WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|
В том числе по грантам РФФИ: 97-01-00260 «Исследование методов распознавания образов для анализа биомедицинских сигналов» (1997-1999); 00-01-00448 «Исследование методов обработки и распознавания биомедицинских сигналов» (2000-2002); 02-01-08073-инно «Разработка и создание опытного образца компьютерного комплекса для функциональных исследований в кардиологии» (2002-2004); 03-01-00216 «Исследование методов распознавания формы биомедицинских сигналов» (2003-2005); 06-01-00546 «Разработка методов и алгоритмов распознавания биомедицинских сигналов» (2006-2008); 08-01247-а «Компьютерный комплекс мониторного контроля» ЭКГ (2006 – 2008).

В рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» автор участвовал в выполнении проектов: 0201.05.251 «Разработка информационных технологий и инструментальных средств для создания и развития прикладных инструментальных систем в технике, образовании, медицине и в системах специального назначения» (1999-2001); 01.37.03.01.05 «Методы распознавания образов, обработки сигналов и изображений для самоорганизующихся систем» (2002-2004).

Результаты научных исследований внедрены в виде пакетов прикладных программ в компьютерной системе мониторного контроля ЭКГ «РИТМОН» и диагностическом комплексе «Кардиометр-МТ», разработанных соответственно предприятиями Санкт-Петербурга ООО «Биосигнал» и ЗАО «Микард-Лана» совместно с СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по направлениям подготовки специалистов в области медицинского приборостроения: «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия». Они включены в разработанные автором учебно-методические комплексы по дисциплинам: «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных», «Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период 1980 – 2008 гг. более чем на тридцати конференциях и симпозиумах по проблемам теории и практики обработки и распознавания биосигналов, медицинского приборостроения и автоматизации электрокардиографических исследований, в том числе на следующих Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах:

Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания технических средств для диагностики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы» (1990, Львов); 5th and 7th International Conference on Biomedical Engineering and Medical Informatics (SYMBIOSIS 1997, Brno; SYMBIOSIS 2003, St. Petersburg); • International Workshop «Biomedical Engineering & Medical Informatics» - BEMI'97, (1997, Gliwice, Poland); Международных конференциях «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (РОАИ-5-2000, Самара; РОАИ-6-2002, Великий Новгород; РОАИ-7-2004, С.-Петербург; РОАИ-8-2007, Йошкар-Ола; РОАИ-9-2008, Нижний Новгород.); II и VII Международных симпозиумах «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия» (КАРДИОСТИМ-1998, С.-Петербург; КАРДИОСТИМ-2000, С.-Петербург); The 24th and 35th Annual Conference Computers in Cardiology (1997, Lund, Sweden; 2008, Bologna, Italy); The 3rd European Medical and Biological Engineering Conference EMBEC05 (2005, Prague, Czech Republic); а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (1980-2007 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 92 научные работы, из них: – 29 статей (опубликованных в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ – 11 статей), 57 работ – в материалах российских и международных научно-технических конференций, 1 монография, 5 официально зарегистрированных комплексов алгоритмов и программ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 156 наименований, списка условных обозначений и аббревиатур. Основная часть работы изложена на 253 страницах машинописного текста. Работа содержит 84 рисунка и 22 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, включая научную новизну и практическую ценность, рассмотрены используемые методы исследования, освещены итоги реализации результатов работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание работы.

В первой главе представлен анализ проблем, связанных с автоматическим непрерывным анализом электрокардиосигнала в приборах и системах кардиологического наблюдения. Дан обзор современного уровня развития математических методов и алгоритмов автоматической обработки ЭКС. Отмечены существующие концептуальные трудности и сформулированы проблемы, требующие решения для достижения более высокой эффективности использования технических средств автоматического наблюдения за состоянием сердечно-сосудистой системы человека.

Отмечено, что отдельным направлением развития медицинской техники, предназначенной для решения диагностических и терапевтических задач, связанных с сердечной деятельностью человека, являются приборы и системы кардиологического наблюдения, к которым относятся:

  • приборы и системы для прикроватного наблюдения;
  • системы Холтеровского мониторного контроля;
  • носимые анализаторы ЭКГ;
  • телеметрические системы контроля состояния организма;
  • системы для функциональных исследований.

