Совершенствование аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Исаков, Роман Владимирович

• Исаков, Роман Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исаков, Роман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛОВ

1.1. Системный подход к анализу работы сердца

1.2. Анализ современных аппаратных средств получения электрокардиоснгналов

1.2.1. Интеллектуальные портативные диагностические приборы

1.2.2. Цифровые электрокардиографы 1 б

1.2.3. А11алоговые электрокардиографы

1.2.4. Суточные мониторы ЭКГ (холтеровские регистраторы)

1.2.5. Системы дистанционного контроля работы сердца 20 и. Систематизация методов обработки электрокардиоснгналов

1.3.1. Т01юлогический анализ ЭКГ

1.3.2. Статистический анализ

1.3.3. Спектральный анализ

1.3.4. Применение методов нелинейной динамики 36 1.4. Выводы

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА

2.1. Выбор сигнала для исследования

12. Определение оптимальных точек регистрации биопотенциалов

2-5. Определение величины минимальной достаточной выборки

2.4. Анализ экспериментальных данных

2.4.1. Результаты временного анализа

2.4.2. Результаты спектралы юго анализа

2.4.3. Результаты исследования фазовых портретов

2.4.4. результаты параллельного исследования фазовых портретов и спектров

2.5. Сравнение известных методов анализа электокарднографических данных

2.6. Синтез подходов к количественному описанию топологии фазового портрета.

2.7. Исследование разработанных количественных критериев оценки фазового портрета

2.8. Выводы

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППРАТНОГО КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

3.1. Разработка алгоритма обработки информации

3.2. Разработка принципиальной схемы аппаратной части программно-аппаратного комплекса оценки функционального состояния организма. 77 зл. Разработка метод\ обработки сигнала для автоматического обнаружения и исключения артефактов 82 3.4. Разработка программы для микропроцессорной обработки информации

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИИ О ФУНКЦИОНАЛЬНОМ СОСТОЯНИИ ОРГАНИЗМА

4.1. описание и состав опытного образца

4.2. разработка дополнительного программного обеспечения

4.3. Методика проведения эксперимента

4.4. Экспериментальное исследование аппаратной части комплекса

4.5. Экспериментальное исследование разработанного метода обнаружения и исключения артефактов.

4.6. Результаты и рекомендации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала»

Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений о здоровье человека в медицинских системах на данный момент основываются, главным образом, на статистической обработке полученных данных [1,2,32,138], ориентированных, как правило, на людей, подверженных патологиям [47]. Но при возникновении патологий, зачастую происходят необратимые архитектурные изменения в различных системах организма, поэтому дальнейшее лечение сводится лишь к облегчению симптомов [7,26]. Именно поэтому, разработка проблемно-ориентированных систем получения и обработки биомедицинских сигналов, основанных на новых методах автоматизированной обработки информации и направленных на профилактические экспресс исследования организма, наиболее актуальна для медицины.

Общее функциональное состояние организма можно исследовать по сердечно-сосудистой системе. Известно что, любое изменение в организме, так или иначе, отражается на деятельности кровеносной системы, центральным звеном в которой является сердце [8,9,17,20,23,28,43]. Поэтому динамика его деятельности косвенно отражает состояние организма в целом [8,17,23].

Работы в области улучшения аппаратных и методических средств для кардиологических исследований ведутся многими учёными, как в России (Селищев C.B., Штарк М.Б., Балашов Ю.С., Шерашов B.C., Килимник В.А., Калантар В.А., Истомина Т.В. Баевский P.M., Берсенева А.М, Парин В.В., Флейшман А.Н. и др.), так и в других странах мира (Голденберг Э., Хаттен X., Кратшмер X., Гросс В., Ван Гиле М. и др.).

Контроль состояния сердечно-сосудистой системы в настоящее время осуществляется различными средствами. Среди них выделяются:

- приборы, регистрирующие электрический потенциал с кожи человека с целью получения электрокардиограммы (ЭКГ) и дальнейшего её топологического, временного и других видов анализа, а также выделения и анализа Л-Л интервалограмм [48,50,53,55,60,61,63];

- системы магнитокардиографии, регистрирующие изменения магнитного поля, вызванного работой сердца [108,124];

- системы вариационной пульсометрии, оценивающие капиллярный кровоток, с помощью измерения поглощённого или отражённого излучения от сосудов [71,78,102];

- аппараты для реографии, которые для анализа используют изменение сопротивления сосудов в процессе работы сердца [108].

