Программное обеспечение для анализа временных рядов данных о частоте сердечных сокращений и артериальном давлении, полученных в ходе маневра Вальсальвы

Моя исследовательская деятельность связана с разработкой методологий анализа физиологических данных. Основное внимание я уделяю сбору данных для оценки сердечно-сосудистых заболеваний и взаимодействия сердечно-сосудистой и гормональной систем. Последние достижения объединяют механистическое моделирование с наукой о данных для фенотипирования пациентов, создания суррогатных моделей и разработки цифровых двойников. В рамках этого исследования разрабатывается программное обеспечение, которое может воспроизводимым образом извлекать биомаркеры из сигналов ЭКГ и артериального давления, измеренных во время маневра Вальсальвы, физиологического теста, используемого для оценки функции вегетативной системы управления. Мой основной вклад как прикладного математика связан с разработкой вычислительных методологий с использованием ряда языков программирования, включая MATLAB, C++, Fortran и R. Помимо анализатора Вальсальвы, мои исследования включают разработку вычислительных моделей, которые интегрируют данные визуализации и гемодинамики для анализа сосудистых сетей. Анализатор Вальсальвы предоставляет алгоритм, который воспроизводимым образом может извлекать все известные биомаркеры частоты сердечных сокращений и артериального давления, а также использует математическую модель для выявления симпатических и парасимпатических сигнальных маркеров, не поддающихся прямому измерению. Программное обеспечение может помочь клиницистам в диагностике пациентов с вегетативной дисфункцией.

[Инструктор] Для начала используйте цифровую манжету для измерения артериального давления для непрерывного измерения артериального давления указательным и средним пальцами недоминирующей руки. Расположите руку на уровне сердца, чтобы устранить воздействие гравитации. Расположите электроды на равном расстоянии от сердца. Поместите белый провод ЭКГ слева, а черный провод ЭКГ справа от предсердия и поместите красный провод ЭКГ на левый нижний край грудной клетки. После применения измерительных приборов попросите испытуемого выполнить маневр Вальсальвы, выдохнув в устройство с положительным давлением выдоха, подключенное к манометру. Записывайте стабильные сигналы в течение как минимум 30 секунд до и после маневра Вальсальвы. Выполните маневр Вальсальвы, попросив испытуемого выдохнуть в течение 15 секунд, поддерживая давление в 40 миллиметров ртутного столба. Чтобы экспортировать сигналы из LabChart в MATLAB с частотой 1000 Гц, выберите часть сигнала для экспорта с помощью мыши. В меню «Экспорт как MATLAB» выберите каналы, содержащие ЧСС, АД, ЭКГ и внутригрудное давление, если оно измеряется. Здесь каналы с первого по третий. Выберите 32-разрядную систему с плавающей запятой, увеличьте выборку до той же скорости и раскомментируйте комментарии и маркеры событий. Нажмите OK, чтобы экспортировать файл . MAP и отменить, чтобы остановить экспорт. Во всплывающем меню выберите параметры рисунка, выберите тип программной платформы, размер шрифта рисунка, размер маркера и ширину линии. Затем нажмите OK, чтобы принять настройки и перейти к выбору пациента. В меню выбора пациента выберите пациентов для анализа. С помощью мыши выберите любое количество пациентов из списка и нажмите OK, чтобы перейти к следующему шагу. В меню выбора операций выберите операции, которые будут выполняться в порядке убывания. После выбора первого шага операции выберите информацию о пациенте. Нажмите OK, чтобы продолжить. Во всплывающем меню введите информацию о пациенте, включая идентификатор пациента, возраст, пол, рост и вес. Затем нажмите OK, чтобы продолжить. Появится новое всплывающее меню. В этом меню введите порядок каналов для сигналов ЭКГ, ЧСС, АД и грудного давления. Если давление в грудной клетке не измеряется, введите ноль. На экране появится рисунок, отображающий панели ЭКГ, частоты сердечных сокращений и артериального давления в качестве функций времени. Выберите данные для анализа, в