Главная » 2014 » Июль » 20 » Скачать Синхронизация колебательных процессов в кардио-респираторной системе : Эксперимент, модели. Беспятов, Александр Борисович бесплатно
05:16
Скачать Синхронизация колебательных процессов в кардио-респираторной системе : Эксперимент, модели. Беспятов, Александр Борисович бесплатно
Синхронизация колебательных процессов в кардио-респираторной системе : Эксперимент, модели
Диссертация
Автор: Беспятов, Александр Борисович
Название: Синхронизация колебательных процессов в кардио-респираторной системе : Эксперимент, модели
Справка: Беспятов, Александр Борисович. Синхронизация колебательных процессов в кардио-респираторной системе : Эксперимент, модели : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.03 Саратов, 2005 161 c. : 61 05-1/955
Объем: 161 стр.
Информация: Саратов, 2005
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 КАРДИО-РЕСПИРАТОРНАЯ СИСТЕМА И ЕЕ МОДЕЛИ (ОБЗОР) 17 * 11 Введение
12 Кардио-респираторная система человека и ее основные колебательные процессы
13 Динамические модели кардио-респираторной системы
131 Модели сердечно-сосудистой системы и процессов, протекающих в ней
132 Модели, учитывающие кардио-респираторное взаимодействие
14 Выводы
2 СИНХРОНИЗАЦИЯ В НЕАВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ С
ЗАДЕРЖКОЙ И В ГЕНЕРАТОРЕ ВАН-ДЕР-ПОЛЯ
21 Введение
22 Методика экспериментального исследования синхронизации
221 Понятия фазовой и частотной синхронизации
222 Воздействие шума на синхронный режим
223 Определение фазы и частоты экспериментального сигнала
224 Анализ взаимоотношения между фазами
23 Неавтономная модель системы медленной регуляции кровяного давления и ее синхронизация с внешним воздействием
231 Случай внешнего воздействия на постоянной частоте
232 Случай линейно изменяющейся частоты внешнего л» воздействия
24 Синхронизация неавтономного генератора Ван-дер-Поля с внешним воздействием
25 Выводы
3 СИНХРОНИЗАЦИЯ В КАРДИО-РЕСПИРАТОРНОЙ
СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕКА
31 Введение
32 Методики исследований и количественная оценка степени синхронизации по относительной фазе
321 Подготовка экспериментальных данных для исследования синхронизации
322 Количественная оценка степени синхронизации между сигналами с помощью суммарного процента фазовой синхронизации
33 Синхронизация ритмов сердечно-сосудистой системы с ритмом дыхания при различных режимах дыхания
331 Случай произвольного дыхания
332 Случай дыхания с постоянной частотой
333 Случай линейно изменяющейся частоты дыхания
34 Сравнение синхронизации модельных систем с внешним воздействием и процесса регуляции кровяного давления с дыханием
35 Выводы
4 МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ КАРДИО-РЕСПИРАТОРНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА ИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ R-R ИНТЕРВАЛОВ
41 Введение
42 Выделение ритмов кардио-респираторной системы из вариабельности сердечного ритма
421 Метод выделения частотных компонент ВСР, основанный на фильтрации и преобразовании Гильберта
422 Метод выделения частотных компонент ВСР, основанный на декомпозиции мод
423 Метод выделения частотных компонент ВСР, основанный на вейвлет преобразовании
43 Исследование синхронизации между колебательными процессами кардио-респираторной системы по унивариантным данным
44 Выводы
Введение:
Синхронизация автоколебательных систем была и остается одной из актуальных проблем радиофизики [1-8]: Синхронизация наблюдается при взаимодействии систем различной природы: таких как часы [1], лазеры, электронные генераторы [9-11], а также физиологические системы [12,13]. Синхронизация может быть полной (идентичной) при этом наблюдается полное совпадение колебаний систем (совпадение амплитуды, фазы и частоты колебаний). Синхронизация может также проявляться в определенных соотношениях между фазами или частотами колебаний систем (при этом амплитуды колебаний систем могут не совпадать). В этом случае имеет место фазовая и частотная синхронизация [14,15].
