Диагностика направленной связи контуров регуляции кровообращения по временным рядам математической модели сердечно-сосудистой системы человека


https://doi.org/10.15217/issnl684-8853.2018.1.42

Полный текст:


Аннотация

Постановка проблемы: развитие методов оценки взаимодействия между сигналами биологической природы зачастую осложнено необходимостью настройки и апробации параметров методик ввиду отсутствия детальных представлений о функционировании объекта исследования, объективных данных о значениях параметров объекта. Эффективному решению данной проблемы способствует использование математических моделей. Цель исследования: анализ направленной связанности по сигналам математической модели контуров симпатической регуляции частоты сердечных сокращений и барорефлекторной регуляции тонуса артериальных сосудов, а также по экспериментальным данным. Методы: использован метод, основанный на построении индивидуальных и совместных моделей динамики фаз сигналов колебаний в виде гармонических полиномов третьей степени. Сила воздействия одного элемента на другой оценивалась по изменению точности прогноза при включении в полином членов, учитывающих динамику колебаний второго элемента. Результаты: на основе сравнительного анализа оценок силы воздействия и запаздывания в связи между модельными сигналами кардиоинтервалограмм и тонуса дистальных сосудов, вычисленных в результате обработки записей в скользящих окнах, были получены зависимости динамики средних значений и разброса оценок свойств связи от длины анализируемого участка ряда. Показано, что использование рядов длительностью более 1200 с существенно увеличивает точность оценки свойств связи и уменьшает дисперсию оценок. Продемонстрировано качественное соответствие модельных и экспериментальных результатов. Практическая значимость: результаты исследований могут быть использованы для развития методов диагностики патологий сердечно-сосудистой системы человека. Они имеют важное значение для изучения особенностей использования методов диагностики связанности, основанных на динамике мгновенных фаз колебаний, по экспериментальным данным сложных систем.

Об авторах

Владимир Сергеевич Хорев
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Россия


Юрий Михайлович Ишбулатов
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Россия


Елена Евгеньевна Лапшева
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Россия


Антон Робертович Киселев
Национальный медицинский исследовательский центр сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева Минздрава России; Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Россия


В. И. Гриднев
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Россия


Борис Петрович Безручко
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Россия


Анна Анатольевна Бутенко
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Россия


Владимир Иванович Пономаренко
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Россия


Анатолий Сергеевич Караваев
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского; Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Россия


Список литературы

1. Kiselev A. R., Gridnev V. I., Prokhorov M. D., Karavaev A. S., Posnenkova O. M., Ponomarenko V. I., Bezruchko B. P. Selection of Optimal Dose of Beta-blocker Treatment in Myocardial Infarction Patients Basing on Changes in Synchronization Between 0.1 Hz Oscillations in Heart Rate and Peripheral Microcirculation // Journal of Cardiovascular Medicine. 2012. Vol. 13. Iss. 8. P. 491-498. doi:10.2459/JCM.0b013e3283512199

2. Kiselev A. R., Karavaev A. S., Gridnev V. I., Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Borovkova E. I., Shvartz V. A., Ishbulatov Y. M., Posnenkova O. M., Bezruchko B. P. Method of Estimation of Synchronization Strength Between Low-Frequency Oscillations in Heart Rate Variability and Photoplethysmographic Waveform Variability // Russian Open Medical Journal. 2016. Vol. 5. Iss. 1. P. e0101. doi:10.15275/ rusomj.2016.0103

3. Караваев А. С., Киселев А. Р., Гриднев В. И., Боровкова Е. И., Прохоров М. Д., Посненкова О. М., Пономаренко В. И., Безручко Б. П., Шварц В. А. Фазовый и частотный захват 0.1 Гц-колебаний в ритме сердца и барорефлекторной регуляции артериального давления дыханием с линейно меняющейся частотой у здоровых лиц // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 4. С. 93-104. doi:10.7868/ S0131164613010049

4. Боровкова Е. И., Караваев А. С., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д. Сопоставление методов диагностики фазовой синхронизованности по тестовым данным, моделирующим нестационарные сигналы биологической природы // Изв. Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2015. Вып. 3. № 15. С. 36-42. doi:10.18500/1817-3020-2015-15-3-36-42

5. Shvartz V. A., Karavaev A. S., Borovkova E. I., Mironov S. A., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Ishbulatov Y. M., Lapsheva E. E., Gridnev V. I., Kiselev A. R. Investigation of Statistical Characteristics of Interaction between the Low-frequency Oscillations in Heart Rate Variability and Photoplethysmographic Waveform Variability in Healthy Subjects and Myocardial Infarction Patients // Russian Open Medical Journal. 2016. Vol. 5. Iss. 1. P. e0203. doi:10.15275/rusomj.2016.0203

6. Smirnov D. A., Marwan N., Breitenbach S. F. M., Lechleitner F., Kurths J. Coping with Dating Errors in Causality Estimation // Europhysics Letters. 2017. Vol. 117. P. 10004. doi:10.1209/0295-5075/117/10004

