Регистрация / Вход
Прислать материал

Методы и средства для оценки функционального состояния человека на основе анализа параметров дыхания

Сведения об участнике
ФИО
Панфилова Светлана Юрьевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о жизни и медицина
Раздел области наук
Медицинская физика и медицинская техника
Тема
Методы и средства для оценки функционального состояния человека на основе анализа параметров дыхания
Резюме
Одним из современных направлений развития медицины является применение носимых устройств-гаджетов для контроля над состоянием человека. Не менее важно в этой области отслеживать состояние человека-оператора.
Существует множество различных методов регистрации дыхания, пригодных для дистанционного мониторинга и носимых устройств. Однако наиболее важной задачей является извлечение необходимой информации о функциональном состоянии организма из дыхательного сигнала. Данная работа посвящена теоретическому исследованию взаимосвязи функционального состояния организма(ФСО) и параметров сигнала дыхания, а также проведению экспериментальных исследований данной зависимости.
Ключевые слова
Медицинские устройства, средства для оценки ФСО, анализ параметров дыхания
Цели и задачи
1.Выявить зависимость функционального состояния организма и дыхательного сигнала
2.Выявить зависимость сигнала дыхания от эмоционального состояния человека
3.Подобрать метод для дистанционной регистрации дыхания
4.Создать программу для обработки сигнала дыхания
5.Провести исследование на опытной группе зависимости дыхания от эмоционального состояния организма
Введение

Функциональное состояние организма (ФСО) – это комплекс свойств, определяющий уровень жизнедеятельности организма, ответ организма на физическую нагрузку, в котором отражается степень интеграции и адекватности функций выполняемой работе. Одной из систем, по состоянию которой можно отследить ФСО человека, является дыхательная система. Поэтому параметры дыхательного цикла являются маркером вида и качества адаптации и могут быть использованы для мониторинга динамики изменения функционального состояния. Отслеживая изменения показателей дыхания, можно сделать вывод об эмоциональном состоянии человека, а также о нарушении взаимосвязи между функциональными системами. 

Методы и материалы

Дыхательные движения претерпевают характерные для различных эмоциональных состояний изменения своей скорости и амплитуды. Наиболее показательным, по данным, при оценке эмоционального состояния является соотношение между продолжительностью вдоха и выдоха. Штерринг (1906) определял это отношение путем деления времени вдоха на время всего дыхательного цикла (состоящего из вдоха и выдоха) и получил следующие данные, показывающие значительное увеличение при эмоциональных состояниях продолжительности вдоха по сравнению с продолжительностью выдоха:

при покое                  0,43

при возбуждении       0,60

при удивлении           0,71

при внезапном испуге  0,75

Значение этих данных для характеристики эмоциональных процессов подчеркивается тем, что при сосредоточенной умственной работе, лишенной эмоционального возбуждения, соответствующий коэффициент составляет всего 0,30 и обнаруживает тенденцию к еще большему уменьшению по мере увеличения сосредоточенности, т.е. свидетельствует о резком преобладании продолжительности выдоха.

Для проверки гипотезы о возможности использования данных, представленных Штеррингом,было разработано программное обеспечение для обработки и анализа сигнала дыхания. Программная реализация процедур анализа дыхательных паттернов была выполнена в среде разработки LabVIEW 2012.

Для формирования дыхательного сигнала был применен метод регистрации с использованием терморезистора, закрепляемого в области носа.

                                                                                                 а

Рисунок 1 - ПО для обработки и анализа сигнала дыхания

Описание и обсуждение результатов

Экспериментальное исследование проводилось на записях пневмограмм, снятых в состоянии эмоциональной и ментальной активности. Участники эксперимента – 7 человек в возрасте 21-22 лет. Состояние эмоциональной активности испытуемых провоцировалось путем просмотра эмоциональных картин, состояние ментальной активности – чтением научно-технической литературы. Характерные паттерны дыхания в состоянии эмоциональной  и ментальной активности представлены на рисунке 2.

