Реферат: Моделювання та методи обробки кардіоінтервалограм при фізичних навантаженнях

Провести порівняльний аналіз та класифікацію існуючих математичних моделей, методів обробки, діагностичних ознак КІГ у технічних системах функціональної діагностики стану серцево-судинної системи.

Побудувати математичну модель КІГ при фізичних навантаженнях з урахуванням її перехідного випадкового характеру для розробки ефективних методів діагностування адаптивно-регулятивних можливостей організму та імітаційного моделювання КІГ засобами сучасних інформаційних технологій.

Розробити методи статистичної обробки КІГ на базі створеної математичної моделі та вибрати діагностичні ознаки, виходячи з критерію мінімуму їх кількості при збережені однакової інформативної цінності (без зниження інформативності).

Розробити метод імітаційного моделювання КІГ для потреб тестування та навчання комп’ютерних діагностичних систем.

Створити систему комп’ютерних програм обробки КІГ та проведення імітаційних експериментів для кардіоінтервалометричної діагностичної системи на базі ЕОМ.

Провести серію експериментів по обробці та моделюванню КІГ з метою апробації розроблених математичних моделей, методів обробки та імітаційного моделювання.

Об’єкт дослідження. Процес моделювання КІГ людини при фізичних навантаженнях.

Предмет дослідження. Математична модель, методи моделювання та статистична обробка КІГ.

Методи дослідження. Розв’язання задач:

теоретичного характеру – виконано з використанням методів теорії ймовірностей, теорії випадкових процесів, стохастичних інтегральних зображень, теорії ортогональних рядів;

практичного характеру – виконано з використанням математичної статистики та методів імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше побудовано математичну модель КІГ у вигляді суми дискретної детермінованої функції та стаціонарної лінійної випадкової послідовності. Побудована модель враховує як нестаціонарний (перехідний) характер, так і стохастичність КІГ при фізичних навантаженнях.

Обґрунтовано методи статистичної обробки КІГ, а саме – з використанням методу найменших квадратів побудовано алгоритм оцінювання математичного сподівання КІГ, а з використанням теорії статистичного оцінювання ймовірнісних характеристик ергодичних відносно кореляційної функції та щільності розподілу випадкових послідовностей, запропоновано алгоритм оцінювання кореляційної функції та щільності розподілу стаціонарної компоненти КІГ.

Запропоновано нові діагностичні ознаки для діагностики адаптивно-регулятивних можливостей організму людини: коефіцієнти розкладу оцінки математичного сподівання та оцінки кореляційної функції КІГ в ряди за ортогональними дискретними поліномами Чебишева, а також параметри кривої Пірсона, що апроксимує щільність розподілу КІГ.

Створено метод імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях на основі побудованої математичної моделі.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані в дисертаційній роботі методи обробки та імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях, що ґрунтуються на їх новій математичній моделі, призначені для клінічного використання з метою проведення діагностики адаптовно-регулятивних можливостей організму людини на базі ЕОМ та дослідницької роботи в науково-експериментальних лабораторіях медичного та фізіологічного напряму.

Запропонована математична модель та обґрунтовані методи обробки на її основі вперше дають змогу проводити діагностику стану адаптивно-регулятивних можливостей організму людини за КІГ при фізичних навантаженнях, оскільки враховують як перехідний, так і стохастичний характер зміни тривалостей кардіоінтервалів. Розроблений метод імітаційного моделювання КІГ може бути використаний для потреб тестування та навчання комп’ютерних діагностичних систем.

