Oprogramowanie do analizy danych szeregów czasowych tętna i ciśnienia krwi z manewru Valsalvy

Moje badania polegają na opracowywaniu metodyk analizy danych fizjologicznych. Skupiam się przede wszystkim na danych zebranych w celu oceny chorób sercowo-naczyniowych oraz interakcji między układem sercowo-naczyniowym a hormonalnym. Najnowsze osiągnięcia łączą modelowanie mechanistyczne z nauką o danych w celu fenotypowania pacjentów, budowania modeli zastępczych i opracowywania cyfrowych bliźniaków. W ramach tego badania opracowano oprogramowanie, które w powtarzalny sposób może wyodrębnić biomarkery z sygnałów EKG i ciśnienia krwi mierzonych podczas manewru Valsalvy, testu fizjologicznego stosowanego do oceny funkcji autonomicznego systemu kontroli. Jako matematyk stosowany, moim głównym wkładem jest rozwój metodologii obliczeniowych przy użyciu szeregu języków programowania, w tym MATLAB, C++, Fortran i R. Poza analizatorem Valsalva, moje badania obejmują opracowywanie modeli obliczeniowych, które integrują dane obrazowania i hemodynamiczne do analizy sieci naczyniowej. Analizator Valsalva zapewnia algorytm, który w powtarzalny sposób może wyodrębnić wszystkie znane biomarkery tętna i ciśnienia krwi, a także wykorzystuje model matematyczny do ujawnienia współczulnych i przywspółczulnych markerów sygnałowych, których nie można bezpośrednio zmierzyć. Oprogramowanie może pomóc klinicystom w diagnozowaniu pacjentów z dysfunkcją autonomiczną.

[Instruktor] Na początek użyj cyfrowego mankietu do pomiaru ciśnienia krwi do ciągłego pomiaru ciśnienia krwi z palca wskazującego i środkowego ręki niedominującej. Umieść dłoń na poziomie serca, aby wyeliminować efekty grawitacji. Umieść elektrody w równej odległości od serca. Umieść biały przewód EKG po lewej stronie, a przewód EKG po prawej stronie przedsionka i umieść czerwony przewód EKG po lewej stronie dolnej krawędzi klatki piersiowej. Po oprzyrządowaniu poinstruuj testera, aby wykonał manewr Valsalvy poprzez wydychanie do urządzenia o dodatnim ciśnieniu wydechowym podłączonym do manometru. Rejestruj stabilne sygnały przez co najmniej 30 sekund przed i po manewrze Valsalvy. Wykonaj manewr Valsalvy, prosząc testera o wydech przez 15 sekund, utrzymując ciśnienie 40 milimetrów słupa rtęci. Aby wyeksportować sygnały z LabChart do MATLAB z częstotliwością 1000 herców, wybierz część sygnału do wyeksportowania za pomocą myszy. W menu eksportuj jako MATLAB wybierz kanały zawierające HR, BP, EKG i ciśnienie w klatce piersiowej, jeśli zostało zmierzone. Tutaj kanały od pierwszego do trzeciego. Wybierz 32-bitową liczbę zmiennoprzecinkową, próbkę w górę do tej samej szybkości oraz odkomentuj komentarze i znaczniki zdarzeń. Kliknij przycisk OK, aby wyeksportować plik . MAP i anuluj, aby zatrzymać eksport. Z menu podręcznego wybierz parametry figury, wybierz typ platformy oprogramowania, rozmiar czcionki figury, rozmiar znacznika i szerokość linii. Następnie kliknij OK, aby zaakceptować ustawienia i przejść do wyboru pacjenta. Z menu wyboru pacjentów wybierz pacjentów do analizy. Użyj myszki, aby wybrać dowolną liczbę pacjentów z listy i kliknij OK, aby przejść do następnego kroku. Z wyboru operacji w menu wybierz operacje, które mają zostać wykonane w kolejności malejącej. Po wybraniu pierwszego kroku operacji wybierz informacje o pacjencie. Kliknij przycisk OK, aby kontynuować. W menu podręcznym wprowadź informacje o pacjencie, w tym numer identyfikacyjny pacjenta, wiek, płeć, wzrost i wagę. Następnie kliknij OK, aby kontynuować. Pojawi się nowe menu podręczne. W tym menu wprowadź kolejność kanałów dla sygnałów EKG, HR, BP i ciśnienia w klatce piersiowej. Jeśli ciśnienie w klatce piersiowej nie jest mierzone, wprowadź zero. Na ekranie pojawi się rysunek przedstawiający panele EKG, tętna i ciśnienia krwi jako funkcje czasu. Wybierz dane