Техническое и алгоритмическое обеспечение для повышения достоверности и информативности обработки импедансных плетизмограмм (реограмм) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат технических наук Алалуев, Роман Владимирович

• Алалуев, Роман Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алалуев, Роман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ

1.1. Анализ влияния внешних факторов на измерение реограммы

1.2. Обзор существующих технических средств для обработки реограмм

1.3. Обзор публикаций по теме исследования

1.4. Анализ современного программного обеспечения применяемого для обработки реограмм

1.5. Выводы

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

2.1. Исследование реографического сигнала в норме и при различных патологиях, определение рамочных условий для алгоритма

2.2. Структура алгоритма обработки реограмм в реальном времени.

2.3. Особенности построения алгоритма обработки реограмм в реальном времени

2.4. Методы получения алгоритма цифровой фильтрации по аналоговым прототипам

2.5. Выводы

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ВЕНОЗНОГО ОТТОКА

3.1. Географическая кривая при различных изменениях венозного оттока

3.2. Методика определения выпуклых и вогнутых участков на реограмме

3.3. Вывод формулы показателя, характеризующего венозный отток из региона

3.4. Выводы

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК МОДЕЛИРОВАНИЯ, АРХИВИРОВАНИЯ

И НОРМИРОВАНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО СИГНАЛА

4.1. Разработка математического описания реографического сигнала

4.2. Разработка алгоритма моделирования реографического сигнала

4.3. Применение аппроксимирующих полиномов для нормирования реографических сигналов

4.4. Применение аппроксимирующих полиномов для архивирования реографических кривых

4.5. Исследование поведения алгоритма обработки реограмм в реальном времени при различных помехах и нестационарности сигнала

4.6. Выводы

5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ

5.1. Назначение, структура, особенности комплекса

5.2. Технические характеристики комплекса

5.3. Методика работы с программой

5.4. Расчет погрешности комплекса

5.5. Выводы 108 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Техническое и алгоритмическое обеспечение для повышения достоверности и информативности обработки импедансных плетизмограмм (реограмм)»

Важной проблемой современной медицины являются заболевания сердечно-сосудистой системы, занимающие одно из первых мест среди болезней других органов и систем.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросу ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, что является необходимым условием, обеспечивающим эффективность проводимой терапии.

Анализ причин морального старения ряда методов кардиологического исследования показал, что эти методы должны обеспечивать: простоту процедуры обследования; анализ результатов не только в качественном, но и в количественном виде; метрологический подход к процессу исследования в виде возможности калибровки сигнала; динамическое обследование; оценку результатов в единицах общепринятой физической размерности; возможность автоматизации процесса съема и анализа информации.

Современный уровень развития радиоэлектронной промышленности и в особенности компьютерных технологий позволяет эффективно решать вопросы регистрации и количественного анализа больших объемов электрофизиологической информации [16].

Одним из наиболее распространенных электрофизиологических методов изучения системной и региональной гемодинамики является реография [50]. Зарождение метода реографии связано с работами отечественных исследователей, которые удерживают ведущие позиции в изучении этого метода. Ее ценными преимуществами по сравнению с инвазивными способами исследования функционального состояния сосудистого русла являются простота и оперативность подготовки пациента и проведения исследования. Реографическое оборудование отличается относительной дешевизной. Реографический метод позволяет реализовать без ущерба для здоровья человека его многократное обследование в течение короткого интервала времени, а также обеспечить мониторинг изменений системного и регионального кровообращения, возникающих под влиянием функциональных воздействий на его организм.

Метод реографии не лишен и недостатков: нестандартность технических характеристик используемой аппаратуры (рабочая частота, принцип калибровки, двух- и четырехэлектродные системы, уровень помехозащищенности и т.д.), недостаточная разработка метрологических аспектов метода, сложность перехода от электрических параметров к реальным гемодинамическим величинам^ выраженным в физиологических размерностях, т. е. к количественной оценке полученных данных [42, 59, 61].

Все используемые в настоящее время реографы не имеют регистрирующего устройства, некоторые из них не имеют собственного усилителя. Поэтому в качестве средства усиления и регистрации при работе с реографом применяют электрокардиограф или электроэнцефалограф [30].

В последнее время широкое распространение в медицинской практике получили регистрирующие устройства с использованием электронно-вычислительной и микропроцессорной техники, которые позволяют автоматизировать процесс снятия и анализа реограмм, однако в обработке реограмм можно выделить несколько недостатков: отсутствие адекватных математических моделей реографического сигнала, сложность в использовании и настройке, большой объем базы данных, отсутствие мониторинговых обследований, сложность и противоречивость нормирования реограмм, количественной оценки параметров, совместимости с другим программным обеспечением.

