バルサルバマヌーバからの心拍数と血圧の時系列データを分析するためのソフトウェア

私の研究は、生理学的データの分析方法論の開発です。私の主な焦点は、心血管疾患と心血管系とホルモン系の相互作用を評価するために収集されたデータです。最近の進歩により、メカニズムモデリングとデータサイエンスを統合して、患者の表現型分類、代理モデルの構築、デジタルツインの開発が行われています。この研究では、自律神経制御システムの機能を評価するために使用される生理学的検査であるバルサルバ操作中に測定された心電図および血圧信号からバイオマーカーを再現可能な方法で抽出できるソフトウェアを開発します。応用数学者として、私の主な貢献は、MATLAB、C++、Fortran、R などのさまざまなプログラミング言語を使用した計算方法論の開発です。Valsalva アナライザー以外にも、血管ネットワーク分析用のイメージングと血行動態データを統合した計算モデルの開発が研究されています。Valsalva アナライザーは、再現性のある方法で、既知のすべての心拍数と血圧のバイオマーカーを抽出できるアルゴリズムを提供し、数学的モデルを使用して、直接測定できない交感神経および副交感神経シグナル伝達マーカーを明らかにします。このソフトウェアは、臨床医が自律神経機能障害のある患者を診断するのに役立ちます。

[講師]まず、デジタル血圧カフを使用して、利き手ではない手の人差し指と中指から血圧を連続的に測定します。重力の影響を排除するために、手を心臓の高さに配置します。電極を心臓から等距離に配置します。心房の左側に白い心電図リードを置き、心房の右側に黒い心電図リードを置き、胸郭の左側下端に赤い心電図を置きます。器具装着後、圧力計に接続された呼気終末陽圧装置に息を吐き込んでバルサルバ操作を実行するように被験者に指示します。バルサルバ操作の前後に少なくとも 30 秒間、安定した信号を記録します。被験者に15ミリメートルの水銀柱の圧力を維持しながら、40秒間息を吐くように依頼して、バルサルバ法を実行します。1000 ヘルツで LabChart から MATLAB に信号をエクスポートするには、マウスを使用してエクスポートする信号の部分を選択します。[MATLAB としてエクスポート] メニューで、HR、BP、ECG、および胸腔内圧 (測定値) を含むチャネルを選択します。ここでは、チャネル 1 から 3 です。32ビット浮動小数点を選択し、同じレートにサンプルを上げ、コメントとイベントマーカーのコメントを解除します。[OK] をクリックして、 をエクスポートします。MAP ファイルを作成し、キャンセルしてエクスポートを停止します。ポップアップメニューから、図のパラメータを選択し、ソフトウェアプラットフォームの種類、図のフォントサイズ、マーカーのサイズ、および線幅を選択します。次に、[OK]をクリックして設定を受け入れ、患者の選択に進みます。メニューの患者選択から、分析する患者を選択します。マウスを使用してリストから任意の数の患者を選択し、[OK] をクリックして次のステップに進みます。メニューの操作選択から、実行する操作を降順で選択します。操作ステップ1を選択したら、患者情報を選択します。[OK] をクリックして続行します。ポップアップメニューで、患者ID、年齢、性別、身長、体重などの患者情報を入力します。次に、[OK] をクリックして続行します。新しいポップアップメニューが表示されます。このメニューでは、ECG、HR、BP、および胸圧信号のチャネル順序を入力します。胸圧が測定されない場合は、ゼロを入力します。心電図、心拍数、血圧パネルを時間の関数として表示する図が画面に表示されます。バルサルバ操作の前後約 30 秒を含む、分析するデータを選択します。十字線を配置し、マウスで先頭に 1 回、最後に 2 回クリックします。選択したデータは図に赤で表示されます。[保存して終了] をクリックします。操作選択メニューで、ステップ2、心電図または心電図を選択します。これで、図に心電図信号が表示されます。間違ったピークを修正するには、ポップアップメニューの「はい」をクリックします。次のメニューで、[OK]をクリックし、修正が必要なピークがウィンドウに表示されるまで、ハンドツールを使用して右にスクロールします。ピークが欠落している、配置されていない、または余分なピークがマークされている場合は、ピークの位置までスクロールします。キーボードの Enter キーを押して、「RS ポイントを修正しますか?」というクエリーのメニューを開きます。[はい]をクリックしてポイントを修正し、[いいえ]をクリックして操作メニューに戻ります。次に、「修正するポイントをクリックしてください」というオプションを含むメニューが表示されます。OKを押して、修正が必要なポイントに十字線を置きます。次のメニューでは、「ポイントを追加または削除しますか?」と尋ねられます。ポイントを追加するには、[追加] をクリックします。マークされた点は赤または青で表示されます。プログラムは、正確なクリック位置に基づいてポイントを R または S に分類します。ポイントを削除するには、[削除] をクリックすると、マークされたポイントが削除されます。キーボードの Enter キーを押します。ポイントを修正するかどうかを尋ねるプロンプトで、[いいえ]をクリックします。R ピークと S ピークの数が同一でなく、ユーザーが [いいえ] をクリックすると、新しいメニューに「R ピークと S ピークの数は等しい必要があります。データを検査してください。」[OK]をクリックすると、コードはピーク補正ステップに戻ります。操作選択メニューで、ステップ3、心拍数を選択します。この図は、上部パネルに心拍数を、下部パネルに心電図を示しています。 