Статистический анализ кардиоритмограмм спортсменов

Статистический анализ кардиоритмограмм спортсменов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

статистический анализ кардиоритмограмм спортсменов

Работу выполнил

Пантюхин Илья Игоревич

Курс 4

Научный руководитель

канд. физ-мат. наук, доцент Онищук С.А.

Краснодар 2013

РЕФЕРАТ

Курсовая работа: 39 с., 15 рис., 2 табл., 7 источников, 1 прил.

КАРДИОРИТМОГРАММА, ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА "ВАЛЕНТА+", КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ, АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕНЕНИЯ ДАННЫХ

Объектом данной работы является исследование физических показателей профессиональных спортсменов на протяжении определенного времени.

Целью работы является анализ кардиоритмограмм спортсменов трех различных видов спорта (пловцов, гребцов и велосипедистов) и выявление общей картины динамики изменения частоты сердечных сокращений в зависимости от вида спорта и продолжительности спортивной карьеры.

В результате выполнения курсовой работы была выявлена закономерность изменения ЧСС от различных факторов, получены корреляционные, статистические и динамические данные для последующего создания математической модели.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения

Введение

. Методы исследования и расчета данных КРГ

.1 Корреляционный анализ

а) двумерная корреляционная модель

б) коэффициент корреляции как мера тесноты стохастической связи между двумя случайными величинами

.2 Вариационный анализ КРГ

. Диагностическая система "Валента+"

.1 Основное применение ДС "Валента+"

2.2 Основные модули ДС "Валента+"

2.3 Основные режимы работы с базой данных

2.3.1 Журнал функциональных исследований

.3.2 Электронная Карта пациента

.3.3Сервисные функции

. Кардиоритмография

.1 Понятия кардиоритмограммы и фотоплетизмограммы

.2 Запись кардиоритмограммы

.3 Вариабельность сердечного ритма (ВСР)

.4 Динамический анализ ЧСС

Заключение

Список используемых источников

Приложение А. Таблицы корреляции параметров ЧСС

кардиоритмограмма сердечный ритм спортсмен

Обозначения и сокращения

ВВЕДЕНИЕ

Было замечено, что занятия тем или иным видом спорта оказывают существенное влияние и на весь организм в целом, так и на отдельные части тела. Причем не только оздоровительные, положительные, но. к сожалению, зачастую и отрицательные. Например, у пловцов зачастую развито небольшое искривление позвоночника, и связано это с силовой нагрузкой на спину относительно "ведущей" руки спортсмена, т.е. той руки, которой пловец делает более мощный гребок. Как правило, для правши искривление происходит в левую сторону, а для левши - наоборот, в правую. Поэтому при тренировках важно, что бы у человека были одинаково физически развиты обе руки, тогда занятие спортом будет носить оздоровительный, а не пагубный характер.

В специальной литературе можно встретить методы предупреждения некоторых профессиональных заболеваний, однако их список далеко не полный, а сами методы порой не эффективны.

Целью данной работы был анализ сердечной деятельности спортсменов трех различных видов спорта - гребцов, пловцов и велосипедистов, а так же выявление динамических показателей на примере КРГ отдельного человека и групп в целом. При этом существенно важным оказались:

анализ кардиоритмограмм на протяжении более четырех месяцев

построение графической зависимости КРГ для спортсменов трех различных групп

выявление средней постоянной ЧСС для каждой группы

построение распределения плотности вероятностей ЧСС для каждой группы для наглядного представления

Данные были предоставлены Институтом Физической культуры города Краснодара, где были сняты со спортсменов с помощью прибора "Валента" и обработаны в лаборатории Кубанского Государственного Университета с помощью корреляционного анализа, математических баз данных программы "Statistica 7.0" и графического аппарата программы Excel. Данный анализ позволит прогнозировать работу сердца для спортсменов различных видов спорта, а так же с достаточной точностью выявлять отклонения в зависимости от занятия определенной спортивной деятельностью. В дельнейшем предполагается рассчитать точную математическую модель и предложит внедрить данный динамический анализ для контроля работы сердца у спортсменов.

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДАННЫХ

.1 Корреляционный анализ

Корреляционный анализ - математико-статистический метод выявления взаимозависимости компонент многомерной случайной величины и оценки тесноты их связи. В статистических исследованиях [1] выделяют два вида связи между случайными величинами: функциональную и стохастическую.

Зависимость признаков X₁, X₂,…,X_h называется функциональной, если каждое наблюдаемое значение xi зависимой переменной Xi однозначно определяется по полученным в том же самом наблюдении значениям x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h остальных переменных X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h согласно некоторому правилу, единому для всех наблюдений.