В последнее время большое внимание уделяется изучению синхронизации колебаний в физиологических системах. На практике при анализе синхронизации возникают такие неизбежные трудности, как
• зашумленность и принципиальная нестационарность исследуемых временных рядов, а также сложный спектральный состав и разнообразие колебательных режимов. Поэтому актуальной задачей является разработка методик исследования синхронизации, применимых при наличии данных технических проблем. Для проверки работоспособности новых методик необходимо их тестирование на модельных системах, исследование которых представляет большой интерес.
Следует отметить, что в реальных физических и физиологических системах зачастую затруднительно получить временную реализацию каждого колебательного процесса исследуемой системы в отдельности. Как правило, доступной является некоторая временная реализация, ф представляющая собой сложную суперпозицию многих колебательных процессов. Таким образом, исследование возможности выделения колебательных процессов сложной системы из временной реализации единственной переменной является также актуальной задачей.
Немалый интерес у исследователей в настоящее время вызывает кардио-респираторная система человека. В результате взаимодействия сердечно-сосудистой и респираторной систем может наблюдаться явление синхронизации между данными системами. Достаточно большое количество работ посвящено исследованию синхронизации в кардио-респираторной системе [16-25]. В ранних работах было обнаружено, что в результате взаимодействия процесса сердцебиения с дыханием частота сердцебиения возрастает при вдохе и уменьшается при выдохе, то есть имеет место частотная модуляция основного сердечного ритма, известная как респираторная синусовая аритмия (РСА) [26-34]. Сравнительно недавно было обнаружено, что процесс сердцебиения может быть синхронизован с дыханием. Существует ряд моделей, качественно описывающих функционирование кардио-респираторной системы и ее колебательных процессов [35-40]. Модели, учитывающие взаимодействие сердечно-сосудистой и респираторной систем, демонстрируют некоторые особенности динамики кардио-респираторной системы, в частности, синхронизацию между ее колебательными процессами.
В настоящей работе предложены и исследованы возможные методики анализа синхронизации колебательных процессов сложных систем, для которых характерны такие технические сложности исследований, как нестационарность, зашумленность и ограниченность по времени реализаций, описывающих динамику системы, а также их сложный спектральный состав.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможности реализации методик анализа синхронизованности систем по их сигналам в условиях нестационарности и зашумленности, на примере кардио-респираторной системы человека и ее моделей. Для достижения поставленной цели была исследована неавтономная система с запаздывающей обратной связью (модель процесса медленной регуляции кровяного давления) и рассмотрены несколько других известных моделей кардио-респираторной системы и колебательных процессов, протекающих в ней. В работе проведено большое количество натурных экспериментов, по результатам которых были исследованы особенности синхронизации в реальной кардио-респираторной системе. Решались следующие основные задачи:
• обнаружение и исследование явления синхронизации в неавтономном генераторе Ван-дер-поля и неавтономной системе с запаздывающей обратной связью;
• обнаружение и исследование явления синхронизации в кардио-респираторной системе человека;
• исследование возможности выделения колебательных процессов сложной системы (на примере кардио-респираторной системы) из единственного доступного временного ряда, порожденного системой и содержащего эти процессы, с целью дальнейшего использования унивариантных данных для исследования синхронизации между колебательными процессами системы;
• разработка количественной оценки степени синхронизации между колебательными процессами и применение ее для диагностики кардио-респираторной системы человека.
Методы исследований и достоверность полученных результатов. Решение поставленных задач проводится в диссертации методами численного (компьютерного) моделирования наряду с натурными экспериментами. Достоверность полученных результатов подтверждается, прежде всего, воспроизводимостью всех численных и экспериментальных данных, хорошим качественным соответствием результатов численных и натурных экспериментов, согласованностью с данными представленными в литературе. Подтверждением статистической достоверности результатов проведенных экспериментальных исследований является большое количество обработанных экспериментальных данных (выборка порядка 200 записей).
