CC BY
66Программно-аппаратный комплекс пульсовой диагностики опредления типа адаптационной реакции
Гаркави Л.Х.(2), Михайлов Н.Ю.(пагаг@1р.г8и.ги), Толмачев Г.Н.(1), Шихлярова А.И.(2), Верескунова Е.П.
(1)Центр физики и технологии электрически активных сред НИИ физики РГУ и ИОФ РАН им. А.М. Прохорова, (2) Ростовский научно-исследовательский онкологический институт
Введение
В последние годы в диагностической практике все чаще стали появляться новые методы и методики, программно-аппаратные комплексы, которые объединяют в себе идеи восточной медицины и достижения западных технологий (Фолль, Кирлиан, Пульсовая диагностика и др.) [18]. Многие из них предназначены, в первую очередь, для превентивной диагностики состояния здоровья человека, то есть определения адаптационных возможностей организма на текущий момент. Программно-аппаратные комплексы базируются на измерении биологических сигналов: ЭКГ, ЭЭГ, электрокожного сопротивления, температуры локальных участков кожи, сигналов дыхания, пульсовой волны и многих других характеристик.
Постановка задачи
Существует другое направление, решающее ту же задачу. Оно связано со вторым после Ганса Селье фундаментальным открытием в области общей физиологии, сделанное еще в 1975 г. Л.Х.Гаркави, М.А.Уколовой и Е.Б.Квакиной (открытие №158) [14]. Суть открытия в обнаружении кроме реакции стресса других фундаментальных реакций организма на внешние воздействия (средней и слабой интенсивности), названные авторами реакцией тренировки (Л.Х.Гаркави, М.А.Уколова, Е.Б.Квакина, 1975 г.) [15] и реакцией активации (Л.Х.Гаркави, 1968 г.) [14], количественно выражающиеся в комплексе изменений в организме и его подсистем, в том числе в соотношении форменных элементов белой крови в специально подсчитанной лейкоцитарной формуле. Данное открытие позволило решать широкий круг задач диагностики и лечения заболеваний. Поэтому становится
важным не только применение в клинической практике данной методики, но создание программно-аппаратных комплексов (ПАК), позволяющих определять тип адаптационной реакции с помощью измерения биологических сигналов, например сигнала пульсовой волны.
Методология и результаты экспериментов
В работе была рассмотрена задача исследования сигнала пульсовой волны, полученного с помощью акустического датчика при частоте дискретизации 100 Гц и 4096 уровней квантования (12 разрядный АЦП). Наибольший интерес вызывает проведение исследований с целью выяснения взаимосвязи различных параметров пульсовой волны и типов неспецифических адаптационных реакций.
Методология проведения экспериментов сводилась к следующим основным этапам:
1. измерение сигнала пульсовой волны в течение 1.22 мин. (8192 отсчета АЦП);
2. разбиение сигнала пульсовой волны на отдельные реоциклы с помощью эвристического алгоритма и экстраполяция каждого реоцикла до 256 отсчетов АЦП;
3. вычисление спектра Фурье для каждого реоцикла с использованием рекомендаций данных в работе [16] и образование временных рядов, составленных из гармоник с соответствующими номерами;
4. вычисление статистических характеристик для каждого ряда;
5. сравнение относительной величины среднеквадратического отклонения предложенного в работе [17] параметра (отношение мощности низкочастотной части спектра Фурье одного реоцикла к мощности его высокочастотной части) и числа лимфоцитов в соотношении форменных элементов белой крови в специально подсчитанной лейкоцитарной формуле (в относительной шкале).
