, соответствующие действующему стандарту на термины в функциональной диагностике (ГОСТ 17562-72. Приборы измерительные для функциональной диагностики. Термины и определения. Переиздание (апрель 1985 г.) с Изменениями №1,2, утвержденными в марте 1983 г., ноябре 1984 г. Пост. №4025 от 28.11.84 (ИУС 7-83; 2-85)).
Временные ряды исходных данных:
ВКГ - волюмокардиография (зависимость ударного объема от времени)
ПКВГ - поликардиовазография (зависимость комплекса параметров гемодинамики от времени)
РВГ - реовазография (зависимость общего периферического сопротивления сосудов малого диаметра от времени)
ХКГ - хронокардиография (зависимость длительности кардиоцикла от времени) Временные ряды нормированных данных:
ДВКГ - дифференциальная волюмокардиография (зависимость логарифма относительного изменения ударного объема от времени)
ДПКВГ - дифференциальная поликардиовазография (зависимость логарифмов относительных изменений комплекса параметров гемодинамики от времени)
ДРВГ - дифференциальная реовазография (зависимость логарифма относительного изменения общего периферического сопротивления сосудов малого диаметра от времени)
ДХКГ - дифференциальная хронокардиография (зависимость логарифма относительного изменения длительности кардиоцикла от времени)
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Результат спектрального преобразования фрагмента реальной хронокардиограммы в исходном, замедленном и ускоренном вариантах. Вертикальными штрихами отмечены границы HF-диапазона согласно рекомендациям [1, 2].
Фиг. 2. Схема проведения активной ортоклиностатической пробы (лежа-стоя-лежа). Цифрами на стрелках указаны два переходных процесса между тремя фазами теста.
Фиг. 3. Динамика базовых параметров кровообращения практически здорового Г. при проведении трехфазной активной ортоклиностатической пробы (лежа-стоя-лежа). График ударного объема нормирован. По оси Х - номер кардиоцикла, по оси Y - величина параметра в соответствующем кардиоцикле. В каждой фазе теста выделены относительно стационарные участки.
Фиг. 4. Динамика базовых параметров кровообращения пациента Я. при проведении трехфазной активной ортоклиностатической пробы (лежа-стоя-лежа). Графики ударного объема и общего периферического сопротивления нормированы. По оси Х - номер кардиоцикла, по оси Y - величина параметра в соответствующем кардиоцикле. В каждой фазе теста выделены относительно стационарные участки. Обращает на себя внимание инверсная реакция общего периферического сопротивления.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу анализа нарушений регуляции гемодинамики, включающему непрерывную регистрацию электрокардиосигнала и центральной реограммы при проведении функциональной нагрузочной пробы, выделение из сигнала ЭКГ длительностей кардиоциклов, а из реограммы - величин ударного объема и общего периферического сопротивления, а также обработку выделенных параметров методами дескриптивной статистики, отличающегося тем, что в качестве тестирующей нагрузки используют активную ортоклино-статическую пробу (лежа-стоя-лежа), причем в каждой фазе теста регистрируют от двухсот до четырехсот кардиоциклов, анализу подвергают, кроме исходных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления в каждом кардиоцикле, нормированные временные последовательности, состоящие из логарифмов относительных изменений исходных величин, получаемых логарифмированием отношений текущего значения каждого из параметров к предыдущему, а статистические параметры исходных и нормированных временных рядов используют в методах автоматизированной классификации (автоматизированного отнесения обследованного пациента к одной из известных групп).
Непрерывная регистрация электрокардиосигнала и центральной реограммы, выделение из сигнала ЭКГ длительностей кардиоциклов, а из реограммы - величин ударного объема и общего периферического сопротивления, осуществляются методами, известными специалистам в данной области техники. Применяемые методы дескриптивной статистики также известны специалистам в данной области техники.
