2 June 2013

LabVIEW и вариабельность сердечного ритма (+исходники)

ProgrammingLabVIEW
From Sandbox
Добрый день, всем! Учусь я в техническом вузе и занимаюсь разработкой программных и аппаратных средств для обработки и регистрации биомедицинских сигналов и данных. Поскольку начал этим заниматься около трех лет назад, в настоящее время скопились некоторые наработки, с одной из которых хотелось бы вас познакомить.

Одним из самых распространенных биомедицинских сигналов является электрокардиосигнал. Именно его обработкой занимается наш преподавательский состав. Сигнал этот относительно легко получить. В настоящее время достаточно всего лишь двух электродов, прикладываемых к телу человека, чтобы увидеть электрокардиограмму. В нашей работе мы использовали три электрода по стандартной схеме Эйнтховена:



Работа начиналась с построения аппаратной части устройства. Вся схема была собрана на макетной плате. Схема включает следующие компоненты: усилитель биопотенциалов AD620, микроконтроллер – Atmega16, сигма-дельта АЦП AD7739 (8 каналов, 24 разряда, реально используется 16). В начале работы посмотреть, какие данные выдает АЦП, можно было только через редактор звуковых файлов с применением фильтрации.
На старших курсах, будучи студентом, изучал программу для контроллера, где проводилась инициализация АЦП, прием выборок и передача их в порт. Система команд, книги по микроконтроллерам, игра со светодиодам…Потом постепенно с руководителем начали ставить мини-задачи по данному устройству.
Однажды было принято решение визуализировать сигнал и произвести его дальнейшую обработку. Поскольку сотрудники нашей кафедры имеют опыт работы в среде LabVIEW, то мы решили также попробовать использовать ее.

Программное обеспечение для анализа ритма сердца

Перейдем непосредственно к самому программному продукту, который получился в результате работы. Однажды я спросил одного опытного LabVIEW-разработчика, сколько он в среднем времени тратит на написание ПО, и он ответил, что программу можно писать от двух недель до бесконечности. И действительно, всегда хочется что-то поправить в своем конечном варианте — нет пределу совершенства!
Программа для анализа вариабельности сердечного ритма включает в себя два основных режима: регистрация ЭКГ-сигнала и его последующий анализ. В первом режиме происходит регистрация ЭКГ и ритмограммы и параллельная запись данных в файл. Так это выглядит на лицевой панели:



и блок-диаграмме:



Режим обработки ритмограммы намного сложнее, чем сама регистрация. И включает он в себя несколько составляющих. Во-первых, происходит расчет статистических характеристик ритмограммы, таких как HR, MxDMn, Mn, Mx, SDNN, CV, D, RRср, RMSSD, PNN50, SI. Фактически эти параметры – это СКО, дисперсия, max и min, которые часто используются в статистике. Просто некоторые из них названы по-другому, а некоторые немного усложнены в расчете. Например, SI (stress index) – индекс напряженности регуляторных систем, вычисляется на основе гистограммы, сформированной методом вариационной пульсометрии. Формула для него следующая:



где Amo – амплитуда моды гистограммы, Mo – мода гистограммы, MxDMn – разница между наибольшим и наименьшим RR-интервалами.
Под гистограммой понимается графическое изображение сгруппированных значений сердечных интервалов, где по оси абсцисс откладываются временные значения, по оси ординат их количество в процентах [1]. Для построения гистограммы использовалась функция General Histogram. Фактически всё это множество различных параметров представляют собой ничто иное, как статистическую обработку ритма сердца. А ритм сердца или ритмограмма — это массив значений длительностей RR-интервалов, т.е. временного расстояния между двумя самыми большими пиками ЭКГ. Для определения кардиоциклов можно брать не только RR, но и другие зубцы. Вот так выглядит блок-диаграмма для выделения из ЭКГ ритма сердца.



А это лицевая панель вкладки анализа статистических характеристик:



Наряду с вышеприведенными характеристиками в этом же окне отображается скаттерграмма, представляющая реализацию метода корреляционной ритмографии. Это метод графического представления динамического ряда кардиоинтервалов в виде «облака» путем построение ряда точек в прямоугольной системе координат. При этом по оси ординат откладывается каждый текущий RR-интервал, а по оси абсцисс каждый последующий [2]. Блок-диаграмма выглядит следующим образом:



Немало времени было уделено на реализацию спектрального анализа ритма сердца. При спектральном анализе оценивается вклад тех или иных периодических составляющих в динамику изменений ЧСС. С этой целью оценивается так называемая спектральная мощность колебаний, соответствующая каждому выявленному периоду. Спектральные методы применяются почти исключительно для анализа коротких участков ритмограммы — от 2 до 5 минут [3]. Границы каждого периоды в отечественной врачебной практике недавно были нормированы на одном из крупных собраний специалистов данной области. Существуют конкретные значения для каждого частотного диапазона. Лицевая панель спектрального анализа:



Автокорреляционная функция (АКФ) графически представляет собой статистическую взаимосвязь каждого последующего интервала RR с предыдущими и отражает степень централизации управления процессами регуляции. При создании АКФ использовалась функция Correlation Coefficient из палитры Probability and Statistics.



Общий вид блок-диаграммы для анализа ритмограммы:



Сопряжение ПК с аппаратной частью реализовано на библиотеке VISA. Скорость порта устанавливалась максимальная — 115200. Спектр электрокардиосигнала, по последним литературным данным, может достигать максимальных частот в районе 500 Гц. Но мы настроили цифровые фильтры на ограничение ширины спектра от 0 до 100 Гц.
Устройство вполне работоспособно и производит регистрацию ЭКГ в режиме реального времени с одновременной визуализацией данных, записью результатов проведенного исследования и данных о пациенте в файл.
В последнее время мы включили в программу анализ данных с помощью нелинейных методик. Хочется отметить также, что некоторые компоненты данной обработки служат нам для оценки эмоционального состояния испытуемого. Внешний вид устройства выглядит следующим образом:



Видео работы системы:


Исходный код подприборов

Литература


1. Клиническое значение исследования вариабельности сердечного ритма и методики ее оценки.
2. Дембо А.Г., Земцовский Э.В. Спортивная кардиология: Руководство для врачей. ─ Л.: Медицина, 1989. – 464 с.
3. Беляев К.Р. Методы анализа вариабельности сердца.
4. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации)
5. Стандарты вариабельности сердечного ритма Рабочей группы Европейского Кардиологического Общества и Северо-Американского общества стимуляции и электрофизиологии
Tags: LabVIEW вариабельность сердечного ритма
Hubs: Programming LabVIEW
+28
14.9k 76
Comments 10
Ads