 (1)

Стохастической зависимостью переменной X_i от переменных X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h называется такое отношение между случайными величинами X₁, X₂,…,X_h, при котором каждой реализации (x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h) случайного вектора (X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h) однозначно соответствует некоторое условное распределение вероятностей случайной величины X_i, при этом, по крайней мере, двум возможным различным реализациям отвечают неодинаковые распределения.

В отличие от функциональной зависимости, когда каждому набору значений объясняющих переменных X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h соответствует только одно значение объясняемой переменной X_i, при стохастической зависимости любой допустимой совокупности значений x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h отвечает множество возможных значений зависимой переменной X_i.

Корреляционной зависимостью переменной X_i от переменных X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h называется функциональная зависимость условного математическим ожидания MX_i/( X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h) случайной величины X_i от реализации (x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h) случайного вектора (X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h).

Корреляционная зависимость является лишь одной из частных форм стохастической связи между случайными величинами и не исчерпывает в общем случае весь объем понятия "стохастическая зависимость".

Функция f(x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h), устанавливающая зависимость условного математического ожидания MX_i/( X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h) от возможных значений x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h случайных величин X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h, называется функцией регрессии случайной величины X_i на случайный вектор (X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h).

Если функция регрессии f(x₁,x₂,…x_i-1,x_i+1,…,x_h) представима как линейная комбинации своих аргументов:

 (2)

где  - некоторые константы, то соответствующая корреляционная зависимость называется линейной.

Аналитическое задание корреляционной зависимости в виде

 (3)

называется уравнением регрессии случайной величины X_i на случайный вектор ( X₁,X₂,…,X_i-1,X_i+1,X_h).

а) Двумерная корреляционная модель

В источнике [2] анализируется корреляционная зависимость между двумя признаками X, Y.

Предполагается, что распределение вероятностей двумерной случайной величины (X, Y) подчинено закону Гаусса, т.е. плотность совместного распределения X, Y определяется формулой:

 (4)

 - математическое ожидание X;

 - математическое ожидание Y;

 - дисперсия X;

 - дисперсия Y;

коэффициент корреляции между X, Y.

б) Коэффициент корреляции как мера тесноты стохастической связи между двумя случайными величинами

Из условия нормальности совместного распределения признаков X, Y непосредственно вытекает, что распределение каждого их них также подчинено закону Гаусса с соответствующими параметрами:

; (5)

. (6)

Если ρ=0, то из выражений, задающих двумерную и одномерные плотности распределения вероятностей , ,  следует, что , т.е. X, Y есть независимые между собой случайные величины.

Для случайных величин X, Y, совместное распределение которых является нормальным, понятия "некоррелированность" и "стохастическая независимость" эквивалентны.

Таким образом, для решаемой задачи коэффициент корреляции ρ может служить мерой силы стохастической взаимосвязи рассматриваемых случайных величин.

Вне рамок корреляционной модели равенство нулю коэффициента корреляции указывает лишь на некоррелированность исходных переменных, но не подтверждает отсутствие иной формы стохастической зависимости.

Коэффициент корреляции не имеет размерности и, следовательно, его можно использовать при анализе зависимости признаков, различающихся по мерным шкалам.

Значение ρ по абсолютной величине не превосходит единицы.Если ρ=0, линейная связь между переменными X и Y отсутствует. Значение ρ=±1 указывает на наличие функциональной линейной зависимости между ними.

По мере приближения |ρ| к единице условные дисперсии DX/y, DY/x стремятся к нулю, что свидетельствует о меньшем рассеянии значений переменных X, Y относительно соответствующих линий регрессии и о более тесной связи между данными переменными.

Положительный знак коэффициента корреляции означает, что прямые регрессии имеют в координатной плоскости xOy положительный тангенс угла наклона, с увеличением (или уменьшением) значения любой из переменных X, Y пропорционально в среднем возрастает (соответственно убывает) значение другой переменной.

Отрицательный знак коэффициента корреляции указывает на обратную тенденцию.

В таблице 2 и таблице 3 с помощью данных методик были вычислены коэффициенты корреляции для спортсменов различных видов спорта с разделением на парней и девушек. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что зависимости показателей различны для обоих полов, что было учтено в дальнейшем анализе.

.2 Вариационный анализ

Вариационное исчисление - это раздел функционального анализа, в котором изучаются вариации функционалов. Самая типичная задача вариационного исчисления состоит в том, чтобы найти функцию, на которой заданный функционал достигает экстремального значения.

Методы вариационного исчисления [3] широко применяются в различных областях математики. Например, в дифференциальной геометрии с их помощью ищут геодезические линии и минимальные поверхности. В физике вариационный метод - одно из мощнейших орудий получения уравнений движения, как для дискретных, так и для распределённых систем, в том числе и для физических полей. Методы вариационного исчисления применимы и в статике.

Важнейшими понятиями вариационного исчисления являются следующие:

вариация (первая вариация),

вариационная производная (первая вариационная производная),

- кроме первой вариации и первой вариационной производной, рассматриваются и вариации и вариационные производные второго и высших порядков.

