Модель влияния блокады сердца на распространение возбуждающих импульсов.

Курсовой проект

По дисциплине: Моделирование биологических процессов и систем

Тема: Модель влияния блокады сердца на распространение возбуждающих импульсов

Преподаватель:

Сенкевич Ю.И. Студент: гр.8501 ПетроваТ.О.

Санкт-Петербург 2011г.

Введение

Актуальность

Медицинский аспект.

Статистика сердечных заболеваний и смертности показывает, что многие сердечные блокады опасны своими последствиями, вплоть до смертельного исхода, где смерти составляют около 10-15 процентов от всех болезней сердца. Поэтому изучение, диагностика и лечение таких патологий не теряет своей актуальности.

Сокращения сердца, обеспечивающие его работу, происходят под воздействием электрических импульсов, которые создаются и проводятся на все участки сердечной мышцы, так называемой проводящей системой сердца. В норме импульс возникает в синусовом узле, расположенном в верхней части правого предсердия, далее распространяется на предсердия, вызывая их сокращение, с предсердий - через АВ узел - на желудочки, в которых проводящая система разветвляется подобно ветвям дерева для проведения импульса на все их участки. Нарушение проведения электрического импульса по какому-либо участку проводящей системы называется блокадой сердца.

Полная АВ блокада всегда привлекала внимание кардиологов и кардиохирургов, поскольку она приводит к существенным нарушениям систолической и диастолической функции ЛЖ. В последние годы данной проблеме уделяется особое внимание, так как данные нарушёния играют определяющую роль в функциональном статусе больных сердечно-сосудистыми заболеваниям. Систоло-диастолическая дисфункция сердца часто приводит к развитию сердечной недостаточности, являющейся одной из актуальных проблем здравоохранения в развитых странах мира, учитывая ее распространенность и связанную с ней высокую смертность. В целом, распространенность ХСН в общей популяции составляет 1,5-2,0%, однако среди лиц старше 60 лет достигает 6- 17%.

Технический аспект.

Существует потребность в необходимых технических средствах обнаружения данных патологий сердечной деятельности. Известным и хорошо себя зарекомендовавшим методом лечения нарушений проведения сердечного импульса является постоянная ЭКС. У 64-87% больных, нуждающихся в имплантации, причиной нарушений проводимости является ИБС. В частности, полная АВ-блокада нередко осложняет течение острого инфаркта миокарда, и выживаемость больных во многом зависит от естественного течения основного заболевания. Постоянная ЭКС в различных режимах позволяет быстро улучшить качество жизни этих больных и увеличить продолжительность их жизни, что является актуальной проблемой.

Подводя итог, получаем, что медицинский проблема состоит в высокой смертности от СС заболеваний, а техническая проблема направлена на усовершенствование оперативной ЭКС.

Цель исследования

Выявление ранних аномалий работы сердца, связанных с блокадами на основании оценки состояния внутрисердечной гемодинамики у больных с полными, неполными, частичными блокадами в зависимости от метода электрической стимуляции сердца по данным электрокардиологических исследований.

Задачи

―  обзор существующих моделей нарушения ритма сердца и его блокады, рассмотрение существующей концепции;

―      применение аналитической модели диагностики риска развития сердечных блокад по образцу d-схемы;

―      разработка алгоритмической модели диагностики риска развития сердечных блокад;

―      разработка компьютерной программы, реализующей созданный алгоритм (обнаружение нарушений);

―      экспериментальная проверка алгоритмической модели;

―      анализ применения выбранного алгоритма в вычислительном эксперименте.

Объект исследования: биотехническая система обнаружения заболеваний связанных с аритмией и нарушениями сердечной деятельности.

Предмет исследования: изучение явления отклонения от нормы в ЭКГ человека, связанные с нарушением ритма, проявляющиеся в превышении продолжительности зубцов и интервалов ЭКГ; а также характерным несоответствием между ритмом предсердий и ритмом желудочков.

Структура работы:

―  обзор современных методов диагностики блокад сердца;

―      описание разрабатываемой алгоритмической модели лабораторной диагностики блокад сердца;

―      разработка компьютерной программы, реализующей созданный алгоритм;

―      экспериментальная проверка алгоритмической модели;

―      анализ полученных результатов.

 

Глава 1. Обзор существующих моделей нарушения ритма сердца и его блокады

.1 Диагностика и лечение нарушений ритма сердца

сердце возбуждающий импульс компьютерный программа

Нарушениями ритма и проводимости называются различные изменения физиологически нормальной очередности сокращений сердца, которые наступают в результате расстройства основных функций миокарда.

