cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2020-35-4-57-64.cardiotomsk-1074Research ArticleКЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯCLINICAL STUDIESИспользование компьютерной визуализации в анализе кривых дыханияComputer visualization in breathing curve analysishttps://orcid.org/0000-0002-4243-0637БерестневаО. Г.BerestnevaO. G.

Берестнева Ольга Григорьевна, д-р техн. наук, профессор, отделение информационных технологий, Инженерная школа информационных технологий и робототехники

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Olga G. Berestneva, Dr. Sci. (Tech.), Professor, Department of Information Technologies, School of Computer Science & Robotics

30, Lenin ave., Tomsk, 634050

ogb6@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6694-7745ОсадчаяИ. А.OsadchayaI. A.

Осадчая Ирина Анатольевна, аспирант, отделение информационных технологий, Инженерная школа информационных технологий и робототехники

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Irina A. Osadchaya, Postgraduate Student, Department of Information Technologies, School of Computer Science & Robotics

30, Lenin ave., Tomsk, 634050

irishka_tomsk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2827-441XЛызинИ. А.LyzinI. A.

Лызин Иван Александрович, аспирант, отделение информационных технологий, Инженерная школа информационных технологий и робототехники

634050, Томск, пр. Ленина, 30

Ivan A. Lyzin, Postgraduate Student, Department of Information Technologies, School of Computer Science & Robotics

30, Lenin ave., Tomsk, 634050

Lyzin@tpu.ruНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation2020241220203545764Copyright © Берестнева О.Г., Осадчая И.А., Лызин И.А., 20202020Берестнева О.Г., Осадчая И.А., Лызин И.А.Berestneva O.G., Osadchaya I.A., Lyzin I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/1074Цель исследования

Цель исследования: изучить особенности дыхательного процесса на основе анализа кривых дыхания у больных с различными формами бронхиальной астмы с помощью методов компьютерной визуализации.

Материал и методы

Материал и методы. Экспериментальные данные представляли собой кривые дыхания у пациентов с различными типами бронхиальной астмы и у группы условно здоровых людей, зарегистрированных с помощью прибора MONITOR. На этапе цифровой обработки для выявления характерных особенностей кривых дыхания в каждой группе был использован оригинальный алгоритм спектрально-временного анализа.

Результаты

Результаты. Проанализированы кривые дыхания и получены типичные графические образы для группы условно здоровых лиц и четырех групп пациентов с различными видами бронхиальной астмы (в соответствии с классификацией Е.В. Немерова).

Заключение

Заключение. После проведения спектрально-временного анализа удалось получить характерные «единичные» графические образы кривой дыхания пациентов с различными формами бронхиальной астмы. Полученные графические образы могут быть использованы в качестве дополнительного диагностического критерия. Предложенный авторами алгоритм может быть также применен при анализе любых других биосигналов.

The aim

The aim. To study the features of the breathing process based on the breathing curve analysis in patients with various forms of bronchial asthma using computer visualization methods.

Material and Methods

Material and Methods. The experimental data comprised breathing curves registered with the MONITOR device in patients with various bronchial asthma types and a group of apparently healthy people. The original algorithm of spectral-time analysis was used to identify the characteristic features of the breathing curves in each group at the stage of digital processing.

Results

Results. Breathing curves were analyzed and typical images were obtained for the group of apparently healthy individuals and four groups of patients with various types of bronchial asthma (following the classification of E.V. Nemerov). 

Conclusion

Conclusion. A spectral-time analysis allowed us to obtain characteristic “single” graphical images of the breath curve in patients with various forms of bronchial asthma. The resulting images can be used as an additional diagnostic criterion. The algorithm proposed by the authors can also be used in the analysis of any other biosignals.