  а

  б

Рисунок 2 – Паттерны дыхания при различных эмоциональных состояниях:

а - эмоциональная активность; б - ментальная активность

Можно заметить, что в состоянии эмоционального возбуждения наблюдается преобладание времени вдоха (восходящий участок пневмограммы) над временем выдоха (нисходящий участок), в состоянии же ментальной активности – наоборот.

Согласно теории Штерринга основным коэффициентом  является отношение времени вдоха к полному циклу дыхания. Примеры обработки пневмограмм представлены на рисунках.

По результатам исследований были получены следующие значения коэффициентов отношения время вдоха к полному циклу.

Таблица 1

Коэффициент отношения времени вдох/полный цикл, полученные в ходе эксперимента

Эмоциональная активность

Ментальная активность

0.59 

0.37 

0.59 

0.45 

0.58 

0.45 

0.60 

0.39 

0.56 

0.44 

0.57

0.44

0.58

0.43

 

а

б

Рисунок 3 – Результаты работы программы по анализу паттернов дыхания:

а – паттерны дыхания в состоянии ментальной нагрузки; б – паттерны дыхания в состоянии психоэмоциональной нагрузки

Проверим получившиеся выборки на существенность различий между ними по t-критерию Стьюдента. Расчет коэффициента Стьюдента был произведен автоматически в специальной программе.
Среднее арифметическое выборки 1:        0.58

Средняя ошибка средней арифметической выборки 1 (m1): 0.01

Количество измерений в первой группе (n1): 5

Среднее арифметическое выборки 2 (М2):           0.42

Средняя ошибка средней арифметической выборки 2 (m2): 0.01

Количество измерений во второй группе (n2): 5

Значение t-критерия Стьюдента: 11.31

Различия статистически значимы (р<0,05)

Число степеней свободы  f = 12

Критическое значение t-критерия Стьюдента = 2.179, при уровне значимости α = 0,05

На основе данных результатов можно сделать вывод, что получившиеся выборки отличаются друг от друга, а, следовательно, существует разница между значениями коэффициента отношения времени вдоха к полному времени дыхательного цикла в состоянии ментальной и эмоциональной активности. В силу погрешности проведения исследований, а именно человеческого фактора, который выражается в том, что испытуемые во время проведения исследований могут отвлекаться от поставленной перед ними задачи, существует отклонение коэффициентов при ментальной активности от значения 0,30, выдвинутого Штеррингом. Однако в целом выдвинутая гипотеза подтверждается, поскольку выборки существенно статистически различны.

 

Используемые источники
1. О.В. Мельник, С.Ю. Панфилова. Перспективы использования параметров дыхательного ритма в оценке функционального состояния организма// Биомедицинская радиоэлектроника, 2016, № 6. С. 21-26.
2. Федотов, А.А. Методы и средства клинического мониторинга: Учеб. пособие / А.А. Федотов, С.А. Акулов; Самар. гос. аэрокосм. ун-т.; Самара, 2014, 252 с.
3. Панфилова С.Ю., Мельник О.В., Клинковская Ю.Я. Разработка континуальной модели функционального состояния для задачи контроля параметров организма человека в процессе повседневной деятельности // Труды Международной конференции «Современные технологии в науке и образовании», Рязань, 2016. Том 1.
4. Vlemincx E, Van Diest I, Van den Bergh O. Emotion, sighing, and respiratory variability // Psychophysiology. – 2014. Vol. 52. – P. 657-666
Information about the project
Surname Name
Panfilova Svetlana
Project title
Methods and means for an assessment of the functional status of the person on the basis of the analysis of parameters of breathing
Summary of the project
One of the modern directions of development of medicine is use of wearable devices gadgets for control over a status of the person. At least important in this area to trace the person operator's status.
There is a set of the different methods of registration of breathing suitable for remote monitoring and wearable devices. However the most important task is extraction of necessary information on the functional status of an organism from a respiratory signal. This operation is devoted to theoretical research of correlation of the functional status of an organism (FSO) and parameters of a signal of breathing, and also carrying out the pilot studies of this dependence.
Keywords
Medical devices, means for an assessment of the FSO, the analysis of parameters of breathing