Существенным отличием данного способа является то, что длительность кардиоциклов регистрируют с точностью не хуже одной миллисекунды;
а также то, что для анализа используют участки временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления, соответствующие отдельным фазам теста;
а также то, что из записанных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления выделяют для каждой фазы теста участки с наименьшей динамикой средних значений размерностью не менее ста пятидесяти кардиоциклов и для анализа используют их статистические параметры;
а также то, что для каждой фазы теста, для каждой из последовательностей логарифмов относительных изменений (отдельно для значений положительной и отрицательной полуплоскостей статистических распределений) вычисляют дополнительно, кроме статистических показателей, «интегральные показатели» по формуле:
,
где KA,s,i - интегральный показатель параметра А (длительностей кардиоциклов - RR, величин ударного объема - SO и общего периферического сопротивления - PR) в конкретной фазе теста, s (sign - знак) - указатель полуплоскости статистического распределения (n - отрицательная, р - положительная), i - номер фазы теста (от 1 до 3), М - статистическая мода, σ - среднеквадратическое отклонение;
а также то, что вычисляют для каждой фазы теста и каждого параметра (RR, SO и PR) показатель регуляторного баланса:
BA,i=KA,n,i/KA,p,i,
где BA,i - показатель регуляторного баланса, остальное - как и в предыдущем пункте,
а также то, что автоматизированную диагностику (определение преимущественных нарушений регуляции гемодинамики) проводят на основе обучающих выборок методами автоматизированной классификации, а в качестве пространства параметров используют объединение мод длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления с интегральными показателями и показателями регуляторного баланса;
а также то, что с целью повышения точности отнесения пациента к одной из групп с верифицированной патологией, вошедших в обучающую выборку, используют алгоритмы искусственных нейронных сетей;
а также то, что используют трехслойную нейронную сеть, причем количество нейронов в первом (входном) слое выбирают равным общему количеству анализируемых переменных, во втором (промежуточном) - равным количеству переменных в одной фазе одного параметра А, а в третьем (выходном) - равным количеству групп в обучающей выборке.
Ортоклиностатическая проба состоит из трех фаз (лежа-стоя-лежа) и двух переходных процессов (обозначены цифрами на Фиг. 2, на которой показана схема проведения активной ортоклиностатической пробы (лежа-стоя-лежа)). В первой фазе теста пациент лежит некоторое время на кушетке, затем встает (в отдельных случаях, с помощью врача) и некоторое время стоит (вторая фаза), затем вновь ложится (третья фаза). Длительность каждой фазы исследования зависит от конкретных задач исследования, но обычно находится в пределах 3-10 мин. Во всех фазах теста в нашем исследовании регистрируются параметры гемодинамики (ВКГ, РВГ и ХКГ).
Вначале рассмотрим на Фиг. 3 (а-в) - исходные данные практически здорового мужчины Г. при проведении трехфазной активной ортоклиностатической пробы. Как видно из фигур, во всех фазах теста каждый из регистрируемых параметров подвержен различным изменениям, причем тенденции этих изменений сходны, но и различия хорошо выражены.
А на Фиг. 4 (а-в) приведена динамика базовых параметров кровообращения пациента Я. (имеющего нарушения гемодинамики в форме значительного снижения минутного объема кровообращения) при проведении трехфазной активной ортоклиностатической пробы (исходные данные).
На всех фигурах отмечены участки в каждой из фаз теста, по которым производится расчет статистических показателей, используемых для дальнейшего анализа (автоматизированной классификации методами многомерной статистики).
Для подтверждения тезиса о необходимости проведения именно трехфазной активной ортоклиностатической пробы мы провели исследование на группе в 249 человек, включавших лиц обоего пола разного возраста как практически здоровых, так и с гемодинамическими нарушениями, из которых были сформированы 3 «искусственные» (вне классификации МКБ-10) группы: лица без гемодинамических нарушений (группа 1), лица с повышенными величинами АД при офисном измерении (группа 2), лица со сниженным уровнем минутного объема кровообращения (группа 3).
Основные статистические параметры сформированных групп приведены ниже в таблице 4, расшифровка обозначений таблицы 4 - в таблице 5. Все обозначения выполнены на основе англоязычных терминов для удобства их использования в программах статистической обработки данных, часть из которых не позволяет использовать кириллицу.
