Autor pracy: mgr inż. Krzysztof Kudryński

Opiekun: dr hab. Paweł Strumiłło prof. PŁ

I miejsce w konkursie na najlepszą pracę magisterską wykonaną w roku akademickim 2006/2007, organizowanym przez Zarząd Oddziału Łódzkiego SEP i Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Łódzkiej.

Streszczenie

W diagnostyce medycznej poszukuje się uniwersalnych parametrów, które umożliwiłyby ocenę ogólnego stanu zdrowia pacjenta, a także odpowiednio wcześnie informowały o potencjalnym zagrożeniu życia. Jednym z takich najważniejszych wskaźników diagnostycznych jest rytm serca. Poprzez odpowiednią analizę zmienności tego rytmu i jego zaburzeń można diagnozować choroby układu krwionośnego, ale również wykrywać inne schorzenia, np. cukrzycę, nerwice, choroby układu oddechowego. W praktyce sygnał zmienności rytmu serca jest wyznaczany z elektrokardiogramu lub z pulsu.
Ze względu na bardzo dużą liczbę czynników wpływających na rytm serca człowieka podstawowe parametry statystyczne opisujące czasową zmienność tego rytmu nie dostarczają jednoznacznych informacji o mechanizmach fizjologicznych regulujących ten rytm. Bardziej zaawansowane i skuteczniejsze metody badania rytmu serca opierają się głównie na analizie częstotliwościowej. Na zmienność częstotliwości rytmu serca wpływają m.in.: bodźce zewnętrzne, częstość oddechu, ciśnienie krwi, temperatura ciała oraz czynność układu autonomicznego (np. w jednym z takich zakresów mieści się tzw. arytmia oddechowa, prawidłowość fizjologiczna objawiająca się przyspieszeniem rytmu w fazie wdechu i jego spowolnieniem w fazie wydechu). Na podstawie badań i wieloletnich obserwacji wydzielono w widmie częstotliwości rytmu serca cztery pasma. Rozkład gęstości widmowej mocy w tych pasmach, a także proporcje energii widma w nich zawarte stanowią ważne źródło informacji o funkcjonowaniu serca, układu nerwowego oraz o stanie fizjologicznym innych organów.

W pracy magisterskiej pt. „Analysis of Heart Rate Variability signal in clinical applications” zbadano skuteczność różnych metod analizy sygnału zmienności rytmu serca oraz przeprowadzono ich analizę porównawczą. Ocenie poddano metody analizy statystycznej, w dziedzinie czasu, metodę aproksymowanej entropii oraz metody analizy częstotliwościowej. Wśród tych ostatnich znalazły się zarówno metody nieparametryczne oparte na periodogramie i jego różnych modyfikacjach, jak i parametryczne modele autoregresji (AR) i ruchomej średniej (MA) oraz złożenie tych dwóch (ang. Auto Regressive Moving Average, ARMA). Na drodze testów porównawczych różnych modeli sygnału zmienności rytmu serca pokazano, że zastosowanie źle dobranego modelu (m.in. jego rzędu lub klasy AR, MA) może prowadzić do nieprawidłowych diagnoz. Wniosek ten jest szczególnie ważny biorąc pod uwagę wzrastającą liczbę firmowych opracowań urządzeń medycznych dokonujących automatycznych analiz złożonych parametrów fizjologicznych człowieka.

W oparciu o programy napisane i przetestowane w środowisku Matlab opracowano w języku Java program komputerowy do automatycznej analizy sygnałów zmienności rytmu serca. Pogram ten, napisany we współpracy z lekarzami z Zakładu Kardiologii Inwazyjnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, jest obecnie wykorzystywany jako narzędzie wspomagające diagnozę różnych schorzeń serca oraz do badań nad fizjologią zmienności rytmu serca.
Jednym z praktycznych zastosowań programu jest obserwacja rekonwalescencji pacjentów po zastosowaniu zewnętrznej defibrylacji serca (zabiegu stosowanego do przywrócenia miarowości rymu serca). O skuteczności tego zabiegu świadczy wyrównanie energii widma sygnału w zakresie małych i dużych częstotliwości. Przypadek taki zilustrowano na rysunku.

W ramach nawiązanej współpracy z lekarzami kardiologami, planuje się zastosowanie opracowanego programu do wyszukiwania wskaźników możliwie jak najwcześniej ostrzegających o zagrożeniu nagłym zgonem (atakiem serca). Inną przygotowywaną wersją programu, jest aplikacja do badania najczęściej występujących zaburzeń rytmu przedsionków serca, które nieleczone mogą prowadzić do poważnych chorób serca.