автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для оценки состояния сосудов

На правах рукописи

004603627

КЫЧКИН Алексей Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СОСУДОВ

Специальность 05.11,16-Информационно-измернтельные и управляющие системы (в промышленности и медицине)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О МЮН 2910

Уфа - 2010

004603627

Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии и автоматизированные системы» ФГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

кандидат технических наук, доктор экон. наук, профессор Файзрахманов Рустам Абубакирович

доктор технических наук, профессор Галиев Анвар Лутфрахманович Стерлитамакская государственная педагогическая академия им. Зайнаб Биишевой, проректор по НР и ИД

кандидат технических наук, доцент Бакусов Леонид Михайлович Уфимский государственный авиационный технический университет, доцент кафедры «Автоматизированные системы управления»

Ведущая организация: Ижевский государственный

технический университет

сю

Защита состоится «_[&_» К.изм.я 2010 года в |о_часов

на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан« » Мд-Я 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Утляков Г.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К настоящему времени накоплен большой фактический материал по изучению, разработке и внедрению в медицинскую практику методов исследования гемодинамики, моделирования пульсового движения крови в сосудах и установления диагностических признаков состояния кровеносной системы человека (Asmar R., Бакусов JI.M., Затейщикова А.А., Педли Т., Регирер С.А. и др.). Возросший интерес к этому вопросу объясняется тем, что свойства эластичности сосудов играют большую роль в кровообращении. Однако по данным ВОЗ (2006 г.) во всем мире смертность от сердечно-сосудистых заболеваний занимает первое место (30% от всех заболеваний), по данным World Health Statistics (2008 г.) - 9,7% заболеваний сосудов, 12,2% заболеваний сердца. Высокие показатели заболеваемости сосудистой системы человека, поражение людей все более молодого возраста, делают эту проблему одной из важнейших в современном здравоохранении.

Для решения задач определения параметров сосудов и способов оценки их состояния применяют сфигмографический метод (Валтнерис А.Д., Власова С.П., Савицкий Н.И. и др.), основанный на анализе графического изображения формы пульсовой волны (ПВ), и являющийся доминантным представителем доступных физиологических подходов. Данный метод реализуется с помощью стационарных комплексов для оценки состояния сосудов. Однако применяемые устройства имеют существенные ограничения и не в полной мере удовлетворяют потребностям практической медицины. Это вызвано низкой оперативностью исследований, высокой стоимостью оборудования, необходимостью высокой квалификации сотрудников, а также проведением обследований в условиях стационара, ограниченностью каналов снятия сигналов и другими факторами. Практика показывает, что главным ограничением, препятствующим корректной постановке диагностических заключений о состоянии сосудов, является то, что число измеряемых параметров фиксировано, и значительная часть информации о состоянии пациента при выявлении заболеваний учитывается не всегда.

Сложившаяся ситуация свидетельствует о развивающемся несоответствии между высоким уровнем заболеваемости и состоянием инструментальных средств для диагностики сосудов человека. Отсюда возникает потребность в исследованиях и разработках перспективных информационно-измерительных систем (ИИС), применение которых позволит увеличить число одновременно регистрируемых параметров, обеспечить передачу измерительной информации в режиме реального времени (РРВ), структурирование и хранение данных, а также оперативную обработку и анализ результатов измерений с использованием программного обеспечения ПЭВМ (Гусев В.Г., Мейзда Ф., Новопашенный Г.Н., Цапенко М.П., Цветков Э.И. и др.). Развитие таких ИИС позволит реализовать новые методы, повышающие эффективность диагностических процедур

и обеспечивающие раннюю диагностику, а также соответствовать своевременности, оперативности и достоверности оценки состояния сосудов.