| Таблица 4 | |||
| Величины основных статистических параметров групп (среднее ± ст. ошибка, уровень надежности - 95%, MS-Excel-2003) | |||
| Параметр | № группы | ||
| Группа 1 | Группа 2 | Группа 3 | |
| Age | 38,46±0,77 | 43,02±1,40 | 48,32±1,94 |
| ВН | 175,30±0,65 | 173,21±0,87 | 170,02±1,07 |
| W | 79,33±1,17 | 86,23±1,71 | 77,34±2,32 |
| SBP | 124,98±0,78 | 153,58±2,27 | 136,80±3,37 |
| DBP | 77,50±0,59 | 91,23+1,28 | 85,14±1,64 |
| mRR1 | 917,36±13,09 | 859,00±16,96 | 910,86±21,80 |
| MRR1 | 915,48±13,39 | 853,75±17,56 | 905,93±21,74 |
| CO1 | 6,16±0,12 | 6,41±0,24 | 3,23±0,09 |
| mSO1 | 93,б3±2,09 | 90,77±3,12 | 49,76±1,82 |
| MSO1 | 95,10±2,20 | 91,54±3,31 | 47,56±1,77 |
| mPR1 | 1283,67±26,01 | 1507,55±54,33 | 2668,92±115,68 |
| MPR1 | 1238,5б±26,42 | 1437,23±52,03 | 2530,67±117,61 |
| Таблица 5 | |||
| Расшифровка обозначений Таблицы 4 | |||
| № п/п | Обозначение | Расшифровка обозначения | |
| 1 | Age | Возраст пациента на момент обследования | |
| 2 | BH | Рост пациента (body height) на момент обследования | |
| 3 | w | Вес пациента (weight) на момент обследования | |
| 4 | SBP | Систолическое артериальное давление (systolic blood pressure) - «офисное измерение» на момент обследования | |
| Ь | DBP | Диастолическое артериальное давление (diastolic blood pressure) - «офисное измерение» на момент обследования | |
| 6 | mRR1 | Среднеарифметическая длительность RR-интервала в 1-ой фазе теста | |
| 7 | MRR1 | Статистическая мода длительности RR-интервалов в 1-ой фазе теста | |
| 8 | CO1 | Усредненный минутный объем (cardiac output) в 1-ой фазе теста | |
| 9 | mSO1 | Среднеарифметическая величина ударного объема (stroke output) в 1-ой фазе теста | |
| 10 | MSO1 | Статистическая мода ударного объема в 1-ой фазе теста | |
| 11 | mPR1 | Среднеарифметическая величина периферического сопротивления сосудов (peripheral resistance) 1-ой фазе теста | |
| 12 | MPR1 | Статистическая мода периферического сопротивления сосудов в 1-ой фазе теста |
Для обработки полученных данных методами многомерной статистики нами был выбран и использован алгоритм разделения смесей (кластерного анализа) в Системе анализа многомерных данных и временных рядов «ProfiStat», разработанной ООО «СтатПойнт», Москва, версии 3.0.
Оценка информативности фаз активной ортоклиностатической пробы
Изменение положение тела пациента в пространстве в качестве функциональной пробы - нагрузки используется довольно часто как в клинике при изучении нарушений регуляции гемодинамики, так и в медицине здорового человека (спортивной, авиационной и др.). При этом для регистрации количественных параметров могут использоваться как минимальные аппаратные средства (секундомер и тонометр), так и аппаратно-программные комплексы, позволяющие с высокой точностью регистрировать комплекс количественных параметров гемодинамики.
В крупных исследовательских центрах используют пассивную ортостатическую пробу, в ходе которой пациента фиксируют на специальном устройстве (поворотном или ортостатическом столе), регистрируют количественные параметры в положении лежа, а затем поворачивают стол в наклонное положение (обычно - на 30 или 70 угловых градусов) и вновь регистрируют те же параметры. Однако подавляющее большинство медицинских учреждений не оснащены поворотными столами, поэтому используют активную ортостатическую пробу, в ходе которой пациент самостоятельно или с некоторой помощью медицинского работника встает с кушетки при переходе из положения лежа в положение стоя (см. Фиг. 2 и описание к нему).
В клинической практике чаще используется активная ортостатическая проба, в которой исследуются количественные параметры гемодинамики в двух положениях - лежа и стоя (двухфазный тест), однако наши исследования показывают, что процесс обратного перехода из вертикального положения в горизонтальное (значительно реже используемая ортоклиностатическая проба - трехфазный тест) дает существенную дополнительную информацию, которая может улучшить качество автоматической классификации при применении методов многомерной статистики.
С целью количественной оценки данного положения мы провели обработку всех комбинаций параметров наиболее информативного (по нашим данным) параметрического пространства (ДПКВГ + моды исходных параметров ПКВГ) фаз трехфазного теста (отдельных фаз, попарных комбинаций и всех трех фаз) методом кластерного анализа. Результаты исследования представлены ниже в таблице 6:
Данные, приведенные в таблице 6, дают нам право утверждать, что ортоклиностатическая проба позволяет получить существенно большую информацию для построения решающих правил в системах автоматизированной диагностики патологий сердечно-сосудистой системы, чем обследование в состоянии покоя или ортостатическая проба, исключающая фазу восстановления после нагрузки.