Данный алгоритм был применен для 180 измерений (проводились на базе медико-технического отдела ФГУП «НИИРС») пульсовой волны при последующем взятии крови. Взятие крови и съем пульсовой волны производились с 8 до 9 утра натощак, что является существенным и для пульсовой диагностики [1,6] и для определения адаптационного статуса [13]. Таким образом, исключалась возможность негативного влияния различных факторов на формирование пульсовой волны (например, процесса пищеварения). Исходя из полученных данных, были сформированы группы согласно типам адаптационных реакций: стресс - 28 измерений крови, тренировка -38, спокойная активация - 52, повышенная активация - 46 и переактивация - 16. Соответствующие измерения пульсовой волны также были отнесены в одноименные группы и подсчитаны средние и отклонение от среднего для каждой группы. Так выбранный параметр [16] имел следующие значения:
Таблица.1.
Стресс Тренировка Спокойная активация Повышенная активация Переактивация
9,93±1,2 13,81±0,76 18,27±0,43 21,74±0,57 15,54±1,01
Выборочные среднеквадратические отклонения для каждой гармоники располагались так, как представлено на рис.1, что говорит об характерных изменениях мощности спектров реоциклов для разных типов реакций.
25 20 15 10 5 0
Е
а
ПЕРЕАКТИВАЦИЯ ПОВЫШЕННАЯ АКТИВАЦИЯ
СПОКОЙНАЯ АКТИВАЦИЯ
СТРЕСС
ТРЕНИРОВКА
Рис.1. Распределение предложенного параметра пульсовой волны согласно типу адаптационной реакции.
Для того, чтобы убедиться в необходимости проведения длительных измерений (1,22 мин.) и степени влияния формы реоцикла было сделано следующее предположение: величины гармоник не зависят от формы импульса, а взаимосвязаны
только с величиной вариационного размаха (delta=max-min). Провели следующую проверку гипотезы:
1. в качестве экспериментальных данных использовали данные человека, имеющего участки пульсового сигнала для трех типов реакций: стресс, тренировка, спокойная активация;
2. далее для каждого из типов реакции и соответствующего ему сигнала пульсовой волны нашли усредненный по форме и длительности реоцикл, кроме того, получили значения максимального и минимального интервала, а также среднее значение и среднеквадратическое отклонение длительностей интервалов;
3. с целью уменьшения влияния погрешностей при определении длительностей интервалов, а также исходя из предположения однородности (неизменности) формы импульса, подсчитали спектр Фурье для всех реоциклов соответствующим данной реакции и получили «аналитическое» представление изменения гармоник дискретного спектра Фурье в найденных диапазонах длительностей интервалов (от минимального значения интервала до максимального значения);
4. подсчитали среднее и среднеквадратическое отклонение по каждой «теоретической» гармонике и получили «спектр Фурье» по средним значениям гармоник и их среднеквадратическим отклонениям;
5. нашли отношение низкочастотной части и высокочастотной части «теоретического» спектра: для этого использовали значения минимального и максимального интервала в ритмограмме соответствующего сигнала пульсовой волны и построили функциональные зависимости следующего вида: ¥ско.(реоцикл при реакции ¡) (табл.2.).
Таблица.2.
СКО относительное значение)
стресс реоц. тренировка реоц. спок.акт. реоц. Лимфоциты (%)
стресс 0,157 0,340 0,304 17
тренировка 0,229 0,393 0,176 24,5
спок.акт. 0,213 0,223 0,284 31,5
СКО для разных типов импульсов
■стресс реоц. ■тренировка реоц. спок.акт. реоц. лимф.
стресс
тренировка
спок.акт.
Рис.2. СКО для разных типов импульсов (табл.2). По оси OY - относительные значения для отношения мощностей, подсчитанные для разных типов реакции и усредненных реоциклов, по оси OX - тип реакции.
На рис.2. хорошо видно, что если исходить из предположения, что форма реоцикла остается одной и той же, но меняется разброс длительностей RR интервалов (величина delta), то выбранный параметр не соответствует типам реакций, экспериментально полученным величинам (табл.1). Также было отмечено, что, и форма усредненного реоцикла менялась от реакции к реакции. Поэтому нельзя утверждать, что на величину отношения мощностей оказывает влияние только изменение delta (вариационного размаха). То есть, возможно, комплекс изменений в организме содержится и в формах каждого отдельно взятого реоцикла. Исходя из этих соображений и экспериментальных данных, было предложено использовать величину среднеквадратического отклонения отношения мощностей низкочастотной части спектра Фурье к высокочастотной для комплексной оценки состояния организма (его адаптационных возможностей). При этом необходимо учитывать всю выборку (сигнал пульсовой волны, измеренный в течение 1,22 мин.) для вычисления
выбранного параметра (включающей изменения ритма сердца до медленных волн первого порядка МВ-1).