Целью данной работы является создание алгоритмического и программного обеспечения, которое позволило бы повысить достоверность и информативность реографической методики при учете возможных артефактов и разнообразия форм реоэнцефалографической кривой как в норме, так и при патологических проявлениях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать существующие методы обработки и хранения реографической информации;

- разработать методику нормирования и моделирования реографических показателей для обеспечения формализации определения типа патологии;

- разработать методику позволяющую проводить мониторинговые наблюдения за параметрами реограммы пациента независимо от записи синхронных электрокардиограмм или фонокардиограмм;

- разработать методику и алгоритм для оценки венозного оттока путем преобразования качественных оценок в количественные показатели;

- создать методы архивирования, позволяющие значительно увеличить размеры баз данных реограмм при нормированном значении точности представления данных.

Методы исследований основаны на применении методов теории вероятностей, математической статистики, теории управления, моделирования, вычислительной математики и вычислительной техники.

Научная новизна работы:

- разработаны алгоритмы мониторингового исследования реоэнцефалограммы без регистрации синхронных кривых электрокардиограммы и фонокардиограммы;

- созданы методики моделирования, архивации и нормирования реографического сигнала, основанные на представлении сигнала в виде полиномиального сплайна;

- введен количественный параметр коэффициента затруднения венозного оттока.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны, созданы и внедрены:

- комплекс аппаратуры для регистрации и анализа реоэнцефалограмм;

- оригинальное программное обеспечение, позволяющее проводить мониторинговые обследования пациента;

- программное обеспечение, реализующее алгоритм архивации реографических данных;

- получены параметры, которые дают возможность количественной оценки степени затруднения венозного оттока.

Полученные результаты могут быть использованы и при обработке других видов физиологической информации, таких, как сфигмограммы, кривые дыхания.

Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса для обработки реограмм разрабатывалось на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета (ТулГУ) в рамках гранта №98.0121ГР по фундаментальным исследованиям в области приборостроения по программе министерства образования РФ «Разработка теоретических основ построения систем обработки информационных потоков в лечебном учреждении». Работа внедрена в НИИ НМТ, Тульской городской поликлинике №1, Тульском клинико-диагностическом центре, Тульском медицинском техническом центре. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" ТулГУ и кафедры «Медико-биологические дисциплины» ТулГУ.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы обсуждались на 1-й и 2-й Всероссийских научно-технических конференциях «Биотехнические медицинские и экологические системы и комплексы» в Рязанской государственной радиотехнической академии им. А.С.Попова в 1997 и 1998 гг, на 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Методы и 8 средства измерений физических величин» в Нижнем Новгороде на базе Верхневолжского отделения академии технологических наук Российской Федерации (1998 г.), на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1998 и 1999 гг. Программно-технический комплекс был апробирован в Тульском клинико-диагностическом центре.

Публикации: По теме диссертации было опубликовано 7 печатных работ. Материалы диссертации вошли в два технических отчета по НИР. На научно-технических конференциях работа удостоена двух дипломов.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы, содержащего 138 наименований. Текст выполнен на 131 листе машинописного текста, включающего 38 иллюстраций, 7 таблиц, 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Алалуев, Роман Владимирович

5.5. Выводы.

1. Разработанный программно-технический комплекс для обработки реограмм позволяет с минимальными трудозатратами обеспечить качественную и количественную оценки регионального кровотока.

2. Погрешность программно-технического комплекса в основном определяется погрешностью самого реографа-преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В первой главе диссертации проведен анализ состояния современных азработок в области проектирования автоматизированных программ но-?хнических комплексов для обработки реограмм. Выявлены основные внешние акторы, влияющие на изменение реограммы, они классифицированы и писаны. Выделены возможные пути уменьшения артефактов, роанализированы характеристики существующих технических средств для эработки реограмм. По результатам анализа выбраны наиболее приемлемые для аботы комплекса реографы. В публикациях по теме исследования не было лявлено математических моделей реограммы в норме и при различных атологиях. Алгоритмы обработки реографической информации в настоящее эемя связаны с записью синхронной электрокардиограммы. В литературе они писаны крайне поверхностно. Современное программное обеспечение для бработки реограмм условно разделено на две группы:

Программы, являющиеся надстройкой над неавтоматизированным яализом. При этом компьютер рассчитывает показатели реограмм по араметрам графиков, измеренным вручную и введенным с клавиатуры.

