5. Исследование вариабельности сердечного ритма и артериального давления

Цель работы: исследование методов спектрального анализа сигналов сердечного ритма и мгновенного артериального давления (АД).

Основные положения

Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) состоит в оценке изменчивости длительности последовательных кардиоциклов (RR-интервалов) на выбранном промежутке времени. В данной работе будет исследоваться ВСР двух фрагментов записей, соответствующих положению пациента стоя – «Состояние 1», и лежа «Состояние 2».

Последовательность RR-интервалов называют сигналом сердечного ритма, а его график – ритмограммой. На рис.5.1 схематично проиллюстрирована схема формирования сигнала сердечного ритма. При анализе ВСР вначале на ЭКГ определяются положения R-зубцов. Затем между ними последовательно измеряются интервалы времени, значения которых и составляют сигнал сердечного ритма.

Рис. 5.1. Схема формирования сигнала сердечного ритма и его график (ритмограмма).

Для спектрального анализа, необходимо, чтобы исследуемый сигнал был равномерно дискретизованным. Сигнал сердечного ритма не является таковым, поэтому для того чтобы сделать его равномерно дискретизованным сигналом, для него необходимо выполнить процедуру интерполяции.

Задание

• Загрузить сигналы сердечного ритма и АД и отобразить их графики.

• Выполнить процедуру удаления выбросов из исходных сигналов.

• Выполнить интерполяцию сигналов сердечного ритма и АД.

• Исследовать спектральные характеристики двух отрезков одинаковой длительности, соответствующих «Состоянию 1» и «Состоянию 2».

Порядок выполнения работы

1. Создайте папку и перепишите в нее библиотеку «ЛР5.llb», ВП «Заготовка.vi» и файл с записями сигналов для вашего варианта (см. приложение таблица П.5).

2. Запустите среду LabVIEW. Создайте новый ВП и сохраните его под каким-нибудь именем.

3. На лицевой панели установите элемент «Tab Control» и добавьте ему еще одну вкладку. Переименуйте первую вкладку как «Ритмограмма и артериальное давление», вторую – «Спектральные характеристики», третью – «Фазовый сдвиг».

Загрузка и расчет исходных данных

4. Создайте блок-диаграмму для загрузки файла. С помощью функции «Index Array» извлеките из загруженных данных по отдельности первые два столбца, которые представляют собой значения сигналов сердечного ритма (RR-интервалов) и АД соответственно.

5. Для создания массива значений времени появления RR-интервалов и регистрации АД необходимо рассчитать сумму значений RR-интервалов, которые уже успели появиться к моменту поступления на вход текущей пары значений АД и RR-интервала. Для этого поместите на диаграмме цикл «For Loop».

6. Внутри цикла установите функцию «Add» , к одному ее входному терминалу подсоедините значения сигнала сердечного ритма.

7. Для добавления накопленной на предыдущей итерации суммы значений RR-интервалов установите узел обратной связи «Feedback Node» (Programming >> Structure).

8. В ходной терминал узла «Feedback Node», расположенный вначале «стрелки», соедините с выходным терминалом функции «Add». Выходной терминал узла «Feedback Node», (расположенный у конца «стрелки»), соедините с оставшимся свободным входом этой функции «Add». Для задания начального значения «Feedback Node» создайте и подсоедините к входному терминалу «Initializer Terminal» константу со значением 0.

Удаление выбросов в сигнале сердечного ритма и АД

9. У становите на диаграмме цикл «While Loop», который останавливался бы при нажатии на кнопку «Стоп». Кнопку «Стоп» переименуйте в «Анализ». Далее стройте диаграмму в этом цикле.

10. Скопируйте из ВП «Заготовка.vi» графический элемент «Ритмограмма» и поместите его на лицевой панели на первой вкладке.

11. Для того чтобы выполнялось автоматическое определение выбросов, установите ВП «Автом-е опр-е выбросов.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». К входному терминалу «Исходный массив» подсоедините массив значений сигнала сердечного ритма. Для входных терминалов «%», «min», «max», «Добав. автом-ски» создайте элементы управления.

12. Переименуйте «min» в «min, сек», а «max» - в «max, сек». Установите значение «min» 0,5, «max» – 1,5, значение процента допустимой погрешности – 15%. Сделайте их значениями по умолчанию.

