NOVE METODE BREZKONTAKTNEGA MERJENJA SPREMENLJIVOSTI FREKVENCE SRČNEGA UTRIPAKRANJEC, JURE (Avtor) Drnovšek, Janko (Mentor) Hudoklin, Domen (Komentor) Frekvenca srčnega utripaspremenljivost frekvence srčnega utripabrezkontaktno (nekontaktno) merjenjeultrazvokradarštudija izvedljivostiklinično ovrednotenjeSpremljanje aktivnosti srca v obliki frekvence srčnega utripa (angl.: heart rate, HR) je ena izmed najbolj rutinskih meritev, ki se izvaja v sklopu ugotavljanja osnovnega zdravstvenega stanja posameznika. Povprečen HR zdrave odrasle osebe v mirovanju je med 60 in 100 utripi na minuto, pri športno aktivnih ljudeh pa lahko tudi manj. Pomembno odstopanje od povprečnih vrednosti nakazuje možnost bolezni srca in ožilja. Poleg HR se je v medicini v zadnjih letih kot kvantitativen pokazatelj napovedovanja verjetnosti obolenj na področju srca in ožilja uveljavil tudi parameter variabilnosti frekvence srčnega utripa (angl.: heart rate variability, HRV). Slednjega dobimo na podlagi matematične analize HR v časovni ali frekvenčni domeni. Zaradi navidezno lahkega izračuna pripadajočih parametrov se je uporaba HRV razširila. Kljub temu sta pomembnost in pomen posameznih parametrov bolj kompleksna od splošnega prepričanja. Morebitni napačni izračuni ali njihova interpretacija lahko vodijo v napačne zaključke in pretirane ekstrapolacije. Za pravilen izračun HRV je pomembna zanesljivost merilne metode za pridobivanje HR. Najpogosteje se HR in HRV merita v kliničnih aplikacijah. Zaradi svoje zanesljivosti in relativno enostavnega izvajanja veljata za standardni metodi za izvajanje meritev elektrokardiograf (EKG) ter optična pletizmografija (PPG). Obe metodi se izvajata v kontaktnem načinu, zaradi česar sta manj primerni za določene skupine bolnikov, kot so na primer bolniki z opeklinami, nedonošenčki, itd. Poleg tega se v medicini in tudi na pretežno gospodarskih področjih pojavlja vedno več potreb po dolgotrajnem izvajanju meritev, tudi na delovnih mestih. Omenjeni standardni metodi zaradi senzorjev, ki morajo biti v kontaktu z merjencem, ovirata opravljanje vsakdanjih ali poklicnih aktivnosti, poleg tega pa morebitni premiki senzorjev zmanjšajo razmerje signal – šum. Zaradi tega se je pojavila potreba po brezkontaktni izvedbi meritev. Cilj doktorske disertacije je predstavitev nove brezkontaktne metode za merjenje HR in HRV. Doktorska disertacija je usmerjena izključno v merilno problematiko v inženirskem in znanstveno-raziskovalnem smislu. Medicinski vidiki so upoštevani in privzeti s strani strokovnjakov s področja medicinske znanosti. V tem doktorskem delu opisujem predlog brezkontaktnega ultrazvočnega merjenja srčnih parametrov HR in HRV. Metoda temelji na Dopplerjevem pojavu, kjer merimo razliko v fazi med oddanim in odbitim signalom na izbranem področju telesa, npr. na vratu. Do razlike v fazi med signaloma pride zaradi fizičnega premika kože, kot posledice utripanja površinske karotidne arterije. Novost v primerjavi z ostalimi študijami je sočasna uporaba ultrazvočnega signala na dveh frekvencah. Z možnostjo izbire optimalnega signala v realnem času pri eni ali drugi frekvenci smo znatno izboljšali zanesljivost metode in točnost rezultatov zaradi izničenja stojnega vala in drugih morebitnih okoliških motenj. Signal iz senzorja smo zajemali z A/D