Термин варьирование (варьировать) - применяется в вариационном исчислении для обозначения нахождения вариации или вариационной производной (это аналог термина дифференцирование для случая бесконечномерного аргумента, являющегося предметом вариационного исчисления). Также нередко для краткости (особенно в приложениях) термин варьирование применяется для обозначения решения вариационной задачи, сводимой к нахождению вариационной производной и приравнивания её нулю.

Вариационная задача означает, как правило, нахождение функции (в рамках вариационного исчисления - уравнения на функцию), удовлетворяющей условию стационарности некоторого заданного функционала, то есть такой функции, (бесконечно малые) возмущения которой не вызывают изменения функционала по крайней мере в первом порядке малости. Также вариационной задачей называют тесно связанную с этим задачу нахождения функции (уравнения на функцию), на которой данный функционал достигает локального экстремума (во многом эта задача сводится к первой, иногда практически полностью). Обычно при таком употреблении терминов подразумевается, что задача решается методами вариационного исчисления.

Типичными примерами вариационной задачи являются изопериметрические задачи в геометрии и механике; в физике - задача нахождения уравнений поля из заданного вида действия для этого поля.

Аналогом дифференциала (первого дифференциала) является в вариационном исчислении вариация (первая вариация):

 (7)

(как и в случае дифференциала имеется в виду линейная часть этого приращения, а выражаясь традиционным образом -  выбирается бесконечно малой, и при вычислении разности отбрасываются бесконечно малые высших порядков). При этом  - играющее роль дифференциала или малого приращения независимой переменной - называется вариацией .

Как видим,  сама в свою очередь является функционалом, так как она, вообще говоря, различна для разных  (также и для разных ).

Таким образом, это - в применении к функционалам - прямой аналог дифференциала функции конечномерного (в том числе одномерного) аргумента:

 (8)

точно так же понимаемого как линейная часть приращения функции  при бесконечно малом приращении аргумента  (или линейный член при разложении  по степеням  вблизи точки ).

В источнике [4] для интегральных функционалов, которые являются очень важным для математики и приложений случаем, вводится не только аналог дифференциала и производной по направлению, но и производная Фреше - аналог конечномерного градиента, называемая вариационной производной.

То есть, в полной аналогии с конечномерным случаем, когда

 (9)

где  - обозначение градиента (или производной Фреше) функции , а  - скалярное произведение;  - оператор частной производной по -той координате, сумма представляет собой полный дифференциал.

Для функционала имеем

где  - обозначение вариационной производной , а суммирование конечномерной формулы естественно заменено интегрированием.

Итак,  - стандартное обозначение вариационной производной. Это также некая функция как от , как и  (вообще говоря, это обобщённая функция, но эта оговорка выходит за рамки рассмотрения, так как предполагается, что все функции и функционалы сколь угодно гладки и не имеют особенностей).

Иными словами, если можно представить вариацию

 (11)

в виде

, (12)

где  - некоторая функция ,

то  есть вариационная производная  по

Примечание: "по " здесь означает, что остальные аргументы или параметры не меняются; речевой оборот "по " можно опустить в случае, когда точно определено, функционалом от какой функции рассматривается , что на практике может быть не ясным из самой его формулы, в которую могут входить и другие параметры и функции - см. также ниже.

То есть

2. Диагностическая система "Валента+"

.1 Основное применение ДС "Валента+"

Как написано в описании [5] диагностическая система "Валента+" - это автоматизированное рабочее место врача функциональной диагностики, позволяющее проводить исследования по нескольким методикам с формированием электронной истории болезни. Состав комплекса Базовый комплект: Преобразователь биосигналов "Валента+" (универсальный прибор для записи сигналов по всем методикам) и Программа управления комплексом и базой данных для хранения результатов исследований. Сферы применения ДС "Валента+" показаны на рисунке 1 в виде схемы.

Основным прибором, обеспечивающим выполнение всех исследований, является Преобразователь биосигналов "Валента+".В его состав входят усилители сигналов по всем методикам, связанным с регистрацией ЭКГ, дополнительные усилители реографа и спирометрической трубки, коммутаторы, АЦП с оптической развязкой и передачей данных в компьютер. Далее в работе приведено описание базовых модулей ДС "Валента+" и основные режимы работы. С помощью данной ДС и были сняты показатели работы сердечной деятельности спортсменов для последующего анализа.

2.2 Основные модули ДС "Валента+"

а) Модуль ЭКГ

Для проведения ЭКГ-исследования ДС "Валента+" комплектуется кабелем, электродами, а также программным обеспечением для записи и обработки сигналов ЭКГ. Электрокардиограф Валента обеспечивает синхронный съем ЭКГ в 12-ти отведениях. Мониторинг сигнала можно проводить неограниченно долго. В память компьютера регистрируется 4-секундный фрагмент ЭКГ, после чего программа предлагает длительную (40с) запись II отведения для анализа ритма. Для лучшего исследования нарушений ритма рекомендуется использование программного модуля "Ритмокардиография".

