Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Курбако А. В., Кульминский Д. Д., Боровкова Е. И., Киселев А. Р., Сказкина В. В., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Безручко Б. П., Гриднев В. И., Караваев А. С. Повышение чувствительности метода диагностики в реальном времени фазовой синхронизации автогенераторов по их нестационарным временным рядам // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 6. С. 892-904. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-6-892-904

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 2)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182, 537.86

Повышение чувствительности метода диагностики в реальном времени фазовой синхронизации автогенераторов по их нестационарным временным рядам

Авторы: 
Курбако Александр Васильевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Кульминский Данил Дмитриевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Боровкова Екатерина Игоревна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Киселев Антон Робертович, Саратовский НИИ Кардиологии Росздрава
Сказкина Виктория Викторовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Пономаренко Владимир Иванович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Прохоров Михаил Дмитриевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Безручко Борис Петрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Гриднев Владимир Иванович, Саратовский НИИ Кардиологии Росздрава
Караваев Анатолий Сергеевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Цель исследования – модификация предложенного ранее метода диагностики интервалов фазовой синхронизации систем по их нестационарным временным реализациям, ориентированного на анализ сигналов объектов биологической природы в реальном масштабе времени для повышения чувствительности диагностики. Методы. В ходе статистического анализа ансамбля искусственных временных реализаций разностей мгновенных фаз колебаний, воспроизводящих статистические свойства экспериментальных данных биологической природы, сопоставлялись статистические свойства трех подходов диагностики синхронизации. В сравнении участвовали два предложенных ранее подхода, включая метод, основанный на линейной интерполяции разности фаз в скользящем окне, и подход, основанный на усреднении разности фаз в скользящих окнах, ориентированный на анализ данных в реальном времени. Эти известные методы сопоставлялись с предложенной в данной работе модификацией последнего, основанной на алгоритмическом контроле и исключении коротких нетипичных для данного участка разности фаз интервалов. Результаты. Предложенная модификация метода диагностики в реальном времени фазовой синхронизации автогенераторов по их нестационарным реализациям продемонстрировала статистические свойства, близкие к известному методу, основанному на линейной интерполяции разности фаз. При этом предложенный ранее подход реального времени продемонстрировал меньшую чувствительность и специфичность. Сопоставление быстродействия методики, предложенной в данной работе, и метода, основанного на линейной интерполяции разности фаз, продемонстрировало значительные преимущества предложенной методики. Заключение. Предложена модифицированная методика диагностики фазовой синхронизации автоколебательных систем по их экспериментальным нестационарным временным рядам, ориентированная на анализ данных в реальном времени. Показано, что чувствительность предложенного подхода превышает таковую для предложенного ранее метода реального времени, практически сравниваясь с известным подходом, основанным на линейной интерполяции разности фаз. Однако быстродействие предложенного подхода на два порядка выше известного метода, основанного на интерполяции. Определены параметры предложенной методики, соответствующие оптимальному соотношению чувствительности и специфичности.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант номер 20-02-00702, гранта Президента РФ для поддержки молодых кандидатов наук № МК-2723.2021.4, гранта Президента РФ для поддержки научных школ НШ-2594.2020.2
Список источников: 
  1. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. 496 с.
  2. Безручко Б. П., Смирнов Д. А. Математическое моделирование и хаотические временные ряды. Саратов: ГосУНЦ «Колледж», 2005. 320 с.
  3. Mormann F., Lehnertz K., David P., Elger C. E. Mean phase coherence as a measure for phase synchronization and its application to the EEG of epilepsy patients // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2000. Vol. 144, no. 3—4. P. 358–369. DOI: 10.1016/S0167-2789(00)00087-7.
  4. Schafer C., Rosenblum M. G., Abel H. H., Kurths J. Synchronization in the human cardiorespiratory system // Physical Review E. 1999. Vol. 60, no. 1. P. 857–870. DOI: 10.1103/PhysRevE.60.857.