Систему комп’ютерних програм для обробки та імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях впроваджено в консультативному лікувально-діагностичному центрі ТОВ “Десна” ЛТД (акт впровадження від 12.02.2008 р.), в навчальний процес на кафедрі фізіології Тернопільської державної медичної академії імені І.Я. Горбачевського (акт впровадження від 15.02.2008 р.) та на кафедрі радіокомп’ютерних систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (акт впровадження від 4.12.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі результати, які становлять основний зміст дисертаційної роботи, автор отримав особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертаційної роботи належить: у [1] – побудова математичної моделі та статистична обробка КІГ; у [2] – проведення імітаційного експерименту та визначення похибок імітаційного моделювання; у [3] – проведення порівняльного аналізу методів дослідження КІГ та їх класифікація в стані спокою та при фізичних навантаженнях; у [4] – зменшення розмірності вектора діагностичних ознак за щільністю розподілу шляхом апроксимації гістограм кривими Пірсона; [6] – обґрунтування конструкції математичної моделі КІГ при фізичних навантаженнях; [7] – проведення імітаційного експерименту та визначення похибок імітаційного експерименту; [8] – обґрунтування діагностичних ознак за оцінкою математичного сподівання; [9] – класифікація та порівняльний аналіз існуючих математичних моделей, діагностичних ознак та методів їх оцінювання; [10] – уточнення типу детермінованої складової математичної моделі КІГ з урахуванням фізичного навантаження; [12] – обґрунтування вибору математичної моделі та методу імітаційного моделювання КІГ при фізичних навантаженнях.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на шостій, сьомій, восьмій, дев’ятій, десятій науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 р.), VI міжнародній науково-практичній конференції „Наука і освіта ’2003” (Дніпропетровськ – Мелітополь 2003 р.), міжнародній науково-практичної конференції „Дні науки ’2005” (Дніпропетровськ-Бєлгород), всеукраїнській науково-практичної конференції “Медична інформатика - 2005” Тернопільського державного медичного університету ім. І.Я. Горбачевського (Тернопіль), наукових семінарах кафедри комп’ютерних наук та кафедри радіокомп’ютерних систем Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Основні результати, отримані в дисертації, опубліковано в 13 наукових працях, 5 з них – статті у наукових фахових виданнях (зокрема 1 – без співавторів), 8 – тези доповідей науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 108 найменувань, містить 35 рисунків, 4 таблиці, 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 178 сторінок, основний зміст викладено на 112 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв’язок з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, також розглянуто питання апробації результатів дисертації та їх висвітлення у друкованих працях.

У першому розділі на основі аналітичного огляду літературних джерел проведено класифікацію та порівняльний аналіз існуючих математичних моделей, діагностичних ознак та методів їх оцінювання, що лежать в основі сучасних комп’ютерних систем діагностики за КІГ, принцип формування якої з електрокардіографічного сигналу зображено на рис. 1.

Виходячи із необхідності систематизації та впорядкування відомостей фізичного, математичного та технічного характеру, що стосуються моделювання та аналізу КІГ, автором окреслено нову науково-технічну область, шляхом введення поняття кардіоінтервалометрії. Кардіоінтервалометрія – це область кардіометрії, що охоплює широкий спектр проблем технічного та фізико-математичного характеру (а не медико-біологічного), науково-технічними проблемами якої є: побудова математичних моделей, вибір діагностичних ознак, обґрунтування алгоритмів обробки КІГ для проведення діагностики адаптивно-регулятивних механізмів організму; створення алгоритмів функціонування систем діагностики за КІГ; створення методів комп’ютерного імітаційного моделювання КІГ та її перетворень в технічних системах; розробка інформаційно-вимірювальних діагностичних систем за КІГ.

Проведений порівняльний аналіз відомих математичних моделей КІГ та критичний аналіз можливостей їх застосування для моделей КІГ при фізичних навантаженнях показав, що існуючі моделі мають вагомі недоліки, а тому існує об’єктивна необхідність побудови нової математичної моделі КІГ з урахуванням фізичних навантажень та розробки методів її обробки і вибору діагностичних ознак.

Враховуючи специфіку задач кардіоінтервалометрії та особливості зміни тривалостей кардіоінтервалів при фізичних навантаженнях, сформульовано вимоги до математичної моделі КІГ, що запропонована в дисертаційній роботі.