Основные функции сердечной мышцы:

·        автоматизм - способность специализированных клеток к генерации потенциала действия;

·        возбудимость - способность возбуждаться под влиянием раздражающего импульса определенных параметров;

·        проводимость - способность к распространению потенциала действия от места его возникновения до сократительного (рабочего) миокарда;

·        сократимость - способность реагировать механическим актом в ответ на возникшую волну возбуждения;

·        рефрактерность - невозможность возбужденных клеток миокарда снова активироваться при возникновении дополнительного импульса.

Работа всех структур и отделов сердца строго последовательно синхронизирована, но в функциональном отношении неоднородна. Определяющую роль в работе миокарда играет его функциональная гетерогенность. Под функциональной гетерогенностью понимают различия количественных и качественных характеристик автоматизма, возбудимости, проводимости, рефрактерности и сократимости отдельных миокардиальных волокон, проявляющиеся в разнотипных реакциях кардиомиоцитов на приложенные к ним раздражители. Роль функциональной гетерогенности в поддержании ритмической активности сердца чрезвычайно велика. Поскольку различные отделы сердечной мышцы не одновременно включаются в возбудительный и сократительный акты, в миокарде имеются механизмы, обеспечивающие эту неоднородность. Неоднородность (энтропия) миокарда - важнейший фактор, препятствующий развитию нарушений в деятельности сердца. Следует отметить, что способность сердечной мышцы к возбуждению лежит в основе ее главных составляющих свойств, т. е. от уровня (состояния) возбудимости зависят проводимость и сократимость сердца. Функция проведения возбуждения свойственна как сократительной, так и узловой ткани миокарда, хотя в последней она выражена сильнее.

Частота аритмий.

Самым распространенным нарушением сердечного ритма является экстрасистолия, регистрируемая при любых заболеваниях миокарда.

Частота суправентрикулярной экстрасистолии при инфаркте миокарда составляет 40-50%, у лиц без поражения сердечно-сосудистой системы (по данным мониторирования ЭКГ по Холтеру) - 10-70%.

Частота желудочковых аритмий у больных с различными заболеваниями миокарда достигает 90-95%. У 80-90% больных ЖЭ связана с ИБС. В то же время у 5-70% лиц без заболевания сердца обнаруживают ЖЭ.

Хронические нарушения внутрижелудочковой проводимости выявляются в 1-2% случаев в популяции лиц среднего возраста, при этом в 80% случаев они связаны с ИБС.Ежегодно у 2% больных нарушения внутрижелудочковой проводимости прогрессируют вплоть до развития полной АВ-блокады.

Практические рекомендации, касающиеся выбора диагностических процедур, способов лечения (медикаментозный, хирургический, катетерный), разделяются на классы:

·        класс I - достоверные доказательства и/или единство мнений экспертов в том, что данная процедура или вид лечения целесообразны, полезны и эффективны;

·        класс II - противоречивые доказательства и/или расхождения во мнениях экспертов о пользе/эффективности процедуры или лечения:

·        класса IIа - данные/мнения в большей мере свидетельствуют о пользе/эффективности процедуры или лечения;

·        класс IIб - польза/эффективность недостаточно хорошо подтверждена доказательствами и/или мнениями экспертов;

·        класс III - достоверные доказательства и/или единство мнений экспертов в том, что процедура или вид лечения не являются полезными и эффективными, а в ряде случаев могут быть вредными.

.2 Диагностика блокады сердца

Блокады сердца-нарушения сердечной деятельности, связанные с замедлением или прекращением проведения импульса по проводящей системе. По локализации различают блокады синоатриальные (на уровне миокарда предсердий), предсердие-желудочковые (на уровне АВ узла) и внутрижелудочковые (на уровне пучка Гиса и его разветвлений). По выраженности различают замедление проводимости (каждый импульс замедленно проводится в нижележащие отделы проводящей системы, блокада 1 степени), неполные блокады (проводится лишь часть импульсов, блокада II степени) и полные блокады (импульсы не проводятся, сердечная деятельность поддерживается эктопическим центром ведения ритма, блокада III степени).