Высокое качество исходного сигнала обеспечивается наличием:

фильтров для ослабления различных помех, ухудшающих качество записи;

защиты каналов ЭКГ от перегрузок;

системы "быстрый старт" ;

отработанной в течение 10 лет схемотехникой прибора, широким использованием электронных комплектующих ведущих фирм мира.

Основой для формирования корректного автоматического заключения является определение характерных элементов ЭКГ. Программа с высокой точностью определяет амплитудно-временные параметры, коды форм зубцов, дополнительные реперные точки, повышающие надежность обработки (например, только для сегмента ST определяются дополнительно 5 точек), и другие специфические морфологические признаки. Текстовое компьютерное заключение формируется на базе более чем 100 элементарных формулировок. Важными особенностями этих формулировок являются их сугубо электрофизиологический характер, корректность терминологии и ориентация на Минессотский код. Программные алгоритмы отрабатывались на базе данных ЭКГ, содержащей более 50.000 вручную верифицированных кривых. Работа велась коллективом медиков и программистов, начиная с 1962 года, для космической индустрии, и не прекращается до сих пор. Кроме того, совместно с ведущими детскими учреждениями проведена адаптация алгоритмов анализа ЭКГ к детскому возрасту.

Технические характеристики модуля ЭКГ приведены в таблице 1.

Таблица1. Технические характеристики модуля ЭКГ ДС "Валента+"

б) Модуль КРГ

Кардиоритмографическое исследование является на сегодня одним из наиболее простых и, в то же время, показательных методов для оценки функциональных регуляторов организма, для выявления и классификации нарушений сердечного ритма. Конкретная реализация методики в рамках системы Валента находит свое применение для:

оценки динамики развития ИБС и гипертонической болезни;

прогноза течения острого инфаркта миокарда;

определения оптимальных дозировок блокаторов b -адренорецепторов;

анализа нарушений ритма, выявление типа и характера аритмий;

оценки эффективности применения антиаритмических препаратов;

оценки влияния отделов ВНС на регуляцию синусового ритма;

дифференциальной диагностики НЦД по гипертоническому типу.

Длительность регистрации определяется врачом и может произвольно меняться от 200 до 500 R-R интервалов.

Результатом компьютерного анализа являются:

кардиоритмограмма с выделенными различными цветами экстрасистолами;

функция вариации ритма в трех диапазонах частот и пневмотахограмма;

гистограмма распределения RR-интервалов, которая может быть представлена в виде вариационной пульсограммы;

скатерграмма, предназначенная для подробного анализа нарушений ритма;

диаграмма распределения мощностей волн в трех частотных диапазонах и график прямого преобразования Фурье;

математические характеристики (статистические, волновые, комбинированные и дифференциальные).

При регистрации КРГ врач имеет возможность отметить до трех фрагментов, которые в процессе обработки будут проанализированы отдельно и сравнены друг с другом. Например, таким образом можно проводить активную ортостатическую, дыхательную и другие пробы. Непрерывность процесса регистрации дает возможность анализировать переходный процесс, который представляет при таких исследованиях особый интерес (например, для оценки адаптационных свойств организма).

в) Модуль ВЭМ

Комплекс велоэргометрический для проведения нагрузочных проб включает в себя:

универсальный регистратор ПБС Валента с удлинительным кабелем,

кабели отведения,

многоразовые электроды и комплект эластичных ремней для их крепления,

напольный штатив для регистратора;

программное обеспечение для записи и обработки сигналов пробы

велоэргометр.

Примечание: наилучший результат достигается при использовании одноразовых электродов

Перед проведением нагрузочных проб рекомендуется выполнить анализ ЭКГ покоя с использованием программного модуля "Электрокардиография". В начале исследования врач заполняет бланк данных о пациенте, где указываются рост, вес, состояние здоровья (спортсмен, здоров, болен ИБС, перенесен ИМ). На основании этих данных программа формирует соответствующий шаблон протокола пробы, который может быть изменен по усмотрению врача. При проведении пробы программа в реальном времени распознает элементы ЭКГ, рассчитывает амплитудные и временные параметры. Эффективные алгоритмы выравнивания изолинии и фильтрации ЭКГ обеспечивают достоверные результаты анализа даже при высоком уровне миографических помех в исходном сигнале.   Состояние пациента контролируется по следующим параметрам:

регистрируемые отведения ЭКГ

представительный кардиокомплекс и численным значением смещения. Текущий кардиокомплекс наложен на "тень" исходного, что позволяет уловить минимальные изменения морфологии ST-T и обеспечивает надежный контроль за состоянием пациента.