Анализ литературы показал, что существующие электронные медицинские системы для контроля состояния сердечно-сосудистой системы имеют ряд недостатков, в частности:

- требуют применения квалифицированных специалистов для расшифровки результатов;

- используют дорогостоящие портативные компьютеры;

- не обеспечивают достаточную мобильность в случае стационарных компьютеров;

- ограничивают возможность применения телеметрических систем;

- не полностью исключают артефакты из выходного сигнала при сильном воздействии помех и т.д.

Обработка кардиологической информации в основном ведётся с применением статистической обработки, временного и спектрального анализа ритмограмм, а также различными методиками, основанными на этих методах. Также известен ряд работ с применением методов нелинейной динамики. Использование нелинейной динамики в исследовании вариабельности сердечного ритма (ВСР) даёт заметное преимущество, т.к. организм человека является нелинейной системой.

Методы, используемые для обработки ЭКГ информации, также имеют недостатки. В частности, статистическая обработка использует усреднённые показатели и, следовательно, не всегда является адекватной [1,2]. Спектральный анализ имеет дело с периодическими гармоническими сигналами [32,77,89,90], но работа сердца не является ни строго гармонической, ни периодической, т.к. происходит постоянная адаптация работы сердца (частоты сердечных сокращений) под разнообразные влияния внешней и внутренней среды с помощью всевозможных биологических обратных связей организма человека. Топологический анализ формы ЭКГ и других графических результатов субъективен, т.к. основывается на интуиции и личном опыте врача-кардиолога. Временной анализ теряет информацию о динамике работы сердца [32,138]. Наиболее близким по своим возможностям к исследованию сердечно-сосудистой системы является нелинейный анализ, но его количественные показатели неоднозначны и затруднительны для интерпретации и аппаратной реализации [10,11,14-16].

В данной работе предполагается произвести следующие улучшения электронного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала: специализация с обеспечением мобильности комплекса; упрощение схемного решения; увеличение помехоустойчивости системы; автоматизация обработки информации; разработка методик количественной обработки ЭКГ сигнала, основанных на нелинейном методе и пригодных для аппаратной реализации.

Исходя из изложенного, задача совершенствования аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиографического сигнала является актуальной и социально значимой.

Цель работы

Целью диссертационного исследования является разработка математического, программного и методического обеспечения для совершенствования аппаратно-программного комплекса обработки и анализа электрокардиосигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ возможностей и недостатков известных методов и средств получения и обработки ЭКГ сигнала;

2. Разработать специализированное математическое обеспечение для аппаратно-программного комплекса получения и обработки ЭКГ сигналов;

3. Разработать алгоритм обработки электрокардиосигнала для автономных проблемно-ориентированных микропроцессорных систем;

4. Разработать аппаратную часть комплекса получения и обработки ЭКГ сигнала;

5. Разработать специализированное программное обеспечение для обработки ЭКГ сигнала на универсальных компьютерах.

Методы исследований

В работе использовались методы нелинейной динамики, математической статистики, цифровой обработки сигналов, аналитической геометрии и экспериментальных исследований.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Предложена специализированная система сбора и анализа электрокардиографических данных для оценки функционального состояния организма, на основе аппаратного выделения Я-зубцов и микропроцессорной обработки сигнала;

2. Предложен новый метод обработки сигналов и реализующее его устройство для обнаружения и исключения из выходного сигнала артефактов;

3. Разработана модель изменения работы сердца как системы при начальных и прогрессирующих формах патологической активности;

4. Разработана методика геометрического описания фазового портрета динамики сердечных сокращений и алгоритм для её реализации, производящий обработку сигнала в режиме реального времени без использования накопителей информации.