Нарушения синоатриальной и предсердно-желудочковой проводимости могут возникать при миокардитах, кардиосклерозе, очаговых и дегенеративных поражениях миокарда, особенно в области заднедиафрагмальной стенки, интоксикациях, например, сердечными гликозидами, при повышении тонуса блуждающего нерва, под действием бета-адреноблокаторов, верапамила. Нарушения внутрижелудочковой проводимости чаще обусловлены некротическим, склеротическим или воспалительным процессами. Нетяжелые нарушения проводимости (синоатриальная и предсердно-желудочковые блокады I и II степени, блокада правой ножки пучка Гиса или одной из ветвей левой ножки) изредка наблюдаются у практически здоровых лиц. Врожденная полная поперечная блокада очень редка. В целом, чем дистальнее и выраженнее блокада, тем серьезнее ее клиническое значение. Все блокады могут быть стойкими или преходящими, преходящие блокады иногда свидетельствуют об обострении болезни сердца. Локализация и выраженность блокады определяются по ЭКГ, более надежно при внутрисердечной регистрации потенциалов проводящей системы.

Синоатриальная блокада -диагностируется лишь неполная блокада: на фоне синусового ритма или синусовой аритмии отмечается выпадение отдельных комплексов PQRST c соответствующим (вдвое, реже втрое и более) удлинением диастолической паузы.

Предсердно-желудочковая блокада I степени, интервал Р- Q удлинен до 0,21 с и более, но все предсердные импульсы достигают желудочков.

Предсердно-желудочковая блокада II степени: отдельные предсердные импульсы не проводятся в желудочки, соответствующий желудочковый комплекс выпадает (на ЭКГ изолированный зубец Р). При блокаде проксимального типа (на уровне атриовентрикулярного узла) такому выпадению предшествует прогрессирующее удлинение интервала Р- Q в ряду 2-8 циклов, и эти периоды повторяются, иногда регулярно. При блокаде дистального типа (на уровне пучка Гиса и дистальнее) выпадению отдельных циклов не предшествует постепенное удлинение интервала Р - Q.Блокада дистального типа бывает при более тяжелом поражении миокарда, она чаще переходит в полную поперечную блокаду.

Предсердно-желудочковая блокада III степени-предсердия и желудочки возбуждаются в правильном, но независимом друг от друга ритме. При этом также может быть выделена блокада проксимального типа (узкий QRS, частота желудочкового ритма около 40-50 в 1 мин; ей предшествует неполная блокада проксимального типа) и дистального типа (широкий QRS, частота желудочкового ритма около 20-40 в 1 мин; предшествует ей, иногда очень кратковременно, неполная блокада дистального типа). Наиболее точное определение уровня блокады возможно при внутрисердечной регистрации потенциалов проводящей системы.

Внутрижелудочковые блокады касаются одной, двух или всех трех ветвей внутрижелудочковой проводящей системы (соответственно моно-, би- и трифасцикулярные блокады). Блокада передней или задней ветви левой ножки пучка Гиса характеризуется значительным отклонением электрической оси сердца соответственно влево или вправо (последний признак менее специфичен: должны быть исключены другие, более обычные причины правого типа ЭКГ). При блокаде правой ножки пучка Гиса начальная часть комплекса QRS сохранена, конечная расширена и зазубрена, продолжительность QRS обычно увеличена; в отведении V1 обычно увеличен и зазубрен зубец R, сегмент ST опущен, зубец Т отрицательный; электрическая ось на фронтальную плоскость проецируется плохо (S-тип ЭКГ в стандартных отведениях). Сочетание блокады правой ножки с блокадой одной из ветвей левой ножки (бифасцикулярная блокада) характеризуется по ЭКГ наличием признаков блокады правой ножки и значительным отклонением электрической оси. Блокада обеих ветвей левой ножки, блокада левой ножки: комплекс QRS расширен до 0,12 и более, зазубрен; в левых грудных отведениях преобладает зубец R, сегмент Т часто опущен, зубец R отрицательный. Трифасцикулярная блокада соответствует предсердно-желудочковой блокаде III степени дистального типа.

Симптомы.

При неполных поперечных блокадах отмечается выпадение пульса и сердечных тонов. Внутрижелудочковые блокады иногда сопровождаются расщеплением тонов, чаще - блокада правой ножки пучка Гиса. Полная поперечная блокада характеризуется стабильной брадикардией, изменчивой звучностью тонов сердца, судорогами (приступы Адамса - Стокса - Морганьи). Стенокардия, сердечная недостаточность, внезапная смерть могут возникать при полной поперечной блокаде, особенно дистального типа.

Лечение.

Лечат основное заболевание, устраняют факторы, приведшие к блокаде. При неполной и полной поперечной блокаде проксимального типа иногда применяют атропин, изопротеренол, эуфиллин, однако эффективность этих средств непостоянна и ненадежна, в лучшем случае они оказывают временный эффект. Блокады, приведшие к недостаточности сердца и (или) периферического кровообращения, а также неполные и полные блокады дистального типа являются показанием к применению временной или постоянной желудочковой электростимуляции.