Представлен анализ задач автоматического анализа ЭКГ в системах кардиологического наблюдения, основными из которых являются:

  • текущий контроль частоты сердечных сокращений;
  • распознавание нарушений сердечного ритма (аритмий);
  • анализ ишемических изменений ЭКГ;
  • анализ вариабельности сердечного ритма.

Рассмотрены особенности электрокардиосигнала с точки зрения решения задач его автоматического анализа в режиме непрерывного мониторного контроля. Отмечено, что электрокардиосигнал обладает большим многообразием форм и изменчивостью. Сформулирован вывод о необходимости создания методов автоматического анализа электрокардиосигнала, способных адаптироваться как к характеру ЭКС конкретного пациента, так и к динамическим изменениям сигнала.

Рассмотрен вопрос о выборе числа анализируемых отведений в системах кардиологического наблюдения. Отмечено, что при наличии технических и эксплуатационных возможностей в приборах и системах кардиологического наблюдения предпочтительнее использовать два и более отведения ЭКГ. В то же время, в разрабатываемых алгоритмах необходимо предусматривать способность к адаптации к фактически используемому числу каналов сигнала.

Рассмотрены наиболее характерные виды помех, неизбежно присутствующих в электрокардиосигнале при его длительном наблюдении:

  • сетевая наводка с частотой 50 (или 60) Гц;
  • контактный шум электродов;
  • артефакты, связанные с механическим движением;
  • помехи, вызванные мышечными сокращениями (электромиограмма);
  • смещение базовой линии и модуляция амплитуды, вызываемые дыханием;
  • аппаратный шум, генерируемый электронными устройствами;
  • электрохирургический шум.

Рассмотрены предлагаемые в литературных источниках методы предварительной обработки ЭКС. Данные методы основаны преимущественно на математическом аппарате линейной цифровой фильтрации и выполняют две основные функции:

  • подавление имеющихся в сигнале помех;
  • выделение информативных признаков для дальнейшего анализа сигнала.

Предложена и обоснована следующая последовательность этапов предварительной обработки ЭКС:

  • устранение сетевой наводки;
  • анализ уровня помех;
  • фильтрация нижних частот;
  • фильтрация верхних частот.

Рассмотрены существующие подходы к решению задачи обнаружения QRS-комплекса ЭКГ, в основе которых лежат следующие группы методов:

  • вычисление производных сигнала;
  • линейная цифровая фильтрация;
  • адаптивная цифровая фильтрация;
  • согласованная фильтрация;
  • вейвлет-преобразование;
  • нейронные сети;
  • синтаксические методы.

Отмечено, что учитывая специфику ЭКС при длительном кардиологическом наблюдении, предпочтение следует отдавать методам, опирающимся на наиболее общие свойства и характеристики сигнала. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют методы, основанные на использовании цифровой фильтрации.

Рассмотрены наиболее широко используемые методы классификации QRS-комплексов ЭКГ по типам их морфологий:

  • на основе признаков формы, вычисляемых во временной области;
  • спектральные методы;
  • методы на основе корреляционных функций;
  • использование вейвлет-преобразования;
  • использование разложения на главные компоненты;
  • использование нейронных сетей.

Отмечены сильные и слабые стороны каждого из методов и предложено исследовать возможность решения задачи классификации форм QRS-комплексов путём комбинированного использования трёх наиболее распространённых и относительно простых в вычислительном отношении подходов: на основе признаков формы, корреляционного и спектрального методов.

Рассмотрены существующие методы анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР), используемые для получения количественных оценок регуляторного воздействия различных отделов вегетативной нервной системы на ритм сердца. Отмечено существование ряда проблем, затрудняющих получение корректных оценок спектральных показателей ВСР: нестационарность анализируемого сигнала, а также наличие в сигнале нарушений непрерывности, вызываемых помехами, нарушениями ритма и ошибками предшествующих алгоритмов обнаружения QRS-комплекса ЭКГ.