Проведя на вышеописанной выборке пациентов, состоящей из трех групп, различающихся по состоянию сердечно-сосудистой системы, исследования по автоматизированной классификации (автоматизированному отнесению пациента к одной из известных групп), мы получили подтверждение высокой информативности введенных нами нормированных параметров и возможности автоматизированной диагностики методами логистической регрессии и нейронных сетей.
Варьируя пространства параметров и методы автоматизированной классификации и их настройки мы получили следующее (приводим данные только для метода нейронных сетей, как показавшего лучшие результаты):
1) Подпространство интегральных показателей ДПКВГ (метод нейронных сетей - три слоя).
Поскольку количество пациентов в выборке невелико по сравнению с размерностью признакового пространства, возникает вопрос о корректности применения процедур автоматизированной классификации на основе методов многомерной статистики. С целью исключения возникших сомнений нами были проведены расчеты для нескольких сокращенных признаковых подпространств. Вначале было использовано подпространство только интегральных показателей ДПКВГ (коэффициентов увеличения и уменьшения параметров и их отношений). Таким образом, всего для трех фаз теста было оставлено 27 параметров при 249 пациентах.
| Таблица 7 | ||
| Интегральные показатели ДПКВГ, использованные в настоящем тесте (подпространство ДПКВГ-С, где «С» означает сокращенное) | ||
| № п/п | Обозначение | Расшифровка обозначения |
| 1 | KRRn1 | Коэффициент уменьшения длительностей RR-интервалов в первой фазе теста |
| 2 | KRRp1 | Коэффициент увеличения длительностей RR-интервалов в первой фазе теста |
| 3 | BRR1 | Баланс ускоряющих и замедляющих ритм влияний в первой фазе теста |
| 4 | KSOn1 | Коэффициент уменьшения величин ударного объема в |
| первой фазе теста | ||
| 5 | KSOp1 | Коэффициент увеличения величин ударного объема в первой фазе теста |
| 6 | BSO1 | Баланс влияний, уменьшающих и увеличивающих ударный объем в первой фазе теста |
| 7 | KPRn1 | Коэффициент уменьшения величин периферического сопротивления в первой фазе теста |
| 8 | KPRp1 | Коэффициент увеличения величин периферического сопротивления в первой фазе теста |
| 9 | BPR1 | Баланс влияний, уменьшающих и увеличивающих периферическое сопротивление в первой фазе теста |
Для второй и третьей фаз теста (ортоклиностатической пробы) в названиях параметров менялся последний символ (т.е. KRRn1 для второй фазы заменялся на KRRn2, а для третьей на KRRn3 и т.п.).
Такая комбинация параметров позволила получить вполне приемлемый результат, в значительной степени снимающий возражение о недостаточном объеме анализируемой выборки.
Приводим таблицы с результатами классификации:
Т.е. в процессе обучения на подпространстве параметров согласно табл. 7, количество ошибочных отнесений к одной из трех групп составляет 0,8%
Итого, в процедуре экзамена по пространству только интегральных параметров ДПКВГ (т.е. ДПКВГ-С, согласно табл. 7):
Ошибок гипердиагностики - 0 (или 0%),
Ошибок гиподиагностики - 8 (или 3,21%),
Общее количество ошибок - 8 (или 3,21%).
Этот результат показывает, что высокая информативность введенных нами интегральных показателей, показанная в процедуре кластерного анализа, подтверждается и методами автоматической классификации.
2) Сокращенное подпространство интегральных показателей ДПКВГ + мод исходных значений (ДПКВГ-С, метод нейронных сетей - три слоя).
Поскольку ранее добавление мод исходных значений к параметрам ДПКВГ улучшало результаты классификации в кластерном анализе, мы провели исследование на сокращенном подпространстве интегральных показателей (коэффициентов увеличения и уменьшения параметров) с добавлением мод исходных значений. Показатели баланса были исключены.
И вновь такая комбинация параметров позволила получить вполне приемлемый результат, в значительной степени снимающий возражение о недостаточном объеме анализируемой выборки.
| Таблица 10 | ||
| Интегральные показатели ПКВГ и ДПКВГ, использованные в настоящем тесте (подпространство ДПКВГ-М-С) | ||
| № п/п | Обозначение | Расшифровка обозначения |
| 1 | KRRn1 | Коэффициент уменьшения длительностей RR-интервалов в первой фазе теста |
| 2 | KRRp1 | Коэффициент увеличения длительностей RR-интервалов в первой фазе теста |
| 3 | MRR1 | Статистическая мода длительности RR-интервалов в первой фазе теста |
| 4 | KSOn1 | Коэффициент уменьшения величин ударного объема в первой фазе теста |
| 5 | KSOp1 | Коэффициент увеличения величин ударного объема в первой фазе теста |
| 6 | MSO1 | Статистическая мода ударного объема в первой фазе теста |
| 7 | KPRn1 | Коэффициент уменьшения величин периферического сопротивления в первой фазе теста |
| 8 | KPRp1 | Коэффициент увеличения величин периферического сопротивления в первой фазе теста |
| 9 | MPR1 | Статистическая мода периферического сопротивления сосудов в первой фазе теста |
Для второй и третьей фаз теста в названиях параметров менялся последний символ (т.е. KRRn1 для второй фазы заменялся на KRRn2, а для третьей на KRRn3 и т.п.).
