Введение к работе
Актуальность темы
Сердце, являясь одной из основных систем жизнеобеспечения человека, на протяжении долгого времени привлекает внимание специалистов из различных областей знаний: биологии, медицины, биофизики и радиотехники. Это вызвано безусловной важностью решения общечеловеческих и социальных проблем, связанных с заболеванием сердца. Несмотря на огромные достижения кардиологии, сердечные заболевания остаются ведущей причиной смертности в мире. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) на долю сердечнососудистых заболеваний приходится 30 процентов смертей в мире. Около 2000 человек ежечасно в мире погибают от жизнеугрожающих сердечных аритмий, применительно к России – это 200 тысяч случаев внезапной смерти каждый год.
С начала 2000-х годов активно развивается и приобретает все большее значение новое направление в кардиологии – «интракардиальная телекардиология» – раздел телекардиологии, базирующийся на передаче внутрисердечных сигналов радиоэлектронным устройством, имплантированным кардиопациенту. Радиотехнические системы интракардиальной телекардиологии реализуют измерение параметров и сигналов у кардиологических больных непосредственно в сердце в повседневной жизни (in vivo) и их передачу через глобальные системы мобильной связи лечащим врачам.
Такие системы предоставляют врачам уникальные возможности дистанционного мониторинга состояния пациентов в режиме on-line на всей территории земного шара, охваченной сетями мобильной связи. Широкое внедрение в практику радиотехнических систем интракардиальной телекардиологии существенно повышает качество лечения кардиологических больных, одновременно снижая до 60% расходы на лечение (данные Канадского агентства по лекарствам и медицинским технологиям на декабрь 2008). Поэтому создание радиотехнических методов оценки состояния сердца по интракардиальным сигналам является одной из актуальнейших задач для производителей систем телекардиологии.
Большое значение в становлении направления и решении возникающих задач имели работы российских ученых Григорьева А.И., Миронова С.П., Бокерия Л.А., Гуляева Ю.В., Никитова С.А., Анциперова В.Е., Ревишвилли А.Ш., Сыркина А.Л., Гапонова-Грехова A.В., Иваницкого Г.Р., Кринского В.И., Романовского Ю.М., Кравцова Ю.А., Анищенко В.С., Титомира Л.И., Баевского Р.М., Панфилова А., Бикташева В. и др. и зарубежных ученых Schaldach M., Sack S., Bauer W., Nerlich M., Sanders J., Wootton R., Pedersen S., Bashshur R., Glass L, Mackey M, Kaplan D, Rudy Y, Jalife J., Guevara M., Malik M., Goldberger A., Kurths Yu. и др.
В настоящее время на мировом рынке представлены радиотехнические системы интракардиальной телекардиологии CareLink компании Medtronic, Merlin.net компании St. Jude Medical, Latitude компании Guidant и Home Monitoring компании Biotronik GmbH & Co. KG. Наиболее развитой в настоящее время является система Home Monitoring компании Biotronik GmbH & Co. KG, которая на июнь 2007 года охватывала более 50000 пациентов в 35 странах мира и активными пользователями которой к этому времени являлись более 1500 клиник.
До последнего времени такие системы реализовывали функции мониторинга состояния пациентов на основе только отдельных интегральных параметров и контроля над некоторыми техническими параметрами имплантированных устройств. В 2006 году компанией Biotronik GmbH & Co. KG была реализована технология IEGM Online, которая позволила передавать целые эпизоды исходных интракардиальных сигналов, измеренных непосредственно в сердечных камерах пациентов, предоставив тем самым уникальную возможность оперативного анализа формы интракардиальных сигналов от пациентов в повседневной жизни (in vivo). Однако до сих пор предназначение радиотехнических систем телекардиологии на практике ограничивается контрольными функциями за работой радиоэлектронных имплантатов и предоставлением исходной необработанной медицинской информации лечащему врачу.
Круг задач, связанных с сердцем, которые охватывала радиотехника, традиционно ограничивался разработкой электронных устройств для нужд кардиологии. Внедрение в практику и развитие систем интракардиальной телекардиологии позволяет существенно расширить применение радиотехнических методов и устройств в этой области, не ограничиваясь частными техническими решениями, а подойдя к общей проблеме мониторинга и оценки состояния сердца как к радиотехнической задаче наблюдения за волновой средой.
Цель диссертационной работы – разработка радиотехнических методов оценки и мониторинга состояния сердца по интракардиальным сигналам на основе подхода к проблеме как к радиотехнической проблеме наблюдения за волновой средой. Методы могут дополнить современные системы телекардиологии новыми возможностями и тем самым улучшить качество контроля состояния кардиологических больных.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
-
Анализ и интерпретация с позиции радиотехники процесса распространения в сердечной ткани волны электрического возбуждения и волновых явлений, проявляющихся на неоднородностях сердечной ткани.
