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 свойственны 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».

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 небольше 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», - доцент кафедры САПР, с. н. с. МолНИИ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Екатерина Евгеньевна 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».