Таким образом, получили, что гармоники включают в себя различные уровни регуляторных подсистем, к которым, в частности, можно отнести и дыхательную подсистему организма человека и других подсистем [19].
При развитии разных реакций: стресса, реакции тренировки, спокойной активации, повышенной активации и переактивации в организме и его подсистемах (центральной нервной системы, эндокринной, иммунной системы), состоянии разных видов метаболизма, адаптивности и уровня неспецифической резистентности развиваются разные комплексы изменений.
Можно предположить, что разница в частотных характеристиках пульсовой волны при развитии разных адаптационных реакций связана с отличием комплекса изменений в организме, особенно в его адаптивности, преобладанию в мозгу торможения (охранительного или запредельного) или возбуждения (физиологического или избыточного), функциональной активности подсистем, их синхронизации и активного энергетического обмена.
Так, характер изменения при реакции повышенной активации заключается в высокой изменчивости параметра отношения мощностей гармоник спектра Фурье (рис.1., табл. 1.), что согласуется со свойственной этой реакции высокой адаптивностью, преобладанием в мозгу физиологического возбуждения, хорошей синхронизации работы подсистем организма, их высокой, но нормальной функциональной активности, высокой активности, гармоничности энергетического обмена и значительным повышением неспецифической резистентности организма.
Характер изменений при спокойной активации характеризуется несколько более низкой изменчивостью (18,27±0,43) стандартного отклонения отношения мощностей гармоник реоциклов пульсовой волны, то есть в частотном составе реоциклов - что согласуется со сходными, но менее выраженными по активности изменениями при этой реакции.
Характер реоциклов при реакции тренировки изменяется несколько иначе. Характерной чертой является существенно меньшая изменчивость амплитуд
гармоник спектра Фурье (13,81±0,76) по сравнению с реакцией повышенной и спокойной активации. Это связано с меньшей адаптивностью организма, преобладанием в мозгу охранительного торможения, меньшей (в пределах нижней половины зоны нормы) функциональной активностью названных подсистем организма, меньшей их синхронизацией, экономным, но менее активным энергетическим обменом, более низким (но в пределах нормы) уровнем неспецифической резистентности организма.
При переактивации величина предложенного параметра (15,54±1,01) находится ниже, чем при повышенной активации и выше, чем при реакции тренировки (рис.1.). Это свидетельствует о меньшей адаптивности организма, чем при реакции повышенной активации и угрозе срыва чрезмерно повышенного возбуждения в мозгу и избыточно и жестко синхронизированной активности подсистем и энергетического обмена, что часто приводит к срыву.
При стрессе стандартное отклонение гармоник реоциклов резко снижено по сравнению со всеми остальными реакциями. При этом, как видно на рис.1, изменения однозначны в большей степени, нежели при других реакциях. Это отражает свойственные реакции стресса переходы от чрезмерного возбуждения к запредельному торможению в мозгу, резко повышенную активность одних подсистем и снижение - других, десинхронизацию работы подсистем, нарушения разного рода энергетического обмена и снижение неспецифической резистентности организма.
Если учесть, что организм - сложная колебательная система, то изменения частотных характеристик, амплитуды гармоник и дискретности спектра Фурье должны отражать изменения функционального состояния организма.
Была проведена апробация ПАК, включающего данный алгоритм оценки состояния организма (его адаптационных возможностей) в Ростовском научно-исследовательском онкологическом институте и показала высокую степень достоверности неинвазивной методики (до 83%) при соблюдении условий измерения пульсовой волны (с 7-9 утра натощак, то есть во время формирования адаптационной реакции в организме человека [13]).