13. Для ручного выделения выбросов установите на диаграмме ВП «Ручное опр-е выбросов.vi» из библиотеки «ЛР5.llb».

14. Вызовите на элементе «Ритмограмма» контекстное меню и создайте ссылку на график (Create >> Reference). Соедините ссылку с входным терминалом «Ссылка на график» у ВП «Ручное опр-е выбросов.vi».

15. С оздайте элементы управления к входным терминалам «Выброс», «Не выброс», «Сбросить». Кнопка «Выброс» позволит добавлять новые выбросы; «Не выброс» – обозначать выбросы, как нормальные значения; «Сбросить» – сбрасывать все обозначения, установленные вручную.

16. Для накопления информации о выбросах от одной итерации к другой, соедините у ВП «Ручное опр-е выбросов.vi» выходной терминал «Выбросы» с входным терминалом «Выбросы (вход)». В результате образуется узел обратной связи «Feedback Node».

17. Для того чтобы при повторных запусках программы прежняя информация о выделенных выбросах не сохранялась, вызовите контекстное меню на «Feedback Node» и выберите пункт «Move Initializer One Loop Out». За границей «While Loop» создайте и подсоедините к терминалу «Initializer Terminal» константу. Это позволит очищать информацию о выбросах каждый раз, когда программа приступит к выполнению цикла «While Loop».

18. Д ля объединения полученных значений выбросов сигнала сердечного ритма и построения графиков установите ВП «Норм-е знач-я и выбросы.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». Подсоедините к его соответствующим входным терминалам данные о выбросах, полученных автоматически и вручную. К входному терминалу «Массив значений времени» подключите полученный в цикле «For Loop» массив времени, а к входному терминалу «Исходный массив» – массив значений сигнала сердечного ритма.

19. Соедините выходной терминал «Графики выбросов и норм. Знач.» с графическим элементом «Ритмограмма».

20. Скопируйте из ВП «Заготовка.vi» графический элемент «Артериальное давление» и поместите его на лицевую панель на первую вкладку. Выполните пункты 11 – 19 для массива значений АД и графического элемента «Артериальное давление». Переименуйте элементы управления для ВП «Автом-е опр-е выбросов» «min» в «min, мм рт. ст.», «max» – в «max, мм рт. ст.» и задайте им минимальное значение равное 50, максимальное – 200, значение процента допустимой погрешности равным 15 %. Сделайте их значениями по умолчанию.

21. Расположите на первой вкладке элементы индикации и управления, созданные для сигнала сердечного ритма и АД.

22. Сохраните и запустите ВП. Загрузите файл с данными для вашего варианта, включите автоматическое определение выбросов для сигнала сердечного ритма и АД и убедитесь, что отображаются все графики.

Интерполяция сигналов

23. Д алее диаграмма будет строиться вне цикла «While Loop». Для получения значений интерполированного сигнала сердечного ритма установите ВП «Интерполяция.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». Подключите к его входному терминалу «Нормальные значения» данные, полученные на выходе ВП «Норм-е знач-я и выбросы.vi», примененного для сигнала сердечного ритма.

24. У входного терминала «Частота редискретизации, Гц» создайте элемент управления, задайте ему значение 4 Гц.

25. Для того чтобы рассчитать продолжительность исследуемых сигналов в секундах, установите на диаграмме функцию «Add Array Elements» (Function >> Programming >> Numeric). Входной терминал этой функции соедините с массивом значений сигнала сердечного ритма. Подсоедините «Add Array Elements» к входному терминалу «Время, с» у ВП «Интерполяция.vi».

26. Аналогичным образом выполните интерполяцию сигнала АД, используя рассчитанное ранее значение продолжительности исследуемых сигналов и созданный элемент «Частота редискретизации, Гц».

27. Для отображения интерполированного сигнала АД на графике создайте с помощью функции «Bundle» кластер для хранения набора координат x и y. Соедините выходной терминал «Интерп. массив времени» у ВП «Интерполяция.vi» с первым входным терминалом элемента «Bundle», а выходной терминал «Интерп. массив значений» – со вторым входным терминалом.

28. Повторите предыдущий пункт для сигнала сердечного ритма. Для того чтобы на одном графике сигналы сердечного ритма и АД отображались в сопоставимых масштабах, отсчеты интерполированного сигнала сердечного ритма у множьте на 100, прежде ч ем подсоединить его к элементу «Bundle». Отсчеты интерполированного сигнала АД оставьте неизмененными.

