Формирование общей совокупности информативных признаков для идентификации состояния дыхательной системы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Larina Marina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 615.8:612.2, 681.518.5

ФОРМИРОВАНИЕ ОБЩЕЙ СОВОКУПНОСТИ ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Н.В. Ивахно

Рассмотрен метод формирования информативных признаков, определяющих состояние дыхательной системы в результате задания уровней давления переключения в контуре, при которых происходит полное открытие дроссельной заслонки, приведен параметрический анализ кривой давления и построена матрица состояний дыхательной системы. Сформирована обобщенная структура, обеспечивающая формирование информативных признаков при разных типах воздействия сопротивлением.

Ключевые слова: характеристика давления, максимальное давление, полное перекрытие контура, дыхательная трубка, идентификация состояния.

Устройства релейного воздействия на дыхательную систему человека описаны в ряде научных работ [1,2], а тренажеры дыхательной мускулатуры, построенные на указанном принципе, исследованы в [1]. Создание адаптивных устройств корректирующего воздействия на дыхательную систему человека привело к появлению новых методов диагностики с целью идентификации изменяемых параметров человека [3,4].

На основании полученных экспериментальных данных проведен анализ кривой давления и установлены аппроксимирующие функции и параметры, отвечающие за состояние дыхательной системы человека [3,4].

Для обеспечения самонастройки функционирования режимов комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему разработан метод диагностики, основанный на изменении давления переключения и составления матрицы состояний. Данный метод в совокупности сопи-санным в [5,6] представляет единую систему идентификации состояния дыхательной системы в процессе проведения процедур на дыхательных тренажерах.

Для нахождения информационных параметров при релейном типе воздействия в дыхательных тренажерах введены значения давления переключения относительно максимального уровня давления вдоха/выдоха у человека Ртах, фиксируемого в момент проведения начального исследования. Количество уровней давления - И, тогда последовательное изменение давления переключения разбивается на N интервалов и обозначается г = 01...И .

Характеристики давления нормируются относительно максимально возможного значения давления, измеренного в процессе начального исследования дыхания каждого человека:

Рг С )

Ртогт (/)

Р

1 тах

где Ргпогт (t) - нормированная характеристика давления на г'-м уровне давления переключения; Pj(t) - измеряемая характеристика давления в дыхательной трубке на г'-м уровне давления переключения; Ртах - максимальное давление вдоха/выдоха, фиксируемое при проведении начального исследования (рис.1).

Обобщенная структура блока диагностики состояния пациента в структуре автоматизированного тренажера дыхательной мускулатуры представлена на рис.1. Для выбора типа воздействия введена переменная, которая принимает два значения у = 0,] = 1 в зависимости от релейного или дроссельного режима работы. Следует учесть, что максимальный уровень переключения, исходя из [1] составляет 0.7Ртах , тогда текущий обо-0 7 Р

значится как-г.

N

Анализ характеристик давления и установленные аппроксимацион-ные зависимости показали [4,6], что изменяемыми параметрами, характеризующими состояние дыхательной системы человека при релейном типе (при разном давлении переключения Р1,...,Ри) являются (рис.2): длительность фазы вдоха/выдоха -Т1,...,Ти; угол наклона аппроксимирующей кривой на первом участке наблюдения - о^,.., а}.., а N ;коэффициент аппроксимирующей функции [4] на третьем интервале наблюдения к^,..., ки ;время нарастания кривой давления до максимума tнl,...,tнN характеристики кривой давления при свободном дыхании - 00, ^,Т).

Тогда обобщенная матрица, характеризующая состояние человека, уровень его тренированности при релейном типе воздействия описывается в виде

М1 =

а

а г

кг

кг

г

н0

г ш

Тг

а N 1нЫ ТЫ.

Рис.1. Обобщенная схема метода выделения информативных признаков для идентификации состояния дыхательной системы

------ Уча сток, а ( ппрок |)уПКЦ! с »миру ем ый л&й.

