Радиофизические исследования пульсовых сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Ринчинов, Олег Сергеевич

  • Ринчинов, Олег Сергеевич
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2000, Улан-Удэ
  • Специальность ВАК РФ01.04.03
  • Количество страниц 144
Ринчинов, Олег Сергеевич. Радиофизические исследования пульсовых сигналов: дис. кандидат физико-математических наук: 01.04.03 - Радиофизика. Улан-Удэ. 2000. 144 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ринчинов, Олег Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ.

1.1. биомедицинские сигналы и методы их предварительной обработки.

1.2. Диагностические признаки биосигналов.

1.3. Обзор методов анализа пульсовой волны.

1.4. Выводы.

2. СПЛАЙН-ФУНКЦИИ В АМПЛИТУДНО-ВРЕМЕННОМ АНАЛИЗЕ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ, АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА.

2.1. Интерполирующие сплайны в амплитудно-временном анализе пульсовой волны.

2.2. Методика и аппаратура многоканальных измерений пульса человека.

2.3. Программное обеспечение.

2.4. Выводы.

3. МЕТОД ВЫДЕЛЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ.

3.1. Основные подходы к автоматизации пульсовой диагностики.

3.2. Диагностические параметры пульсовой волны.

3.3. Оценка корректности определения фаз кардиоцикла.

3.4. Выводы.юз

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ.

4.1. Исследование диагностической значимости амплитудно-временных параметров пульсовой волны.

4.2. Исследование динамики пульсов жара и холода.

4.3. Система поддержки принятия решений автоматизированного пульсодиагностического комплекса.

4.4. Выводы.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиофизические исследования пульсовых сигналов»

Радиофизика как область физики, в которой изучаются процессы, связанные с колебаниями и волнами, достигла огромных успехов в дистанционном изучении космоса, земли и океана. Эта информация является интегральной, отражающей основные системные закономерности в структуре и функционировании исследуемых объектов [1-4]. Радиофизические методы исследования стали одними из основных в современных прикладных отраслях, таких как метеорология и геофизика, изучение лесов и водоемов, экологический мониторинг. Перспективной областью использования радиофизических подходов является медицина, в которой достижения физики находят свое наиболее концентрированное, близкое самым насущным нуждам человека применение.

Радиоэлектронные технологии на протяжении длительного времени служат основой для создания совершенной медицинской аппаратуры. Без использования таких диагностических и лечебных средств, как УЗИ-сканирование, рентгеновская и магнитно-резонансная томография, лазерная терапия и хирургия и др., невозможно представить ни одно современное медицинское учреждение. Однако научная идеология и подходы радиофизики могут существенным образом дополнить, а зачастую и радикально изменить представления о функционировании организма человека, открыть принципиально новые возможности в медицине [4].

Бурно развивающаяся область науки - биомедицинская радиофизика -основана на тесном взаимодействии радиофизиков, биофизиков, математиков, физиологов и инженеров. Биомедицинская радиофизика является междисциплинарной областью, в которой получили успешное развитие фундаментальная наука и инженерная практика.

Радиофизические методы находят свое применение в изучении влияния природных и техногенных излучений на организм человека, в исследовании собственных физических полей и излучений организма, разнообразных биологических колебательных систем [5-11]. Наработанные в радиофизике решения многих проблем, таких как эффективная фильтрация сигнала, повышение отношения сигнал/шум, определение и отслеживание динамических параметров процесса, статистическое моделирование, оценка характера процесса, анализ гармонических составляющих и т.д., широко применяются при исследовании биомедицинских сигналов, при создании новых диагностических и терапевтических инструментов [5, 6].

Дальнейшее развитие средств медицинской диагностики связано с созданием интеллектуальных устройств, интегрирующих совершенную приборную основу и компьютеризированные методы обработки и анализа биосигналов и принятия решений [12-19]. Они существенно облегчают труд врачей, способствуют повышению точности и эффективности диагностики.

Несмотря на разнообразие направлений в области компьютерного анализа сигналов, методы и техника их обработки во многих случаях являются сходными. Их можно использовать при изучении сигналов различной физической природы, имеющих разные среды распространения.

