Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям Pages:     ||

На правах рукописи

Калиниченко Александр Николаевич

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭКГ В СИСТЕМАХ КАРДИОЛОГИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия

медицинского назначения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный консультант Ц

доктор технических наук, профессор Немирко А.аП.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Быков Р.аЕ.

доктор технических наук, профессор Гельман В. аЯ.

доктор технических наук Дюк В.аА.

Ведущая организация - Московский государственный технический университет им. Н.аЭ.аБаумана

Защита диссертации состоится л___ _________ 2008 г. в час. на заседании совета Д 212.238.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан л____ ___________ 2008 г.

Ученый секретарь совета Болсунов К.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Приборы и системы для медицины постоянно совершенствуются и обновляются. Это связано, с одной стороны, с развитием технологической базы электроники и вычислительной техники, а с другой - с появлением новых медицинских технологий, совершенствованием существующих и с расширением сфер применения медицинской техники.

Одна из наиболее важных задач медицинской электронной аппаратуры - это автоматический анализ биомедицинской информации, целями которого являются: оценка физиологических параметров организма, информационная поддержка диагностических решений врача, а также автоматическая диагностика патологических изменений состояния человека. В связи с этим, практически в любом виде медицинской аппаратуры в том или ином виде присутствуют вычислительные компоненты (микропроцессоры, встраиваемые микро-ЭВМ, персональные компьютеры), программное обеспечение которых реализует функции автоматической обработки данных.

При оценке состояния сердца и сердечно-сосудистой системы ключевую роль играет анализ электрокардиограммы (ЭКГ), представляющей собой запись наблюдаемых на поверхности тела проекций объёмных электрических процессов, происходящих в сердце. ЭКГ несёт информацию как о текущем состоянии сердечно-сосудистой системы, так и о патологических изменениях в самом сердце.

К настоящему времени проблема автоматической обработки и анализа электрокардиосигнала (ЭКС) сложилась в отдельное направление, разветвлённое на множество более частных задач, связанных с различными применениями и аспектами исследования сердечно-сосудистой системы. Одной из таких задач является длительный непрерывный контроль ЭКС, представляющий собой одну из важнейших функций аппаратуры для кардиологического наблюдения, к которой относятся приборы и системы для прикроватного и амбулаторного мониторного наблюдения ЭКГ, телеметрического наблюдения за состоянием организма, автономного контроля сердечной деятельности, функциональных исследований сердечно-сосудистой системы и решения ряда других задач.

Автоматический анализ ЭКС представляет собой достаточно сложную теоретическую проблему. Это в первую очередь связано с физиологическим происхождением сигнала, которое обусловливает его недетерминированность, разнообразие, изменчивость, непредсказуемость, нестационарность и подверженность многочисленным видам помех. Повышение эффективности методов автоматической обработки и анализа ЭКС сдерживается ограничениями, связанными с вычислительной мощность используемых процессоров. Это в наибольшей степени относится к аппаратуре непрерывного наблюдения, так как обработка сигналов в ней должна выполняться в реальном масштабе времени. С другой стороны, производительность вычислительных средств постоянно повышается. В связи с этим, становятся востребованными такие методы обработки и анализа сигналов, применение которых в системах реального времени представлялось ранее технически неосуществимым.

Основной задачей данной работы является разработка теоретической базы и практических методов для создания нового поколения алгоритмов длительного непрерывного автоматического анализа ЭКС, опирающихся на наиболее современные подходы к обработке сигналов и обладающие более высоким качеством работы, чем использовавшиеся ранее.

Внедрение разработанных методов и алгоритмов в приборы и системы медицинского назначения позволяет обеспечить повышение точности и надёжности формируемых диагностических заключений, что, в конечном счёте, способствует повышению эффективности диагностики и лечения патологий сердечно-сосудистой системы человека.

Цель диссертационной работы: Повышение точности и надёжности формирования диагностических заключений о состоянии сердечно-сосудистой системы человека в приборах и системах непрерывного кардиологического наблюдения за счёт развития новых компьютерных методов обработки электрокардиосигнала, а также создания алгоритмического и программного обеспечения, реализующего эти методы.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи исследования.

1. Обоснование и разработка общей логической структуры процесса обработки и анализа электрокардиосигнала в системах кардиологического наблюдения, ориентированной на достижение конечных целей автоматического анализа и обеспечивающей информационное согласование всех этапов обработки.
2. Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора параметров процедур предварительной цифровой фильтрации электрокардиосигнала, реализующих эффективное подавление помех и позволяющих обеспечить оптимальные условия для последующих стадий обработки и анализа сигнала.
3. Разработка и экспериментальное исследование эффективного и помехоустойчивого алгоритма обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ, обладающего способностью к адаптации как к сигналу конкретного пациента, так и к динамически возникающим изменениям электрокардиосигнала в ходе длительного непрерывного наблюдения.
4. Экспериментальное исследование статистических и частотных свойств электрокардиосигнала с целью обоснования выбора информативных признаков и разработки решающих правил для создания эффективного алгоритма автоматической классификации желудочковых комплексов ЭКГ по видам их морфологий.
5. Экспериментальное исследование частотных методов анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) и артериального давления человека с целью разработки новых процедур расчёта спектральных параметров, позволяющих получать математически корректные и статистически состоятельные оценки спектральных параметров указанных сигналов в условиях возможного появления помех и нарушений стационарности анализируемых процессов.
6. Создание новых программно-алгоритмических средств, предназначенных для использования в приборах и системах длительного кардиологического наблюдения и обеспечивающих повышение точности и надёжности решения задач автоматического анализа ЭКС с целью получения значимой для диагностики информации о состоянии сердечно-сосудистой системы человека.

