radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-96-104radioelectronics-406Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTМетод прогнозирования основных показателей кардиопульмонального нагрузочного тестирования для больных с хронической сердечной недостаточностьюA Method for Predicting the Main Indicators of Cardiopulmonary Stress Testing for Patients with Chronic Heart FailureКрасичковА. C.KrasichkovA. S.

Красичков Александр Сергеевич – доктор технических наук (2017), доцент кафедры радиотехнических систем

Автор более 100 научных работ. Сфера научных интересов – статистическая радиотехника; методы обработки сигналов.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Alexander S. Krasichkov, Dr. Sci. (Eng.) (2017), Associate Professor of the Department of Radio System 

The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: statistical radio engineering; signal processing. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

krass33@mail.ruМбазумутимаЭ.MbazumutimaE.

Мбазумутима Элиаким – магистр по направлению "Биотехнические системы и технологии" (2019), аспирант кафедры биотехнических систем 

Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – цифровая обработка биомедицинских сигналов, машинное обучение, распознавание образов.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376 

Eliachim Mbazumutima, Master (2019) in Biotechnical Systems and Technologies, postgraduate student of the Department of Bioengineering Systems 

The author of 1 scientific publication. Area of expertise: digital processing of biomedical signals; machine learning; pattern recognition. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

eliachim2013@yandex.ruШикамаФ.ShikamaF.

Шикама Фабиен – магистр по направлению "Биотехнические системы и технологии" (2016), аспирант кафедры биотехнических систем

Сфера научных интересов – цифровая обработка биомедицинских сигналов, протезирование и реабилитация. 

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Fabian Shikama, Master (2016) in Biotechnical Systems and Technologies, postgraduate student of the Department of Bioengineering Systems

Area of expertise: digital processing of biomedical signals; prosthetics and rehabilitation. 

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

fshikama@mail.ruНифонтовЕ. М.NifontovE. M.

Нифонтов Евгений Михайлович – доктор медицинских наук (2003), профессор (2009) 

Автор более 150 научных работ. Сфера научных интересов – фундаментальная медицина; кардиология. 

ул. Льва Толстого, д. 6-8, Санкт-Петербург, 197022

Evgeny M. Nifontov, Dr. Sci. (Medicine) (2003), Professor (2009) 

The author of more than 150 scientific publications. Area of expertise: fundamental medicine; cardiology. 

6-8 L'va Tolstogo Str., Saint Petersburg 197022

nifontov@spmu.rssi.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. ПавловаРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; Pavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationПервый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. ПавловаРоссияPavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian Federation20202802202023196104Copyright © Красичков А.C., Мбазумутима Э., Шикама Ф., Нифонтов Е.М., 20202020Красичков А.C., Мбазумутима Э., Шикама Ф., Нифонтов Е.М.Krasichkov A.S., Mbazumutima E., Shikama F., Nifontov E.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/406Введение

Введение. Кардиопульмональный нагрузочный тест предоставляет значимую диагностическую и прогностическую информацию о состоянии больных с сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями. Существует серьезная проблема, состоящая в том, что выполнение нагрузочного тестирования испытуемым в его завершающей фазе является физически тяжелым упражнением для человека. Присутствует значительный риск возникновения и развития патологических состояний сердечно-сосудистой системы пациента. Одним из решений данной проблемы является разработка методов оценивания биологических параметров пациентов в конце выполнения нагрузочного протокола на основе данных первых этапов теста.

Цель работы

Цель работы. Разработка метода нахождения оценки максимальной частоты сердечных сокращений (ЧСС) и пикового потребления кислорода (ПК) у больных с хронической сердечной недостаточностью (ХСН) в конце выполнения кардиореспираторного нагрузочного стресс-теста на основе результатов исследования, полученных на первоначальных ступенях теста.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для проведения исследования использованы 149 обезличенных записей ритмограмм и данных изменения ПК пациентов с ХСН, которые проходили кардиопульмональный нагрузочный тест на велоэргометре с использованием ступенчатого нагрузочного протокола (прирост мощности нагрузки на каждой ступени составлял 10 Вт, длительность ступени нагрузки была равна 1 мин).