тренды ЧСС, смещения и угла наклона ST

диаграмма изменения давления

световая и звуковая сигнализация превышения допустимых значений параметров или о неадекватном снижении давления.

На основании всех параметров и данных о пациенте формируется автоматическая интерпретация о характере пробы. По запросу врача программа выдает перечень критериев оценки результатов пробы и определяющий признак постановки заключения. Врач имеет возможность проанализировать все графики и таблицы, просмотреть записанные фрагменты ЭКГ, и, при необходимости, отредактировать компьютерное заключение, сохранив его в памяти компьютера.

г) Модуль ФВД

Программа спирометрического исследования обеспечивает проведение основных дыхательных проб: - ЖЕЛ: оценка дыхательных резервов и объемных показателей

ФЖЕЛ: оценка бронхиальной проходимости и вентиляционных функций дыхательной системы

МОД: оценка частоты и объема дыхания

МВЛ: оценка максимальной вентиляции легких

При выполнении каждого маневра предоставляется до трех попыток. Выбор лучшей попытки производится автоматически; предусмотрена ручная корректировка.

Предусмотрено выполнение функциональных проб:

бронхолитическая;

ацетилхолиновая;

холодовая;

с физической нагрузкой.

При выполнении функциональных проб с использованием препаратов пролонгированного действия организуется режим "пауза", при котором врач может продолжить прием других пациентов, а затем вернуться для завершения исследования.

Оценка дыхательных проб проводится автоматически на основании результатов лучших, выбранных для анализа маневров. Формируется таблица, в которой приводятся расчетные параметры, должные величины, их сравнение в процентном выражении и качественные (словесные) оценки параметров.

Врач может настроить таблицу параметров, включив в нее из тридцати предложенных программой только те параметры, которые он использует.

Спирограф Валента предлагает врачу уникальный инструмент для визуальной комплексной оценки результатов исследования по цветовым диаграммам, иллюстрирующим соотношение фактических и должных величин.

д) Модуль ФОНО

Несмотря на широкую распространенность ультразвуковых методов диагностики, фонокардиографическое исследование продолжает оставаться в арсенале врача. Это связано со сравнительной дешевизной аппаратуры, возможностью простого сравнения результатов в динамике, минимальной субъективностью в оценке результатов.

Фонокардиографическое исследование предусматривает:

регистрацию ФКГ-сигнала;

частотную фильтрацию по Маасу-Веберу;

ручную обработку полученных данных;

распечатку результатов исследования.

В процессе записи система "Валента+" позволяет регистрировать аускультативный сигнал, сфигмо- и апексграмму, а также одно из отведений ЭКГ. Количество проб (положений микрофона) не ограничено. Качество записи, по мнению экспертов, полностью соответствует требованиям, предъявляемым к фонокардиографам. Конструкция датчиков и ряд других технических и программных решений обеспечили возможность выполнения исследований в помещениях без специальной шумоизоляции. После компьютерной обработки врачу предлагается ФКГ-сигнал, разложенный на частоты по Маасу-Веберу, вплоть до частотного диапазона В2 (h2). При анализе врач может изменить масштаб просмотра, исключить артефакты, выделить фрагмент. При формировании итогового документа на печать используется режим предварительного просмотра макета листа.

2.3 Основные режимы работы с базой данных

.3.1 Журнал функциональных исследований

Самая привычная для врача форма, где в левой части экрана в виде таблицы представлен список исследований. Журнал может быть отфильтрован по любым критериям - диапазону дат (например, "Сегодня"), пациенту, методике исследований, и при необходимости распечатан.  Каждой строчке журнала соответствует графическая информация и заключение, которое врач может отредактировать. Снимок экрана с открытой базой данных журнала представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - База данных журнала ДС "Валента+"

2.3.2 Электронная Карта пациента

Карта содержит всю диагностическую информацию, относящуюся к конкретному пациенту. Информационный блок содержит заключение по данному исследованию и исходные кривые. Карта пациента позволяет оценить клиническую картину в целом, проследить динамику, включая влияние функциональных проб, соотнести между собой результаты различных исследований. И в Журнале, и в Карте предусмотрена возможность повторно проанализировать запись, или выполнить новое исследование. Снимок экрана с открытой электронной картой представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Электронная карта пациента в ДС "Валента+"

.3.3 Сервисные функции

Система имеет ряд сервисных функций, общих для всего оборудования торговой марки Валента®. Программное обеспечение каждой методики имеет настройки под конкретного пользователя. Можно выбрать расчетные параметры, ввести дополнительные статистические поля базы данных, и многое другое, включая настройки цветов экранных форм.