.3 Методы лечения и диагностики

·        анамнез и физикальные методы исследования;

·        рентгенохирургия аритмий;

·        катетерные процедуры с использованием методики радиочастотной аблации;

·        электрокардиостимуляция;

·        ЭКГ;

1.3.1 Анамнез и физикальные методы исследования

Анамнез - совокупность сведений, получаемых при медицинском обследовании путём расспроса самого обследуемого и/или знающих его лиц.

Из анамнеза жизни важно выяснить размеры тренировки и развитие всей мышечной системы; время начала физической работы, ее напряженность; привычные интоксикации (табак, алкоголь); перенесенные болезни. Особенно важны точные сведения о следующих перенесенных заболеваниях: ревматизме, поражающем все три оболочки сердца; сифилисе, поражающем чаще всего аорту и миокард; сыпном тифе, поражающем миокард и нервный аппарат сердца и сосудов; ангинах, поражающих эндокард и миокард; скарлатине, брюшном тифе, дизентерии и прочих инфекциях, поражающих главным образом миокард.

Физикальное обследование - комплекс медицинских диагностических мероприятий, выполняемых врачом с целью постановки диагноза. Все методы, относящиеся к физикальному обследованию, осуществляются непосредственно врачом с помощью его органов чувств (пальпация, аускультация, осмотр и др.). Осмотр сердечно-сосудистого больного начинается с оценки на глаз его конституций. Среди сердечно-сосудистых больных преобладают гиперстеники (обладают широкими округлыми формами). Осмотр лица дает тоже некоторые диагностические указания. У больных с митральными пороками лицо часто сине-румяное, у аортальных больных - бледное. Осмотр полости рта у сердечного больного обязателен. При недостаточности клапанов аорты наблюдаются ритмичные побледнения и покраснения слизистой мягкого нёба. При осмотре грудной клетки больных, у которых развилась гипертрофия сердца с детства, при еще податливых ребрах, можно заметить выпячивание грудной клетки в области сердца - «сердечный горб».

Пальпаторно у сердечно-сосудистых больных исследуют грудную клетку, брюшную полость, периферические артерии, вены, а на конечностях и спине - отеки. Пальпацией определяют изменения конфигурации грудной клетки, наличие аневризматических выпячиваний между ребрами и в надгрудинной ямке, болевую чувствительность кожи. В брюшной полости определяют состояние брюшной аорты и печени. На периферических артериях определяют состояние их стенки и свойства пульса.

Преимущества:

·        Осмотру нет инструментальной альтернативы

·        Осмотр - обоюдный процесс взаимодействия между пациентом и врачом

Недостатки:

·        Субъективность метода

.3.2 Инструментальные исследования

Рентгенхирургия, катетерные процедуры с использованием методики радиочастотной аблации и электрокардиостимуляция относятся к инструментальным вмешательствам в организм человека. Но несмотря на это, он является наиболее информативным методом исследования сердечно-сосудистых заболеваний. Инструментальные методы позволяют судить о функционировании пораженных участков сердца, но данные методы не всегда безопасны для человека, часто требуют наличия в больницах сложных и дорогостоящих приборов.

.3.3 Методы визуализации сердца

Эхокардиография - ультразвуковое исследование сердца и сосудов. Позволяет получить изображение сердца, его четырех камер, клапанов, в движении в реальном масштабе времени. Применение особого принципа анализа изображения (допплеровского) позволяет документировать движение крови внутри самого сердца и в сосудах. Благодаря таким подходам, УЗИ сердца позволяет оценить не только строение сердца, но и его функции. УЗИ сердца и сосудов используется для распознавания пороков сердца. Применяется для диагностики ишемической болезни сердца - стенокардии, инфаркта миокарда, состояний после перенесенного инфаркта миокарда; Все более широко применяется УЗИ сердца и сосудов для проведения профилактических осмотров, поскольку метод позволяет выявлять самые ранние расстройства деятельности сердца.