том числе примерно за 30 секунд до и после маневра Вальсальвы. Расположите перекрестие и кликните мышкой один раз в начале и второй раз в конце. Выбранные данные появятся на рисунке красным цветом. Нажмите «Сохранить» и выйти. Выберите второй шаг, электрокардиограмму или ЭКГ, в меню выбора операции. Теперь на рисунке отображается сигнал ЭКГ. Чтобы исправить неправильно расположенные пики, нажмите «Да» во всплывающем меню. В следующем меню нажмите OK и прокрутите вправо с помощью инструмента «Рука», пока в окне не будут видны пики, требующие коррекции. Если вершина отсутствует, находится не на своем месте или отмечена дополнительная вершина, прокрутите до местоположения вершины. Нажмите Enter на клавиатуре, чтобы открыть меню с вопросом: «Вы хотите скорректировать точки RS?» Нажмите кнопку Да, чтобы исправить точки, или Нет, чтобы вернуться в меню операций. Далее появляется меню с опцией «Нажмите на точку, чтобы исправить». Нажмите OK и поместите перекрестие на точку, которая нуждается в коррекции. В следующем меню будет задан вопрос: «Добавить или удалить точку?» Чтобы добавить точку, нажмите кнопку Добавить. Отмеченная точка будет отображаться красным или синим цветом. Программа классифицирует точку как R или S на основе точного местоположения щелчка. Чтобы удалить точку, нажмите кнопку Удалить, и отмеченная точка будет удалена. Нажмите клавишу Enter на клавиатуре. В запросе на исправление точек нажмите кнопку «Нет». Если количество пиков R и S не идентично и пользователь нажимает кнопку «нет», в новом меню появится сообщение: «Количество пиков R и S должно быть равно. Проверяйте данные». Нажмите OK, и код вернется к шагу коррекции пика. В меню выбора операции выберите шаг три, частота сердечных сокращений. На рисунке отображается частота сердечных сокращений на верхней панели и ЭКГ на нижней панели. Если сигнал частоты сердечных сокращений не имеет артефактов, нажмите «Сохранить» и выйдите, вернувшись к выбору пациента. Если в данных есть ошибки, нажмите «Скорректировать частоту сердечных сокращений». Прокрутите вдоль сигнала частоты сердечных сокращений и найдите артефакты. Нажмите клавишу Enter на клавиатуре при просмотре области, требующей коррекции. Нажмите OK в меню, запросив: «Нажмите на точки для подключения». Выровняйте перекрестие над первой точкой перед артефактом и кликните мышкой один раз. Затем выровняйте перекрестие над первой точкой после артефакта и кликните мышкой второй раз. Линейный сплайн соединяет две точки. На экране появляется меню с вопросом: «Принять сдачу?» Выберите Да, отмените или добавьте изменение. Теперь на рисунке отображается частота сердечных сокращений на верхней панели, а на нижней — ЭКГ. Чтобы продолжить, нажмите «Сохранить» и выйти. В меню выбора операции выберите четвертый шаг, дыхание. Дыхательный сигнал генерируется на основе величины сигнала QRS. Нажмите «Сохранить» и выйти, чтобы сохранить фигурку. В меню выбора операции выберите шаг пятый, артериальное давление. Совместите перекрестие с пиком артериального давления и щелкните мышью один раз. Затем выровняйте перекрестие на следующем пике справа и щелкните еще раз. Появится рисунок, отображающий автоматически обнаруженные систолические и диастолические сигналы. Появится меню с вопросом: «Вы хотите скорректировать систолические точки?». Нажмите «Да», чтобы продолжить, или «Нет», чтобы перейти к диастолической коррекции АД. Нажмите на последнее правильное значение систолического АД перед коррекцией. Затем добавьте точки, где должно быть артериальное давление. Затем нажмите на первую правильную точку после артефакта и нажмите Enter. Пунктирная красная кривая отобразит скорректированное систолическое АД. Продолжайте движение до конца сигнала, прокручивая вправо. Нажмите Enter и продолжайте коррекцию диастолического АД. Коррекция диастолического АД начинается с меню с вопросом: «Вы хотите скорректировать диастолические точки?» Нажмите «Да», чтобы исправить, или «Нет», чтобы продолжить. Нажмите «Сохранить» и «Выйти», чтобы вернуться к выбору пациента. В меню выбора операции