Каждая из методик имеет режим предварительного просмотра печати. Эта функция существенно облегчает формирование итогового документа. Особенно это актуально там, где количество вариантов печати практически неограниченно. Снимок экрана с открытым меню сервисных функций представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Сервисные функции ДС "Валента+"

Благодаря предоставленным отчетам измерений, произведенных на ДС "Валента+", вычисление и работа над анализом была заметно упрощена, так как некоторые вычисления прибор производин самостоятельно по заранее заданным алгоритмам, выводя на экран уже готовые данные.

3. Кардиоритмография

.1 Понятия кардиоритмограммы и фотоплетизмограммы

Как указано в литературе [6], под ритмограммой в широком смысле этого термина понимается диаграмма, каждый столбик которой соответствует периоду между какими-то повторяющимися событиями оной природы. Получив подобную диаграмму (а вернее сказать периодограмму), можно использовать самый различный математический аппарат для анализа природы явления.

Рисунок 5 - График КРГ из интервалов RR

Таким образом, применительно к исследованию изменений сердечного ритма (рис. 1) можно ввести понятие кардиоритмограммы (сокращенно КРГ), то есть диаграммы длительности T ряда k последовательных сердечных циклов Tk, например, интервалов RR на фотоплетизмограмме ФПГ (рис.2)).

Термин "фотоплетизмограмма" возник из применяемого технического способа регистрации оптическим датчиком величины и формы изменения во времени волны сердечного пульса, основанного на оптическом методе просвечивания пальца руки пациента пучком света и измерения степени кровенаполнения сосудов по величине прозрачности для светового потока.

Рисунок 6 - Фотоплетизмограмма (ФПГ) пульса

Как правило, фотоплетизмограмма (ФПГ) изображается так, как на рисунке 7, чтобы промежутков между столбиками не было видно. В итоге получаются мелкие темные прямоугольники с "волнистой" верхушкой, которая, к тому же, бывает часто "изгрызена" экстрасистолами.

Рисунок 7 - Фотоплетизмограмма (ФПГ) сердечного ритма пациента

Этой картинки в принципе достаточно для опытного врача - диагноста, чтобы имея наметанный взгляд, сразу оценить по характеру ритмограммы (РГ) состояние пациента.

Сама по себе идея исследования регулярности сердечного ритма не нова. Помимо древних китайцев, которые могли отличать немыслимое количество разновидностей пульса (смотри ниже), можно сказать, что и традиционная европейская медицина тоже достаточно поработала на этой почве.

3.2 Запись кардиоритмограммы

Как было выяснено в предыдущем разделе, кардиоритмограмма представляет собой диаграмму длительностей RR-интервалов. В принципе, для построения полноценной КРГ было бы достаточно записи любой пульсовой кривой (например, сфигмограммы). Однако, если нас интересует анализ аритмий, и следовательно морфология QRS-комплекса, лучше всего записывать фотоплетизмограмму (ФПГ), как показано на копии экрана монитора программы (рис.4), где по горизонтальной оси - номер R-R интервала, по вертикальной оси величина R-R интервала.

Рисунок 8 - Кардиоритмограмма (вверху) и фотоплетизмограмма (внизу) пациента

Далеко не каждое электрически регистрируемое сокращение приводит к возникновению реальной пульсовой волны. При реализации данной методики построение фотоплетизмограммы осуществляется по записи от 200 до 300 кардиоинтервалов, т.е. максимальное время записи не должно превышать 5 минут. Ограничение записи до 300 интервалов R-R значительно ускоряет исследование, что целесообразно при скрининговых осмотрах. Однако, увеличение количества записываемых сердечных циклов позволяет повысить достоверность результатов анализа.

Вне зависимости от того, сколько R-R интервалов вы решите записывать, необходимо помнить, чтобы получать сопоставимые друг с другом результаты, необходимо при каждом исследовании записывать одинаковое количество кардиоциклов. Ритмограмма (РГ) служит прекрасным инструментом для анализа переходных процессов, происходящих в организме. Поэтому, второе условия правильной регистрации РГ: записывайте всегда ФПГ пациента, находящегося в стационарном, неподвижном состоянии.

Целью мониторинга функционального состояния организма является обнаружение в реальном масштабе времени возможных отклонений от нормы в работе основных органов и функциональных систем организма. Индикация наличия гиперфункции, напряжения или перевозбуждения какой - либо функциональной системы или, наоборот, ее депрессия могут служить поводом для обращения к соответствующему квалифицированному аттестованному врачу для проведения необходимого объема диагностических анализов и постановки врачом диагноза заболевания.

.3 Вариабельность сердечного ритма (ВСР).

Все физиологические функции, а наиболее важная из них, кровообращение, во временной организации являются периодическими или ритмическими процессами [7]. Периодический характер кровообращения порождается циклической деятельностью сердца и единица измерения процесса кровообращения, один сердечный цикл. Длина сердечного цикла - это период сердечных сокращений. Обратная ему величина, наиболее удобная и широко используемая в медицинской практике, частота сердечных сокращений (ЧСС). Это общеизвестная в народе "частота пульса" (ЧП).