do analizy, w tym około 30 sekund przed i po manewrze Valsalvy. Ustaw celownik i kliknij raz myszą na początku, a drugi raz na końcu. Wybrane dane pojawią się na rysunku w kolorze czerwonym. Kliknij Zapisz i wyjdź. Wybierz krok drugi, elektrokardiogram lub EKG, z menu wyboru operacji. Teraz rysunek wyświetla sygnał EKG. Aby skorygować zagubione szczyty, kliknij przycisk tak w menu podręcznym. W następnym menu kliknij OK i przewiń w prawo za pomocą narzędzia Rączka, aż szczyty, które wymagają korekty, będą widoczne w oknie. Jeśli brakuje szczytu, jest on zagubiony lub zaznaczony jest dodatkowy szczyt, przewiń do lokalizacji szczytu. Naciśnij Enter na klawiaturze, aby otworzyć menu z zapytaniem "Czy chcesz poprawić punkty RS?" Kliknij tak, aby poprawić punkty, lub nie, aby powrócić do menu operacji. Następnie pojawia się menu z opcją "Kliknij punkt, aby poprawić". Naciśnij OK i umieść celownik w punkcie, który wymaga korekty. W następnym menu pojawi się pytanie: "Dodaj lub usuń punkt?" Aby dodać punkt, kliknij przycisk Dodaj. Zaznaczony punkt pojawi się na czerwono lub niebiesko. Program sklasyfikuje punkt jako R lub S na podstawie dokładnej lokalizacji kliknięcia. Aby usunąć punkt, kliknij przycisk Usuń, a zaznaczony punkt zostanie usunięty. Naciśnij Enter na klawiaturze. W monicie z pytaniem, czy chcesz poprawić punkty, kliknij przycisk nie. Jeśli liczba pików R i S nie jest identyczna, a użytkownik kliknie nie, w nowym menu zostanie wyświetlony komunikat "Liczba pików R i S musi być równa. Sprawdź dane". Kliknij przycisk OK, a kod powróci do kroku korekcji szczytu. W menu wyboru operacji wybierz krok trzeci, tętno. Rysunek wyświetla tętno w górnym panelu i EKG w dolnym panelu. Jeśli sygnał tętna nie zawiera artefaktów, kliknij przycisk Zapisz i wyjdź, powracając do wyboru pacjenta. Jeśli w danych występują błędy, kliknij opcję popraw tętno. Przewiń wzdłuż sygnału tętna i zlokalizuj artefakty. Naciśnij Enter na klawiaturze podczas przeglądania regionu, który wymaga korekty. Kliknij przycisk OK w menu, pytając "Kliknij w punktach, aby się połączyć". Wyrównaj celownik nad pierwszym punktem przed artefaktem i kliknij raz myszą. Następnie wyrównaj celownik nad pierwszym punktem za artefaktem i kliknij po raz drugi myszą. Splajn liniowy łączy te dwa punkty. Na ekranie pojawi się menu z pytaniem: "Zaakceptować zmianę?" Wybierz opcję Tak, cofnij lub dodaj zmianę. Teraz rysunek wyświetla tętno w górnym panelu, a EKG w dolnym panelu. Aby kontynuować, naciśnij Zapisz i wyjdź. W menu wyboru operacji wybierz krok czwarty, oddychanie. Sygnał oddechowy jest generowany na podstawie wielkości sygnału QRS. Kliknij Zapisz i wyjdź, aby zapisać figurę. W menu wyboru operacji wybierz krok piąty, ciśnienie krwi. Dopasuj celownik do szczytu ciśnienia krwi i kliknij raz myszą. Następnie wyrównaj celownik na następnym szczycie w prawo i kliknij ponownie. Pojawi się rysunek wyświetlający automatycznie wykryte sygnały skurczowe i rozkurczowe. Pojawi się menu z pytaniem: "Czy chcesz skorygować punkty skurczowe?" Naciśnij tak, aby kontynuować, lub nie, aby przejść do rozkurczowej korekcji ciśnienia tętniczego. Kliknij ostatnią prawidłową wartość skurczowego ciśnienia krwi przed korektą. Następnie dodaj punkty, w których powinno być ciśnienie krwi. Następnie kliknij pierwszy prawidłowy punkt po artefakcie i naciśnij enter. Przerywana czerwona krzywa wyświetli skorygowane skurczowe ciśnienie krwi. Kontynuuj do końca sygnału, przewijając w prawo. Kliknij enter i kontynuuj korekcję rozkurczowego ciśnienia krwi. Korekcja rozkurczowego ciśnienia krwi rozpoczyna się od menu z pytaniem: "Czy chcesz skorygować punkty rozkurczowe?" Naciśnij tak, aby poprawić, lub nie, aby kontynuować. Naciśnij przycisk Zapisz i wyjdź, aby powrócić do wyboru pacjenta. W menu wyboru operacji wybierz krok szósty, Fazy