Программы, которые позволяют подключать реограф к компьютеру через эгласующее устройство. В данном случае вся обработка сигнала, включая змерение амплитудных и временных параметров, происходит в компьютере, [рограммы, основанные на этом подходе, более перспективны. В свою очередь, акие комплексы можно условно разделить на несколько подгрупп: .1. Полностью реографические комплексы, позволяющие проводить только еографические исследования. Основными достоинством таких комплексов вляется, как правило, широкий спектр реографических методик исследования.

2. Реографические устройства в составе комплексов для функциональной иагностики. Они обычно имеют достаточно слабое программное обеспечение, гносящееся к обработке реограмм, хотя информативность выше за счет звместного применения различных методик обследования пациентов;

3. Реографические приборы в составе комплексов для мониторного эследования пациентов. Такие приборы получили широкое распространение в 1рубежных образцах. Однако при анализе этих приборов было выявлено, что эивая реограммы этими комплексами не обрабатывается, а просто выводится на фан.

Вторая глава диссертации посвящена разработке алгоритма обработки гограмм в реальном времени без применения синхронной записи Iектрокардиограммы или фонокардиограммы. Исследование реографического «гнала в норме и при различных патологиях пациента позволило разделить все гографические кривые на типы, которые обозначены следующим образом: а -ормальная реоэнцефалограмма здорового человека, б - умеренное повышение эсудистого тонуса, в - выраженное повышение сосудистого тонуса, г -меренное снижение сосудистого тонуса, д - выраженное снижение сосудистого знуса, е - увеличение периферического сопротивления.

Рассмотрена структура алгоритма обработки реограмм в реальном ремени. Выделены основные особенности режима реального времени при роектировании алгоритмов, которые могут быть полезны разработчикам рограммного обеспечения. Поскольку в программе широко применяются азличные алгоритмы фильтрации, в отдельную главу вынесены особенности роектирования алгоритмов цифровой фильтрации по аналоговым прототипам.

Третья глава диссертации посвящена автоматизации оценки состояния знозного оттока из полости черепа. Приведен анализ реографической кривой ри различных формах затруднения венозного оттока. На основании этого нализа были сделаны выводы о том, что такие параметры реограммы, как лощадь выпуклой части реографической волны, время выпуклой части зографической волны, время, ограниченное положительной полуволной *гнала, отражают состояние венозного оттока. Каждой реографической кривой ыл выставлен балл, соответствующий степени затруднения венозного оттока. 1ежду баллами и параметрами выявлены зависимости, на основании которых ыло выработано решающее правило для определения степени затруднения шозного оттока. Это правило можно использовать при автоматической эработке результатов экспериментальных обследований конкретных ациентов.

В четвертой главе диссертации рассмотрены предложенные методики оделирования, архивации и нормирования реографического сигнала, азработанное математическое описание реографического сигнала показала, что зо грамму удобно представлять как полиномиальный сплайн порядка 4 дефекта при разбиении реограммы на 6 промежутков соответствующих точкам: начала чализа реографической кривой, максимума дифференциальной реограммы, мплитуды реограммы, амплитуды инцизуры, амплитуды дикротического зубца, оловины нисходящей ветви реограммы, конца анализа. Далее сделана выборка еографических кривых - создан базис. Каждой кривой из этого базиса присвоен яп патологии. Таким образом, получен инструмент для сравнения любой вновь нятой кривой с базисом. Критерии сравнения могут быть разные, но в качестве сновного принят интегральный. Для его создания реографическим кривым рисваивается тип патологии. Такое разбиение реограмм может иметь различные рименения: Нормирование реограмм таким образом позволяет перевести бласть нормирования от конкретных амплитудно-временных параметров к ормированию самого вида кривой путем нормирования сплайн-функций. 1оделирование реографической кривой также удобно осуществлять при остаточно большом базисе данных исходных сплайнов, при этом можно по аказу моделировать вид патологии и амплитудно-временные показатели, тшайновое представление реографической кривой позволяет производить рхивирование реографических кривых с высокой степенью сжатия до 2 % от

112 входного размера.

В пятой главе диссертации приведено описание разработанного рограммцо-технического комплекса для обработки реограмм. Показаны ^значение, структура, особенности и отличия комплекса от серийных образцов, меющихся на внутреннем и международном рынках. Рассмотрены технические фактеристики комплекса, описана методика работы с комплексом. Приведен ас чет погрешности комплекса.