В этой связи несомненный интерес представляет изучение радиофизическими методами диагностической значимости пульсовых колебаний. Пульс в организме человека является интегральным процессом, отражающим состояние многих органов и функциональных систем. В физиологии принято связывать пульсовые колебания в основном с процессами, протекающими в сердечно-сосудистой системе. Вместе с тем, в практике многих традиционных медицинских систем, в том числе тибетской, накоплены обширные знания по распознаванию различных психосоматических нарушений в организме человека по пульсу.

Пульсовая диагностика заболеваний в тибетской медицине является диагностическим методом, с помощью которого исследуются 12 основных функциональных систем организма человека. При этом возможна как интегральная оценка функционального состояния организма, так и дифференциальная диагностика по системам внутренних органов [20, 21, 22]. Исследования показали, что знания в пульсовой диагностике заболеваний в тибетской медицине организованы таким образом, что в значительной степени поддаются формализации и последующей компьютеризации [23-26]. Использование методов обработки сигналов и принятия решений создает объективную основу для внедрения пульсовой диагностики в современную клиническую практику. Простота реализации и эксплуатации приборной части пульсодиагностического комплекса позволяет широко применять его в сферах, где необходима оперативность получения диагноза или оценки функционального состояния организма, для организации длительного медицинского мониторинга с многопараметрическим контролем при интенсивной терапии и т.д.

Характеристики пульсовых сигналов тесным образом связаны с теми или иными свойствами организма человека и исследуются при помощи радиоэлектронных устройств, преобразующих волну давления кровотока, распространяющуюся по кровеносным сосудам, в сигналы измерительной информации, которые подвергаются компьютерной обработке. Пульс можно рассматривать как низкочастотный процесс [27], во многом схожий с акустическими и сейсмическими колебаниями, при этом ярко выражены нелинейные свойства пульсовых колебаний, что является следствием многофакторного генезиса пульсовой волны и сложной среды ее распространения.

Работы в области изучения и создания радиоэлектронных средств регистрации и анализа пульса человека ведутся достаточно давно [28-37], однако в рамках превалировавших до настоящего времени подходов пульс обычно рассматривается как сигнал, несущий информацию в основном о работе сердца и сосудистой системы. Обширная система знаний по распознаванию заболеваний по пульсу, созданная и активно практикуемая в традиционной тибетской медицине, позволяет рассмотреть эту проблему в ином плане - для оценки состояния и диагностики функциональных систем организма человека. Поэтому актуальной является задача приложения радиофизической методологии в изучении пульсовых колебаний.

Необходимо отметить, что рассмотрение подходов, используемых в современных прикладных отраслях радиофизики, в том числе и в биомедицинской радиофизике, необходимо вести с позиций интердисциплинарности с привлечением теоретических положений и прикладных аспектов общей физики, радиофизики, физиологии, радиотехники и электроники, теории сигналов, прикладной математики, вычислительной и компьютерной техники [38].

Исследования, проводимые в лаборатории радиобиофизики Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН (БНЦ СО РАН), строятся на основании именно такого подхода к проблеме изучения пульса человека.

В основу настоящей работы легла радиофизическая методология исследования, основанная на использовании радиоэлектронных устройств для многоканального, многопараметрического приема информации о состоянии динамического объекта, изучении процессов изменения наблюдаемых параметров последнего во времени и адекватном моделировании собственных характерных свойств исследуемой системы Я

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование динамических, в том числе амплитудно-временных, свойств пульсовых сигналов человека, определение на этой основе диагностически значимых параметров пульса.

В ходе выполнения работы решались следующие основные задачи.

• создание и экспериментальное исследование комплекса компьютеризированных методов обработки пульсовых сигналов, позволяющих изучать динамические свойства пульсовых колебаний, определять в автоматизированном режиме амплитудно-временные параметры пульсовых сигналов, анализировать и интерпретировать пульсограммы, записанные с лучевых артерий человека.

• исследование диагностической значимости динамических, в том числе амплитудно-временных, параметров пульсовой волны;

• создание информационной модели для представления пульсовых сигналов и сопутствующих данных в памяти ЭВМ и на долговременных носителях информации; создание программного обеспечения автоматизированного пульсодиагностического комплекса (АПДК);

Научную новизну характеризуют следующие полученные впервые результаты:

1. Создан аппарат динамического моделирования амплитудно-временной структуры пульса человека, предназначенный для обработки длинных реализаций пульсовых сигналов в автоматизированном режиме. Используемые для описания контура пульсового сигнала параметры связаны с временной структурой кардиоцикла и имеют выраженное физиологическое значение.