Научная новизна. В работе впервые:
• проведено численное исследование синхронизации неавтономной системы с запаздывающей обратной связью с внешним воздействием. Данная система является модификацией модели процесса регуляции кровяного давления, предложенной Рингвудом и Мальпасом [35];
• проведено сравнение трех методов выделения колебаний с различными частотными составляющими из сигнала, порожденного сложной системой. Методы основаны на: 1) вейвлет-анализе; 2) декомпозиции мод; 3) полосовой фильтрации. В результате было предложено использовать данные о вариабельности сердечного ритма для выделения колебательных процессов кардио-респираторной системы и для анализа синхронизации этих колебательных процессов;
• предложена количественная оценка степени фазовой синхронизации между колебательными процессами, представляющая собой суммарную длительность всех участков синхронизации за некоторый интервал времени, выраженная в процентах к длительности этого временного интервала;
• на основе предложенной оценки степени фазовой синхронизации было создано программное средство для определения степени фазовой синхронизации между колебательными процессами кардио-респираторной системы;
• проведены исследования синхронизации колебательных процессов кардио-респираторной системы в экспериментах с линейно изменяющейся частотой дыхания, которые позволяют убедительно продемонстрировать факт взаимодействия колебательных процессов в кардио-респираторной системе человека.
Научная значимость результатов определяется степенью их общности. Проведенные в работе исследования представляют собой дополнительный фрагмент общей картины синхронизации в системах различной природы. Рассмотренные в работе методы исследования синхронизации справедливы для широкого класса систем, в которых присутствуют различные автоколебательные процессы со своими характерными частотами, и может наблюдаться явление синхронизации между ними. Это подтверждается тем, что существуют различные модели, демонстрирующие некоторые особенности динамики кардио-респираторной системы. Среди этих моделей присутствуют кусочно-линейное отображение [39], система дифференциальных уравнений [40], система с задержкой [35], а также генератор Ван-дер-Поля [16].
Иллюстрация общности явлений, наблюдаемых в периодически возбуждаемых автогенераторах физиологической и физической природы, была продемонстрирована в работе Шафера и других [16]. В ней было показано, что качественно подобная картина фазовой и частотной синхронизации наблюдается как при воздействии дыхания на основной сердечный ритм, так и при воздействии периодической силы на генератор Ван-дер-Поля в присутствии шума.
Практическая значимость. В ? работе предложены методы исследования и оценки степени синхронизации колебательных процессов, порожденных реальными физическими и физиологическими системами, для которых характерна нестационарность и зашумленность сигналов, а также их сложный спектральный состав.
Проведенные исследования особенностей явления синхронизации между колебательными процессами кардио-респираторной системы человека имеют большое практическое значение для целей медицинской диагностики. На основании предложенной количественной оценки степени фазовой синхронизации колебательных- процессов кардио-респираторной системы удалось различить ее состояния и проверить эффективность проводимых лечебных мероприятий. Создано программное средство для исследования степени фазовой синхронизации процессов кардио-респираторной системы, которое используется в НИИ Кардиологии МЗ РФ для проведения исследовательских работ. В результате показанной возможности выделения основных колебательных процессов кардио-респираторной системы из вариабельности сердечного ритма было предложено использовать последовательность R-R интервалов (вариабельность сердечного ритма) для исследования синхронизации процессов кардио-респираторной системы. Использование последовательности R-R интервалов удобно с практической точки зрения, так как при этом отпадает необходимость хранения большого объема данных с реализациями всех исследуемых процессов, которые, как правило, имеют высокую частоту выборки.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех содержательных глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа содержит 161 страницу, включая 37 страниц иллюстраций и 10 страниц списка литературы из 90 наименований.