7. Sysoeva M. V., Luttjohann A., G. van Luijtelaar, Sysoev I. V. Dynamics of Directional Coupling Underlying Spike-Wave Discharges // Neuroscience. 2016. Vol. 314. P. 75-89. doi:10.1016/j.neuroscience.2015.11.044

8. Moskalenko O., Koronovskii A., Hramov A. Inapplicability of an Auxiliary-System Approach to Chaotic Oscillators with Mutual-type Coupling and Complex Networks // Phys Rev E. 2013. Vol. 87. P. 064901. doi:10.1103/PhysRevE.87.064901

9. Luckett P., McDonald J. T., Hively L. M. Dissimilarity of Graph Invariant Features from EEG Phasespace Analysis // J Comput Eng Inf Technol. 2017. Vol. 6. Iss. 3. P. 1-10. doi:10.4172/2324-9307.1000172

10. Руннова А. Е., Журавлев М. О., Ситникова Е. Ю., Короновский А. А., Храмов А. Е. Метод удаления глазодвигательных артефактов на ЭЭГ человека при распознавании неоднозначного зрительного образа // Информационно-управляющие системы. 2017. № 5. С. 105-112. doi:10.15217/issn1684-8853.2017.5.105

11. Безручко Б. П., Смирнов Д. А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. - Саратов: Колледж, 2005. - 320 c.

12. Karavaev A. S., Ishbulatov J. M., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Gridnev V. I., Bezruchko B. P., Kiselev A. R. Model of Human Cardiovascular System with a Loop of Autonomic Regulation of the Mean Arterial Pressure // Journal of the American Society of Hypertension. 2016. Vol. 10. Iss. 3. P. 235-243. doi:10.1016/j.jash.2015.12.014

13. Баевский Р. М., Никулина Г. А., Тазетдинов И. Г. Математический анализ сердечного ритма в оценке особенностей адаптации организма к условиям космического полета // Вестник АМН СССР. 1984. № 4. C. 62-69.

14. Smirnov D. A., Bezruchko B. P. Revealing Mutual Influence of Oscillatory Systems from the Observation Data // Radiophysics and Quantum Electronics. 2013. Vol. 55. P. 662-675.

15. Hong H., O’Keeffe K. P., Strogatz S. H. Phase Coherence Induced by Correlate Disorder // Phys Rev E. 2016. Vol. 93. Iss. 2. P. 022219. doi:10.1103/Phys-RevE.93.022219

16. Kuklik P., Bidar E., Gharaviri A., Maessen J., Schotten U. Application of Phase Coherence in Assessment of Spatial Alignment of Electrodes during Simultaneous Endocardial-Epicardial Direct Contact Mapping of Atrial Fibrillation // Europace. 2014. Vol. 16. Suppl. 4. P. 135-140. doi:10.1093/europace/euu247

17. Kvandal P., Sheppard L., Landsverk S. A., Stefanovska A., Kirkeboen K. A. Impaired Cerebrovascular Reactivity after Acute Traumatic Brain Injury can be Detected by Wavelet Phase Coherence Analysis of the Intracranial and Arterial Blood Pressure Signals // J Clin Monit Comput. 2013. Vol. 27. Iss. 4. P. 375-383. doi:10.1007/s10877-013-9484-z

18. Tian F., Tarumi T., Liu H., Zhang R., Chalak L. Wavelet Coherence Analysis of Dynamic Cerebral Autoregulation in Neonatal Hypoxic-Ischemic Encephalopathy // Neuroimage Clin. 2016. Vol. 11. P. 124-132. doi:10.1016/j.nicl.2016.01.020.

19. Gordon S. M., Franaszczuk P. J., Hairston W. D., Vindiola M., McDowell K. Comparing Parametric and Nonparametric Methods for Detecting Phase Synchronization in EEG // Journal of Neuroscience Methods. 2013. Vol. 212. P. 247-258. doi:10.1016/j. jneumeth.2012.10.002

20. Mormann F., Lehnertz K., David P., Elger C. Mean Phase Coherence as a Measure for Phase Synchronization and its Application to the EEG of Epilepsy Patients // Physica D. 2000. N 144. P. 358-369. doi:10.1016/S0167-2789(00)00087-7


Дополнительные файлы

Для цитирования: Хорев В.С., Ишбулатов Ю.М., Лапшева Е.Е., Киселев А.Р., Гриднев В.И., Безручко Б.П., Бутенко А.А., Пономаренко В.И., Караваев А.С. Диагностика направленной связи контуров регуляции кровообращения по временным рядам математической модели сердечно-сосудистой системы человека. Информационно-управляющие системы. 2018;(1):42-48. https://doi.org/10.15217/issnl684-8853.2018.1.42

For citation: Khorev V.S., Ishbulatov J.M., Lapsheva E.E., Kiselev A.R., Gridnev V.I., Bezruchko B.P., Butenko A.A., Ponomarenko V.I., Karavaev A.S. Diagnostics of Directional Coupling between Blood Circulation Regulation Loops using Analysis of Time Series of Mathematical Model of Human Cardiovascular System. Information and Control Systems. 2018;(1):42-48. (In Russ.) https://doi.org/10.15217/issnl684-8853.2018.1.42

Просмотров: 26


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-8853 (Print)
ISSN 2541-8610 (Online)