pretvornikom, vzbujevalni signal pa generirali z D/A pretvornikom. Obdelava signala je sledila v namensko razviti aplikaciji v okolju LabVIEW, ki je poleg spremljanja meritev v realnem času omogočala tudi snemanje signala za potrebe kasnejše dodatne obdelave. Eksperimentalno metodo smo neposredno primerjali z referenčno kontaktno EKG metodo preko sistema Biopac MP150 z modulom ECG100C. Predlagana metoda je bila preizkušena v treh fazah. V prvi fazi smo simulirali utripanje žile z merjenjem premikanja membrane zvočnika, priključenega na signalni generator. Najprej smo merili signal pri konstantni frekvenci, nato pa smo frekvenco v poljubnem časovnem intervalu poviševali. V drugi fazi smo izvedli meritev na prostovoljcih, ki so ležali na postelji v laboratorijskem okolju. Izvedena je bila v dveh korakih pri različnih HR, in sicer pri nižjem med počitkom, ter pri povišanem po 1 minuti fizične aktivnosti. Zadnji del študije smo izvedli v realnem kliničnem okolju. Na Oddelku za kardiologijo v Univerzitetnem kliničnem centru v Ljubljani (UKCLJ) smo brezkontaktno merilno metodo uporabili na skupini prostovoljcev z različnimi boleznimi srca in ožilja. Za vse meritve v laboratorijskem in kliničnem okolju smo izračunali statistične parametre HRV v časovni domeni v primerjavi z referenčnim signalom. Pred izračunom statističnih parametrov smo iz posnetega signala odstranili dele signala z znano motnjo (npr. premikanje posameznika, požiranje sline, itd.). Izračunali smo srednjo vrednost in standardni odklon razlik med trenutnim HR eksperimentalnega signala pri optimalni frekvenci v primerjavi z referenčnim signalom, ter srednjo vrednost in standardni odklon razlik med trenutnim HR eksperimentalnega signala, ki smo ga primerjali z premičnim povprečjem, neodvisno od referenčnega EKG signala. V prvem primeru smo za skupino prostovoljcev v laboratorijskem okolju med fazo mirovanja dobili ΔHR = 0,23 min-1 ± 0,61 min-1, v drugem pa ΔHR = 0,31 min-1 ± 0,88 min-1. Po fizični aktivnosti smo dobili v prvem primeru ΔHR = 0,29 min-1 ± 0,67 min-1, v drugem pa ΔHR = 0,42 min-1 ± 0,75 min-1. Rezultat za primer kliničnega preizkusa, ki smo ga podali v delu, je ΔHR = -0,41 min-1 ± 1,97 min-1 pri primerjanju z referenčno metodo, ter ΔHR = -0,50 min-1 ± 2,00 min-1 pri premičnem povprečju. Za HRV parametre v časovni domeni smo izračunali relativni pogrešek med referenčnim in eksperimentalnim signalom. Za skupino znotraj laboratorijskega dela so rezultati meritev med mirovanjem AVNN = 0,07 % ± 0,13 %, SDNN = 1,92 % ± 3,54 %, rMSSD = 9,05 % ± 13,93 %, pNN20 = 5,16 % ± 3,03 %, pNN50 = 3,09 % ± 3,53 % pri signalu dobljenem s primerjavo z EKG. Po fizični aktivnosti pa AVNN = 0,06 % ± 0,05 %, SDNN = 0,88 % ± 0,48 %, rMSSD = 11,44 % ± 16,66 %, pNN20 = 25,09 % ± 30,86 %, pNN50 = 1,54 % ± 0,86 %. Za podan primer meritev v kliničnem eksperimentu pa so HRV parametri sledeči AVNN = 0,05 %, SDNN = 32,82 %, rMSSD = 4,04 %, pNN20 = 8,94 %, pNN50 = 6,32 %. Pilotske raziskave na skupini prostovoljcev v laboratorijskem in tudi v kliničnem okolju kažejo na to, da je brezkontaktno merjenje fizioloških parametrov s to metodo možno. Rezultati naše študije kažejo tudi, da je metoda ponovljiva in primerljiva s standardnimi kontaktnimi merjenji.20172017-12-21 08:10:03Doktorsko delo/naloga99023sl