Преимущества:

·        Визуализация практически всех структур сердца

·        Широкий спектр возможностей в изучении работы сердца

·        Мобильность эхокардиографической аппаратуры

·        Безвредность

Недостатки:

·        выраженная зависимость от квалификации исследователя

·        Трудности количественной оценки результатов теста

.3.4 Косвенные методы исследования

Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Прямым результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы - графического представления разности потенциалов возникающих в результате работы сердца и проводящихся на поверхность тела. На электрокардиограмме отражается усреднение всех векторов потенциалов действия, возникающих в определённый момент работы сердца. Метод электрокардиографии может быть использован для:

)        Определение частоты и регулярности сердечных сокращений (например, экстрасистолы (внеочередные сокращения), или выпадения отдельных сокращений - аритмии);

)        Выявление нарушений внутрисердечной проводимости (различные блокады);

)        понятие о физическом состоянии сердца (гипертрофия левого желудочка);

)        Позволяет удалённо диагностировать острую сердечную патологию (инфаркт миокарда, ишемия миокарда);

Преимущества:

·        Относительно недорогой метод

·        Безвредность

·        Возможность применения в любых условиях

Недостатки:

·        Кратковременность записи

·        Напрямую не диагностирует пороки и опухоли сердца

·        Не отражает наличие шумов сердца

Концепция.

В качестве прототипа разрабатываемой модели будет использоваться метод электрокардиографии. Несмотря на перечисленные выше недостатки, данный метод позволяет провести диагностику наиболее ранних патологий, связанных с нарушением сердечного ритма.

Выводы по главе 1.

Будет проводиться работа на основе выбранного прототипа. Для чего будет осуществлено следующее моделирование.

 

Глава 2. Применение аналитической модели диагностики риска развития сердечных блокад на основе d-схемы

Обоснование выбора модели.

Мною выбрана непрерывно-детерминированная модель, так как использование D-схем для данной системы позволяет формализовать процесс функционирования и оценить ее основные характеристики, применяя аналитический и имитационный подход, реализованный в виде соответствующего языка для моделирования непрерывных систем (IDEF0) и использующий аналоговые и гибридные средства вычислительной техники (язык программирования MatLab).

Аналитическая модель была исследована следующими методами:

а) аналитическим, получили в общем виде явные зависимости для искомых характеристик;

б) численным, получили числовые результаты при конкретных начальных данных;

в) качественным, нашли некоторые свойства решения.

Микропроцессорные технологии значительно улучшили технические характеристики и функциональные возможности анализаторов ЭКГ: повышение точности цифровой регистрации, автоматическое измерение количественных параметров ЭКГ, эффективная визуализация ЭКГ-сигналов и расчетных параметров, автоматическое создание и сопровождение базы данных. Также появились компьютерные интерпретаторы, которые существенно повышают чувствительность и специфичность анализа ЭКГ и уменьшают влияние субъективного опыта и знаний врача на качество ЭКГ-заключения. Например, при рассмотрении небольших низкоамплитудных изменениях ЭКГ-сигнала в последовательных сердечных сокращениях, проявляющихся в незаметных случайных колебаниях линии ЭКГ на однотипных участках записи ЭКГ. Средняя амплитуда этих колебаний столь незначительна, что они традиционно интерпретируются как малозначимые шумовые помехи. Однако именно малые флуктуации часто несут важную диагностическую информацию, предшествующую развитию патологии и не проявляющуюся в традиционных отклонениях ЭКГ-сигнала.

Но анализ случайных колебаний ЭКГ невозможен без точной модели БГС.

Структурная модель.

Компьютер позволяет визуализировать данные и обработать полученные результаты в полном объеме, согласно последним техническим возможностям.

Функциональная модель.

Функциональная схема спроектирована согласно стандарту IDEF0 в программной среде RamusEducational (представлена в Приложении).

Электродинамическая модель.

Построение такой модели сопряжено не только с теоретическими трудностями, но и проблемами экспериментальной идентификации модельных параметров. Поэтому будем использовать классическую электродинамику, дающую описание ЭМИ на языке амплитудных и фазовых изменений векторов напряженности электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла достаточно хорошо интегрируются в случае анализа осциллирующих зарядов, связанных с простыми пространственными структурами излучателей. Но при анализе произвольных движений зарядов, например импульсного кратковременного ускорения и в классическом приближении также возникают расчетные проблемы. Эти проблемы обусловлены особенностями электродинамического анализа переходных процессов, связанных с возникновением и исчезновением электрического тока. Это описание в нерелятивистской области, т.е. области скоростей ионов, значительно меньших скорости света, эквивалентно уравнениям Максвелла.