2. Обосновано применение методов сплайн-интерполяции в задаче определения информационных параметров пульсовых сигналов, разработана схема предварительной обработки пульсовых сигналов с использованием низкочастотной фильтрации.

3. С помощью математического моделирования впервые проведены детальные исследования динамических рядов амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов различных нозологических форм, определены наиболее вариабельные параметры. С использованием экспериментальных данных, полученных в ходе клинических исследований, проведено численное моделирование формы и амплитуды пульсовых сигналов и показана возможность их дифференциации в зависимости от нозологической формы по амплитудно-временным характеристикам.

4. Создана методическая основа для определения гемодинамических показателей сердечно-сосудистой системы с использованием данных полисфигмографического исследования.

5. Предложен метод оценки интенсивности кровенаполнения по пульсу и установлены количественные критерии связи этого показателя с основными нозологическими формами тибетской медицины.

6. Обоснован и развит подход к анализу динамики пульсовых колебаний, связанный с изучением фазовых диаграмм пульсовых сигналов. Определены наиболее характерные типы диаграмм для пульсов разных нозологических форм.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что, во-первых, результаты проведенных исследований показали важность и значимость радиофизического подхода к изучению пульса человека. С помощью разработанных методов и подходов, в частности, метода автоматизированного анализа амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов, молено получить новые важные сведения о динамических свойствах пульсовых колебаний, деятельности сердечнососудистой системы и механизмов регуляции в организме человека. Эти методы можно применять как для углубленного изучения деятельности функциональных систем организма человека, так и в клинической практике европейской и тибетской медицинских систем.

Во-вторых, разработанные и адаптированные в ходе выполнения настоящей работы методы обработки пульсовых сигналов, результаты проведенных исследований динамических свойств пульсовых колебаний легли в основу новой версии программного обеспечения автоматизированного пульсодиагностического комплекса (АПДК), вошедшего в перечень важнейших законченных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ институтов Сибирского отделения РАН [39]. Они в значительной степени расширили функциональные возможности АПДК. АПДК сертифицирован Министерством здравоохранения Республики Бурятия (МЗ РБ) для использования в учреждениях здравоохранения, в настоящее время он внедрен в клиническую практику в Республиканском госпитале инвалидов войн МЗ РБ (Улан-Удэ), Дворце здоровья МЗ РФ (Ростов-на-Дону), Санатории-профилактории Госуниверситета "Львовская политехника" (Львов), НПО "Центр восточной медицины" (Улан-Удэ). Неинвазивный метод оценки гемодинамических показателей сердечной деятельности, адаптированный к использованию пульсовых сигналов, предназначен для широкого использования в системах клинического мониторинга.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработанный физико-математический аппарат моделирования контура пульсовых сигналов на основе методов сплайн-интерполяции позволяет детально описать амплитудно-временную структуру пульса человека и отслеживать динамику ее изменения во времени. Применение низкочастотной фильтрации пульсовых сигналов улучшает отношение сигнал/шум и существенно повышает качество обработки; количественные оценки для второй производной показывают повышение характеристик метода восстановления производных с помощью сплайн-интерполяции почти на два порядка.

2. Проведенное экспериментальное исследование пульсовых сигналов различных нозологических форм показало, что амплитудно-временные параметры играют определяющую роль в дифференциации пульсов различных нозологических форм. Наибольшая вариабельность амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов характерна для диастолической части кардиоцикла. В то же время различия пульсов нормы и функциональных нарушений проявляются как в диастолической, так и в систолической части кардиоцикла.

3. Созданный комплекс методов анализа пульсовых сигналов позволяет проводить расширенные исследования деятельности сердечно-сосудистой системы (определение гемодинамических показателей), используя пульсовые сигналы, не прибегая при этом к данным поликардиографического исследования (ЭКГ, ФКГ, ККГ).