Результаты

Результаты. На основе анализа полученных данных разработан метод оценки пиковых значений ЧСС и ПК у больных с ХСН.

Заключение

Заключение. Относительная ошибка предложенной оценки пикового значения ЧСС в большинстве случаев не превосходила 10 %, что позволяет ее использовать для практических целей. Установлено, что при выполнении 70 % нагрузочного протокола ошибка предложенной оценки пикового ПК в большинстве случаев не превосходит 20 %. Необходимы дополнительные исследования для повышения точности данной оценки с целью использования в медицинских приложениях, направленных на модернизацию методов и аппаратуры для нагрузочного тестирования пациентов.

Introduction

Introduction. Cardiopulmonary stress test provides significant diagnostic and prognostic information of the condition of patients with cardiovascular and pulmonary diseases. There is a serious problem, that final phase of stress testing is a physically difficult exercise for a person. There is a significant risk of occurrence and development of pathological conditions of the patient's cardiovascular system. One of the solutions is the development of methods for assessing the biological parameters of the patients at the end of a load protocol based on data from the initial stages of the test.

Aim

Aim. Development of a method for finding an estimate of the maximum heart rate (HR) and of the peak oxygen consumption (OC) for the patients with chronic heart failure at the end of a cardiorespiratory exercise stress test, based on the results of the study obtained at the first initial stages of the test.

Materials and methods

Materials and methods. For the study, 149 anonymized records of rhythmograms and data of changes in the oxygen consumption of the patients with chronic heart failure were used. The patients underwent a cardiopulmonary stress test by a bicycle ergometer using step-by-step load protocol (the load power increase at each stage was 10 W, the duration of the load stage was 1 min)

Results

Results. Based on the analysis of the data obtained, a method for assessing the peak values of HR and of PC of the patients with chronic heart failure was developed.

Conclusion

Conclusion. The relative error of the proposed estimate of the HR peak in most cases was no more than 10 %, which allows it to be used for practical purposes. It was established that when performing 70 % of the stress protocol, the error of the proposed estimate of the OC peak in most cases did not exceed 20 %. More research is needed to improve the accuracy of the assessment for using in medical applications aimed to the modernization of methods and equipment for stress testing of the patients.