Напряженность электрического поля заряда, движущегося произвольным образом в вакууме, в любой момент времени может быть определена выражением:

 (1)

Магнитное поле движущегося заряда определяется выражением:

 (2)

Если в некоторый момент возникает изменение скорости движения заряда, т.е. появляется ускорение, то возникают соответствующие изменения электрического и магнитного полей, которые распространяются в виде сферической волны со скоростью света и в дальней зоне излучения. Применение формулы для расчета электрического поля кардиомиоцита в дальней зоне излучения, которая для отдельного кардиомиоцита соответствует расстояниям более 5…10 мм, приводит к следующему выражению:

 (3)

Пространственная структура электрического поля импульсного ЭМИ, определяется последней формулой, для деполяризации и реполяризации отдельного кардиомиоцита. Эта структура значительно сложнее дипольного электрического поля при квазистатическом приближении. Излучение кардиомиоцита порождает в окружающем пространстве два токовых истока (векторы напряженности электрического поля радиально расходятся из одной точки) и в два токовых стока (векторы напряженности электрического поля радиально сходятся к одной точке). При этом вдоль оси кардиомиоцита при деполяризации индуцируется положительный потенциал, соответствующий токовому истоку, а при реполяризации - отрицательный потенциал, индуцируемый токовым стоком.

Карта поверхностных потенциалов в любой момент времени определяется суммированием сигналов по всем кардиомиоцитам, излучающим в этот момент электромагнитные волны. Модель электромагнитного индуцирования поверхностных потенциалов не только позволяет эффективно анализировать флуктуации ЭКГ, но и разрешает практически все современные проблемные задачи клинической интерпретации ЭКГ-сигналов.

Перечислим наиболее существенные результаты. С помощью созданной модели мы наблюдаем:

• деполяризацию кардиомиокарда, которая позволяет объяснить все наблюдаемые вариации комплекса QRS на основе расчета интерференции ЭМИ деполяризуемых клеток. Структура комплекса QRS ЭКГ зависит не только от положения деполяризуемых слоев кардиомиокарда, но и от их морфологической структуры (например, от соотношения циркулярных и продольных мышечных волокон в стенке желудочка).

• реполяризацию кардиомиокарда, в которой, не привлекая модели "обратного распространения волны реполяризации" от эпикарда к эндокарду, вариации зубца Т ЭКГ являются естественным следствием интерференции электромагнитных волн, а не "обратного" распространения волны реполяризации.

• ЭКГ-отведений, которые обеспечивают простую клиническую интерпретацию сложных патологических изменений комплекса QRST в любой системе отведений.

Также возникает возможность расчетного разделения регистрируемого ЭКГ-сигнала на два изолированных сигнала: левого и правого желудочков. Существующие эвристические приемы анализа ЭКГ, основанные на том, что грудные отведения V1-V3 коррелируют с правым желудочком, а V4-V6 c левым, оказываются весьма приближенными, и при многих патологических состояниях - неточными. Алгоритмическое разделение ЭКГ на ЭКГ_L (левый желудочек) и ЭКГ_R (правый желудочек) легко объясняет сложные комбинации зубцов r, R, q, Q, S, s лишь амплитудными и фазовыми сдвигами сигналов двух желудочков. Сложная зарегистрированная линия rRS является суммой простых зубцов R двух желудочков, сдвинутых по фазе возбуждения.

В итоге, на основе данной электродинамической модели возможно разработать алгоритмическую модель.

Описание разрабатываемой алгоритмической модели лабораторной диагностики блокад сердца

1)      Предварительная обработка ЭКГ) оценка уровня помех в сигнале)         подавление помех

)        Обнаружение QRS-комплексов ЭКГ)     Выделение QRS-комплекса)         Распознавание QRS-комплекса)     Определение опорной точки для каждого комплекса) Измерение RR-интервала

)        Анализ формы QRS-комплекса)     Вычисление признаков формы)         Формальное разбиение на кластеры)       Идентификация кластеров

)        Анализ ишемических изменений ЭКГ

)        Устранение дрейфа 0 линии

)        Анализ формы sT-сегмента

)        Анализ вариабельности сердечного ритма)      Получение последовательности NN-интервалов)  Расчет статистических характеристик СР)       Получение равномернодискретного сигнала)  Расчет спектральных характеристик СР

В дальнейшей программе реализованы некоторые этапы анализа ЭКГ (вариабельность).

Модельные ЭКГ вычислялись следующим образом. На каждом пятом шаге счета текущее значение ЭКГ определяется как сумма отношения потенциалов в каждой точке среды к расстоянию до вынесенной за пределы среды точки "регистрации" ЭКГ. Точка "регистрации" ЭКГ была вынесена перпендикулярно плоскости (x,y) из точки x=0, y=0 в точку, расположенную вне среды, на расстояние, равное размеру среды.