бронхиальная астмавизуализация данныхпредставление информациианализ данныхbronchial asthmadata visualizationreportingdata analysisисследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках выполнения научных проектов № 19-37-90005, № 18-07-00543.the study was carried out with the partial fi nancial support of the Russian Foundation for Basic Research (RFBR) as part of research projects No. 19-37-90005 and No. 18-07-00543.ReferencesНемеров Е.В., Языков К.Г., Берестнева О.Г., Жаркова О.С. Анализ темпоральных событий у больных бронхиальной астмой. Информационные и математические технологии в науке и управлении: Труды XX Байкальской Всероссийской конференции и Школы-семинара научной молодежи, Иркутск, 30.06–7.07.2015. Иркутск: ИСЭМ СО РАН; 2015:241–246.Nemerov E.V., Yazykov K.G., Berestneva O.G., Zharkova O.S. Analysis of temporal events in patients with bronchial asthma. Information and mathematical technologies in science and management: proceedings of the XX Baikal all-Russian conference and School-seminar of scientific youth, Irkutsk, June 30–July 7, 2015. Irkutsk: ISEM SB RAS; 2015:241–246 (In Russ.).Величко О.Н., Карпенко С.А., Пащенко А.А., Попов А.В. Метод обработки реограммы легкого с использованием вейвлет-технологии. Вестник НТУ «ХПИ». Серия «Информатика и моделирование». 2008;(24):11–18.Velichko O.N., Karpenko S.A., Paschenko A.A., Popov A.V. Method for processing lung rheogram using wavelet technology. Bulletin of National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”. Series “Computer Science and Modeling”. 2008;(24):11–18 (In Russ.).Красников Г.В., Ефимова Д.Ю., Тюрина М.Й., Коняева Т.Н., Красникова И.В., Пискунова Г.М. Контроль дыхания как фактор модуляции колебаний микроциркуляторного кровотока кожи человека. Известия ТулГУ. Естественные науки. 2016;(1):115–123.Krasnikov G.V., Efimova D.Yu., Tyurina M.Y., Konyaeva T.N., Krasnikova I.V., Piskunova G.M. Breath control as a factor of modulation of fluctuations of microcirculatory blood flow of human skin. Proceedings of the Tula State University. Natural Science. 2016;(1):115–123 (In Russ.).Jubran A., Grant B.J.B., Tobin M.J. Effect of hyperoxic hypercapnia on variational activity of breathing. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1997;156(4):1129–1139. DOI: 10.1164/ajrccm.156.4.97-01080.Jubran A., Grant B.J.B., Tobin M.J. Effect of hyperoxic hypercapnia on variational activity of breathing. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1997;156(4):1129–1139. DOI: 10.1164/ajrccm.156.4.97-01080.Seely A.J.E., Macklem P.T. Complex systems and the technology of variability analysis. Crit. Care. 2004;8(6):R367–R384. DOI: 10.1186/cc2948.Seely A.J.E., Macklem P.T. Complex systems and the technology of variability analysis. Crit. Care. 2004;8(6):R367–R384. DOI: 10.1186/cc2948.Pincus S.M. Approximate entropy as a measure of system complexity. PNАS. 1991;88(6):2297–2301. DOI: 10.1073/pnas.88.6.2297.Pincus S.M. Approximate entropy as a measure of system complexity. PNАS. 1991;88(6):2297–2301. DOI: 10.1073/pnas.88.6.2297.Zhang J., Small M. Complex network from pseudoperiodic time series: Topology versus dynamics. Phys. Rev. Let. 2006;96(32):238701. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.238701.Zhang J., Small M. Complex network from pseudoperiodic time series: Topology versus dynamics. Phys. Rev. Let. 2006;96(32):238701. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.238701.Lacasa L., Luque B., Ballesteros F., Luque J., Nuno J.C. From time series to complex networks: The visibility graph. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008;105(13):4972–4975.Lacasa L., Luque B., Ballesteros F., Luque J., Nuno J.C. From time series to complex networks: The visibility graph. Proc. Natl. Acad. Sci. 2008;105(13):4972–4975.Islam M.A., Bandyopadhyaya I., Bhattacharyya P., Saha G. Multichannel lung sound analysis for asthma detection. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2018;159:111–123. DOI: 10.1016/j.cmpb.2018.03.002.Islam M.A., Bandyopadhyaya I., Bhattacharyya P., Saha G. Multichannel lung sound analysis for asthma detection. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2018;159:111–123. DOI: 10.1016/j.cmpb.2018.03.002.Берестнева О.Г., Жаркова О.С., Немеров Е.В., Языков К.Г., Фокин В.А. Система поддержки научных исследования психогенных форм бронхиальной астмы. Труды Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Ч. III. Иркутск: ИСЭМ СО РАН; 2014.Berestneva O.G., Zharkova O.S., Nemerov E.V., Yazykov K.G., Fokin V.A. Support system for scientifi c research of psychogenic forms of bronchial asthma. Proceedings of the Baikal all-Russian conference “Information and mathematical technologies in science and management”. P. III. Irkutsk: ISEM SB RAS, 2014 (In Russ.).Карпенко П.В., Берестнева О.Г., Степанов Д.Ю. Компьютерный анализ спирограммы у больных бронхиальной астмой. Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине: Сборник научных трудов Международной конференции. Ч. I. Томск: Изд-во ТПУ; 2014:211–220.Karpenko P.V., Berestneva O.G., Stepanov D.Yu. Computer analysis of spirogram in patients with bronchial asthma. Information technologies in science, management, social sphere and medicine: Collection of scientifi c papers of the International conference. P. I. Tomsk: TPU Publishing Нouse; 2014:211–220 (In Russ.).Берестнева О.Г., Шаропин К.А., Абдулкина Н.Г., Степаненко Н.П., Юмашева А.Л., Жаркова О.С. и др. Математические методы и информационные технологии в задачах оценки состояния биосистем. Томск: Изд-во ТПУ; 2015:200.Berestneva O.G., Sharopin K.A., Abdulkina N.G., Stepanenko N.P., Yumasheva A.L., Zharkova O.S. et al. Mathematical methods and information technologies in problems of assessing the state of biosystems. Tomsk: TPU Publishing Нouse; 2015:200 (In Russ.).Осадчая И.А., Берестнева О.Г., Немеров Е.В. Анализ многомерных медицинских данных с помощью пиктографиков «лица Чернова». Бюллетень сибирской медицины. 2014;13(4):89–93. DOI: 10.20538/1682-0363-2014-4-89-93.Osadchaya I.A., Berestneva O.G., Nemerov E.V. Analysis of multidimensional medical data using pictographics “Chernoff faces”. Bulletin of Siberian Мedicine. 2014;13(4):89–93 (In Russ.). DOI: 10.20538/1682-0363-2014-4-89-93.Берестнева О.Г., Осадчая И.А., Немеров Е.В. Методы исследования структуры медицинских данных. Вестник науки Сибири. Серия 10. Медицинские технологии. 2012;1(2):333–338.Berestneva O.G., Osadchaya I.A., Nemerov E.V. Methods of research of the structure of medical data. Bulletin of Siberian Science. Series 10. Medical Technology. 2012;1(2):333–338 (In Russ.).Osadchaya I.A., Berestneva O.G., Volovodenko V.A., Marukhina O.V. Multidimensional data visualization methods based on generalized graphic images. Communications in Computer and Information Science. 2014;466:568–575.Osadchaya I.A., Berestneva O.G., Volovodenko V.A., Marukhina O.V. Multidimensional data visualization methods based on generalized graphic images. Communications in Computer and Information Science. 2014;466:568–575.Осадчая И.А., Прокопьев Р.О. Технологии визуализации в задачах оценки функционального состояния. Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». 2014;4(2).Osadchaya I.A., Prokopev R.O. Visualization technologies in functional state assessment problems. Electronic Scientifi c Journal “Engineering Bulletin of the Don”. 2014;4(2) (In Russ.).Берестнева О.Г., Осадчая Н.А., Бурцева А.Л. Методы анализа и визуализации многомерных данных. Томск: Изд-во Томского политехнического университета; 2014:98.Berestneva O.G., Osadchaya N.A., Burtseva A.L. Methods of analysis and visualization of multidimensional data. Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publishing Нouse; 2014:98 (In Russ.).Воловоденко В.А., Берестнева О.Г., Немеров Е.В., Осадчая И.В. Применение методов визуализации при исследовании структуры экспериментальных многомерных данных. Известия Томского политехнического университета. 2012;320(5):125–130.Volovodenko V.A., Berestneva O.G., Nemerov E.V., Osadchaya I.V. Application of visualization methods in the study of the structure of experimental multidimensional data. Proceedings of Tomsk Polytechnic University. 2012;320(5):125–130 (In Russ.).Kinash N.A., Trufanov A.I., Tikhomirov A.A., Berestneva O.G., Fisochenko O.N. Network vulner ability in two-phase evolution. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 – Proceedings. Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.; 2016.Kinash N.A., Trufanov A.I., Tikhomirov A.A., Berestneva O.G., Fisochenko O.N. Network vulner ability in two-phase evolution. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016 – Proceedings. Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.; 2016.Devjtykh D., Gerget O., Berestneva O.G. Sleep аpnea detection on dynamic neural networks. Communications in Computer and Information Science. Volgograd: Springer Verlag; 2014:556–567.Devjtykh D., Gerget O., Berestneva O.G. Sleep аpnea detection on dynamic neural networks. Communications in Computer and Information Science. Volgograd: Springer Verlag; 2014:556–567.Вилунас Ю. Рыдающее дыхание излечивает бронхиальную астму и другие заболевания органов дыхания. СПб.: Питер; 2013:224.Vilunas Yu. Sobbing breath cures bronchial asthma and other respiratory diseases. St.-Petersburg: Piter; 2013:224 (In Russ.).Карпенко П.В., Немеров Е.В. Исследование ритма дыхания у больных бронхиальной астмой во время ночного сна. Материалы VI Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум». URL: http://www.scienceforum.ru/2014/482/2949.Karpenko P.V., Nemerov E.V. Study of the respiratory rhythm in patients with bronchial asthma during night sleep. Materials of the VI International student electronic scientifi c conference “Student Scientifi c Forum” (In Russ.). URL: http://www.scienceforum.ru/2014/482/2949.Зулкарнеев Р.Х. Кардиореспираторная вариабельность при заболеваниях органов дыхания: дис. … д-ра мед. наук. М.; 2007:312.Zulkarneev R.H. Cardiorespiratory variability in respiratory diseases: Dis. … Dr. (Med.) Sci. Moscow; 2007:312 (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.