Изменение ритма сердца - универсальная оперативная реакция целостного организма в ответ на любое воздействие внешней среды. Для того чтобы судить о ходе приспособительных реакций, о процессе адаптации системы кровообращения и организма в целом к изменяющимся условиям существования, к разнообразным опасным и стрессорным воздействиям, необходимо располагать соответствующей информацией, а именно уметь определить функциональное состояние различных звеньев аппарата управления. Поэтому только исследование колебаний (вариаций, изменений, отклонений) сердечного ритма открывает перспективу положительного решения вопроса о своевременном и оперативном получении необходимой информации. Наиболее наглядным и доступным методом анализа изменений сердечного ритма являются построение и оценка кардиоинтервалограмм (КИГ) или ритмограмм (РГ).

Огибающая РГ названа кардиоинтервалограммой. Варианты РГ легко распознаются обученным врачом - специалистом при визуальном анализе. В приборе используются методы автоматического распознавания классов РГ на основании решающих правил, имитирующих мыслительную деятельность врача и использующих правила линейного дискриминантного анализа. По среднему уровню динамического ряда кардиоинтервалов выделяют симпато- , ваго- и нормотонический типы регуляции сердечного ритма. Эта классификация общепринята в медицинской практике. В основе экспресс - анализа в приборе лежит оценка состояния различных звеньев и контуров этой сложной системы путем анализа "волновой структуры" сердечного ритма или его ритмограммы.

Современный уровень знаний позволяет установить лишь общую зависимость между волновой структурой ритма сердца и анатомо-физиологической структурой системы управления. Общепринятая иерархическая структура управления функциями организма, включает последовательные уровни гуморальной, гормональной вегетативной и центральной (корковой) регуляции. Этим уровням соответствуют определенные анатомо-физиологические структуры:

подкорковые нервные центры, обеспечивающие вегетативный гомеостаз;

высшие вегетативные центры, осуществляющие уравновешивание гуморально -гормонально-вегетативных звеньев управления под контролем корковых механизмов;

центральная нервная система, координирующая все процессы управления в организме в соответствии с условиями окружающей среды.

При оценке состояния регуляторных систем по данным математического анализа ритма сердца выделяется ряд показателей, которые условно можно разделить на три группы, соответственно трем указанным выше уровням системы управления. Статистические показатели характеризуют состояние и взаимодействие отделов вегетативной нервной системы, или так называемый автономный контур регуляции.

Общий подход к оценке вариабельности ритма сердца заключается в том, что, во-первых, более высокие уровни управления рассматриваются как ингибиторы активности более низких уровней и, во-вторых, период колебаний ритма сердца связывается с уровнем управления: чем больше период, тем выше уровень управления. Таким образом, в ответ на разные нагрузочные воздействия могут наблюдаться различные изменения ритма сердца. При оптимальном регулировании управление происходит с минимальным участием высших уровней. В противном случае в управлении участвуют все более высокие уровни управления.

3.4 Динамический анализ ЧСС

Как было сказано выше, частота сердечных сокращений не статическая величина, она меняется в зависимости от нагрузки, возраста и ритма жизни человека. В частности в данной работе были проведены исследования вариабельности ЧСС спортсменов трех различных видов спорта. Итоги анализа представлены на рисунках ниже. Надо отметить, что и средняя частота, и сам прочес изменения частоты сердцебиения носит индивидуальный характер для каждого человека, однако при сортировке данных можно было выявить вполне закономерные изменения. На их основании можно сделать выводы о прямой зависимости частоты сердечных сокращений от вида спорта, а так же от продолжительности физических нагрузок и спортивной карьеры в общем.

Рисунок 9 - График вариабельности ЧСС для велосипедистов

Рисунок 10 - График вариабельности ЧСС для пловцов

Рисунок 11 - График вариабельности ЧСС для гребцов

Используя накопленные данные, было установлено, что вариабельность сердечного ритма для спортсменов различных видов спорта отличается друг от друга, однако сохраняется в некоторых пределах.

В данном случае по значениям переменных и на графике видно, что параметр В, отвечающий значению с наибольшей вероятностью практически не меняется, держится в некоторых пределах для спортсменов различных видов спорта, однако плотность вероятности (амплитуда на графике) отличается более значительно, что показывает, насколько сильно может зависеть разброс значений ЧСС у спортсменов от вида спорта, хотя наиболее вроятные значения и находятся недалеко друг от друга. Параметр m, указывающий на скорость стремления значения к наиболее вероятному может косвенно показать, какова вероятность других значений, грубо говоря этот параметр характеризует угол наклона возрастающего промежутка функции. Для пловцов, как можно заметить, этот параметр принял максимальное значение.