система нагрузочного тестирования человекаэлектрокардиосигналчастота сердечных сокращений (ЧСС)анализ выдыхаемого воздухарегрессионный анализпредсказание показателей тестированияhuman stress testing systemelectrocardiogramheart rate (HR)exhaled breath analysisregression analysistest performance predictionВыражаем благодарность Национальному медицинскому исследовательскому центру им. В. А. Алмазова Министерства здравоохранения Российской Федерации за предоставление обезличенных данных кардиореспираторного нагрузочного теста пациентов.Our gratitude to the Almazov National Medical Research Centre for providing anonymized data on the cardiorespiratory stress test of patientsReferencesStress tests could mark bottom for bank stocks. URL: https://www.cnbc.com/2017/06/28/stress-tests-fedbank-stocks.html (дата обращения 24.01.2020).Stress Tests Could Mark Bottom for Bank Stocks. Available at: https://www.cnbc.com/2017/06/28/stresstests-fed-bank-stocks.html (accessed 24.01.2020).Falk E., De Feyter P. J., Shah P. K. Ischemic Heart Disease. London: Manson Publishing, 2007. 312 p.Falk E., De Feyter P. J., Shah P. K. Ischemic Heart Disease. London, Manson Publishing, 2007, 312 p.ACC/AHA Guidelines for Exercise Testing. A Report of the American College of Cardiology/American Heart Association. Task Force on Practice Guidelines (Committee on Exercise Testing) // JACC. 1997. Vol. 30, № 1. P. 260–315.ACC/AHA Guidelines for Exercise Testing. A Report of the American College of Cardiology/American Heart Association. Task Force on Practice Guidelines (Commit-tee on Exercise Testing). JACC, 1997, vol. 30, no. 1, pp. 260–315.Vilcant V., Zeltser R. Treadmill Stress Testing // NCBI Bokshelf. 2019. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov /pubmed/29763078 (дата обращения 24.01.2020).Vilcant V., Zeltser R. Treadmill Stress Testing. NCBI Bokshelf, 2019. Available at: https://www.ncbi.nlm. nih.gov/pubmed/29763078 (accessed 24.01.2020).Cardiopulmonary exercise testing and its application / K. Albouaini, M. Egred, A. Alahmar, D. J. Wright // Postgraduate medical j. 2007. Vol. 83, iss. 985. P. 675–682. doi: 10.1136/hrt.2007.121558Albouaini K., Egred M., Alahmar A., Wright D. J. Cardiopulmonary Exercise Testing and Its Application. Postgraduate medical j. 2007, vol. 83, iss. 985, pp. 675– 682. doi: 10.1136/hrt.2007.121558Papadakis M. A., McPhee S., Rabow. M. W. Current Medical Diagnosis & Treatment. 59th ed. New York: McGraw-Hill, 2020. 1933 p.Papadakis M. A., McPhee S., Rabow. M. W. Current Medical Diagnosis & Treatment. 59th ed. New York, McGraw-Hill, 2020, 1933 p.Exercise Standards for Testing and Training. A Scientific Statement from the American Heart Association / G. F. Fletcher, P. A. Ades, P. Kligfield, R. Arena, G. J. Balady, V. A. Bittner, L. A. Coke, J. L. Fleg, D. E. Forman, T. C. Gerber, M. Gulati, K. Madan, J. Rhodes, P. D. Thompson, M. A. Williams // Circulation. 2013. Vol. 128, № 8. P. 873–934. doi: 10.1161/CIR.0b013e31829b5b44Fletcher G. F., Ades P. A., Kligfield P., Arena R., Balady G. J., Bittner V. A., Coke L. A., Fleg J. L., Forman D. E., Gerber T. C., Gulati M., Madan K., Rhodes J., Thompson P. D., Williams M. A. Exercise Standards for Testing and Training. A Scientific Statement from the American Heart Association. Circulation. 2013, vol. 128, no. 8, pp. 873–934. doi: 10.1161/CIR.0b013e31829b5b44Hammond H. K., Kelly T. L., Froelicher V. Radionuclide Imaging Correlatives of Heart Rate Impairment during Maximal Exercise Testing // J. of the American College of Cardiology. 1983. Vol. 2, № 5. P. 826–833. doi: 10.1016/s0735-1097(83)80228-9Hammond H. K., Kelly T. L., Froelicher V. Radionuclide Imaging Correlatives of Heart Rate Impairment during Maximal Exercise Testing. J. of the American College of Cardiology. 1983, vol. 2, no. 5, pp. 826–833. doi: 10.1016/s0735-1097(83)80228-9Separation of Effects of Cardiovascular Disease and Age on Ventricular Function with Maximal Exercise / R. A. Bruce, L. D. Fisher, M. N. Cooper, G. O. Gey // Amer ican J. of Cardiology. 1974. Vol. 34, № 7. P. 757–763. doi: 10.1016/0002-9149(74)90692-4Bruce R. A., Fisher L. D., Cooper M. N., Gey G. O. Separation of Effects of Cardiovascular Disease and Age on Ventricular Function with Maximal Exercise. American J. of Cardiology. 