Дев'яткіна М.Є., Мілих М.М.

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, Україна

АНАЛІЗ СЕРЦЕВО-СУДИННОЇ СИСТЕМИ ШЛЯХОМ ОДНОЧАСНОГО ВИМІРЮВАННЯ СЕРЦЕВОГО РИТМУ ТА ФІЗИЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ ЛЮДИНИ

У наш час постійно збільшується кількість людей з захворюваннями серцево-судинної системи, тому її аналіз стає дедалі актуальнішим. Окрім складних аналізів та діагностик, таких як ультразвукове дослідження чи електрокардіограма, все більшої популярності набувають більш швидкі, дешеві та прості в реалізації методи. Одним з них є метод паралельного вимірювання серцевого ритму та фізичних навантажень, що виконує людина. Прилади для контролю фізичних навантажень під час виконання фізичних вправ використовуються у спорті, медицині та повсякденному житті під час тренувань.

Для діагностики серцево-судинної системи важливо стежити за параметрами кровообігу. Найбільш важливим параметром є серцево-кров'яний тиск, але контролювати його досить складно. Другим важливим параметром є потік крові, що пов'язано з кров'яним тиском. Ми можемо контролювати кровопостачання у великих судинах використовуючи ультразвукові прилади, але це не практично для оперативного вимірювання[1]. Тим не менш, перфузія кровотоку і артеріальний тиск можуть бути легко визначені за допомогою монітора частоти пульсу. Частота серцевих скорочень або пульс, є одним з життєво важливих параметрів, використовуваних для вимірювання основних функцій людського тіла. Частоти пульсу - кількість серцевих скорочень на хвилину. В даний час в медичній практиці і фізіології використовуються десятки різних методів і варіантів методів реєстрації пульсу. У кожному випадку вибір датчиків, методів реєстрації та обробки пульсових кривих залежить від поставлених задач. Порівняння різних методів показало, що найбільш придатним в умовах рухової активності людини методом реєстрації пульсу є фотоплетізмографічний метод – зручний в роботі, перешкодостійкий і інформативний. При проведенні діагностичних процедур в клініці в умовах обмеження рухливості пацієнта крім кардіографічного перспективним є метод артеріальної п’єзопульсографіі, а також метод, що використовує ємнісні датчики.

Метод, який був використаний для вимірювання частоти серцевих скорочень у цьому проекті широко відомий як фотоплетізмографія (ФПГ, PPG). Побудований на даному методі пристрій може бути використано для визначення частоти пульсу та аналізу інших показників, використовуючи існуюче програмне забезпечення. Теоретично, будь-яка частина тіла може бути використана для вимірювання частоти серцевих скорочень за допомогою датчика такого пристрою, хоча, як правило, для цього використовують палець або мочку вуха.

Принцип датчиків ФПГ є оптичне детектування змін об'єму крові мікросудинного русла тканини. Датчик ФПГ, що складається зі світло діода (LED) і детектора, контролює зміни в інтенсивності світла при відбитті від або проходженні крізь тканину [2].

Датчик ФПГ має два варіанти реалізації – на просвіт та відбиття. У варіанті на просвіт, світло, що пройшло крізь тканини детектується світлочутливим елементом (PD), що знаходиться навпроти світлодіодного джерела (LED), в той час як у варіанті відбиття, PD реагує на світло розсіяне або відбите від тканин, кістки і кровоносних судин. В цьому проекті було обрано варіант реалізації на відбиття через те, що такий варіант більш дешевий і простий в реалізації, оскільки багато компаній випускає вже здвоєні оптичні пари, світло діод та фото транзистор, в одному корпусі. Крім цього такий варіант дозволяє уникнути проблем реєстрації пов’язаних з різною товщиною пальців та нанесеним лаку для нігтів, що перешкоджає проходженню світла.

Сигнал фотоплетізмографа складається з постійного (DC) і змінного (AC) компонентів струму. Постійна складова сигналу ФПГ відповідає детектованому оптичному сигналу, що пройшов або відбився від тканин і залежить від структури тканин та середнього об'єму крові, як артеріальної так і венозної. Слід зазначити, що постійна складова змінюється повільно з диханням. Компонента змінного струму, показує зміну об'єму крові, яка відбувається між систолічною (Systolic phase) та діастолічною (Diastolic phase) фазами серцевого циклу; основна частота змінної складової залежить від частоти серцевих скорочень і накладається на постійну складову.

Незважаючи на те, що морфологія сигналу ФПГ схожа на імпульс артеріального тиску, контур хвилі не один і той самий. Співвідношення між сигналом ФПГ і імпульсом тиску були кількісно описані Millasseau та ін. [3]. Завдяки ФПГ можуть бути виявлені різні порушення серцевого ритму. Наприклад, передчасне желудочкове скорочення (PVC) яке перериває нормальний серцевий ритм і викликає неправильний удар, що може бути зафіксований ФПГ. Це часто проявляється як "пропущений удар» або «фліп-флоп». Такі порушення ритму найчастіше безпечні, але коли вони відбуваються дуже часто, або багаторазово, вони можуть призвести до більш серйозних порушень ритму.