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной конференции "Метромед-95" (Санкт-Петербург, 1995), Российской научно-технической конференции "Дифракция и распространение волн" (Улан-Удэ, 1996), Международной научно-практической конференции "Тибетская медицина: традиции, перспективы, интеграция" (Улан-Удэ, 1997), Международной конференции "Биосигнал-98" (Брно, Чехия, 1998), Конференции Консорциума тихоокеанского сотрудничества (Тайбэй, Тайвань, 1998), 1-ой и П-ой Конференций по фундаментальным и прикладным проблемам физики (Улан-Удэ, 1999, 2000). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе в рецензируемых научных изданиях.

Поскольку работы по теме диссертации выполнены в коллективе, в диссертации использованы только те результаты и выводы, в получении которых участие автора было определяющим. Личный вклад диссертанта в выполнение работы заключался в алгоритмической и программной реализации методов, подготовке и проведении вычислительных экспериментов, обработке и анализе результатов, подготовке публикаций и докладов на конференциях.

Выражаю глубокую признательность научному руководителю к.ф.-м.н. В.В. Бороноеву за постоянное внимание и всестороннюю помощь в работе; врачу высшей категории Л.Н. Азаргаеву, без чьего деятельного участия было бы невозможным выполнение этой работы; к.ф.-м.н. Э.А. Трубачееву, к.филос.н. Н.Ц. Жамбалдагбаеву, к.ф.-.м.н. Г.И. Зандановой, н.с. В.Н. Поплаухину, н.с. A.A. Кособурову - за научные и методические советы при выполнении работы. Выражаю самую искреннюю благодарность сотрудникам Отдела физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН - за оказанные содействие и моральную поддержку.

Похожие диссертационные работы по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Ринчинов, Олег Сергеевич

4.4. Выводы

1. В результате исследований диагностической информативности предложенных динамических параметров пульсовой волны выяснено, что дифференциация пульсов различных нозологий возможна в первую очередь на основе амплитудно-временных параметров. Близость амплитудно-временных параметров, характеризующих контуры пульсовых сигналов, снятых с шести отведений, свидетельствует о нормальном функционировании организма человека и его внутренних органов; функциональное состояние организма в этом случае можно интерпретировать как нормальное. Отличие пульсовых сигналов между собой по форме и амплитуде при практически равных временных (фазовых) интервалах свидетельствуют об отклонении от нормы; дифференциация их по нозологическим нормам возможно в основном по амплитудным характеристикам. Это согласуется с тибетской традицией врачевания, в которой временные параметры, в основном, служат для временной привязки процессов и установления взаимного соответствия пульсов, а по амплитудным - производится их дифференциация.

2. Исследован количественный показатель интенсивности фазы быстрого изгнания кардиоцикла, который можно использовать для классификации пульсовых сигналов, относящихся к нозологическим формам жара и холода, при этом наблюдается высокая степень соответствия данного показателя и наблюдаемого функционального состояния пациента.

3. Важные результаты были получены в исследовании фазовых диаграмм пульсовых сигналов отведений цон, кап и чаг обеих рук. Показано, что фазовые портреты пульсовых сигналов позволяют осуществлять качественную оценку деятельности органов и функциональных систем организма человека. Введение количественных параметров описания фазовых диаграмм пульсовых сигналов способствует разработке критериев классификации пульсов, относящихся к разным нозологическим формам европейской и тибетской медицины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие научные результаты.

1. Создан автоматизированный метод моделирования динамической амплитудно-временной структуры пульсовых сигналов человека, отражающей физиологическую структуру кардиоцикла, и расчета обобщенных гемодинамических показателей. Исследования качественных показателей метода показали, что при анализе временной структуры кардиоцикла он дает результаты, сопоставимые с результатами известных методов функциональной диагностики.

2. Экспериментально изучены динамические свойства пульсовых сигналов разных типов, выявлены наиболее вариабельные амплитудно-временные параметры.

3. На основе интерпретации и статистической обработки данных клинического эксперимента показана возможность дифференциации пульсовых сигналов, относящихся к разным функциональным состояниям либо заболеваниям на основе амплитудно-временных характеристик.

4. Разработан метод оценки интенсивности фазы быстрого изгнания кардиоцикла по пульсограмме. По результатам экспериментального исследования этого метода установлены количественные критерии связи показателя интенсивности с некоторыми базовыми классами тибетской медицины.