Выводы
Распределение предложенной характеристики, представленное на рис.1., табл.1. и результаты апробации показывают, что данные разработки представляют собой не только теоретический интерес. Они имеют непосредственный «выход» на практическое применение, как в клинической практике, так и в экспресс диагностике адаптационных возможностей человека в страховой медицине или при массовых обследованиях населения при помощи разработанного в рамках данной работы программно-аппаратного комплекса пульсовой диагностики.
Литература
1. Вогралик В.Г. Учение о пульсе в китайской народной медицине // Клиническая медицина. 1957 г., №4, с.137-145.
2. Ибн Сина (Авиценна). Канон врачебной науки. Ташкент, 1954 г., кн.1, с.240-262.
3. Р.М. Баевский, О.И. Кириллов, С.З. Клецкин. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. Издательство "Наука". Москва 1984 г.
4. Ответственные редакторы ак-к В.В. Парин, д-р мед. наук Р.М. Баевский. Математические методы анализа сердечного ритма.: М., Наука, 1968 г.
5. Баевский Р.М., Никулина Г.А., Фунтова И.И. Вариабельность сердечного ритма в условиях космического полета. Институт медико-биологических проблем, Москва, Россия. Международный симпозиум «Компьютерная электрокардиография на рубеже столетий». Россия, Москва, 1999 г.
6. Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск. Наука, 1988 г.
7. К.Каро, Т.Педли, Р.Шротер, У.Сид. Механика кровообращения. «Мир», Москва, 1981 г.
8. Т.Педли. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. «Мир», Москва, 1983 г.
9. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем. Принципы системной организации функций. М., Наука, 1973. с.5-61.
10.Баевский P.M. Кибернетический анализ процессов управления сердечным ритмом. Актуальные проблемы физиологии и патологии кровообращения. М., Медицина.1976.С.161-175
11.Баевский Р.М., Корнилов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ измерений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука. 1984. c.220.
12. Михайлов Н.Ю. Имитационная модель пульсовой волны для тестирования алгоритмов построения кардиоинтервалограммы // Труды аспирантов и соискателей ростовского государственного университета. 2002. Т.8. стр. 20-23.
13. Гаркави Л.Х., Квакина Е.Б., Кузьменко Т.С., Шихлярова А.И. Антистрессорные реакции и активационная терапия. Экатеринбург, РИА «Филантроп», 2002, 194 стр.
14. Гаркави Л.Х., Уколова М.А., Квакина Е.Б. Закономерность развития качественно отличающихся общих неспецифических адаптационных реакций организма. Диплом на открытие №158 //Открытия СССР-М., 1975, №3 с.56-61.
15. Гаркави Л.Х. Об общей неспецифической адаптационной «реакции активации», способствующей борьбе организма с опухолью // Вопросы клинической онкологии и нейроэндокринных нарушений при злокачественных новообразованиях, Ростов-на-Дону, 1968, с.341-348.
16. А.И.Мащенко, Н.Ю.Михайлов, С.Г.Стрюков. Стандартизация пульсограмм при фазово-спектральном анализе. Международный конгресс «Новые медицинские технологии» СПб. 2001 г. с.18-20.
17. С.Г.Стрюков, А.И.Мащенко, Г.Н.Толмачёв, Н.Ю.Михайлов. Критерии оценки в пульсовой диагностике.// Международный конгресс «Новые медицинские технологии» СПб. 2001 г. 26-27.
18. Эльянов М.М. Каталог «Медицинские информационные технологии». 2000, 122 с.
19. С.Г.Стрюков, А.И.Мащенко, Н.Ю.Михайлов, Г.Н.Толмачев. Дыхательная составляющая в спектре пульсовой волны. Материалы IV всероссийского съезда специалистов лечебной физкультуры и спортивной медицины, М. 2002 г. с.29-30.