Таким образом, разработка и исследование метода оценки состояния сосудов и ИИС, осуществляющей автоматизированную регистрацию ПВ, хранение, обработку результатов измерений и комплексный анализ биомедицинской измерительной информации (ИзИ), является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является повышение оперативности процесса измерений и достоверности оценки характеристик состояния крупных сосудов человека на основе методов и ИИС регистрации и обработки информации о ПВ.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов и технических средств оценки состояния сосудов человека;

2. Разработан оригинальный метод оценки состояния сосудов на основе измерения формы и скорости распространения ПВ (СРПВ), обеспечивающий повышение оперативности и достоверности обработки результатов измерений;

3. Предложена ИИС оценки характеристик состояния крупных сосудов человека, обладающая элементами новизны и реализующая предложенный метод оценки состояния сосудов по параметрам ПВ;

4. Разработан комплекс алгоритмов, программное и информационное обеспечение, реализующие процессы взаимодействия и функционирования компонентов ИИС;

5. Проведена экспериментальная проверка функциональных элементов и ИИС в целом по оценке точности характеристик параметров сосудов, а также выполнения классификационных процедур.

Методы исследования основаны на использовании аппарата теории ИИС, методов статистической обработки результатов измерений, информационных технологий, систем реального времени, объектно-ориентированного подхода при создании программ.

На защиту выносятся:

1. Метод оценки состояния сосудов на основе измерения формы и СРПВ, позволяющий повысить оперативность и достоверность диагностических процедур на основе комплексной обработки параметров ПВ, зарегистрированных в нескольких точках наблюдения.

2. Структура ИИС, реализующей предложенный метод оценки состояния сосудов по параметрам ПВ.

3. Комплекс алгоритмов, программное и информационное обеспечение ИИС для оценки состояния сосудов человека, обеспечивающие регистрацию ПВ в режиме реального времени и комплексную обработку результатов измерений.

Научная новизна результатов работы:

1. Предложен новый метод оценки состояния сосудов человека, отличающийся от известных одновременной регистрацией ПВ в различных точках наблюдения одного или разных сосудов с учетом информации о пациенте, суть которого заключается в формировании интегральной оценки состояния сосудов по параметрам формы сигнала ПВ и скорости ее распространения в различных точках поверхности тела человека.

2. Теоретически обоснована структура ИИС оценки состояния сосудов по параметрам ПВ, реализующая предложенный метод, обладающая элементами новизны, отличающаяся от известных модульной структурой, наличием модуля с произвольным числом каналов для измерения, модуля синхронизации, а также модуля накопления данных, модуля обработки результатов измерений и оценки параметров. Применение ИИС предложенной структуры позволяет повысить оперативность и достоверность оценки состояния сосудов. Новизна технического решен™ подтверждается патентом на изобретение № 2344753 от 27.01.2009 г.

3. Разработаны комплекс алгоритмов, программное и информационное обеспечение ИИС предложенной структуры, обеспечивающие реализацию и взаимодействие функциональных модулей системы, предоставляющие юзабель-ный интерфейс пользователю, а также возможность воспроизведения результатов измерений и расчета оценок параметров и дальнейшего развития самой ИИС.

Практическая значимость. Программное обеспечение и беспроводные датчики ПВ используются в деятельности Пермской государственной медицинской академии им. Вагнера в учебном процессе и исследованиях при формировании и накоплении знаний о процессах и механизмах возникновения и развития заболеваний сосудов, а также при разработке и обучении новым методикам диагностирования атеросклероза крупных артерий.

Полученные результаты могут быть использованы в медицинских исследовательских институтах для раскрытия ключевых факторов, определяющих необходимость развития методов заблаговременного обнаружения отклонений в работе сосудов, обнаружения начальной стадии развития заболевания и его патологических форм, формирования этапов лечения в зависимости от истории заболеваний. ИИС рекомендована к применению для скрининг-диагностики атеросклероза, пульсовой диагностики, может быть использована в больницах.