5. Проведено исследование фазовых диаграмм пульсовых сигналов. Выявлены основные качественные закономерности пульсовых сигналов различных типов. Введен и экспериментально исследован количественный показатель, характеризующий геометрию фазовой диаграммы и позволяющий дифференцировать пульсы базовых классов тибетской медицины.

6. На основе разработанных методов и алгоритмов, результатов экспериментальных исследований, разработано интегрированное программное обеспечение автоматизированного пульсодиагностического комплекса тибетской медицины (АПДК).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ринчинов, Олег Сергеевич, 2000 год

1. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. - М.: Советское радио, 1957. - 496 с.

2. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. М.: Наука, 1976. - 494 с.

3. Годик Э.Э. Гуляев Ю.В. Человек «глазами радиофизики» // Биомедицинская радиоэлектроника. 1991. -№ 1. - С. 51-62.

4. Годик Э.Э., Гуляев Ю.В. Физические поля человека и животных // В мире науки. -1990. -№ 5. С. 75-83.

5. Афромеев В. И., Загуральский Н. Ф., Кругликов И. Т. Опыт разработки и клиническая апробация высококогерентного аппарата КВЧ терапии, работающего в диапазоне 100. 160 ГГц // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1997. - 5, № 4. - С. 22-25.

6. Беляков С. В., Бецкий О. В., Ярёменко Ю. Г. Состояние и тенденции развития аппаратуры для КВЧ-терапии // Биомедицинская радиоэлектроника. 1998. - № 3. - С. 50-66.

7. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Кислов В.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии // Биомедицинская радиоэлектроника. -1998. -№ 4. С. 13-29.

8. Бецкий О.В. Законы радиотехники в биологии и КВЧ-терапии // Радио. 1999. -№ 10. - С. 47-48.

9. Петросян В. И., Гуляев Ю. В., Житенева Э. А., Синицын Н. И. Резонанс молекулярной системы как термодинамическое фазовое состояние // Радиотехника и электроника (Москва). 1998. - 43, № 7. - С. 868-871.

10. Птицына Н. Г., Виллорези Дж., Дорман JI. И., Юччи Н., Тясто М. И. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи физических наук. 1998. - 168, № 7. - С. 767-791.

11. Автоматизация научных исследований в медицине / Под ред. А.И. Рубан, Е.И. Прахина. Новосибирск: Наука, 1996. - 270 с.

12. Александр В.В., Шеповальников А.Н., Шнейдеров B.C. Машинная графика физиологических данных. JL: Наука, 1981. - 111 с.

13. Болотинский Е.А. Автоматика в медицине и физиологии. JL: Медицина, 1971. -168 с.

14. Шакин В.В. Вычислительная электрокардиография. М.: Наука, 1981. - 168 с.

15. Шиллер Н., Осипов М.А. Клиническая эхокардиография. М., 1993. - 347 с.

16. Эвентов А.З., Литвинов М.М., Куликов JI.M. ЭВМ и сердце: микропроцессоры в лучевой диагностике. М.: Наука, 1989. - 152 с.

17. Комков М.М. Практическое применение метода морфологического анализа сигналов // Науч. сес. МИФИ 1999, Москва, 1999: Сб. науч. тр. - Т. 6. Автоматика. Электроника. Микроэлектроника. Измерительные системы. - М., 1999. - С. 200-201.

18. Dokur Z., Ólmez Т., Yazgan Е. Comparison of discrete wavelet and Fourie transforms for ECG beat classification // Electron. Lett. 1999. - 35, No 18. - P. 1502-1504.

19. Цыдыпов Ч.Ц. Каноны восточной пульсодиагностики и проблемы ее объективизации // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988.-С. 7-18.

20. Цыдыпов Ч.Ц. Пульсовая диагностика в тибетской медицине (Проблемы автоматизации). Улан-Удэ, 1985. - 47 с. (Препр. / Ин-т естественных наук БФ СО АН СССР; № 4).

21. Жамбалдагбаев Н.Ц. Тексты и понятийные системы тибетской медицины // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988. - С. 109-133.

22. Пупышев В.Н. Пульсо диагностика как концентрированное выражение теоретических основ тибетской медицины // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988. - С. 41-57.26

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.