Разработанная модель может применяться в медицинских аппаратах, использующихся для регистрации электрических сигналов.
Электрокардиограмма (ЭКГ) – это графическое изображение электрической активности сердца. Во время сокращения сердечной мышцы возникают электрические импульсы, которые записываются и отображаются в виде кривой с пиками и более ровными линиями на графике с помощью кардиографа. По ЭКГ врачи выявляют признаки, которые могут указывать на такие заболевания, как ишемия, стенокардия, аритмия и пр.
Широко известна технология создания искусственных сигналов ЭКГ, которые напоминают биологические и могут изменять свою форму и характеристики по желанию оператора. Эти искусственные сигналы необходимы для калибровки кардиографов, обучения медицинского персонала, а также для обучения систем искусственного интеллекта, которые всё чаще интегрируются в программы обработки ЭКГ, оказывая помощь врачам и фельдшерам при постановке диагноза.
Однако наиболее известная и часто применяемая сегодня модель для имитации сигнала ЭКГ имеет существенной недостаток: сгенерированным ею сигналам ЭКГ не свойственна естественная изменчивость сердечного ритма. Вариации ритма в нее вводятся искусственно с помощью генератора случайных чисел, который изменяет параметры модели в соответствии с заранее заложенной программой, что ограничивает ее применение в таких приложениях, как фильтрация сигнала ЭКГ от шума и машинное обучение. По этой причине востребованы новые динамические модели, способные генерировать искусственную ЭКГ, схожую с реальной ЭКГ человека.
«Мы модернизировали известную модель генерации ЭКГ, снабдив ее хаотической динамикой, а затем сравнили полученные искусственные ЭКГ с ЭКГ реального человека. Результаты показали, что с помощью новой модели можно достигнуть более правдоподобного распределения интервалов между отдельными сердечными сокращениями, то есть модель способна воспроизводить ключевые особенности данных кардиограммы человека без использования генератора случайных чисел», – рассказала доцент кафедры систем автоматизированного проектирования (САПР), старший научный сотрудник Молодежного научно-исследовательского института (МолНИИ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Екатерина Евгеньевна Копец.
Модель для генерации искусственной ЭКГ работает на основе гармонического осциллятора – системы, способной совершать гармонические колебания. Визуально процесс ее работы можно представить в виде цилиндра, на который наматывается веревка. В этой модели есть определенный «цикл», который всегда одинаковый, но при сравнении с реальными данными (в этом случае – данные ЭКГ) можно заметить, что пики не совпадают с теми пиками, что сгенерированы моделью. Это происходит по той причине, что у реальных данных период может быть разным, и они не укладываются идеально в круг одного диаметра. Чтобы исправить этот недостаток, параметры такой модели периодически меняются, следуя заранее заложенной программе.
Поэтому исследователи добавили в модель генератор хаоса с целью добиться генерации более реалистичной ЭКГ. Данный генератор вносит небольшие изменения в параметры сигнала со временем, подобному тому, как работает генератор случайных чисел. При этом модернизированная модель работает в паре с алгоритмом для удаления нежелательных помех и может адаптироваться под входной сигнал за счет своей естественной вариативности. Таким образом, реальные данные «наматываются на цилиндр» не одного фиксированного диаметра, а на тот, который меняет свой размер так, чтобы пики совпадали с реальными данными.
Исследователи сравнили полученную с помощью новой модели искусственную ЭКГ с 90 реальных записей ЭКГ, взятых из открытой базы данных. Результаты испытаний модели продемонстрировали ее эффективность в воспроизведении ключевых особенностей данных ЭКГ реального пациента.
«Разработка может быть реализована в виде как цифрового, так и аналогового устройства. Интересной особенностью предложенного решения является то, что в аналоговой реализации оно может использовать мемристор как нелинейный элемент, необходимый для возникновения хаоса. Это свойство может быть особенно полезным для тестирования кардиографов, поскольку хаотические ЭКГ-сигналы могут более точно имитировать реальные вариации сердечного ритма и помочь в выявлении сердечно-сосудистых заболеваний», – пояснила Екатерина Копец.
Проект поддержан Российским научным фондом (№23-71-01084). Результаты работы по разработке хаотического генератора электрокардиограммы на основе электронной цепи с мемристором опубликованы в журнале «Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика».
Источник информации: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Источник фото: ru.123rf.com
