Лабораторна робота № 3 Вивчення та реалізація методів визначення та аналізу варіабельності ритму серця

Мета роботи: опанування основними методами обробки та аналізу варіабельності ритму серця та набуття навичок їх реалізації в середовищі MatLAB.

Теоретичні відомості

Варіабельність ритму серця (ВСР) – це явище зміни інтервалів між послідовними серцевими скороченнями з часом. Для дослідження цього явища спочатку визначають моменти часу скорочень серця. Для цього можна використовувати сигнали ЕКГ, фотоплетизмограми, реограми та ін.

Після знаходження моментів ударів серця, розраховують величини інтервалів часу між сусідніми ударами та будують залежність цих інтервалів від часу – кардіоритмограму (рис. 3.1).

Рис. 3.1 – Приклад кардіоритмограми людини з епізодом апное сну

Основними методами аналізу ВСР є методи аналізу в часовій області (статистичні методи, аналіз розподілу значень, кореляційний аналіз), методи в частотній області (спектральний та спектрально-часовий аналіз) та нелінійні методи (аналіз хаотичності, ентропії, рекурентності та ін.)

В спектральному аналізі ВСР виділяють частотні діапазони, які несуть діагностичну інформацію (Табл. 3.1)

Табл. 3.1 – Частотні діапазони в спектральному аналізі ВСР

Назва	Діапазон, Гц	Період, с
HF	0,4-0,15	2,5 – 6,6
LF	0,15-0,04	6,6 – 25,0
VLF	0,04-0,015	25,0 – 66,0
ULF	Менше 0,015	Більше 66,0

Робоче завдання

1. Завантажити записи залежності RR-інтервалів від часу, пубудвати графіки.

2. Виконати сплайн-інтерполяцію RR-інтервалів для отримання рівномірно дискретизованого часового ряду для частоти дискретизації 2 Гц. Надалі аналізувати отриману кардіоритмограму.

3. Побудувати функції для розрахунку параметрів ВСР в часовій області (середній RR-інтервал, SDNN, RMSSD, pNN50, моду). Розрахувати дані параметри для всього сигналу.

4. Побудувати гістограму розподілу RR-інтервалів.

5. Побудувати автокореляційну функцію RR-інтервалів.

6. Побудувати скатерограму RR-інтервалів.

7. Побудувати функції для розрахунку потужностей та нормованих потужностей для спектральних діапазонів (Табл. 3.1), а також індекс централізації HF+LF)/VLF та індекс вагатосимпатичного балансу LF/HF. Розрахувати дані параметри для всього сигналу.

8. Побудувати функції для розрахунку параметрів рекурентності (рівень рекурентності, детермінізм, ламінарність та ін.) для кардіоритмограми. Розрахувати дані параметри для всього сигналу.

9. Побудувати функції для розрахунку значення ентропії перестановок (для порядків від 3 до 5) для кардіоритмограми. Розрахувати дані параметри для всього сигналу.

Контрольні питання

1. Що таке варіабельність серцевого ритму?

2. Що таке кардіоритмограма та як її отримати?

3. Які основні методи аналізу ВСР?

4. Які параметри ВСР в часовій області використовуються?

5. Які параметри ВСР в частотній області використовуються?

6. Що таке скатерограма RR-інтервалів та як її будувати?

Лабораторна робота № 4

Вивчення та реалізація методів обробки та аналізу електроенцефалограм

Мета роботи: опанування основними методами обробки та аналізу електроенцефалограм та набуття навичок їх реалізації в середовищі MatLAB.

Теоретичні відомості

Електроенцефалографія – це метод дослідження мозку, що ґрунтується на реєстрації і аналізі електричних потенціалів, які виникають під час його функціонування. При рутинній електроенцефалографії на поверхню голови накладаються електроди, та реєструються різниці потенціалів між ними. В результаті отримують сигнал електроенцефалограми (ЕЕГ). На Рис. 4.1 наведено схему розміщення електродів за системою 10/20.

Рис. 4.1 – Схема 10/20

Сигнал ЕЕГ є багатоканальним низькоамплітудним та низькочастотним сигналом. Приклад ЕЕГ здорової людини наведено на рис. 4.2.

Рис. 4.2 – Приклад запису ЕЕГ здорової людини

Електроенцефалограма – це результат суперпозиції та просторової фільтрації в тканині мозку елементарних електричних процесів, які проходять у всіх нейронах головного мозку в ході їх життєдіяльності. Багато дослідників вважають ЕЕГ шумоподібним процесом, який загалом відображає сумарну функціональну активність мозку. ЕЕГ являє собою електричні коливання різних амплітуд, частот та просторової локалізації.

Основними методами аналізу ЕЕГ є амплітудно-часовий, спектральний, спектрально-часовий, нелінійний та ін. Зокрема, при спектральному аналізі діагностичну цінність несе інформація про потужність сигналу ЕЕГ в частотних діапазонах т.зв. ритмів (Табл. 4. 1).

Таблиця 4.1 – Ритми у електроенцефалограмі

Позначення	Частота, Гц		Амплітуда у нормі, мкВ		Короткий опис
1	2		3		4
Альфа (α) ритм	8 – 13		до 100		Присутній у 85–95% здорових дорослих. Краще виражений у потиличних відділах. Найбільшу амплітуду має у стані спокійного розслаблення. При підвищенні рівня функціональної активності мозку амплітуда може зменшитися до нуля.
Бета (β) ритм	14 – 40		від 3–7 до 15		Краще реєструється в області передніх центральних звилин, але розповсюджується також на задні центральні та лобні звилини. Виникає під час рухової активації та тактильної стимуляції.
Гамма (γ) ритм		40 – 70		5–7		Ритм не має суттєвого клінічного значення сам по собі, і для його ідентифікації рекомендується використання терміну “високочастотний бета-ритм”
Дельта (δ) активність		0.5 – 3		до 100		Активність у цьому інтервалі частот є патологічною, якщо вона разом із θ-активністю займає більше 15% загального часу реєстрації. Вказує на зниження рівня функціональної активності мозку.
Мю () ритм		8 – 13		до 50		Розподілений аналогічно розподілу бета-ритму. Активується під час розумового навантаження та психічної напруженості. Розповсюдження μ–ритму співпадає з зоною кровопостачання середньої мозкової артерії. Тому різниці потужностей цього ритму та його частоти у півкулях можуть вказувати на порушення у відповідній області.
Тета (θ) активність		4 – 6		Більше 40		Часто перевищує амплітуду нормальної електричної активності мозку, досягаючи під час деяких патологічних станів амплітуд до 300 мкВ та більше.