Анализ структуры сигналов акселерометров при движении человека по пересечённой местности

Известия ТРТУ

Тематический выпуск

позволяет проводить обучение нейросети при достаточно большом разбросе состояний, требуется лишь одно - оценка сторонним методом значения выходной величины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ломов Б.Ф. Деятельность оператора в системе «человек-машина» / Основы инженерной

психологии. Под ред. Б.Ф. Ломова. - М.: Высшая школа. 1986. - С. 169-196.

2. Практикум по общей, экспериментальной и прикладной психологии: Учеб. пособие/В.Д.

Балин, В.К. Гайда, В.К. Гербачевский и др.; Под общей редакцией А.А. Крылова, С.А.

Маничева. - СПб: Питер, 2000. - 560 с. - («Практикум по психологии»).

3. Теория автоматического управления. Мирошник И.В. - СПб: Питер, 2006. - 272 с.

С.А. Синютин

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕЛОВЕКА ПО ПЕРЕСЕЧЁННОЙ МЕСТНОСТИ

Холтеровское мониторирование ЭКГ (ХМ ЭКГ) - суточная запись одного или нескольких отведений ЭКГ - давно уже стало рутинным исследованием, и современный кардиолог уже не представляет себе, как можно лечить сложные нарушения ритма сердца или ИБС, не проводя ХМ ЭКГ. Ценность метода очевидна: длительное исследование в процессе обычной жизненной деятельности пациента с реальными нагрузками, эмоциями, стрессами.

При оценке динамики ЭКГ и трактовке клинической значимости выявленных изменений необходимо учитывать при каких обстоятельствах и при какой нагрузке зарегистрирован данный фрагмент ЭКГ. Для этого пациентам предлагают вести дневник, в котором отражается его физическая активность и самочувствие.

Для кардиолога знание механической мощности, развиваемой пациентом в момент записи ЭКГ - очень важная дополнительная информация. Особую ценность представляет исследование взаимосвязи развиваемой мощности и параметрами ЭКГ: частотой сердечных сокращений (ЧСС), смещением сегмента 8Т, изменением интервалов Рр, рТ, а также изменением водителя ритма и эктопических источников ритма. В настоящее время реакцию на нагрузку исследуют только во время велоэргометрического исследования на трендмиле (амбулаторно) или во время ХМ с помощью лестничной пробы. Недостаток обоих исследований - кратковременность, а для велоэргометрического исследования ещё и нефизиологичность. В докладе представляются результаты разработки программного обеспечения суточного монитора-полиграфа, осуществляющего синхронную запись двух биполярных отведений ЭКГ и двух проекций вектора ускорения центра тяжести тела человека на вертикальную (У) и фронтальную (Х) оси. По оси У фиксируется составляющая ускорения «вверх-вниз», а по оси Х - «вперёд-назад». Вообще при движении человека вектор ускорения центра тяжести описывает сложную пространственную фигуру, и для полной записи её необходима регистрация проекции на все три оси (Х, У, 2). Вместе с тем, проведенные нами исследования показали, что поперечная составляющая (по оси 2) невелика по амплитуде и симметрична по величине, и для оценки развиваемой мощности достаточно двух осей - Х и У.

Принцип измерения основан на втором законе Ньютона:

Р = т • а.

Поскольку масса пациента известна, и за время исследования сильно не изменяется, то зная компоненты вектора а, можно определить и мгновенные компо-

Раздел IV

Приборы и методы структурного анализа электрофизиологического сигнала ненты вектора Р. По трендам компонент вектора й можно определить и мгновенные компоненты вектора скорости V и перемещения . Набор всех этих величин позволяет определить мощность Р.

Однако на самом деле движение тела человека значительно сложнее, чем равноускоренное движение материальной точки массой М, и напрямую методика, изложенная выше, даёт неприемлемые погрешности. Человек для горизонтального перемещения активно использует гравитационное поле Земли и реакцию опор (пол). Это позволяет значительно экономить энергию. Сравним, например, затраты энергии при ходьбе на 2 км без нагрузки, и на 1 км с нагрузкой равной массе вашего тела. С точки зрения механики материальной точки, затраты эквивалентны, но утомление у испытуемого во втором случае будет выражено значительно сильнее. В результате исследований, проведённых в ТРТУ, были разработаны алгоритмы расчёта реальной нагрузки при движении (ходьба, бег) по данным измерения компонент вектора ускорения (акселерометрии). При этом, из данных об изменении ах и ау во времени, удаётся получить информацию о характере движения, мощности и характере пути (горизонтальный или наклонный). Такую информацию совместно с параметрами ЭКГ (ЧСС, смещение 8Т) можно использовать для комплексной оценки реакции сердечно-сосудистой системы на изменение нагрузки.

Обработка сигналов от акселерометра представляет собой последовательнопараллельный многошаговый процесс, составляющими которого являются:

1) предварительная аппаратная и программная фильтрации сигнала с целью защиты от помех и ликвидации влияния посторонних механических ускорений (используется набор фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры);

2) структурный анализ фаз движения на базе адаптивного фильтра с обучающимися коэффициентами;

3) быстрое преобразование Фурье для структурного анализа сигнала с целью вычленения вклада в ускорение центра масс фрагментов тела;

4) обработка спектров с помощью нейронной сети с обратным распространением ошибки для получения мгновенной мощности, развиваемой человеком.

К входам внешнего слоя нейронов сети подводятся данные о массе и геометрических характеристиках тела.

Выходом последнего процесса является искомая величина - мощность.

Таким образом, традиционная система ХМ ЭКГ дополнена новой опцией: проводится синхронное мониторирование, математическая обработка ЭКГ и пространственной проекции вектора ускорения центра тяжести тела человека. Это предоставляет дополнительную возможность - позволяет в условиях_естествен-ной двигательной активности проводить анализ изменений ЭКГ с учетом динамично изменяющейся и количественно оцениваемой мощности, развиваемой пациентом (в ваттах).

Соотношение динамики различных параметров ЭКГ с динамикой мощности развиваемой пациентом при нагрузке, позволяет оценить функциональный класс пациента и выполненную им работу. В результате раскрываются новые возможности объективизации реакции на физические нагрузки сердечно-сосудистой системы в условиях естественного движения, что позволяет уточнить диагностические заключения и оптимизировать программы физической реабилитации пациентов с заболеваниями сердечно-сосудистой системы.