Практическая значимость

1. Разработанная методика обработки и количественного интегрального описания электрокардиосигнала на основе метода фазовых портретов, позволяет автоматизировать процесс получения информации о функциональном состоянии организма человека;

2. Разработанное программное обеспечение обработки электрокардиографической информации может быть использовано в качестве дополнения к существующим регистраторам, позволяя в автоматическом режиме без привлечения высококвалифицированных специалистов анализировать ЭКГ информацию;

3. Разработанный алгоритм микропроцессорной обработки сигнала в режиме реального времени, позволяет упростить схемную реализацию аппаратно-программного комплекса получения и обработки электрокардиосигнала, отказаться от использования дополнительных устройств хранения информации и сокращает время проведения обработки более чем в 2 раза;

4. Предложенный метод автоматического обнаружения и исключения артефактов из выходного сигнала при обработке сложных артефактных явлений на 75% превосходит существующие аналоги;

5. Схемное решение комплекса получения и обработки ЭКГ сигнала было проблемно-ориентировано на решение задач экспресс-исследований, что позволило сократить себестоимость комплекса более чем в 3 раза.

Результаты внедрения работы

Созданное методическое и программное обеспечение прошло апробацию в кардиоцентре Областной клинической больницы г. Владимира, кардиореанимационном отделении Городской клинической больницы Владимирского тракторного завода, а также на кафедре биомедицинской инженерии Владимирского государственного университета.

Результаты работы были внедрены во Владимирской областной клинической больнице, в Центре содействия укреплению здоровья студентов ВлГУ, в учебно-научном медицинском центре ВлГУ и в учебный процесс кафедры «Биомедицинская инженерия» ВлГУ, принципы аппаратной реализации были приняты к внедрению на производственном объединении ФГУП «Точмаш». Внедрение подтверждено соответствующими актами (Приложение (7) .

Положения, выносимые на защиту

1. Специализированное математическое обеспечение обработки и анализа информации о функциональном состояния организма, основанное на анализе ритмов сердца методом фазовых портретов;

2. Принцип построения и аппаратной реализации нового метода обработки сигнала, с целью обнаружения и исключения артефактов при аппаратной регистрации Д-зубцов ЭКГ;

3. Аппаратно-программный комплекс сбора, обработки и анализа электрокардиологической информации для оценки функционального состояния организма человека.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», Нижний Новгород, 2002 г.

2. Международной научно-технической конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании», Тверь, 2002 г.

3. Пятой международной конференции «Циклы», Ставрополь, 200 Зг.

4. Международном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза, 2003 г.

5. Шестой международной конференции «Циклы», Ставрополь, 2004 г.

6. Международном конгрессе «Кардиостим-2004», С.-Петербург, 2004 г.

7. Шестой международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», Владимир, 2004г.

8. Научно-практической международной конференции «Компьютерная медицина 2005», г. Харьков (Украина), 2005г.

9. Межрегиональной выставке «Электронная губерния - 2006», Владимир, 2006 г.

Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликованы 20 работ, в том числе 2 работы на Всероссийских конференциях, 17 работ на международных конференциях, 1 статья в журнале.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 188 наименований и 7 приложений. Объём диссертации 163 страницы машинописного текста, 56 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Исаков, Роман Владимирович

Результаты работы были внедрены во Владимирской областной клинической больнице, в Центре содействия укреплению здоровья студентов ВлГУ, в учебно-научном медицинском центре ВлГУ и в учебный процесс кафедры «Биомедицинская инженерия» ВлГУ, принципы аппаратной реализации были приняты к внедрению на производственном объединении

ФГУП «Точмаш». Внедрение подтверждено соответствующими актами 4 (Приложение Сг).

Г/

-г

Г/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложены новые подходы к совершенствованию современных аппаратно-программных комплексов получения и обработки электрокардиосигнала, на основе применения цифровых методов обработки сигнала. Создано математическое и программное обеспечение для обработки и анализа электрокардиографической информации. В итоге по результатам данной работы разработан проблемно-ориентированный аппаратно-программный комплекс анализа и обработки информации о функциональном состоянии организма человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Исаков, Роман Владимирович, 2006 год

1. Парин В.В., Баевский P.M. Кибернетика в медицине и физиологии. Медгиз. М.1963, с.50

2. Баевский P.M., Берсенева А.П. Оценка адаптационных возможностей организма и риск развития заболеваний М.: Медицина, 1997.- 235 с.

3. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний М: Наука, 1972 .470 с.

4. Кузнецов A.A., Палей М.С. Определяющие явления активности материи// «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Форум идей. II межд. конгресс, С.-Петербург. 2000. -С. 48.

5. Кузнецов A.A. Формы активности материи//«Циклы». Материалы III междунар. конф. Сев.-Кав. ГТУ, Ставрополь-Кисловодск, 2001.-С.100-101.