1974, vol. 34, no. 7, pp. 757–763. doi: 10.1016/0002-9149(74)90692-4Predicting Maximum Heart Rate Among Patients with Coronary Heart Disease Receiving Β-Adrenergic Blockade Therapy / C. A. Brawner, J. K. Ehrman, J. R. Schairer, J. J. Cao, S. J. Keteyian // American Heart J. 2004. Vol. 148, № 5. P. 910–914. doi: 10.1016/j.ahj.2004.04.035Brawner C. A., Ehrman J. K., Schairer J. R., Cao J. J., Keteyian S. J. Predicting Maximum Heart Rate Among Patients with Coronary Heart Disease Receiving ΒAdrenergic Blockade Therapy. American Heart J. 2004, vol. 148, no. 5, pp. 910–914. doi: 10.1016/j.ahj.2004.04.035Predicting Maximal HR in Heart Failure Patients Receiving β-Blockade Therapy / S. J. Keteyian, D. Kitzman, F. Zannad, J. Landzberg, J. M.Arnold, P. Brubaker, C. A. Brawner, D. Bensimhon, A. S. Hellkamp, G. Ewald // Medicine and science in sports and exercise. 2012. Vol. 44, № 3. P. 371–376. doi: 10.1249/MSS.0b013e318234316fKeteyian S. J., Kitzman D., Zannad F., Landzberg J., Arnold J. M., Brubaker P., Brawner C. A., Bensimhon D., Hellkamp A. S., Ewald G. Predicting Maximal HR in Heart Failure Patients Receiving β-Blockade Therapy. Medicine and Science in Sports and Exercise. 2012, vol. 44, no. 3, pp. 371–376. doi: 10.1249/MSS.0b013e318234316fAn Equation for the Prediction of Oxygen Consumption in a Brazilian Population / A. E. Almeida, C. M. Stefani, J. A. Nascimento, N. M. Almeida, A. C. Santos, J. P. Ribeiro, R. Stein // Arquivos brasileiros de cardiologia 2014. Vol. 103, № 4. P. 299–307.Almeida A. E., Stefani C. M., Nascimento J. A., Almeida N. M., Santos A. C., Ribeiro J. P., Stein R. An Equation for the Prediction of Oxygen Con-sumption in a Brazilian Population. Arquivos brasileiros de cardiologia. 2014, vol. 103, no. 4, pp. 299–307.Simple Prediction Formula for Peak Oxygen Consumption in Patients with Chronic Heart Failure / G. M. Lanier, Qi Zheng, G. Wagman, C.-H. Tseng // J. of Exercise Science & Fitness. 2012. Vol. 10, № 1. P. 23–27. doi: 10.1016/j.jesf.2012.04.005Lanier G. M., Zheng Qi, Wagman G., Tseng C.-H. Simple Prediction Formula for Peak Oxygen Consumption in Patients with Chronic Heart Failure. J. of Exercise Science & Fitness. 2012, vol. 10, no. 1, pp. 23–27. doi: 10.1016/j.jesf.2012.04.005Prediction of maximal oxygen consumption: comparison of the Bruce and Balke treadmill protocols / V. F. Froelicher, A. J. Thompson, G. Davis, A. J. Stewart, J. H. Triebwasser // Chest. 1975. Vol. 68, № 3. P. 331–336. doi: 10.1378/chest.68.3.331Froelicher V. F., Thompson A. J., Davis G., Stewart A. J., Triebwasser J. H. Prediction of Maximal Oxygen Consumption: Comparison of the Bruce and Balke Treadmill Protocols. Chest. 1975, vol. 68, no. 3, pp. 331–336. doi: 10.1378/chest.68.3.331McArdle W. D., Katch F. I., Katch V. L. Essentials of Exercise Physiology. New York: Lippincott Williams & Wilkins, 2010. 790 p.McArdle W. D., Katch F. I., Katch V. L. Essentials of Exercise Physiology. New York, Lippincott Williams & Wilkins, 2010, 790 p.Krasichkov A. S., Grigoriev E. B., Nifontov E. M. Influence of Myographic Interference and Isoelectric Line Drift on Correlation Coefficient in Classification of Cardiocomplexes // Biomedical Engineering. 2015. Vol. 49, iss. 4. P. 220–223. doi: 10.1007/s10527-015-9533-7Krasichkov A. S., Grigoriev E. B., Nifontov E. M. Influence of Myographic Interference and Isoelectric Line Drift on Correlation Coefficient in Classification of Cardiocomplexes. Biomedical Engineering. 2015, vol. 49, iss. 4, pp. 220–223. doi: 10.1007/s10527-015-9533-7Shape Anomaly Detection under Strong Measurement Noise: an Analytical Approach to Adaptive Thresholding / A. S. Krasichkov, E. B. Grigoriev, M. I. Bogachev, E. M. Nifontov // Physical Review E. 2015. Vol. 92, iss. 4. 042927. doi: 10.1103/PhysRevE.92.042927Krasichkov A. S., Grigoriev E. B., Bogachev M. I., Nifontov E. M. Shape Anomaly Detection under Strong Measurement Noise: an Analytical Approach to Adaptive Thresholding. Physical Review E. 2015, vol. 92, iss. 4, 042927. doi: 10.1103/PhysRevE.92.042927

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