<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xml:lang="ru" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:noNamespaceSchemaLocation="https://metafora.rcsi.science/xsd_files/journal3.xsd">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">moitvivt</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title xml:lang="ru">Моделирование, оптимизация и информационные технологии</journal-title>
        <trans-title-group xml:lang="en">
          <trans-title>Modeling, Optimization and Information Technology</trans-title>
        </trans-title-group>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2310-6018</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Издательство</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.26102/2310-6018/2025.51.4.012</article-id>
      <article-id pub-id-type="custom" custom-type="elpub">2054</article-id>
      <title-group>
        <article-title xml:lang="ru">Математическая модель 12-канальных электрокардиограмм с учетом пространственных зависимостей отведений</article-title>
        <trans-title-group xml:lang="en">
          <trans-title>Mathematical model of a 12-lead electrocardiograms accounting for spatial dependencies</trans-title>
        </trans-title-group>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <contrib-id contrib-id-type="orcid">0000-0003-3651-7629</contrib-id>
          <name-alternatives>
            <name name-style="eastern" xml:lang="ru">
              <surname>Щетинин</surname>
              <given-names>Евгений Юрьевич</given-names>
            </name>
            <name name-style="western" xml:lang="en">
              <surname>Shchetinin</surname>
              <given-names>Evgeny Yuryevich</given-names>
            </name>
          </name-alternatives>
          <email>riviera-molto@mail.ru</email>
          <xref ref-type="aff">aff-1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff-alternatives id="aff-1">
        <aff xml:lang="ru">Севастопольский государственный университет</aff>
        <aff xml:lang="en">Sevastopol State University</aff>
      </aff-alternatives>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>01</day>
        <month>01</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>1</volume>
      <issue>1</issue>
      <elocation-id>10.26102/2310-6018/2025.51.4.012</elocation-id>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright © Авторы, 2026</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
          <license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License</license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri xlink:href="https://moitvivt.ru/ru/journal/article?id=2054"/>
      <abstract xml:lang="ru">
        <p>В статье представлена инновационная математическая модель генерации 12-канальных электрокардиограмм (ЭКГ), основанная на принципиально новом подходе к учету пространственных зависимостей между отведениями. Основная научная новизна исследования заключается в разработке метода линейного преобразования набора физиологически обоснованных базисных сигналов, представляющих проекции электрического поля сердца, с добавлением коррелированного шума, точно имитирующего реальные клинические помехи. В отличие от традиционных генеративных моделей (VAE, GAN), которые работают как «черные ящики», модель обеспечивает явный контроль над морфологией ключевых волн (P, QRS, T) и строгое соблюдение физиологических ограничений, включая законы Кирхгофа для конечностных отведений. Это гарантирует анатомическую согласованность сигналов между всеми 12 отведениями, что ранее не достигалось в подобных работах. Модель продемонстрировала высокую производительность на датасете PhysioNet PTB-XL: MSE = 0,015, косинусное сходство = 0,94, F1-score = 0,88 для нормальных ритмов и 0,82 для аритмий. Важным преимуществом модели является ее вычислительная эффективность (время генерации 50 мс) и относительно низкие требования к памяти (2,5 ГБ). Сравнительный анализ с современными генеративными моделями (VAE, GAN, Diffecg) выявил превосходство предложенной модели в интерпретируемости, контроле параметров генерации и физиологической достоверности синтезированных сигналов. Разработанная модель открывает новые возможности для создания качественных синтетических данных ЭКГ, необходимых для обучения ИИ-систем медицинской диагностики, а также для применения в телемедицине и медицинском образовании. Сочетание физического моделирования с машинным обучением представляет особую ценность для исследователей и клиницистов, нуждающихся в интерпретируемых и клинически достоверных инструментах генерации ЭКГ.</p>
      </abstract>
      <trans-abstract xml:lang="en">
        <p>This article presents an innovative mathematical model for generating 12-lead electrocardiograms (ECG), based on a fundamentally novel approach to accounting for spatial dependencies between leads. The primary scientific contribution of this research lies in the development of a method utilizing linear transformation of a set of physiologically grounded basis signals representing projections of the heart's electric field, supplemented with correlated noise that accurately simulates real clinical interference. Unlike traditional generative models (VAE, GAN, Diffecg), which operate as "black boxes", the proposed model enables explicit control over the morphology of key waveforms (P, QRS, T) and strict adherence to physiological constraints, including Kirchhoff's laws for limb leads. This ensures anatomical consistency of signals across all 12 leads, an achievement not previously attained in similar studies. The model demonstrated high performance on the PhysioNet PTB-XL dataset: MSE = 0.015, cosine similarity = 0.94, F1-score = 0.88 for normal rhythms and 0.82 for arrhythmias. A significant advantage of the model is its computational efficiency (generation time 50 ms) and relatively low memory requirements (2.5 GB). Comparative analysis with contemporary generative models (VAE, GAN, CardioDiff) revealed the superiority of the proposed approach in interpretability, parameter control, and physiological authenticity of synthesized signals. The developed model opens new possibilities for creating high-quality synthetic ECG data essential for training AI-based medical diagnostic systems, as well as for applications in telemedicine and medical education. The integration of physical modeling with machine learning presents particular value for researchers and clinicians requiring interpretable and clinically reliable ECG generation tools.</p>
      </trans-abstract>
      <kwd-group xml:lang="ru">
        <kwd>электрокардиограмма</kwd>
        <kwd>пространственные зависимости</kwd>
        <kwd>генеративные модели</kwd>