maszyny wirtualnej. Aby zaznaczyć początek manewru Valsalvy, wyrównaj celownik z początkiem wstrzymania oddechu i kliknij raz. Następnie wyrównaj celownik z końcem wstrzymania oddechu i kliknij raz, aby zaznaczyć koniec manewru Valsalvy. Pojawi się menu z pytaniem: "Zaakceptować indeksy?" Wybierz Tak, aby zakończyć operację, i Nie, aby sprawdzić automatyczne wykrywanie faz wyznaczonych pionowymi liniami. W menu wyboru operacji wybierz krok siódmy, Wskaźniki kliniczne. Rysunek przedstawia skurczowe ciśnienie krwi w górnym panelu, tętno w panelu środkowym i interwał RR w dolnym panelu. Sprawdź wartości charakterystyczne oznaczone okrągłymi znacznikami. Kliknij przycisk Tak, jeśli wszystkie punkty są poprawne. W przeciwnym razie kliknij przycisk Nie dla korekt. Na ekranie pojawi się menu z monitem "Wybierz punkty do przesunięcia". Wybierz jeden, wiele lub wszystkie punkty. Kliknij przycisk OK, aby kontynuować, lub przycisk Anuluj, aby pominąć zmiany. Uruchom krok ósmy, nominalna prognoza modelu, aby wygenerować figurę z czterema panelami. Lewy panel wyświetla zmienne w czasie i skurczowe ciśnienie krwi na górze oraz ciśnienie w klatce piersiowej na dole, które służą jako dane wejściowe modelu. Prawe górne panele pokazują zmierzone tętno i przewidywane tętno oraz przewidywane sygnały współczulne i przywspółczulne na dole. Kolejne kroki, czyli analiza wrażliwości i optymalizacja, nie wymagają żadnej ingerencji użytkownika. Wykonanie tych kroków zajmuje od dwóch do pięciu minut. Kalibrują model matematyczny do danych, szacując dynamikę współczulną i przywspółczulną. Po analizie wrażliwości i optymalizacji wybierz krok 11, wykreśl przewidywania modelu, aby wygenerować zapytanie menu "Wybierz przewidywanie modelu do wyświetlenia". Wybierz opcję optymalizacji, aby wyświetlić wyniki przewidywań modelu ze skalibrowanym modelem. Wyniki są wyświetlane przy użyciu tego samego układu figur, co w predykcji modelu nominalnej. Kliknij Zapisz i wyjdź w prawym dolnym rogu, aby kontynuować. Otwórz menu zapisywania danych z monitem "Wprowadź nazwę pliku podsumowania danych". Wprowadź preferowaną nazwę pliku w polu tekstowym. Pojawi się drugie menu, w którym użytkownik zostanie poproszony o wybranie formatu pliku. Wybrać. XLSX lub plik oddzielony przecinkami. Zapisany plik zawiera informacje o pacjencie, markery kliniczne i linie regresji oraz nominalne lub zoptymalizowane wartości parametrów. Korekcja sygnału EKG z powodzeniem wyeliminowała potrzebę korekcji tętna we wszystkich zestawach danych z wyjątkiem jednego, w którym osoba ósma wykazywała nieregularne wzorce EKG. Korekcja tętna zastosowana u ósmego obiektu skutkowała płynnym sygnałem tętna, dopasowując się do innych obiektów po dostosowaniu. Sygnały oddechowe uzyskano z danych EKG przy użyciu wielkości zespołu QRS, skutecznie przewidując zmiany ciśnienia w klatce piersiowej. Oprogramowanie zidentyfikowało załamki QRS zamiennie do obliczeń ciśnienia w klatce piersiowej. Korekcja ciśnienia tętniczego została zastosowana w celu rozwiązania problemu brakujących uderzeń i nieprawidłowego wykrywania pików z powodu błędów czujnika. Podczas manewru Valsalvy wahania tętna powodowały, że oprogramowanie pomijało szczyty, co wymagało korekty ciśnienia tętniczego. Skurczowe i rozkurczowe sygnały ciśnienia tętniczego skorygowano za pomocą odcinkowej liniowej interpolacji kręgosłupa, zapewniając dokładną rekonstrukcję przebiegu BP. Oprogramowanie z powodzeniem zidentyfikowało fazy manewru Valsalvy i markery kliniczne, ale niektóre z nich wymagały ręcznej korekty. Błędne przemieszczenia maksymalnego ciśnienia tętniczego i minimalnego tętna we wczesnej fazie czwartej zostały skorygowane, poprawiając dokładność regresji. Linie regresji dla wczesnych faz drugiej i czwartej zostały obliczone z wartościami R kwadrat uwzględnionymi do oceny jakości.