Рисунок 12 - Распределение плотности вероятности

ЧСС спортсменов трех видов спорта

Для показателей систалического и диастолического давлений картина примерно похожа лишь с небольшой разницей, что плотность вероятности более же стремится к общему значению.

Рисунок 13 - Распределение плотности вероятности

ДАД спортсменов трех видов спорта

Рисунок 14 - Распределение плотности вероятности

САД спортсменов трех видов спорта

Это вновь доказывает то, что, несмотря на различные типы и количество нагрузок, сердце здорового человека должно работать в определенных границах основных показателей. Однако некоторые показатели все же имеют четко видные различия в зависимости от вида спорта, которым занимаются спортсмены. Например значение "Размаха" (данный показатель в численной форме визуализирует разницу периодов между максимальным и минимальным значениями времени прохождения R-пиков или разница между максимальным и минимальным временем двух сокращениями сердца) строго зависит от вида спорта.

Рисунок 15 - Распределение плотности вероятности

Размаха спортсменов трех видов спорта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты курсовой работы состоят в следующем:

Для составления динамической картины изменения ЧСС была отобрана группа людей, определенного времени стабильно проходивших медицинский осмотр и в частности диагностику на комплексе "Валента+". Опираясь на средние данные по частоте сердечных сокращений спортсменов каждого из трех видов спорта (велосипедный спорт, гребля и плавание) можно сделать следующие выводы:

а) показатели частоты сердечных сокращений существенно отличаются для спортсменов, занимающихся различными видами спорта.

б) для велосипедистов наблюдается резкое учащение сердцебиения в первые три месяца занятий спортом, в последствие ЧСС постепенно снижается и стабилизируется около начального значения (самое начало занятий спортом). Связано это с относительно резким возрастанием нагрузки за короткий период времени. Для велосипедистов характерна нагрузка на ноги, меньше - на торс и минимально для рук, что влияет на адаптационную перестройку организма и, в частности, учащение сердечного ритма.

в) для пловцов таких резких изменений не наблюдалось, частота сердечных сокращений у них остается практически неизменной на протяжении всей спортивной карьеры (в рамках периода диагностики). Для пловцов нагрузка распределяется на большинство групп мышц тела, что способствует плавной перестройке организма новый режим нагрузки, что отражается в статическом состоянии сердечной деятельности.

г) для гребцов картина вариабельности ЧСС весьма интересная. Оказалось, нецелесообразно выявить общую среднюю зависимость изменения сердечного ритма в связи с тем, что для гребцов ЧСС изменяется строго относительно характера стрессов (физ. нагрузки). Была отобрана группа людей (семь человек), которые в одно и то же время готовились к соревнованиям - т.е. их стрессовая нагрузка повышалась, и проводили общую физическую нагрузку в рамках своего вида спорта - т.е. стрессовая нагрузка находилась в средних значениях. Итогом анализа стал вывод, что организм и, в частности, сердце, сердечная деятельность гребцов адаптируются относительно предстоящих спортивных мероприятий. Это означает, что в момент подготовки к соревнованиям сердце "разгоняется", повышается ЧСС, пик которых приходится на сам момент выступления. Далее, в период отдыха, ЧСС спортсмена уменьшается, сердце "замедляет" свою работу. Цикл повторяется с начала подготовки к новым соревнованиям.

Примечание: под словом "соревнования" в общем случае может пониматься различные спортивные выступления, которым предшествовала продолжительная подготовка.

2 Средняя частота сердечных сокращений для спортсменов различных видов спорта различается, что показано в виде диаграммы на рисунке 13.

Рисунок 13 - Средняя ЧСС для спортсменов

Эти данные не зависят от динамических показателей, рассмотренных ранее, они сделаны на основе общих показателей всех хотя бы раз обследовавшихся спортсменов за трехлетний период.

Средняя частота сердечных сокращений может быть представлена и в виде распределения плотности вероятностей для спортсменов различных видов спорта:

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

кардиоритмограмма сердечный ритм спортсмен

Монография, книга: один, два, три автора

1. Ширяев А.Н. Основы стохастической финансовой математики - М.: Фазис, 2000. - том 1, 512 с.

. Р. З. Бариев, Корреляционные функции полубесконечной двумерной модели Изинга. I. Локальная намагниченность - С-Пб.: Графа , 2003. - 99 с.

. Зейферт Г., Трельфалль В. Вариационное исчисление в целом - М.: Лань, 2000. - 236 с.

. Задорожний В.Г. Методы вариационного анализа - М.: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2006. - 316 с.

Электронные ресурсы (статья, журнал, данные)

5. Электронные библиотеки // Москва: "Медпром" Российская медицинская промышленность - 2003 - Электронный ресурс, посвященный описанию и продаже медицинской техники. - (Рус.) - URL: #"802943.files/image052.gif">

Коэффициент корреляции для девушек по всем видам спорта