29. Для совместного отображения графиков сигналов в одном графическом окне поместите на диаграмме функцию «Build Array». Растяните его так, чтобы у него было два входных терминала. На первый входной терминал подайте кластер графика сигнала сердечного ритма, на второй входной терминал подайте кластер графика сигнала АД.

30. Скопируйте из ВП «Заготовка.vi» графический элемент «Интерполированные сигналы» и поместите его на лицевой панели на первой вкладке. Соедините полученный массив кластеров с установленным графическим элементом.

31. Сохраните ВП и запустите его. Нажмите кнопку «Анализ» и убедитесь, что отображаются графики интерполированных сигналов.

Спектральный анализ

32. На диаграмме установите цикл «While Loop», который бы останавливался при нажатии на кнопку «Стоп». Переименуйте кнопку «Стоп» в «Выход». Все дальнейшие действия необходимо выполнять в данном цикле.

33. У становите на диаграмме ВП «Курсор.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». ВП «Курсор.vi» обрабатывает событие, когда какой-либо курсор на графике меняет свое положение. Если изменяется положение начального курсора, то сдвигается весь выделенный интервал. Если изменяется положение конечного курсора, то конечный курсор другого интервала также изменяет свое положение, чтобы длины двух фрагментов были равными.

34. Получите ссылку на график «Интерполированные сигналы». Соедините ссылку с входным терминалом «Ссылка на график» у ВП «Курсор.vi». Входной терминал «Частота редискретизации, Гц» соедините с установленным ранее элементом управления.

35. Для того чтобы задать время выполнения каждой итерации цикла, поместите на диаграмме функцию «Wait Until Next ms Multiple». Создайте и подсоедините к её входному терминалу константу, придайте ей значение 250. Соедините эту константу также с входным терминалом «Время итерации, мс» у ВП «Курсор.vi».

36. Для извлечения фрагмента сигнала сердечного ритма установите на диаграмме функцию «Array Subset» (Functions >> Programming >> Array). К входному терминалу «array» подсоедините выходной терминал «Интерп. массив значений» у ВП «Интерполяция.vi» (не масштабированный для отображения на графике). К входному терминалу «index» подсоедините выходной терминал «Начал. точка 1» у ВП «Курсор.vi» и к «length» – «Длина 1».

37. Выполните аналогичные операции для извлечения второго фрагмента сигнала сердечного ритма.

38. С помощью созданного ВП «Курсор.vi» извлеките два фрагмента сигнала АД.

39. Д ля расчета СПМ двух участков сигнала сердечного ритма установите на диаграмме ВП «СПМ 2-ух участков.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». Подсоедините к его входным терминалам извлеченные фрагменты сигнала сердечного ритма и значение частоты редискретизации.

40. Для отображения графиков СПМ каждого участка создайте с помощью контекстного меню графики для выходных терминалов «СПМ 1-го участка», «СПМ 2-го участка», «(СПМ 2-го участка)–(СПМ 1-го участка)». Переименуйте оси «Y» у этих графиков в «с^2/Гц».

41. Аналогичным образом рассчитайте и отобразите СПМ для двух участков АД. Переименуйте оси «Y» у соответствующих графиков в «мм рт. ст.^2/Гц».

42. Д ля расчета взаимной спектральной плотности мощности (ВСПМ) первого участка сигнала сердечного ритма и первого участка АД установите на диаграмме ВП «ВСПМ.vi» из библиотеки «ЛР5.llb». Подсоедините к его входным терминалам первые фрагменты сигналов сердечного ритма и АД. Создайте и подсоедините к его выходным терминалам графические элементы индикации. У графика ВСПМ переименуйте ось «Y» как «с^2/Гц».

43. Аналогичным образом рассчитайте и отобразите ВСПМ для вторых участков сигналов сердечного ритма и АД. У графика ВСПМ переименуйте ось «Y» как «мм рт. ст.^2/Гц».

44. Для извлечения массивов значений ВСПМ из кластеров для первого и второго участков установите на диаграмме два элемента «Unbundle». Соедините выходной терминал ВП «ВСПМ.vi» для первого участка с входным терминалом одного элемента «Unbundle», а выходной терминал ВП «ВСПМ.vi» для второго участка – с входом другого элемента «Unbundle».