6. Рубин А.Б. Биофизика: В 2 т. Т.1: Теоретическая биофизика: Учебник для вузов. -М.: Книжный дом «Университет», 1999. 448с.

7. Кузнецов A.A., Чепенко В.В., Новосельский П.А. Эволюция патологических изменений в динамическом механизме авторегуляции сердца. //В сб.: Will Столетовские чтения: Тез. докл. Мин. образ. РФ. Владимир. 2000. -С. 68-74.

8. Кузнецов A.A. К исследованию ритмов сердца //В сб. «Циклы». Материалы межрегион, науч. сем. Сев.-Кав. ГТУ, Ставрополь. 2002.-С. 115-118

9. Пределы предсказуемости /Под ред. Ю.А. Кравцова. — М.: ЦентрКом, 1997.-256 с

10. Кузнецов Ю.И. Введение в теорию динамических систем:Учеб. * пособие.-М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991.- 132с.

11. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках: Пер. с англ. -М.: Наука, 1985. -327с.

12. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990.- 344 с

13. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой: Пер. с англ. М.: Прогресс, 1986. - 432 с.

14. Анищенко B.C., Вадивасова Т.Е., Астахов В.В. Нелинейная динамика хаотических и стохастических систем. Фундаментальные основы и избранные проблемы / Под ред. B.C. Анищенко.- Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1999. 368 с.

15. Кузнецов A.A., Чепенко В.В. Об оценке общего состояния организма в рамках динамической модели. /В сб.: Новые медицинские технологии. Тез докл. I конгресса. С.-ПГУ, С.- Петербург, 2001.- С. 19.

16. Кузнецов A.A. О «сложности» алгоритмической последовательности эволюции //В сб. «Циклы». Материалы межрегион, науч. сем. Сев.-Кав. ГТУ, Ставрополь, 2002,- С. 3 4

17. Кузнецов А. А., Устинов А. Г., Чепенко В. В. К методикеисследования системных процессов// Вестник аритмологии, т. 25, Приложение А: Кардиостим-2002, тез. докл., № 500, 2002.- С. 131

18. Бехтерев В.М. Объективная психология. АН СССР, Институт психологии, М.: Наука, 1991. -423 с.

19. Кузнецов А. А. Об алгоритмической последовательности эволюции.// «Циклы». Матер. /V Межд. конф., Ч. 1, Сев.-Кав. ГТУ, Ставрополь, 2002.-С. 182-185

20. Кузнецов A.A. О подходах и методах в прогнозной диагностике состояния организма //В сб. «Циклы». Материалы межрегион, науч. сем. Сев.-Кав. ГТУ, Ставрополь. 2002.- С. 111 115

21. Кузнецов А. А., Устинов А. Г., Чепенко В. В. О критериальной <; методике прогноза// Вестник аритмологии, т. 25, Приложение А:

22. Кардиостим-2002, тез. докл., № 499, 2002.- С. 131

23. Жигулев В.Н. Динамика неустойчивостей (динанстика).- М.: МФТИ, 1996.- 344 с.

24. Марсден Дж., Мак-Кракен М. Бифуркация рождения цикла и ее приложения: Пер. с англ./Под ред. H.H. Баутина и Е.А. Леонтович. М.: Мир, 1980.-367 с.

25. Кузнецов A.A., Палей М.С. Биополе как вариационный ряд форм материи.// В сб. Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине. Форум идей. II межд. конгресс, С.-Петербург. 2000. -С. 47.

26. Кузнецов А. А., Устинов А. Г., Чепенко В. В. К описанию и анализу ритмограмм R-R интервалов// Вестник аритмологии, т. 25, Приложение А: Кардиостим-2002, тез. докл., № 496, 2002,- С. 130

27. Кузнецов А. А., Устинов А. Г., Чепенко В. В. К анализу фазовых портретов флуктуаций R-R интервалов// Вестник аритмологии, т. 25, Приложение А: Кардиостим-2002, тез. докл., № 498, 2002.- С.131

28. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatLab. у (Работа с ПК). М.: Физматлит, 1993.-112 с.

29. Кузнецов А. А., Устинов А. Г., Чепенко В. В. О защитных механизмах Ч* системы авторегуляции сердца// Вестник аритмологии, т. 25,