Предложенная модель может быть использована в медицинских устройствах, предназначенных для фиксации электрических сигналов.
Электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой графическую запись электрической активности сердца. Электрические импульсы, возникающие в процессе сокращения сердечной мышцы, фиксируются и отображаются в виде кривой, состоящей из пиков и линий, на графике с использованием кардиографа. По результатам ЭКГ врачи определяют признаки, которые могут свидетельствовать о наличии таких заболеваний, как ишемия, стенокардия, аритмия и другие.
Технология генерации искусственных ЭКГ-сигналов, имитирующих биологические и позволяющих изменять их форму и параметры по усмотрению пользователя, получила широкое распространение. Такие искусственные сигналы востребованы для калибровки кардиографов, обучения медицинских работников и для обучения систем искусственного интеллекта, которые всё чаще интегрируются в программы обработки ЭКГ, помогая врачам и фельдшерам в диагностике.
Несмотря на широкое распространение, наиболее известная модель для имитации сигнала ЭКГ имеет значительный недостаток: сгенерированные ею сигналы не воспроизводят естественные колебания сердечного ритма. Вариации ритма искусственно добавляются с помощью генератора случайных чисел, который изменяет параметры модели по заранее определенной программе, что ограничивает возможности ее использования в задачах, таких как фильтрация сигнала ЭКГ и машинное обучение. Поэтому актуальны новые динамические модели, позволяющие создавать искусственную ЭКГ, максимально приближенную к реальной.
«Мы усовершенствовали известную модель генерации ЭКГ, добавив в нее элементы хаотической динамики. После этого мы сравнили полученные искусственные ЭКГ с ЭКГ, полученными от реальных пациентов. Результаты продемонстрировали, что предложенная модель позволяет добиться более реалистичного распределения интервалов между сердечными сокращениями, то есть она способна воспроизводить важные характеристики кардиограммы человека без применения генератора случайных чисел», – рассказала доцент кафедры систем автоматизированного проектирования (САПР), старший научный сотрудник Молодежного научно-исследовательского института (МолНИИ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Екатерина Евгеньевна Копец.
Модель генерации искусственной ЭКГ основана на гармоническом осцилляторе – устройстве, которое создает гармонические колебания. Работу этой модели можно визуализировать как цилиндр, на который наматывается веревка. В ней присутствует определенный, неизменный «цикл», однако при сравнении с реальными данными ЭКГ заметно, что пики не совпадают с теми, что сформированы моделью. Это связано с тем, что период реальных данных может варьироваться, и они не могут быть точно соотнесены с одним диаметром. Для устранения этого недостатка параметры модели периодически корректируются в соответствии с заданной программой.
Чтобы добиться генерации более реалистичной ЭКГ, исследователи включили в модель генератор хаоса. Этот генератор постепенно вносит незначительные коррективы в параметры сигнала, аналогично работе генератора случайных чисел. Модернизированная модель функционирует совместно с алгоритмом, предназначенным для устранения нежелательных помех, и способна адаптироваться к входному сигналу благодаря своей присущей изменчивости. Таким образом, реальные данные отображаются не на цилиндр с постоянным диаметром, а на цилиндр, изменяющий свой размер для соответствия пикам реальных данных.
Сравнительный анализ новой модели искусственной ЭКГ был проведен на основе 90 реальных записей ЭКГ, полученных из открытых источников базы данных. Испытания модели показали, что она эффективно воспроизводит основные характеристики данных электрокардиограммы, полученные от реального пациента.
«Реализация разработки возможна как в цифровом, так и в аналоговом исполнении. Особенностью предлагаемого решения является возможность использования мемристора в качестве нелинейного элемента, необходимого для генерации хаоса, при аналоговой реализации. Данное свойство может оказаться полезным при тестировании кардиографов, поскольку хаотические ЭКГ-сигналы способны точнее воспроизводить естественные колебания сердечного ритма и способствовать диагностике сердечно-сосудистых заболеваний», – пояснила Екатерина Копец.
Проект финансировался Российским научным фондом (№23-71-01084). Материалы, касающиеся разработки хаотического генератора электрокардиограммы, основанного на электронной схеме с мемристором, были опубликованы в журнале «Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика» .