        <kwd>интерпретируемость</kwd>
        <kwd>физиологическое моделирование</kwd>
        <kwd>синтетические данные ЭКГ</kwd>
        <kwd>машинное обучение в кардиологии</kwd>
      </kwd-group>
      <kwd-group xml:lang="en">
        <kwd>electrocardiogram</kwd>
        <kwd>spatial dependencies</kwd>
        <kwd>generative models</kwd>
        <kwd>interpretability</kwd>
        <kwd>physiological modeling</kwd>
        <kwd>synthetic ECG data</kwd>
        <kwd>machine learning in cardiology</kwd>
      </kwd-group>
      <funding-group>
        <funding-statement xml:lang="ru">Работа выполнена при финансовой поддержке Севастопольского государственного университета, проект 42-01-09/319/2025-1. </funding-statement>
        <funding-statement xml:lang="en">This work was supported by Sevastopol State University, project No. 42-01-09/319/2025-1.</funding-statement>
      </funding-group>
    </article-meta>
  </front>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="cit1">
        <label>1</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Franzone P.C., Pavarino L.F., Scacchi S. Mathematical Cardiac Electrophysiology. Cham: Springer; 2014. 397 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-04801-7</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit2">
        <label>2</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Azuaje F., Clifford G., McSharry P. Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Boston, London: Artech House Publishers; 2006. 384 p.</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit3">
        <label>3</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Henriquez C.S. Simulating the Electrical Behavior of Cardiac Tissue Using the Bidomain Model. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 1993;21(1):1–77.</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit4">
        <label>4</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Jæger K.H., Tveito A. Deriving the Bidomain Model of Cardiac Electrophysiology from a Cell-Based Model; Properties and Comparisons. Frontiers in Physiology. 2022;12. https://doi.org/10.3389/fphys.2021.811029</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit5">
        <label>5</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Ebrahimi Z., Loni M., Daneshtalab M., Gharehbaghi A. A Review on Deep Learning Methods for ECG Arrhythmia Classification. Expert Systems with Applications: X. 2020;7. https://doi.org/10.1016/j.eswax.2020.100033</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit6">
        <label>6</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Do E., Boynton J., Lee B.S., Lustgarten D. Data Augmentation for 12-Lead ECG Beat Classification. SN Computer Science. 2021;3(1). https://doi.org/10.1007/s42979-021-00924-x</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit7">
        <label>7</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Chen Sh., Meng Zh., Zhao Q. Electrocardiogram Recognization Based on Variational AutoEncoder. In: Machine Learning and Biometrics. 2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.76434</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit8">
        <label>8</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Nishikimi R., Nakano M., Kashino K., Tsukada Sh. Variational Autoencoder-Based Neural Electrocardiogram Synthesis Trained by FEM-Based Heart Simulator. Cardiovascular Digital Health Journal. 2024;5(1):19–28. https://doi.org/10.1016/j.cvdhj.2023.12.002</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit9">
        <label>9</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Berger L., Haberbusch M., Moscato F. Generative Adversarial Networks in Electrocardiogram Synthesis: Recent Developments and Challenges. Artificial Intelligence in Medicine. 2023;143. https://doi.org/10.1016/j.artmed.2023.102632</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit10">
        <label>10</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Neifar N., Ben-Hamadou A., Mdhaffar A., Jmaiel M. DiffECG: A Versatile Probabilistic Diffusion Model for ECG Signals Synthesis. In: 2024 IEEE/ACIS 22nd International Conference on Software Engineering Research, Management and Applications (SERA), 30 May – 01 June 2024, Honolulu, HI, USA. IEEE; 2024. P. 182–188. https://doi.org/10.1109/SERA61261.2024.10685651</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit11">
        <label>11</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Adib E., Fernandez A.S., Afghah F., Prevost J.J. Synthetic ECG Signal Generation Using Probabilistic Diffusion Models. IEEE Access. 2023;11:75818–75828. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3296542</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit12">
        <label>12</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Zhang Yu-H., Babaeizadeh S. Synthesis of Standard 12-Lead Electrocardiograms Using Two-Dimensional Generative Adversarial Networks. Journal of Electrocardiology. 2021;69:6–14. https://doi.org/10.1016/j.jelectrocard.2021.08.019</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit13">
        <label>13</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Zhu F., Ye F., Fu Yu., Liu Q., Shen B. Electrocardiogram Generation with a Bidirectional LSTM-CNN Generative Adversarial Network. Scientific Reports. 2019;9. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42516-z</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit14">
        <label>14</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Ribeiro A.H., Ribeiro M.H., Paixão G.M.M., et al. Automatic Diagnosis of the 12-Lead ECG Using a Deep Neural Network. Nature Communications.  2020;11. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15432-4</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit15">
        <label>15</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Wagner P., Strodthoff N., Bousseljot R.-D., et al. PTB-XL, a Large Publicly Available Electrocardiography Dataset. Scientific Data. 2020;7. https://doi.org/10.1038/s41597-020-0495-6</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="cit16">
        <label>16</label>
        <mixed-citation xml:lang="ru">Mayourian J., Sobie E.A., Costa K.D. An Introduction to Computational Modeling of Cardiac Electrophysiology and Arrhythmogenicity. In: Experimental Models of Cardiovascular Diseases: Methods and Protocols. New York: Humana; 2018. P. 17–35. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8597-5_2</mixed-citation>
      </ref>
    </ref-list>
    <fn-group>
      <fn fn-type="conflict">
        <p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p>
      </fn>
    </fn-group>
  </back>
</article>