心拍数信号にアーティファクトがない場合は、[保存して終了]をクリックして、患者の選択に戻ります。データに誤差がある場合は、心拍数の修正をクリックします。心拍数信号に沿ってスクロールし、アーティファクトを見つけます。修正が必要な領域を表示するときに、キーボードの Enter キーを押します。メニューの [OK] をクリックして、「接続するポイントをクリック」と照会します。アーティファクトの最初の点に十字線を合わせ、マウスで 1 回クリックします。次に、アーティファクトの後の最初の点に十字線を合わせ、マウスで 2 回目をクリックします。線形スプラインは 2 つの点を接続します。画面に「変更を受け入れますか?」というメニューが表示されます。[はい、元に戻すか、変更を追加する] を選択します。これで、図の上部パネルに心拍数が表示され、下部パネルに心電図が表示されます。続行するには、保存を押して終了します。操作選択メニューで、ステップ4「呼吸」を選択します。呼吸信号は、QRS 信号の大きさから生成されます。[保存して終了]をクリックして、図を保存します。操作選択メニューで、ステップ5、血圧を選択します。十字線を血圧のピークに合わせ、マウスで1回クリックします。次に、次のピークの十字線を右に合わせ、もう一度クリックします。自動的に検出された収縮期および拡張期信号を表示する図が表示されます。「収縮期を補正しますか?」というメニューが表示されます。yesを押して続行するか、noを押して拡張期血圧補正に進みます。補正前の最後の正しい収縮期血圧値をクリックします。次に、血圧があるべきポイントを追加します。次に、アーティファクトの後の最初の正しいポイントをクリックして、Enterキーを押します。赤い破線の曲線は、補正された収縮期血圧を表示します。右にスクロールして、信号の最後まで進みます。Enter をクリックして、拡張期血圧の補正を続行します。拡張期血圧の補正は、「拡張期ポイントを補正しますか?」というメニューから始まります。yes を押して修正するか、no を押して続行します。保存を押して終了し、患者の選択に戻ります。操作選択メニューで、ステップ 6 の VM フェーズを選択します。ヴァルサルバ操作の開始をマークするには、十字線を息止めの開始に合わせて、一度クリックします。その後、十字線を息止めの端に合わせ、一度クリックしてバルサルバの操作の終了をマークします。メニューが表示され、「インデックスを受け入れますか?」というメッセージが表示されます。はい を選択して操作を完了し、垂直線で区切られたフェーズの自動検出を検査するには いいえ を選択します。操作選択メニューで、ステップ 7 の臨床比率を選択します。この図は、上部のパネルに収縮期血圧、中央のパネルに心拍数、下部パネルに RR 間隔を示しています。円形マーカーで注釈が付けられた特性値を検査します。すべての点が正しい場合は、[はい]をクリックします。それ以外の場合は、[いいえ]をクリックして調整します。「移動するポイントを選択」というメニューが画面に表示されます。1 つ、複数、またはすべての点を選択します。[OK] をクリックして続行するか、[キャンセル] をクリックして変更をスキップします。ステップ 8 のモデル予測名義を実行して、4 つのパネルを含む図を生成します。左側のパネルには、上部に時変期血圧と収縮期血圧が表示され、下部には胸腔内圧が表示され、モデル入力として機能します。右上のパネルには、測定された心拍数と予測された心拍数、および下部の予測交感神経および副交感神経信号が表示されます。次のステップである感度分析と最適化では、ユーザーの操作は必要ありません。これらの手順の実行には 2 分から 5 分かかります。彼らは数学的モデルをデータに合わせて調整し、交感神経と副交感神経のダイナミクスを推定します。感度分析と最適化の後、ステップ 11 の [モデル予測のプロット] を選択して、メニュー クエリ "表示するモデル予測の選択" を生成します。調整されたモデルでモデル予測の結果を表示するように最適化することを選択します。結果は、モデル予測の名義と同じ図レイアウトを使用して表示されます。右下の保存して終了をクリックして続行します。データの保存メニューを開くと、「データ概要ファイル名を入力してください」というプロンプトが表示されます。テキストボックスに希望するファイル名を入力します。 2 番目のメニューが表示され、ユーザーにファイル形式を選択するよう求められます。選ぶ。XLSX またはカンマ区切りファイル。保存されたファイルには、患者情報、臨床マーカー、回帰線、および公称または最適化されたパラメーター値が含まれます。ECG信号補正により、被験者8が不規則なECGパターンを示した1つのデータセットを除くすべてのデータセットで心拍数補正の必要性を排除することに成功しました。被験者8に適用された心拍数補正により、調整後に他の被験者と一致し、滑らかな心拍数信号が得られました。呼吸信号は、QRS 群の大きさを使用して ECG データから導き出され、胸腔内圧の変化を効果的に予測しました。ソフトウェアは、胸腔内圧計算のためにQRS波のいずれかを交換可能に識別しました。BP補正は、センサーエラーによるビートの欠落や誤ったピーク検出に対処するために適用されました。バルサルバ法中、心拍数の変動により、ソフトウェアが血圧補正を必要とするピークを見逃しました。収縮期および拡張期血圧信号は、区分的な線形脊椎補間を使用して補正され、正確な血圧波形再構成が保証されました。このソフトウェアは、バルサルバの操作段階と臨床マーカーを正常に特定しましたが、一部は手動で修正が必要でした。フェーズ 4 の初期における最大血圧と最小心拍数の誤配置が修正され、回帰精度が向上しました。初期フェーズ 2 と 4 の回帰線は、品質評価に含められた R 2 乗値を使用して計算されました。