Для каждой ЭКГ количественно оценивалась её вариабельность. Для этого мы использовали АНИ-метод. Основная идея АНИ-метода состоит в следующем: для каждого из участков ЭКГ находится ближайший похожий участок в пределах некоторого временного окна (т.н. окна образца); в качестве меры сходства используется евклидово

расстояние. Евклидово расстояние между этими схожими участками принимается за оценку мгновенной вариабельности и обозначается как Ii (i - текущее значение дискретного времени). С целью получения интегральных характеристик вариабельности исследуемого участка ЭКГ принимается:

среднее значение функции Ii на этом участке (индекс вариабельности ЭКГ, V1)

значение коэффициента изменчивости функции Ii на этом участке (индекс изменчивости вариабельности ЭКГ, V2).

Для слежения за динамикой изменений ЭКГ индексы V1 и V2 вычисляются в скользящем временном окне фиксированной ширины, в результате чего получаются функцииV1i и V2i. Траектория в пространстве индексов (V1i, V2i) отображает динамику интегральных характеристик вариабельности ЭКГ.

В последующей программе использовалась модификация АНИ-медода. А именно были внесены следующие изменения:

из исходного сигнала удаляется тренд

для увеличения устойчивости алгоритма введена нормировка исходного сигнала методом стандартных отклонений.

Разработка компьютерной программы, реализующей созданный алгоритм

Ниже представлен листинг программы реализованной в среде MatLab. Ее блок-схема алгоритм представлен на предыдущей странице.

function varargout = mainwnd(varargin)

gui_Singleton = 1;_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @mainwnd_OpeningFcn, ...

'gui_OutputFcn', @mainwnd_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [] , ...

'gui_Callback', []);nargin && ischar(varargin{1})_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});_mainfcn(gui_State, varargin{:});mainwnd_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin).output = hObject;(hObject, handles);varargout = mainwnd_OutputFcn(hObject, eventdata, handles){1} = handles.output;pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)= uigetfile('*.txt');= load(file);.s1 = s(:,1);.fs1 = 0;.fd = 250;.T = 1 / handles.fd;.tmax = 2.5;('filt.mat');.fs1 = filter(Num,Den,handles.s1);= 2^nextpow2(handles.fd);= abs(fft(handles.fs1,NFFT));= 2 * FftS./ NFFT;(1)= FftS(1) / 2;= handles.fd / 2*linspace(0, 1, NFFT / 2 + 1);= mean(F);= max(FftS);= min(FftS);(handles.axes1);(F,FftS(1:length(F)));off;.PHF = 100 * HF /(LF+HF);.PLF = 100 * LF /(LF+HF);

guidata(hObject, handles);

 

Глава 3. Экспериментальная проверка алгоритмической модели

Данная программа рассчитывает параметры и характеристики ВСР. Ниже представлены результаты программы на сигналы с различными патологиями (см. описание в тексте).

Таблица 1 Данные, рассчитанные программой

	VHF (%)	VLF(%)	Коэф.вариации (%)
Гр.1	99.964	0.0360	14,45373
Гр.2	99.6876	0.3124	6,756
Гр.3	99.9618	0.0382	10,5194
Гр 4	99,9731	0.0269	2,34568
Гр.5	99,7679	0,2321	15,65498

График 1Снятый ЭКГ сигнал из файла

График 2 Возможность экстрасистолии (исходный сигнал - график 1)

График 3 Возможность желудочковой тахикардии

График 4 Возможность желудочковой тахикардии

График 5 Фибрилляция желудочков

График 6 Возможность мерцательной аритмии

 

Анализ полученных результатов

По видам полученных графиков и данных можно проанализировать СР:

·        График 1 - возможность экстрасистолии

·        График 2 - возможность желудочковой тахикардии

·        График 3 - возможность желудочковой тахикардии

·        График 4 - фибрилляция желудочков

·        График 5 - возможность мерцательной аритмии

Приведенная работа позволила связать количественные характеристики вариабельности модельных ЭКГ с параметрами электродинамической модели.

. Зависимость вариабельности ЭКГ от возбудимости кардиомиокарда. К возрастанию вариабельности ЭКГ может приводить увеличение порога возбуждения.

2. Зависимость вариабельности ЭКГ от неоднородности кардиомиокарда. Неоднородность ткани по электрофизиологическим свойствам моделировалась посредством изменения величины порога возбуждения при переходе от приповерхностного слоя вглубь модельной среды. Результаты математического моделирования свидетельствуют о том, что неоднородность кардиомиокарда может существенно влиять на вариабельность ЭКГ(разные файлы).

ВЫВОДЫ. Результаты данной работы могут рассматриваться как первый шаг в направлении количественного изучения закономерностей, которые существуют между вариабельностью ЭКГ и характеристиками патологических механизмов распространения возбуждения, ответственных за возникновение высокочастотных и низкочастотных аритмий. Что соответствует поставленной в начале работы цели исследования, а именно позволяет выявлять аномалии работы сердца на ранних стадиях.