выберите шаг шестой, Фазы виртуальной машины. Чтобы отметить начало маневра Вальсальвы, совместите перекрестие с началом задержки дыхания и нажмите один раз. После этого совместите перекрестие с концом задержки дыхания и щелкните один раз, чтобы отметить окончание маневра Вальсальвы. Появится меню с запросом «Принять индексы?». Выберите «Да», чтобы завершить операцию, и «Нет», чтобы проверить автоматическое обнаружение фаз, очерченных вертикальными линиями. В меню выбора операции выберите шаг семь, клинические соотношения. На рисунке изображено систолическое артериальное давление на верхней панели, частота сердечных сокращений на центральной панели и интервал RR на нижней панели. Проверьте характеристические значения, помеченные круглыми маркерами. Нажмите «Да», если все точки верны. В противном случае нажмите «Нет» для корректировки. На экране появляется подсказка «Выберите точки для перемещения». Выберите одну, несколько или все точки. Нажмите OK, чтобы продолжить, или Отмена, чтобы пропустить изменения. Выполните восьмой шаг, номинальное прогнозирование модели, чтобы создать рисунок с четырьмя панелями. На левых панелях отображаются изменение во времени и систолическое артериальное давление вверху и внутригрудное давление внизу, которые служат входными данными модели. На верхних правых панелях показаны измеренная частота сердечных сокращений и прогнозируемая частота сердечных сокращений, а также прогнозируемые симпатические и парасимпатические сигналы внизу. Следующие шаги, анализ чувствительности и оптимизация, не требуют никакого взаимодействия с пользователем. Выполнение этих действий занимает от двух до пяти минут. Они калибруют математическую модель по данным, оценивая симпатическую и парасимпатическую динамику. После анализа и оптимизации чувствительности выберите шаг 11 «Построение прогнозов модели», чтобы создать меню с запросом «Выберите прогноз модели для отображения». Выберите оптимизацию для отображения результатов прогнозов модели с откалиброванной моделью. Результаты отображаются с использованием той же схемы, что и в номинальном прогнозе модели. Нажмите «Сохранить» и «Выйти» в правом нижнем углу, чтобы продолжить. Откройте меню сохранения данных, в котором появится запрос «Введите имя файла сводки данных». Введите предпочтительное имя файла в текстовое поле. Появляется второе меню, предлагающее пользователю выбрать формат файла. Выбирать. XLSX или файл, разделенный запятыми. Сохраненный файл содержит информацию о пациенте, клинические маркеры и линии регрессии, а также номинальные или оптимизированные значения параметров. Коррекция сигнала ЭКГ успешно устранила необходимость коррекции сердечного ритма во всех наборах данных, кроме одного, где у восьми испытуемых наблюдались нерегулярные паттерны ЭКГ. Коррекция частоты сердечных сокращений, примененная к испытуемому восьмому, привела к плавному сигналу сердечного ритма, совпадающему с другими испытуемыми после корректировки. Сигналы дыхания были получены на основе данных ЭКГ с использованием амплитуды комплекса QRS, что эффективно предсказывало изменения внутригрудного давления. Программное обеспечение идентифицировало обе волны QRS взаимозаменяемо для расчетов внутригрудного давления. Коррекция АД была применена для устранения пропущенных биений и неправильного определения пиков из-за ошибок датчика. Во время маневра Вальсальвы колебания сердечного ритма приводили к тому, что программное обеспечение пропускало пики, что требовало коррекции АД. Систолические и диастолические сигналы АД корректировались с помощью кусочно-линейной интерполяции позвоночника, что обеспечивает точную реконструкцию формы сигнала АД. Программное обеспечение успешно определило фазы маневра Вальсальвы и клинические маркеры, но некоторые из них потребовали ручной коррекции. Были исправлены неправильные показатели максимального АД и минимальной частоты сердечных сокращений в начале четвертой фазы, что повысило точность регрессии. Линии регрессии для ранних фаз 2 и 4 были рассчитаны с учетом значений R-квадрат для оценки качества.