I ... Щ ■1п(т}

ХгП \

1 . Ш

Рис. 2. Параметры, характеризующие изменение состояние дыхательной системы человека

Параметры дыхательной системы на разных уровнях переключения давления описываются характеристиками: соотношения длительности фаз

вдоха/выдоха при разных нагрузках тN, соотношения углов накло-

Т0 Т0

а1 л л

на аппроксимирующих кривых на первом участке —коэффици-

а0 а0

л - к1 кЫ

енты аппроксимирующих функции на третьем участке соот-

к0 к0

ношения времени нарастания кривой давления до максимума при разных давлениях переключения

К1 =

*н0 *н0

Таким образом, общая совокупность информативных признаков при различных типах воздействия (дроссельном [5] и релейном) характеризуется двумя матрицами М и М1, которые необходимы для идентификации состояния дыхательной системы и формирования управляющих воздействий.

Данные характеристики могут применяться для оценки эффективности систем корректирующего воздействия. Общий критерий, позволяющий провести анализ и корректировку управляющего воздействия, формируется по ряду показателей:

сЛЬ+ъ^+А+^Ва при./ = 1,

7=1 7 7=1 ГН7 7=1 7 7=1 а7

N 71 N + п N а N п <41^21^,1-° при у = О,

7=1 7=1 Н7 7=1 Р/ г=1а7

где €1,02,03,04- весовые коэффициенты, характеризующие важность каждого показателя;/ - переменная, определяющая тип воздействия.

Тогда задача поиска метода воздействия сопротивлением в дыхательном контуре в допустимом множестве возможных вариантов сведется к поиску параметров управления исполнительным устройством, которые обеспечат наилучшее значение векторной функции цели:

П- П/^О *н0 Ро а0 > 77*1 ,Т0э *нОэ Роэ а0э г

-' "а-' ™—''

7 Н7 Р? 7 73 Н7Э Р/Э

где эталонная характеристика, принимающая

Тгэ ¡шэ Р/э Щ э значение в допустимых пределах К1Э\ < К1Э < К1Э2.

Найденные информативные признаки при различных типах корректирующего воздействия дыхательных тренажеров позволяют построить систему с адаптивными возможностями, анализирующую состояние дыхательной системы человека и ее изменение.

Список литературы

1. Федоров С.Ю., Цкипури Ю.И., Хадарцев В.А. Тренировка дыхательной аппаратуры // Вестник новых медицинских технологий. Тула: 2009. Т.XVI. С.154 -156.

2. Патент РФ 122865на полезную модель. Прибор для оценки функционального состояния дыхательных мышц пациента/ Н.П.Александрова, М.А.Погодин, С.Д.Солнушкин, В.Н. Чихман. Опубл. 03.07.2012 г.

3. Ивахно Н.В. Обобщенная структура комплексов интеллектуального тренажерного воздействия на дыхательную систему//Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №11 (81). С. 110-114.

4. Ивахно Н.В., Анцибор С.В. Параметрический анализ характеристик дыхания при реализации релейного режима воздействия // Известия Тульского государственного университета.Вып. 5. 2015. С. 78 - 84.

5. Ивахно Н.В. Метод диагностики состояния дыхательной системы при реализации дроссельного режима воздействия// Известия Тульского государственного университета. 2015.Вып 5. С. 92 - 97.

6. Ивахно Н.В., Федоров С.С. Принцип построения математической модели процесса обработки сигналов при распознавании дыхательной активности в системах интеллектуального тренажерного воздействия //Биотехносфера. 2014. №5 (35). С. 19-22.

Ивахно Наталия Валериевна, канд. техн. наук, доц., natalia [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

CREA TING A COMMON SET OF INFORMA TIVE SIGNS FOR IDENTIFICA TION OF CONDITION RESPIRATORY SYSTEM

N.V. Ivakhno

The method offormation of informative features that define the state of the respiratory system resulting in job levels pressure switch in the circuit in which there is a full opening of the throttle is a parametric analysis of the pressure curve and construct a matrix of states of the respiratory system. Formed generalized structure ensures formation of informative attributes for different types of impact resistance.

Key words: characteristics of pressure, maximum pressure, complete coverage contour, snorkel, state identification.

Ivakhno Natalia Valerievna, candidate of technical sciences, docent, nata-lia_iv@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University