Система контроля состояния "бодрость - сон - напряженность" водителей транспортных средств на основе анализа электрокардиосигнала

ничные значения ЧСС могут быть отличны для водителей транспортных средств, допускаемых к вождению согласно медицинским требованиям, поэтому необходимо осуществить анализ ЭКС с целью получения дополнительных параметров принятия решений.

Рассмотрим различные виды аритмий на основе спектрального и статистического методов анализа . Временные методы анализа ЭКС в условиях воздействия на сигнал помех, являются недостаточно точными, поскольку необходима определения характерных точек сигнала, например, таких как начало и конец QRS-комплекса. Но при анализе с помощью спектральных методов, сигнал обрабатывается интегрально, что существенно увеличивает точность, поскольку нет необходимости находить элементы кардиосигнала. Именно поэтому было принято решения перейти к использованию спектральных методов анализа. Мы ставим задачу обнаружения с помощью спектрального метода анализа ЭКС таких аритмий как брадикардия, брадикардия с ЧСС 45 уд. мин и тахикардия (ЧСС > 90 уд. мин) и выявления их отличия от нормального ЭКС. Для определения уровня бодрствования будем использовать показатели вариабельности ритма сердца (ВСР). ВСР – это изменчивость различных параметров сердца в ответ на воздействие каких-либо внешних или внутренних факт оров, кот орая может проявлять-

LM^^e © щербакова Т.Ф. и др., 2019

Рис. 1. Огибающая КИГ сигнала с выявленной брадикардией (ЧСС 50 уд. мин)

ся в изменении длительности кардиоинтервалов от цикла к циклу [1]. ВСР дает возможность оценить степень напряженности или тонуса симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы. Исходным материалом для анализа ВСР будет являться непродолжительные одноканальные записи ЭКС. Данные о ВСР будем получать при анализе кардиоинтерваллограмм (КИГ). Для построения КИГ по ЭКС измеряют RR-интервалы, которые отражают частоту сердечных сокращений. RR-интервал – это время в секундах между двумя соседними R пиками ЭКС, которое соответствует одному биению сердца (кардиоциклу). Далее строится зависимость длительности RR-интервалов от момента времени их появления на ЭКС. Следующий этап анализа заключается в построении огибающей КИГ и вычисление ее амплитудно-частотного спектра.

Для разработки алгоритма различения ЭКГ-сигналов на основе спектральных параметров QRS-комплекса нужно определиться с информативными параметрами и точно определить пороги принятия решения. Алгоритм различения сигналов подразумевает следующий порядок действий:

• 1.    Построение огибающей КИГ ЭКГ сигналов различных типов.

• 2.    Вычисление амплитудно-частотного спектра и фазо-частотного спектров.

• 3.    Нахождение отношений высокочастной части спектра к низкочастоной.

• 4.    Нахождение математических ожиданий и дисперсий отношений энергий НЧ части спектра к ВЧ для всех сигналов в рамках одной аритмии/ нормы.

• 5.    Построение гистограмм распределений для непосредственного определения порога принятия решения.

• 6.    Реализация автоматического определения наиболее точного порога принятия решения с помощью аппаратных средств Matlab.

Для анализа будут использованы реализации сигналов ЭКГ, взятые из базы данных ресурса PhysioNet [3].

На рис. 1. изображена огибающая КИГ от сигнала с выявленной тахикардией и его амплитудночастотный спектр на рис. 2.

Далее представлена огибающая КИГ от сигнала с выявленной тахикардией (рис. 3) и его амплитудно-частотный спектр (рис. 4).

Для автоматизированной фиксации различий в спектрах ЭКС в норме и с аритмией мы предлагаем ввести коэффициент, представляющий собой отношение суммарных амплитуд низкочастотной(НЧ) части спектра к его высокочастотной(ВЧ) части:

K =

f 'P

EUi i=0

E Ui i - f'P +1

.

Для каждого значения f _гр – граничной частоты между НЧ и ВЧ частями спектра с шагом 1 Гц вычисляем коэффициенты K для всех исследуемых

ЭКС. Для численного определения этих различий построены в среде Matlab гистограммы распределений К для двух классов при каждой f _гр и аппроксимированы гауссовскими плотностями распределения вероятностей на основе кри- 2

терия x Пирсона. Для построения гистограмм распределений необходимо знать математическое ожидание и дисперсию значений отношения энергии высокочастотной части спектра к низкочастотной для «нормальных» и «паталогических» QRS-комплексов. Выполним данные расчеты с помощью аппаратных средств Matlab. Для распределений необходимо будет определить пороговое значение коэффициента К по критерию максимального правдоподобия. Оно будет соответствовать точке пересечения кривых. Далее сле-

Рис. 2. Амплитудно-частотный спектр ЭКС с выявленной брадикардией (ЧСС 50 уд. мин)

Кардиоинтервалограмма

О              50              100             150             200             250             300             350

Рис. 3. Огибающая КИГ от ЭКС с тахикардией (ЧСС > 90 уд. мин)

Рис. 4. Амплитудно-частотный спектр ЭКС с выявленной тахикардией (ЧСС > 90 уд. мин)

Рис. 5. Изменения коэффициента K от f _гр. Сверху-вниз: тахикардия, норма, брадикардия, брадикардия с ЧСС 45 уд. мин

Рис. 6. Аппроксимация гистограмм распределений коэффициента K (норма (слева) и тахикардия (справа)) при анализе амплитудных спектров

дует вычислить суммарную вероятность принятия ошибочного решения. Она зависит от площади пересечения кривых и определяется по формуле:

K пор ^{+ 3 ст} 0

Р ₂ = Р ( ^s о )    J    w ( K I ^S o ) dw +

K пор

K пор

+ p ( S i )    J     w ( K | S i ) dw .

K пор - 3 ^ 1

Здесь S ₀ и S ₁ – классы ЭКС в норме и ЭКС с аритмией; p ( S ₀) и p ( S ₁) – доли количества случаев нормы и аритмий соответственно в общем количестве исследованных случаев.

В ходе исследовательской работы были получены результаты, отображенные на рис. 5.

Получены распределения плотностей вероятностей для определения порога между нормальным ЭКС и ЭКС с аритмиями. На рис. 6. представлены

Таблица 1

Результаты исследований аритмий различного типа

Аритмия	P Σ	K	f гр, Гц
Тахикардия (ЧСС > 90 уд. мин)	0,051896	221	0,077
Брадикардия (ЧСС 50 уд. мин)	0,034086	17	0,103
Брадикардия (ЧСС 45 уд. мин)	0,027734	1,47	0,071

Таблица 2

Результаты исследований аритмий различного типа при анализе фазового спектра

Аритмия	P Σ	K	f гр, Гц
Тахикардия (ЧСС > 90 уд. мин)	0,023496	194	0,053
Брадикардия (ЧСС 50 уд. мин)	0,024086	13	0,0978
Брадикардия (ЧСС 45 уд. мин)	0,017734	1,32	0,051