Рассмотрены методы и средства оценки качества разрабатываемых алгоритмов и программ автоматического анализа ЭКС, в частности – базы верифицированных записей электрокардиосигналов. Сформулированы требования, которые должны предъявляться к составу проверочных баз данных и к их программному обеспечению. Отмечено, что в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет база данных аритмий Массачусетского технологического института (MIT/BIH), которая в настоящее время де-факто стала всеобщим признанным стандартом для тестирования приборов, систем и программных средств, предназначенных для кардиологического наблюдения.

На основании проведённого анализа современного состояния методов автоматического непрерывного анализа электрокардиосигнала сформулирован вывод о необходимости комплексного подхода к разработке новых алгоритмов и методов. Комплексность, в частности, должна проявляться в согласованности всех этапов обработки сигнала, как по входным и выходным данным, так и по виду применяемых математических методов.

Предложена обобщённая структура комплекса алгоритмов автоматического анализа электрокардиосигнала в системах кардиологического наблюдения, включающая следующую последовательность процедур:

  • предварительная фильтрация ЭКС и оценка зашумлённости сигнала;
  • обнаружение QRS-комплекса ЭКГ и измерение RR-интервала;
  • анализ морфологии QRS-комплексов и их разделение на классы комплексов фонового ритма и патологии;
  • распознавание нарушений ритма сердца на основе информации о величинах RR-интервалов и классах морфологии QRS-комплексов;
  • анализ вариабельности сердечного ритма с использованием в качестве входного сигнала последовательности интервалов времени между QRS-комплексами фонового ритма (NN-интервалов);
  • анализ ишемических изменений кардиоцикла только для QRS-комплексов фонового ритма.

Сформулированы выводы по результатам рассмотрения состояния проблемы, а также актуальные задачи непрерывной автоматической обработки ЭКС, решение которых является предметом исследования в данной работе.

Вторая глава посвящена исследованию процедур предварительной фильтрация ЭКС, предшествующих алгоритмам, которые осуществляют анализ сигнала, и служащих для выполнения преобразований сигнала, направленных на улучшение условий работы и повышение эффективности этих алгоритмов. Предложено использовать следующую последовательность процедур предварительной обработки электрокардиосигнала:

  • подавление сетевой наводки;
  • оценка зашумлённости сигнала и отказ от дальнейшей обработки текущего фрагмента при недопустимо высоком уровне шумов;
  • фильтрация нижних частот (подавление высокочастотных помех);
  • фильтрация верхних частот (подавление низкочастотных помех и снижение относительной амплитуды T-зубцов ЭКГ);

На основании анализа публикаций по оперативному анализу ЭКС предложено использовать частоту дискретизации равную 250 Гц, что отражает разумный компромисс между достижением удовлетворительной точности представления ЭКС и стремлением к снижению вычислительных затрат при обработке сигнала в реальном масштабе времени.

В работе предложена методика экспериментального исследования алгоритмов предварительной фильтрации ЭКС, в основе которой лежит задача обеспечения наилучших условий для выделения желудочковых комплексов ЭКГ на фоне других компонент кардиоцикла и помех.

Исследование алгоритмов выполнено с использованием специально сформированного набора записей реального электрокардиосигнала. Данный набор включает 50 трёхканальных записей ЭКГ, длительностью по 60 с каждая. Частота дискретизации ЭКС составляет 250 Гц, а разрядность цифро-аналогового преобразования – 12 бит. Фрагменты были отобраны таким образом, чтобы они не содержали существенных помех и в то же время включали как QRS-комплексы фонового ритма, так и патологические желудочковые комплексы. Общее число QRS-комплексов в наборе – 3384, в том числе 3113 комплексов фонового ритма и 271 комплекс патологической формы. Все фрагменты ЭКГ были приведены к нулевым средним значениям и верифицированы: отмечены границы каждого комплекса и условный класс формы. Сформированный набор записей был случайным образом разделён на 2 одинаковых по объёму поднабора: обучающий (используемый для оптимизации параметров алгоритмов) и контрольный (для оценки качества разработанных алгоритмов).

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.