Программный комплекс оценки параметров сердечно-сосудистой системы по данным фотоплетизмографических исследований

ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
1.1 Фотоплетизмограмма 12
1.1.1 Составляющие сигнала фотоплетизмограммы 13
1.1.2 Регистрация сигнала фотоплетизмограммы 14
1.1.3 Индекс перфузии, жесткости и отражения 15
1.1.4 Анализ контура фотоплетизмограммы 17
1.2 Применение искусственной нейронной сети для оценки параметров сердечно-сосудистой системы 20
1.2.1 Состав ИНС 20
1.2.2 Искусственный нейрон 21
1.2.3. Функции активации ИНС 22
1.2.4 Виды ИНС 24
1.2.5 Обучение ИНС 27
1.2.6 Применение ИНС для оценки давления 28
1. 3 Датчик MAXM86161 29
1.3.1 Расположение контактов MAXM86161 30
1.3.2 Подробное описание MAXM86161 31
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2.1 Цифровая фильтрация 33
2.1.1 Виды фильтров 34
2.1.2 Цифровая фильтрация для сигнала фотоплетизмографии 36
2.2 Производные для анализа биологических сигналов 38
2.2.1 Использование производных для анализа пульсовой волны 38
2.2.2 Использование производных в работе 40
2.3 Сплайн-интерполяция 40
2.3.1 Интерполяция 40
2.3.2 Нахождение узлов интерполяции 42
2.4 Корреляционный анализ 45
2.4.1 Применение корреляционного анализа 45
2.5 Вывод 46
3 РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗАБОТКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА 47
3.1 Программный комплекс для оценки параметров ССС в среде MATLAB 47
3.2 Сортировка записей для ИНС 50
3.3 Нейронная сеть на основе библиотеки Keras 51
3.4 Результаты работы сети 52
3.5 Результаты работы сети с выборкой, состоящей из первой производной от пульсовой волны 54
3.6 Результаты работы сети с выборкой фотоплетизмограммы и ее первой производной 56
3.7 Вывод 58
4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 59
4.1 Условия применения ПО 59
4.2 Требования к интерфейсу ПО 59
4.3 Вредные факторы при работе с ПО 60
4.4 Пожарная безопасность в медицинских кабинетах 61
4.5 Электробезопасность в медицинских кабинетах 62
4.6 Организация рабочего пространства 62
4.7 Вывод 63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 68
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 70

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы сердечно-сосудистых заболеваний остаётся одной из востребованной в мире. Ведь одна из главных причин смерти во многих странах мира являются сердечно-сосудистые заболевания. По данным Всемирной организации здравоохранения, сердечно-сосудистые заболева-ния унесли жизни более 17,9 миллионов человек в 2023 году, что состав-ляет около 32% всех смертей. Необходимость ранней диагностики, кон-троля и профилактики этих заболеваний ставит перед медицинским сооб-ществом постоянные вызовы.
Для эффективного выявления и мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы широко используются различные методики, включая фотоплетизмографию. Фотоплетизмография - это метод неинвазивного из-мерения изменений объема крови в сосудах на основе оптических свойств кожи. Этот метод позволяет получать данные о сердечной активности и со-стоянии кровеносной системы без применения инвазивных процедур, что делает его удобным и безопасным для пациентов.
Разработка программного комплекса для оценки параметров сердеч-но-сосудистой системы по данным фотоплетизмографических исследова-ний представляет собой современное и перспективное направление в меди-цинской диагностике. Такой комплекс может обеспечить более точные и надежные данные о работе сердца и сосудов, что в свою очередь позволит рано выявлять патологии, определять риск развития заболеваний и кон-тролировать эффективность лечения.
Таким образом, разработка программного комплекса для оценки па-раметров сердечно-сосудистой системы с помощью фотоплетизмографиче-ских исследований является актуальным и перспективным направлением. Оно способно существенно расширить возможности методов диагностики и мониторинга сердечно-сосудистых заболеваний, что крайне важно для современного здравоохранения.

Весь текст будет доступен после покупки

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ПО ДАННЫМ ФОТОПЛЕТИЗМОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Фотоплетизмограмма
Фотоплетизмография - это метод измерения пульса и других характеристик сердечно-сосудистой системы, основанный на оптическом принципе. Принцип работы фотоплетизмографии заключается в измерении изменений светопоглощения или отражения кожи в результате пульсации кровеносных сосудов.
Основной элемент фотоплетизмографа - это светодиод, излучающий свет с определенной длиной волны (чаще всего инфракрасного или видимого диапазона). Свет поглощается кровью в капиллярах кожи, который варьирует в зависимости от количества крови, которое проходит через сосуды в каждый момент времени. Поэтому при пульсации сосудов изменяется уровень светопоглощения, что может быть зарегистрировано фотоприемником.
Фотоприемник регистрирует изменения интенсивности света, проходящего через кожу, и преобразует их в фотоплетизмограмму - график, отображающий пульсацию крови. На основании этой фотоплетизмограммы можно определить такие параметры, как частота сердечных сокращений, вариабельность сердечного ритма, давление и другие характеристики сердечно-сосудистой системы.
Преимущества фотоплетизмографии включают простоту использования, минимальное вмешательство в организм пациента, а также возможность непрерывного мониторинга сердечной активности без необходимости применения инвазивных методик. Этот метод также довольно чувствителен к изменениям в кровотоке и позволяет быстро получить информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы пациента.
1.1.1 Составляющие сигнала фотоплетизмограммы
Сигнал ФПГ представляет собой колебания интенсивности света, отраженного от кожи, вызванные сердечным ритмом и кровотоком. Основные составляющие этого сигнала включают в себя AC и DC-компонент.
а) AC-компонент (пульсационная составляющая) – это изменения интенсивности света, которые происходят в результате пульсаций артерий и перемещения объема крови в сосудах. Он отражает сердечный ритм и информацию о синхронизации пульсов кровяного давления. (рисунок 1);
б) DC-компонент (постоянная составляющая) – это уровень интенсивности света, который не меняется в результате пульсаций кровеносных сосудов. Он отражает освещенность кожи и несет информацию о базовом уровне света. (рисунок 1).









Рисунок 1 – Составляющие сигнала ФПГ
1.1.2 Регистрация сигнала фотоплетизмограммы
Существует два способа регистрации сигнала ФПГ: трансмиссионный и отражательный. При трансмиссионном способе свет проходит через ткань, и фотодетектор улавливает изменения интенсивности света, вызванные пульсирующим потоком крови. При отражательном способе свет излучается в ткань и отражается обратно к фотодетектору, фиксирующему изменения интенсивности отраженного света, вызванные пульсирующим потоком крови. Пример показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Регистрация сигнала ФПГ
При трансмиссионном способе датчик ФПГ состоит из источника света и фотодетектора, расположенных друг напротив друга по обе стороны от исследуемой ткани, например, пальца или мочки уха. Во втором же методе практически не имеет значения, к какой части тела можно закрепить датчик. Для его фиксации нужно использовать специальный клеевой слой. Трансмиссионный способ обеспечивает высокую точность измерений, так как свет проходит через весь слой ткани, что позволяет более точно фиксировать изменения объема крови и меньшая вероятность искажений сигнала из-за внешних источников света и других факторов окружающей среды, но по сравнению с отражательным способом имеет ограниченную область применения и неудобство использования. Отражательный способ в свою очередь напротив, удобен в использовании и прост в установки. Однако он также имеет недостатки, а именно более подвержен влиянию внешних источников света и движений тела, что может привести к артефактам и искажениям сигнала и меньшая точность.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Аппаратные методы исследований в биологии и медицине / В.П. Олейник, С.Н. Кулиш. – Учеб. пособие. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2004. – 110 с.
2. М.И. Стригина, Д.Б. Чайванов, Ю.А. Чудина Исследование погрешностей данных фотоплетизмограммы для анализа вариабельности сердечного ритма // Биомедицина № 4, 2013, C. 139–148
3. Р. В. Исаков Разработка алгоритма оценки артериального давления по регистрации ФПГ сигналов // Медицинский проект АнгиоСкан
4. Александров М. Т., Осипов В.К., Черноусова И.В., Черный В.В. Исследование оптических свойств тканей фотоплетизмографическим методом, 1984.
5. Cheang P, Smit P. Обзор бесконтактной фотоплетизмографии. Электронная система и контроля. Отдел исследований, отдел электроники и электротехники, Loughborough Univ Великобритании, 2003 г.: стр. 57-9
6. С. Н. Богославский Область применения искусственных нейронных сетей и перспективы их развития // Научный журнал КубГАУ, №27(3), март 2017 года

Весь текст будет доступен после покупки