-
Анализ процесса наведения интракардиальных сигналов на измерительных электродах имплантируемых устройств.
-
Разработка радиотехнических методов оценки состояния сердца на основе обработки формы интракардиальных сигналов.
-
Анализ и радиотехническая интерпретация реакции сердечной клетки на воздействие электрическими импульсами с постоянным и флуктуирующим периодом следования с целью создания основ для новых методов, позволяющих дополнить системы телекардиологии возможностью мониторинга устойчивости возбуждения в сердце.
-
Анализ и интерпретация с позиции радиотехники процессов подстройки длительности сердечных циклов и частоты дыхания к стационарной и возрастающей нагрузке с целью создания основ для новых методов мониторинга адаптационных свойств сердца.
-
Исследование проблемы реконструкции по наблюдаемым данным нелинейных динамических систем с изменяющимися управляющими параметрами с целью создания теоретических основ для новых методов оценки состояния сердца, базирующихся на динамике сердечного ритма.
Методы исследования
Для решения вышеперечисленных задач использовались методы численного моделирования волновых процессов в активных средах. Для анализа экспериментальных данных использовались методы теории обработки сигналов, статистической теории принятия решений, теории обнаружения и выделения сигналов и методы решения обратных задач нелинейной динамики.
Научная новизна
-
Предложен подход к задаче телекардиологического мониторинга как к задаче наблюдения за волновой средой с помощью радиотехнических средств, что делает возможным по-новому подойти к обработке интракардиальных сигналов и дополнить системы телекардиологии возможностью мониторинга неоднородности сердечной ткани.
-
Разработан метод асимметрии интракардиальных сигналов, чувствительный к изменению направления распространения волн возбуждения в сердце; обнаружены дрейфы и вариации направления распространения волны электрического возбуждения.
-
Предложен новый подход к процессу распространения в сердце волны электрического возбуждения как к процессу распространения волны в эквивалентной среде с дисперсией; разработан метод эквивалентной дисперсии, чувствительный к изменению свойств сердечной ткани; обнаружены резонансное и нерезонансное распространение волн возбуждения и выявлены случаи изменения свойств сердечной ткани перед развитием в сердце некоторых аритмий.
-
Предложено использовать для радиомониторинга устойчивости волн электрического возбуждения в сердце малые шумовые вариации интервалов следования импульсов воздействия; исследованы особенности мультистабильности сердечной клетки при воздействии импульсными последовательностями с постоянным и флуктуирующим периодом следования.
-
Обнаружено качественное изменение подстройки мгновенных частот дыхания и высокочастотной компоненты сердечных циклов при смене механизмов адаптации сердца; установлены возможные сценарии подстройки мгновенных частот дыхания и высокочастотной компоненты сердечных циклов к линейно нарастающей нагрузке и выдвинута объясняющая их гипотеза; разработан новый метод детектирования смены механизмов адаптации сердца к нагрузке.
-
Разработаны теоретические основы для создания радиотехнических методов оценки состояния сердца на основе обработки сердечного ритма с позиции реконструкции нелинейных динамических моделей с изменяющимися управляющими параметрами; показано, что метод реконструкции позволяет свести задачу обнаружения малой модуляции управляющих параметров нелинейных динамических систем в условиях малых внутренних и внешних шумов к классической задаче обнаружения сигналов в аддитивном шуме; показано, что основная причина ухудшения предсказуемости динамики нелинейных систем по неполному набору данных связана с дополнительным шумом дифференцирования, возникающим в рамках процедуры реконструкции.
Достоверность результатов
Достоверность научных выводов подтверждается согласованностью теоретических результатов с результатами численных и натурных экспериментов.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на 2nd Experimental Chaos Conference (Arlington, VA, USA, 1993); International Conference on Dynamical System and Chaos (Tokyo, Japan, 1994); International Conference “Chaotic, Fractal and Nonlinear Signal Processing” (Mystic, Connecticut, USA, 1995); International Conference on Applied Nonlinear Dynamics near the Millenium “ANDM97” (San Diego, USA, 1997); Международной конференции "Аппроксимация функций и операторов", посвященной 80-летнему юбилею С.Б.Стечкина (Екатеринбург, Россия, 2000); 39th Annual Congress of the German Society for Biomedical Engineering within VDE (Nuremberg, Germany, 2005); 41 Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft fr Biomedizinische Technik im VDE (Aachen, Germany, 2007); IX Polish School "Selected problems of the mechanical constructions' modal analysis" (Krakw, Poland, 2004); Joint Congress of the German and Scandinavian Physiological Societies (Hamburg, Germany, 1998); The 78th Congress of the German Physiological Society (Bonn, Germany, 1999); Конференции "Кардиостим - 2002" (Санкт-Петербург, Россия, 2002); II Всероссийском Съезде Аритмологов (Москва, Россия, 2007).