45. Вычтите из массива значений ВСПМ второго участка массив значений массива ВСПМ первого участка.

46. Д ля отображения графика «(ВСПМ 2-го уч.)–(ВСПМ 1-го уч.)» установите на диаграмме элемент создания кластера «Bundle». Растяните иконку кластера так, чтоб в нем образовалось три входных терминала. К нижнему входному терминалу подключите результат, полученный при вычитании ВСПМ для двух участков, к входному терминалу «cluster» подсоедините – выходной терминал одного из ВП «ВСПМ.vi». Создайте графический элемент «Waveform Graph» и отобразите на нем график «(ВСПМ 2-го уч.)–(ВСПМ 1-го уч.)».

47. Разместите графики СПМ и ВСПМ на вкладке «Спектральные характеристики», а графики сдвига фаз – на третьей вкладке.

48. Сохраните ВП.

Анализ графиков ритмограммы и АД

49. Запустите ВП и загрузите файл в соответствии с вашим вариантом. Сохраните в отчет графики ритмограммы и АД.

50. Отключите автоматическое определение выбросов с помощью кнопки «Добав. автом-ски». Нажмите кнопку «Анализ». Сохраните в отчет графики интерполированных сигналов с выбросами и остановите выполнение программы.

51. Повторно запустите ВП. Включите автоматическое определение выбросов сигналов сердечного ритма и АД. Визуально проанализируйте сигналы на наличие выбросов, которые не были автоматически определены. Попробуйте выделить часть из них, изменяя минимальную и максимальную границы нормальных значений, таким образом, чтобы нормальные значения не были отмечены как выбросы.

52. Оставшиеся выбросы выделите с помощью курсора и кнопок «Выброс», «Не выброс» и «Сбросить». Для того чтобы курсор переместился в центр графика, в окне «Cursors» вызовите контекстное меню на пункте «Курсор» и выберите пункт «Bring To Center».

Для управления масштабами графиков отключите у них автомасштабирование осей и воспользуйтесь элементом «Graph Palette» , расположенным внизу слева от каждого из графиков RR-интервалов и АД. Кнопка позволяет изменять мышью положение курсоров на графиках. Кнопка позволяет изменять масштаб, увеличивать произвольные фрагменты, а также сбрасывать масштаб графика, отображая его целиком. Кнопка позволяет мышью перемещать график.

53. Сохраните в отчет выводы о наличии выбросов в сигналах сердечного ритма и АД. Оцените количество выбросов, которое было удалено автоматически, и количество выбросов, которые пришлось удалять вручную. Сохраните в отчет графики RR-интервалов и АД с удаленными выбросами.

54. Нажмите кнопку «Анализ» и сохраните графики интерполированных сигналов сердечного ритма и АД без выбросов.

55. Сравните полученные интерполированные сигналы с выбросами и без них, вывод сохраните в отчет.

56. Выделите при помощи курсоров два фрагмента одинаковой длительности на графике «Интерполированные сигналы» в соответствии с вашим вариантом (см. табл. П.5).

57. Перейдите на вкладку «Спектральные характеристики».

58. Сохраните в отчет полученные графики СПМ сигнала сердечного ритма для двух участков. Определите по этим графикам, на каких частотах наблюдается наибольшая мощность. По графику «(СПМ 2-го участка)–(СПМ 1-го участка)» сделайте вывод, как изменился спектр СПМ на втором участке, на каких частотах мощность возросла, на каких – снизилась. Выводы сохраните в отчет.

59. Повторите предыдущий пункт для графиков СПМ сигнала АД.

60. Сохраните в отчет графики ВСПМ для первого и второго участков. Сделайте по ним вывод о том, какие общие частоты присутствуют у графиков сигнала сердечного ритма и АД на первом участке, и какие - на втором участке. По графику «(ВСПМ 2-го уч.)–(ВСПМ 1-го уч.)» сделайте вывод, какие общие частоты добавились, а какие – исчезли. Выводы сохраните в отчет.

61. Перейдите на вкладку «Фазовый сдвиг» и сохраните графики фазового сдвига для двух участков в отчет. Фазовый сдвиг показывает, насколько частотные составляющие двух сигналов отстают друг от друга в угловых единицах радианах. По графикам «Фазового сдвига» определите, на каких частотах наблюдаются наибольшие значения сдвигов фаз между сигналами сердечного ритма и АД. Выводы сохраните в отчет.