Методы исследования. Для решения поставленных теоретических задач в диссертационной работе использовались методы математической статистики, спектрального анализа, математического моделирования, распознавания образов, анализа случайных процессов.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием наборов реальных записей сигналов, полученных как непосредственно в медицинских учреждениях, так и из доступных банков данных, в частности, из баз данных, размещённых на сайте Массачусетского технологического института (США) л Программное обеспечение для проведения экспериментов разрабатывалось с использованием программных сред MSаVisualаC++ и MATLAB.

Научная новизна результатов заключается в разработке и исследовании:

• комплексного подхода к созданию методов и алгоритмов автоматического непрерывного анализа электрокардиосигнала, заключающегося в ориентации на конечные цели обработки сигнала и в согласовании последовательных стадий обработки как по составу и виду входных и выходных сигналов, так и по используемым математическим методам анализа сигналов;
• методики оценки влияния параметров процедур предварительной цифровой фильтрации электрокардиосигнала на эффективность решения задачи обнаружения желудочковых комплексов ЭКГ в условиях наличия помех, а также разнообразия форм и изменчивости сигнала;
• метода автоматического обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ, учитывающего статистические характеристики и контекст электрокардиосигнала, обладающего высокой помехоустойчивостью, а также способностью адаптироваться к динамически возникающим изменениям сигнала;
• теоретической основы и методов для решения задачи классификации форм желудочковых комплексов ЭКГ по видам их морфологий с использованием информативных признаков, вычисляемых как во временной, так и в частотной областях;
• математической модели сигнала сердечного ритма, способной воспроизводить реалистичный сигнал с заданными значениями частотных параметров вариабельности сердечного ритма и предназначенной для тестирования и оценки качества методов математического анализа ВСР.
• методов и алгоритмов, обеспечивающих вычисление статистически состоятельных и надёжных оценок спектральных показателей вариабельности сердечного ритма и артериального давления, а также оценки фазовых взаимосвязей между этими сигналами в условиях существования нарушений непрерывности и стационарности сигналов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами использования математических методов анализа, теории исследования случайных процессов, результатами экспериментов с использованием как модельных, так и реальных сигналов, оценкой эффективности разработанных алгоритмов и методов, а также результатами практического использования созданных алгоритмических и программных средств.

Практическую ценность работы представляют следующие полученные в диссертационной работе результаты.

1. Методы и алгоритмы автоматического анализа электрокардиосигнала, предназначенные для использования в составе программно-алгоритмического обеспечения приборов и систем медицинского назначения:

• обобщённая логическая структура алгоритмического обеспечения систем кардиологического наблюдения, решающего задачу получения значимой для диагностики информации о текущем состоянии сердечно-сосудистой системы человека.
• алгоритмы предварительной цифровой фильтрации электрокардиосигнала и оценки уровня шумов, обеспечивающие эффективное подавление помех и создающие оптимальные условия для работы последующих стадий анализа сигнала;
• алгоритм обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ, решающий задачу текущего контроля частоты сердечных сокращений и определения значений RR-интервалов, используемых далее для анализа ритма сердца и его нарушений;
• алгоритм классификации форм желудочковых комплексов ЭКГ, результаты работы которого используются для последующего анализа вариабельности сердечного ритма, распознавания аритмий и анализа ишемических изменений кардиоцикла ЭКГ;
• алгоритмы расчёта частотных параметров вариабельности сердечного ритма и совместных характеристик сигналов сердечного ритма и артериального давления, предназначенные для оценки вегетативной регуляции ритма сердца в системах для кардиологического наблюдения и функциональной диагностики.

2. Прикладные программные средства, реализующие предложенные алгоритмы анализа электрокардиосигнала и предназначенные как для использования в приборах и системах кардиологического наблюдения, так и для решения исследовательских задач.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее эффективное решение задач автоматической обработки и анализа электрокардиосигнала достигается при условии информационного и логического согласования всех этапов обработки сигнала с ориентацией на конечные цели анализа.
2. Выбор оптимальных параметров процедур предварительной фильтрации электрокардиосигнала позволяет существенно повысить эффективность обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ. При этом наилучшие результаты обеспечиваются при последовательном использовании адаптивной фильтрации сетевой наводки и полосовой фильтрации в диапазоне частот от 5 Гц до 30 Гц.
3. Повышение качества процедуры обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ достигается за счёт использования алгоритма, учитывающего контекст электрокардиосигнала и его статистические параметры, а также обладающего способностью к адаптивному отслеживанию динамически изменяющихся свойств сигнала.
4. Использование двух синхронно снимаемых отведений для решения задачи обнаружения желудочкового комплекса ЭКГ даёт существенный прирост качества работы алгоритма по сравнению со случаем использования одного отведения. В то же время, добавление третьего отведения ЭКГ сказывается на результатах работы алгоритма незначительно.
5. Задача классификации форм желудочковых комплексов ЭКГ наиболее эффективно решается за счёт одновременного использования морфологических признаков, рассчитанных альтернативными методами: во временной области, в частотной области, с использованием корреляции. При этом наилучшие результаты даёт совместное использование частотного и корреляционного методов.
6. Наибольшей точностью и статистической устойчивостью обладают спектральные оценки вариабельности сердечного ритма, рассчитанные периодограммным методом на основе быстрого преобразования Фурье при использовании прямоугольного окна.
7. Наиболее точные оценки показателей фазовых соотношений (задержек) между сигналами сердечного ритма и мгновенного артериального давления получаются с использованием метода непосредственного сопоставления фазовых спектров, рассчитанных отдельно для каждого из сигналов, при условии наличия существенной когерентности меду сигналами в соответствующих частотных диапазонах.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и прикладных исследований использовались при выполнении НИР в СПбГЭТУ ЛЭТИ (более 20 проектов). Pages:     ||    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям