АНАЛИЗ БИОСИГНАЛОВ ЧЕЛОВЕКА: ФИЗИКА СЕРДЦА

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

АНАЛИЗ БИОСИГНАЛОВ ЧЕЛОВЕКА: ФИЗИКА СЕРДЦА

Лопатин П.К. 1Касимова М.З. 1
1МБОУ СОШ № 2, г. Ленинск-Кузнецкий
Люкина Т.В. 1
1МБОУ СОШ № 2, г. Ленинск-Кузнецкий
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

«Физика не только может, но и должна

глубоко вторгаться в биологию,

как своими средствами исследования,

так и свойственными ей

теоретическими представлениями»

Академик Л. А. Арцимович

  1. Введение

Регистрация состояния организма является важной задачей для обеспечения здоровья, проактивного обнаружения и профилактики различных заболеваний, а также тренировок с биологической обратной связью. Исследование кардиограммы сердца позволяет выяснить характер нарушений деятельности сердца и выбрать соответствующие методы лечения.

Цифровой анализ, применимый при обработке результатов ЭКГ, применим не только для биосигналов, но и в других областях нашей жизни. Принципы обработки информации не меняются. Рассматриваемые спектры – это не просто спектры конкретного сигнала, это может быть спектр изображения, спектр деления клеток и так далее. Анализируя физиологию человека по ЭКГ можно определить его функциональное состояние, в частности: индекс напряженности, как он адаптируется, какие возможности и ресурсы у организма.

Цель исследования: изучение основ регистрации и обработки электрической активности организма человека, а именно сердца.

Задачи исследования:

  1. изучить научную литературу по данной теме;

  2. ознакомиться с принципами съема биосигналов человека;

  3. рассчитать и построить кардиоинтервалограмму по ЭКГ записям;

  4. посчитать среднее значение частоты сердечных сокращений в начале, середине и конце записи;

  5. сформулировать выводы.

Объект исследования: сердце.

Предмет исследования: интервалограмма сердечных сокращений.

Для более полной характеристики рассматриваемого вопроса были изучены работы, связанные с изучением методов обработки результатов ЭКГ, построение электрокардиограмм. В пособие Жданова И. В. [5] представлена информация об электрических процессах в сердце, методе регистрации электрокардиограммы, электрокардиографических отведениях, электрической оси сердца, план анализа электрокардиограммы. CMI Brain Research [7] коллаборативный научный ресурс, посвящённый электроэнцефалографии и другим направлениям электрофизиологии. На сайте регулярно публикуются научные обзоры, практические руководства и литература по направлению ЭЭГ - анализа и компьютерной обработке биомедицинских сигналов. Участникам доступен форум для студентов, врачей и учёных. В обучающем онлайн – пособии Конышева Д. В. представлены онлайн-инструменты для изучения и визуального анализа биосигналов и фильтрации (подготовки) сигнала с возможностью экспорта преобразованного сигнала и спектров в табличный формат. Книга «Физика организма человека» [2] была создана на основе курсов лекций в Колумбийском университете, не имеет аналогов в мировой литературе по полноте и ясности изложения вопросов биомеханики и биофизики человека. Рассмотрены физические аспекты работы всех систем жизнеобеспечения, зрение и слух, формирование речи. Особое внимание уделено костно-мышечным задачам, сердечно-сосудистой и дыхательной системам, рецепторам вкуса и запаха, регуляции параметров в организме человека.

  1. Основная часть

    1. Биосигналы человека

Что такое биосигналы человека? Биосигналы человека – это электрическая активность нашего тела, которая получается из различных электрофизиологических процессов внутри нашего организма. Будь то мышцы, которые работают, выделяя электрический ток или наши нейроны, которые находятся внутри нашей головы, они используют электричество для проведения информации, усиления механизма мышления, получения сенсорной информации. [3] Все получается за счет биохимических взаимодействий, где выделяются ионы (положительно и отрицательно заряженные частицы) и в целом возникает биоэлектрическая активность, которую мы можем померить с помощью различных приборов. По сути, любой прибор, который мерит электрическую активность – это высокоточный вольтметр. Для регистрации выделяют наиболее выраженные сигналы такие как: электрическая активность мозга, мышц и кожи.

Существуют стандартные неинвазивные усилители биосигналов человека такие как электрокардиограф (ЭКГ), электроэнцефалограф (ЭЭГ), электромиограф (ЭМГ) – последние разработки в данной области ведутся компанией «Нейроботикс». В работе исследование проводилось по ЭКГ результатам.

    1. Связь этапов работы сердца с кардиограммой

Разгадка работы сердца была найдена после того, как в 1889 году были впервые зарегистрированы электрические токи, порождаемые в организме человека бьющимся сердцем [1], а в 1903 году впервые получена электрокардиограмма.

Электрокардиограммой называется график зависимости от времени напряжения, вырабатываемого сердцем человека как «электрическим генератором». Так как ткани человеческого организма хорошо проводят электрический ток, электрокардиограмму получают без непосредственного подключения к сердцу. [5] Самая простая схема для подключения электрокардиограммы состоит в следующем: один проводник присоединяется к левой руке человека, другой к правой ноге. Напряжение, возникающее между рукой и ногой человека в результате работы сердца, достигает всего несколько милливольт. Поэтому электрический сигнал сначала подается на вход электронного усилителя в приборе, называемом электрокардиографом. После усиления напряжения сигнал подается на вход пишущего устройства. В этом устройстве электромотор перемещает с постоянной скоростью бумажную ленту или фотопленку, а усиленный электрический ток от сердца вызывает перемещение пера пишущего устройства по бумажной ленте или светового луча по фотопленке. В результате получается электрокардиограмма. Чтобы всесторонне исследовать работу сердца, обычно получают электрокардиограммы одновременно в нескольких отведениях, подключая электроды к обеим рукам и ногам, а также к нескольким участкам на груди. Это позволяет исследовать работу различных отделов сердца.

О бщий вид кардиограммы представлен на рисунке 1. Выступы над горизонтальной частью называются зубцами и обозначаются буквами P, Q, R, S, T, а промежутки между зубцами называются сегментами.

Рис. 1. Общий вид кардиограммы

Зубец P соответствует систоле предсердий, сегмент PQ – диастоле предсердий. Совокупность зубцов QRS соответствует периоду возбуждения желудочков. В период сегмента ST происходит систола желудочков и кровь выталкивается в аорту и легочную артерию. В конце зубца T начинается диастола желудочков и заполнение их кровью. (Приложение 1)

Таким образом, ритм работы сердца задается командами, поступающими в виде импульсов электрического напряжения от какого-то «электрического генератора». Изучение работы сердца показало, что этот «Электрический генератор» находится в самом сердце. Точнее даже не один, а несколько генераторов.

В сердечной мышце – миокарде – имеются клетки, которые называют клетками проводниковой системы. Эти клетки способны периодически создавать на своих мембранах электрические заряды. Электрические потенциалы этих электрических зарядов вызывают сокращение миофибрилл близлежащих клеток сердечной мышцы. Главный центр генерации управляющих электрических импульсов находится в тканях правого предсердия и называется синусным узлом. Он генерирует электрические импульсы с частотой 70 - 90 раз в минуту. Импульс возбуждения сначала охватывает мускулатуру предсердий, затем достигает группы проводящих волокон, пронизывающих желудочки сердца, и вызывает их сокращение в тот момент, когда предсердия расслаблены. Далее процесс периодически повторяется.

Частота сокращений сердца изменяется под влиянием физической нагрузки, эмоций человека. Дополнительным регулятором сердечной деятельности является нервная система человека, влияющая на частоту и силу сердечных сокращений. Исследование кардиограммы сердца позволяет выяснить характер нарушений деятельности сердца и выбрать соответствующие методы лечения.

    1. Методика обработки результатов ЭКГ

Для регистрации качественной электрокардиограммы необходимы хорошие условия - полный покой тела (так как смещение электродов и активность других мышц вносят искажения), хорошая проводимость в месте контакта.

Существует наиболее простой и устойчивый метод анализа ЭКГ -интервальный анализ (рисунок 2). Для его использования необходимо регистрировать наличие сердечного сокращения [7] без оценки всего PQRST-комплекса. Обычно R-пик является наиболее выраженным.

Рис. 2. PQRST-зубцы кардиограммы

Н о в зависимости от условий измерения могут быть использованы и другие зубцы. В научной терминологии используется понятие «R-R интервал» (в общем случае «N-N интервал») - время между двумя соседними пиками. Если построить график этих временных расстояний между пиками, то получится «интервалограмма» (рисунок 3).

Рис. 3. Интервалограмма

По интервалограмме можно выделить даже дыхательную волну, так как во время вдоха сердце начинает биться быстрее для максимального обеспечения организма входящим кислородом.

    1. Результаты исследования

В работе использовался интервальный анализ. [7] В записи ЭКГ каждый пик легко выделяется простым алгоритмом по высоте. Замеряя расстояние между пиками, получаем интервал. Первый интервал — между первым найденным пиком и вторым, второй интервал — между вторым и третьим и так далее. После были построены графики относительно значений этих интервалов, т. е. интервалограммы.

Частота сердечных сокращений — это величина, обратно пропорциональная интервалу. Для частоты сердечных сокращений (ЧСС) 60 уд. / мин значение интервала между ударами сердца равно 1000 мс, для ЧСС 70 уд. / мин — 857 мс.

Обработка результатов проводилась в приложение Physiobelt, где для ЭКГ - записи рассчитываются пики и интервалы. Построение интервалограмм проводилось в приложении Excel.

План реализации задачи состоял в следующем:

  • подготовить сигнал к анализу (наложить фильтры, убрать выбросы);

  • выделить R-пики по предложенным ЭКГ-записям;

  • построить кардиоинтервалограмму;

  • посчитать среднюю ЧСС для первой, второй и третьей минуты;

  • повторить для всех приведённых записей.

В приложениях 2 - 11 представлены результаты исследования по предложенным кардиограммам и результаты обследования участников студии.

Также в рамках выполнения проектной задачи нам предоставилась возможность побывать на экскурсии в «Кузбасском Клиническом Центре Охраны Здоровья Шахтеров» в отделение функциональной диагностики (Приложение 12). Где познакомились с процедурой проведения ЭКГ, задали ряд интересующих их вопросов. И прошли процедуру снятия ЭКГ на себе, результаты которого и использовались в исследовании. Поставленная цель была выполнена путем реализации задач.

  1. Заключение

В заключении отметим, что по результатам исследования ЭКГ участников студии отклонений не выявлено, было небольшое увеличение пульса, но была причина – сдача на права. Диагнозы мы не выставляли. Это все-таки работа врачей. Но обработка и оценка полученных результатов позволило смотреть на данную тему уже совсем по - иному.

В нашем исследовании мы использовали один из стандартных методов усиления биосигналов человека, достоинствами которого являются быстрота, доступность, безопасность и достаточная объективность. Вместе с тем, наука на этом не останавливается: в настоящее время появляется все больше новых разработок, в том числе с использованием искусственного интеллекта. Так, пики, зубцы и интервалы размечаются обученной нейросетью, что сокращает время при постановке диагноза и расшифровке данных. В связи с чем данная тема является перспективной для дальнейшего исследования.

  1. Список литературы

  1. Владимиров Ю. А. Биофизика. М. : Высшая школа, 1993. 273 с.

  2. Герман И. Физика организма человека. Долгопрудный: Интеллект, 2011. 992 с.

  3. Гусев В. Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него. М. : Машиностроение, 2004. 597 с.

  4. Дроздов Д. В. Влияние фильтрации на диагностические свойства биосигналов // Методические аспекты: материалы конференции. М. : издательство Альтомедика, 2011. С. 75-78.

  5. Жданова И. В., Зуева Т .В., Жданова Т. В. Электрофизиологические основы электрокардиографии [Электронный ресурс] // УГМУ. Екатеринбург, 2019.

  6. Кабардина С. И. Измерение физических величин. Элективный курс: Учебное пособие. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 151 с.

  7. Конышев Д. В. Обучающее онлайн-пособие по обработке сигналов [Электронный ресурс] // URL: https://neurobotics.ru/tools/edf/#/tutorial

  8. Мамий В. И. Спектральный анализ и интерпретация спектральных составляющих колебаний ритма сердца. Физиология человека. – 2006. – Т. 32 (2). – С. 1-9.

  9. CMI Brain Research [Электронный ресурс] // URL: https://cmi.to/%D0%BD%D0%B0%D1%83%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/

Приложение 1

Рис. 4. Связь этапов работы сердца с кардиограммой

Приложение 2

З апись 1

ЧСС первой минуты: 60 уд./мин

ЧСС второй минуты: 68 уд./мин

ЧСС крайних минут: 70 уд./мин

Приложение 3

З апись 1

Приложение 4

З апись 2

 

Интервалограмма, мс за 1-ую минуту

ЧСС первой минуты: 62,06 уд./мин

ЧСС второй минуты: 65,34 уд./мин

ЧСС крайних минут: 64,74 уд./мин

Приложение 5

З апись 2

Приложение 6

З апись 3

ЧСС первой минуты: 60,49 уд./мин

ЧСС второй минуты: 60,41 уд./мин

ЧСС крайних минут: 62,53 уд./мин

Приложение 7

З апись 3

Приложение 8

З апись 4

ЧСС первой минуты: 66,44 уд./мин

ЧСС второй минуты: 69,59 уд./мин

ЧСС крайних минут: 70,197 уд./мин

Приложение 9

З апись 4

Приложение 10

З апись 5

ЧСС первой минуты: 98,18 уд./мин

ЧСС второй минуты: 97,93 уд./мин

ЧСС крайних минут: 101,55 уд./мин

Приложение 11

З апись 5

Приложение 12

Экскурсия в «Кузбасский Клинический Центр Охраны Здоровья Шахтеров»

г. Ленинска-Кузнецкого

Просмотров работы: 60