Практическая значимость работы
-
Разработанные методы асимметрии интракардиальных сигналов и эквивалентной дисперсии могут быть использованы для создания радиотехнических методов и устройств оценки состояния неоднородности сердечной ткани, дополняющих системы телекардиологии новыми возможностями.
-
Обнаруженные дрейфы и вариабельность направления распространения волн возбуждения, а также явления резонансного и нерезонансного взаимодействия волн возбуждения с сердечной тканью могут быть использованы для повышения информативности радиомониторинга сердца.
-
Результаты исследования отклика сердечной клетки на воздействие импульсами с малыми шумовыми вариациями в интервалах следования и результаты исследования мультистабильности сердечной клетки могут быть использованы для разработки новых методов радиомониторинга и прогнозирования устойчивости волн возбуждения в сердце, а также служить базой для создания радиотехнических методов и приборов коррекции сердечных аритмий.
-
Результаты исследования подстройки мгновенных частоты и фазы сердечного ритма к нагрузке могут быть использованы для создания новых методов радиомониторинга адаптационных свойств сердца, а также при разработке имплантатов с физиологически обусловленной регуляцией сердечного ритма, радиоэлектронных систем операционного и послеоперационного контроля и приборов для спортивной медицины.
-
Выявленные возможные сценарии подстройки сердечного ритма и частоты дыхания к нагрузке и обнаруженный факт их ограниченного количества (4 - 5) могут быть использованы для разработки радиотехнических методов и устройств физиологически обусловленного подбора и мониторинга кадров для деятельности, связанной с большими и длительными нагрузками.
-
Результаты исследования проблемы реконструкции нелинейных динамических систем с переменными управляющими параметрами, проблемы реконструкции систем с хаосом по неполному набору данных и результаты исследования задачи обнаружения модуляции управляющих параметров в условиях шумов могут быть использованы для разработки алгоритмов обработки сердечного ритма, а также имеют значение для других практических задач радиотехники, в частности для задач сверхширокополосной связи и радиолокации.
Патенты и публикации
Результаты работы защищены 2 патентами ФРГ, 2 патентами Европейского Союза, 1 патентом США. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 2 главы в книге, 37 научных статей, докладов и тезисов докладов. Из них 12 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук.
Внедрение результатов работы
Владельцем патентов на представленные в диссертации методы обработки интракардиальных сигналов является компания Biotronik GmbH & Co. KG. Кроме того, полученные результаты внедрены в учебный процесс кафедры Радиотехники и радиосистем Владимирского государственного университета.
Положения, выносимые на защиту
-
Подход к задаче мониторинга состояния сердца как к радиотехнической задаче наблюдения за волновой средой.
-
Метод асимметрии интракардиальных сигналов как метод обработки сигналов для радиомониторинга преломления волн электрического возбуждения в сердечной ткани.
-
Метод эквивалентной дисперсии как радиотехнический метод оценки неоднородности сердечной ткани.
-
Результаты исследования воздействия на сердечную клетку последовательностей импульсов с постоянным и флуктуирующим периодом следования.
-
Подход к проблеме прогнозирования потери в сердце устойчивости электрического возбуждения на основе стимуляции импульсами с малыми шумовыми вариациями периода следования.
-
Результаты исследования подстройки сердечного ритма к нагрузке и метод обнаружения смены механизмов адаптации сердца по мгновенной фазе (мгновенной частоте) высокочастотной составляющей вариабельности сердечных циклов.
-
Результаты исследования проблемы обнаружения в условиях малых шумов модуляции управляющих параметров нелинейных динамических систем, проблемы реконструкции в условиях шумов нелинейных динамических систем по неполному набору наблюдаемых данных и процедура реконструкции нелинейных динамических систем с изменяющимися управляющими параметрами.
Эти положения могут быть использованы при разработке новых радиотехнических методов и устройств для систем мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния сердца. В своей совокупности результаты могут быть положены в основу нового направления радиотехники – разработка для систем удаленного кардиомониторинга методов и устройств on-line оценки состояния сердца на основе обработки интракардиальных сигналов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Основная часть диссертации содержит 275 страниц машинописного текста, в том числе 87 рисунков и 1 таблицу. Каждая часть заканчивается формулировкой основных результатов. Библиография включает 259 наименований.