  5. Lai Y.-C., Frei M. G., Osorio I. Detecting and characterizing phase synchronization in nonstationary dynamical systems // Physical Review E. 2006. Vol. 73, no. 2. P. 026214. DOI: 10.1103/PhysRevE.73.026214.
  6. Боровкова Е. И., Караваев А. С., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д. Сопоставление методов диагностики фазовой синхронизованности по тестовым данным, моделирующим нестационарные сигналы биологической природы // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2015. Т. 15, № 3. С. 36–42. DOI: 10.18500/1817-3020-2015-15-3-36-42. 
  7. Karavaev A. S., Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Kiselev A. R., Gridnev V. I., Ruban E. I., Bezruchko B. P. Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system // Chaos. 2009. Vol. 19, no. 3. P. 033112. DOI: 10.1063/1.3187794.
  8. Kiselev A. R., Karavaev A. S., Gridnev V. I., Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Borovkova E. I., Shvartz V. A., Ishbulatov Y. M., Posnenkova O. M., Bezruchko B. P. Method of estimation of synchronization strength between low-frequency oscillations in heart rate variability and photoplethysmographic waveform variability // Russian Open Medical Journal. 2016. Vol. 5, no. 1. P. e0101. DOI: 10.15275/rusomj.2016.0101.
  9. Kiselev A. R., Borovkova E. I., Shvartz V. A., Skazkina V. V., Karavaev A. S., Prokhorov M. D., Ispiryan A. Y., Mironov S. A., Bockeria O. L. Low-frequency variability in photoplethysmographic waveform and heart rate during on-pump cardiac surgery with or without cardioplegia // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, no. 1. P. 2118. DOI: 10.1038/s41598-020-58196-z.
  10. Караваев А. С., Ишбулатов Ю. М., Киселев А. Р., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Миронов С. А., Шварц В. А., Гриднев В. И., Безручко Б. П. Модель сердечно-сосудистой системы человека с автономным контуром регуляции среднего артериального давления // Физиология человека. 2017. Т. 43, № 1. С. 70–80. DOI: 10.7868/S0131164616060096.
  11. Karavaev A. S., Kiselev A. R., Runnova A. E., Zhuravlev M. O., Borovkova E. I., Prokhorov M. D., Ponomarenko V. I., Pchelintseva S. V., Efremova T. Y., Koronovskii A. A., Hramov A. E. Synchronization of infra-slow oscillations of brain potentials with respiration // Chaos. 2018. Vol. 28, no. 8. P. 081102. DOI: 10.1063/1.5046758.
  12. Kiselev A. R., Gridnev V.I., Prokhorov M.D., Karavaev A.S., Posnenkova O.M., Ponomarenko V. I., Bezruchko B. P., Shvartz V. A. Evaluation of 5-year risk of cardiovascular events in patients after acute myocardial infarction using synchronization of 0.1-Hz rhythms in cardiovascular system // Annals of Noninvasive Electrocardiology. 2012. Vol. 17, no. 3. P. 204–213. DOI: 10.1111/j.1542-474X.2012.00514.x.
  13. Киселев А. Р., Караваев А. С., Гриднев В. И., Посненкова О. М., Шварц В. А., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Безручко Б. П. Сравнение динамики показателей вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы на фоне лечения эналаприлом и метопрололом у больных артериальной гипертонией // Саратовский научно-медицинский журнал. 2010. Т. 6, № 1. С. 61–72.
  14. Безручко Б. П., Гриднев В. И., Караваев А. С., Киселев А. Р., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д., Боровкова Е. И. Методика исследования синхронизации колебательных процессов с частотой 0.1 Гц в сердечно-сосудистой системе человека // Известия вузов. ПНД. 2009. Т. 17, № 6. С. 44–56. DOI: 10.18500/0869-6632-2009-17-6-44-56.
  15. Borovkova E. I., Karavaev A. S., Kiselev A. R., Gridnev V. I., Hramkov A. N., Chernets E. P., Bezruchko B. P. Comparison of methods of quantitative analysis of phase synchronization according to test data modeling non-stationary signals of biological nature // In: 2020 4th Scientific School on Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics (DCNAIR). 7–9 Sept. 2020, Innopolis, Russia. New York: IEEE, 2020. P. 59–61. DOI: 10.1109/DCNAIR50402.2020.9216742.
  16. Боровкова Е. И., Караваев А. С., Киселев А. Р., Шварц В. А., Миронов С. А., Пономаренко В. И., Прохоров М. Д. Метод диагностики синхронизованности 0,1 Гц ритмов вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы в реальном времени // Анналы аритмологии. 2014. Т. 11, № 2. С. 129–136. DOI: 10.15275/annaritmol.2014.2.7.
  17. Курбако А. В., Боровкова Е. И., Киселев А. Р., Сказкина В. В., Пономаренко В. И., Безручко Б. П., Караваев А. С. Метод диагностики фазовой синхронизации контуров вегетативного контроля кровообращения в реальном времени // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2021. Т. 21, № 3. С. 213–221. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-3-213-221.  
  18. Трухачева Н. В. Математическая статистика в медико-биологических исследованиях с применением пакета Statistica. M.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. 379 с. 
Поступила в редакцию: 
21.04.2021
Принята к публикации: 
27.10.2021
Опубликована: 
30.11.2021