З метою контролю рухів людини використовується багато приладів із застосуванням різноманітних методик. Одним з таких методів контролю та фіксації рухів і положення тіла людини – є метод стабілометрії, але цей метод не дозволяє відстежувати навантаження. Ще одна система фіксації рухів та їх подальшого аналізу базується на методі відео реєстрації. Останнім часом все більшої популярності набуває метод реєстрації рухів і навантажень з використанням датчика акселерометра.

Прилад з використанням акселерометра та методика реєстрації положення тіла та навантажень, що відчуває людина під час виконання фізичних вправ було попередньо розглянуто в іншій статті [4]. Спираючись на ці данні можна побудувати структурну схема приладу, наведену на рис.1, який поєднує в собі блоки для одночасної реєстрації пульсу та навантаження. Такий прилад можна під’єднати до ПК за допомогою USB для передачі даних.

Рис.1 Структурна схема приладу

Прилад безпосередньо визначає положення частини тіла, на якій закріплений, та прискорення яке діє в даний момент часу, а як наслідок може бути розрахована діюча сила. Окрім сили за допомогою вторинної обробки можна визначити максимальне та мінімальне навантаження, частоту рухів та її зміну через втомлюваність людини. Для отримання даних більш високої якості, зменшення впливу шумів та помилкових даних, для вторинної обробки використовується згладжуюча фільтрація.

Аналіз серцевого ритму широко застосовуваний в практиці спорту та медицини. Так, наприклад, в основу класифікації тренувальних навантажень за спрямованістю їх впливу на організм покладено аналіз пульсу [5, 6]. Саме на цьому показнику ґрунтується ряд загальновизнаних методів оцінки підготовленості організму - тест PWC; непряма оцінка максимального споживання кисню; Гарвардський степ-тест; різноманітні ортокліностатичні проби; інтегральний показник функціонального стану по серцевому ритму.

Незважаючи на те, що основні напрямки у вивченні серцевого ритму визначені, залишається все ще недостатньо розробленою типологія реакції серцево-судинної системи у відповідь на фізичні навантаження різної спрямованості. Саме тому паралельне вимірювання серцевого ритму та навантажень застосовано в приладі як для діагностичних цілей, так і для науково-дослідних.

Спираючись на вже проведені досліди та отримані результати, завдяки поєднанню вище зазначених показників, можуть бути визначені такі параметри: витривалість, швидкість наростання ЧСС та час відновлення, динаміка серцевого ритму при збільшенні навантаження, залежність пульсу від інтенсивності (частоти) рухів.

Рис.2. Графік залежності ЧСС (f) від сили навантаження (W). Частота вправи постійна.

Рис.3 Графік залежності ЧСС (f) від частоти вправи. Сила навантаження роботи постійна.

Наприклад, розглянувши графіки, приведені на рис.2 і рис.3 можна зробити наступні висновки. Швидкість зміни ЧСС, що пов’язана з навантаженням, залежить від рівня підготовленості. Це виражається в різних кутах нахилу кривих (рис. 2, в, г, д, е). Кут нахилу кривої при режимі наведеному на рис.3 вказує на ступінь адаптації організму до темпової роботи. Чим вище підготовленість, тим менше крутість кривої в системі координат (ЧСС - темп).

Отримані результати такого дослідження можуть свідчити про рівень підготовленості організму в цілому, і зокрема серцево-судинної системи. Також можна відстежувати правильне розподілення навантаження під час тренування.

Література

1. Togawa, T.; Tamura, T.; Oberg, P.A. Biomedical Sensors and Instruments, 2nd ed.; CRC Press: New York, NY, USA, 2011; pp. 19–190.

2. Toshiyo T.; Yuka M.; Masaki S.; Masaki Y. Wearable Photoplethysmographic Sensors—Past and Present, Rev.; Electronics 2014, 3, 282-302; ISSN 2079-9292

3. Millasseau S, Guigui F, Kelly R, Prasad K, Cockcroft J, Ritter J. Noninvasive assessment of the digital volume pulse. Comparison with the peripheral pressure pulse. Hypertension. 2000;36:952-6.

4. Дев’яткіна М.Є., Мілих М.М. Використання акселерометру для аналізу фізичних навантажень; Europejska nauka XXI poweka – 2014. Techniczne nauki.; Premysl, 2014, 80-83

5. Коц Я.М. Спортивная физиология. - М.: ФиС, 1986.

6. Матвеев Л.П. Теория и методика физической культуры. - М.: ФиС, 1991.