 

Заключение

Анализ разработанного алгоритма в вычислительном эксперименте показал, что разработанная модель может найти применение на практике. В ходе апробации данной модели при различных параметрах были получены адекватные оценки диагностики СС заболеваний.

Тем не менее, для получения достоверных данных о работе модели необходимо провести исследования с непосредственным участием людей с больным сердцем, при которых расчетные данные модели будут сравниваться с реальным изменением СР.

Кроме того, для лучшей оценки блокад в данную модель необходимо включить учет множества второстепенных по отношению к проведению обследования факторов, таких как: психологическое и эмоциональное состояние пациента, информация о перенесенных ранее заболеваниях и другие.

Результаты работы:

-       Проведен анализ существующих моделей диагностики блокад;

-       Предложена новая электродинамическая модель;

-       Разработана алгоритмическая модель лабораторной диагностики блокад;

-       Разработана программа для практического применения алгоритма;

-       Проведено экспериментальное тестирование разработанной программы.

Степень достижения поставленных целей:

Работа выполнена в полном объеме.

Предлагаемые перспективы:

Актуальным и необходимым является создание базы пациентов для хранения данных обследований. Что позволить проследить историю болезни, начиная с ранних стадий. Это повысит эффективность диагностики СС заболеваний, а также увеличит вероятность выздоровления и уменьшит срок лечения.

Также возможна оптимизация описанных в программе алгоритмов. А именно, позволить выбирать подходящую частоту среза ФВЧ для каждого сигнала; добавить ортогональное вейвлет разложение для удаления тренда из сигнала, что понизит оценку сложности данного процесса.

Литература

. Томпсон Дж. М.Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе: Пер. с франц. М.: Мир, 1981.

. Вагнер Гален С. Практическая электрокардиография Марриотта: Пер с англ. СПб.: Невский Диалект; М.: Изд-во БИНОМ, 2002.

. Дорофеева З.З. Принципы векторкардиографии. М.: Медгиз, 1963.

. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография: Учеб. пособие. 5-е изд. М.: МЕДпресс-информ, 2001.

. Руководство по кардиологии. Т. 2. Методы исследования сердечно-сосудистой системы. Под ред. Е.И.Чазова. М.: Медицина, 1982.

. Теоретические основы электрокардиологии. Под ред. К.В.Нельсона, Д.В.Гезеловица. Пер. с англ. М.: Медицина, 1979.

. Титомир Л.И., Рутткай-Недецкий И., Бахарова Л. Комплексный анализ электрокардиограммы в ортогональных отведениях: электрокардиологическая интроскопия сердца. М.: Наука, 2001.

. Дж. М. Фаллер, Деннис Шилдс. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. М.: БИНОМ-Пресс, 2003.

. Физиология человека. Пер. с англ. Под ред. Шмидта, Г.Тевса. М.: Мир, 2004; Т. 1.

. А.Б. Медвинский, А.В.Русаков, А.В. Москаленко Биофизика сложных систем 2003; Т.48.

Приложение

 

Термины

АВ - атриовентикулярный

АНИ - метод анализа нормированной изменчивости (для количественной оценки вариабельности ЭКГ)

БГС - биогенератор сердца

ИБС - ишемическая болезнь сердца

ЖЭ - желудочковая экстрасистолия

ЛЖ - левый желудочек

ЛП - левое предсердие

ПЖ - правый желудочек

ПП - правое предсердие

СР - сердечный ритм

CC - сердечно-сосудистый

УЗИ - ультразвуковое исследование

ХСН - хроническая сердечная недостаточность

ЧСС - частота сердечных сокращений

ЭКС - электрокардиостимуляция

ЭКГ - электрокардиограмма

ЭМИ - электромагнитные импульсы

ЭхоКГ - эхокардиограмма

Функциональное проектирование.

А0 - Провести ЭКГ

А1 - Подготовить пациента к обследованию

А11 - Провести премедикацию

А12 - Транспортировать пациента в кардиокабинет

А2 - Провести обследование

А21 - Положить пациента

А22 - Нанести гель

А23 - Наложить электроды

А24 - Снять потенциалы

А25 - Вывести катетер

А26 - Работать с электрокардиографом

А3 - Завершить обследование

Декомпозиция контекстной диаграммы

Декомпозиция функции блока «Подготовить пациента к обследованию»

Декомпозиция функции блока «Провести обследование»

Иерархия методов