Т.е. на подпространстве параметров согласно табл.10, и метод логистической регрессии и метод нейронных сетей дают лучшие результаты классификации по сравнению с подпространством исходных данных. Кроме того, сокращенное подпространство параметров позволяет получить лучшие результаты, чем полное пространство (0,40% ошибочных отнесений к одной из трех групп для ДПКВГ-М-С против 6,43% ошибочных отнесений к одной из трех групп для ДПКВГ-М).
Полученные результаты говорят о перспективности применения признаковых пространств дифференциальной поликардиовазографии для построения автоматизированных систем функциональной диагностики патологий сердечно-сосудистой системы.
Среди исследованных вариантов алгоритмов автоматической классификации наилучшие результаты показывает метод трехслойных нейронных сетей при удачном выборе количества нейронов во втором (промежуточном) слое.
1. Способ анализа нарушений регуляции гемодинамики, включающий непрерывную регистрацию электрокардиосигнала и центральной реограммы при проведении функциональной нагрузочной пробы, выделение из сигнала ЭКГ длительностей кардиоциклов, а из реограммы - величин ударного объема и общего периферического сопротивления, а также обработку выделенных параметров методами дескриптивной статистики, отличающийся тем, что в качестве тестирующей нагрузки используют активную ортоклиностатическую пробу (лежа-стоя-лежа), причем в каждой фазе теста регистрируют от двухсот до четырехсот кардиоциклов, анализу подвергают, кроме исходных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления в каждом кардиоцикле, нормированные временные последовательности, состоящие из логарифмов относительных изменений исходных величин, получаемых логарифмированием отношений текущего значения каждого из регистрируемых параметров к предыдущему, а статистические параметры исходных и нормированных временных рядов используют в методах автоматизированного отнесения обследованного пациента к одной из известных групп.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность кардиоциклов регистрируют с точностью не менее одной миллисекунды.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для анализа используют участки временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления, соответствующие отдельным фазам ортоклиностатической пробы.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что из записанных временных последовательностей длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления выделяют для каждой фазы ортоклиностатической пробы участки с наименьшей динамикой средних значений размерностью не менее ста пятидесяти кардиоциклов и для анализа используют их статистические параметры.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для каждой фазы ортоклиностатической пробы, для каждой из последовательностей логарифмов относительных изменений (отдельно для значений положительной и отрицательной полуплоскостей статистических распределений) вычисляют дополнительно, кроме статистических показателей, «интегральные показатели» по формуле:
где KA,s,i - интегральный показатель параметра А (длительностей кардиоциклов - RR, величин ударного объема - SO и общего периферического сопротивления - PR) в конкретной фазе теста, s (sign - знак) - указатель полуплоскости статистического распределения (n - отрицательная, р - положительная), i - номер фазы теста (от 1 до 3), М - статистическая мода, σ - среднеквадратическое отклонение.
6. Способ по п. 1 или 5, отличающийся тем, что вычисляют для каждой фазы ортоклиностатической пробы и каждого параметра (RR, SO и PR) показатель регуляторного баланса:
где BA,i - показатель регуляторного баланса.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что автоматизированную диагностику (определение преимущественных нарушений регуляции гемодинамики) проводят на основе обучающих выборок методами автоматизированной классификации, а в качестве пространства параметров используют объединение интегральных показателей с модами длительностей кардиоциклов, величин ударного объема и общего периферического сопротивления и/или показателями регуляторного баланса.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что с целью повышения точности отнесения пациента к одной из групп с верифицированной патологией, вошедших в обучающую выборку, используют алгоритмы искусственных нейронных сетей.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что используют трехслойную нейронную сеть, причем количество нейронов в первом (входном) слое выбирают равным общему количеству анализируемых переменных, во втором (промежуточном) - равным количеству переменных в одной фазе одного параметра А, а в третьем (выходном) - равным количеству групп в обучающей выборке.