Компактность аппаратных средств и возможности тиражирования позволяют использовать ИИС вне стационарных обследований, т.е. в автомобилях скорой помощи, при персональном контроле состояния сосудов, для контроля здоровья персонала опасных производств и др. Система может применяться при массовых обследованиях населения, что предусматривает Федеральная целевая программа «Здоровье».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах, в том числе на

XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2009), XI Международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (г. Самара, 2009), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации" (г. Ульяновск, 2009), Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика. Инновационные направления в энергетике. СЛЬв-технологии в энергетике" (г. Пермь, 2007), Всероссийской научно-практической конференции "Автоматизированные системы управления и информационные технологии" (г. Пермь, 2006), краевых научно-технических конференциях, научно-методических семинарах Пермской государственной медицинской академии им. Вагнера.

Основные практические результаты, полученные в настоящей работе экспонировались на следующих научных и инновационных выставках: XI Московский Международный Салон промышленной собственности "Архимед-2008" (г. Москва, 2008), I Всероссийский молодежный Конвент (г. Москва, 2008). Разработка "Информационная система диагностики атеросклероза сосудов человека" удостоена медали и диплома II степени на международной выставке "Архимед-2008", проходившей в рамках XI Московского Международного Салона промышленной собственности "Архимед" г. Москва, 2008 г. Разработка "Информационная система диагностики сосудов человека по пульсовой волне" включена в 100 лучших инноваций России по направлению "Информационно-телекоммуникационные системы" в рамках I Всероссийского инновационного Конвента, г. Москва, 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 публикациях, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 1 статья в сборнике научных трудов, 7 материалов конференций, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на изобретение.

Объём и структура работы. Работа изложена на 186 страницах, включает 62 иллюстрации и 13 таблиц, 148 наименования использованных литературных источников на 12 страницах, 3 приложения на 37 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные положения, раскрывающие состояние проблемы и актуальность диссертационного исследования, его научную новизну, практическую значимость, описаны цель и задачи работы.

Первая глава "Современное состояние информационно-измерительных систем в медицинской диагностике" посвящена аналитическому обзору существующих методов, используемых технологий и инструментов для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека. Изложено текущее состояние ИИС, осуществляющих сбор, обработку, передачу, хранение и анализ ИзИ, а также рассмотрены классификации элементов структуры медицинских диаг-

ностических систем.

Сделан вывод о недостаточном уровне развития теоретических и практических аспектов создания ИИС, пригодных для лечебных учреждений с целью раннего выявления и профилактики заболеваний сосудов. Поэтому существует реальная потребность в недорогих ИИС для оценки состояния сосудов, обеспечивающих повышение оперативности проведения диагностического обследования больных. Показано, что повышение эффективности оценки состояния сосудов возможно при увеличении объёмов одновременно оцениваемой ИзИ и количества измеряемых и учитываемых при диагностировании параметров. Это достигается за счет разработки и применения ИИС, включающей в себя: компьютерный регистратор, содержащий первичные измерительные преобразователи; анализатор, обеспечивающий компьютерную обработку измерений; систему многоканальной передачи ИзИ и сигналов управления (рисунок I).

И9

Рисунок 1 - Обобщенная информационная модель ИИС для оценки состояния сосудов человека: И[ - первичная ИзИ: данные формы колебаний сосудов; И2 - дополнительные параметры пациента; И3 - графическое представление измерений в виде формы ПВ; И4 - управление командами врача, ввод/вывод информации о пациенте; получение диагнозов: И5 - передача информации в рамках каналов связи; И6- служебная и оперативная информация; И7- экспертная оценка и ввод диагнозов, контроль функционирования системы; И» - управление командами врача, рекомендации и диагностические заключения; И9, И|0- альтернативное диагностирование сосудов; И| 1 - информационные запросы

Вторая глава посвящена разработке и исследованию ИИС для оценки состояния сосудов на основе обработки результатов измерений сигналов ПВ. Сформулированы особенности и основные требования, предъявляемые к ИИС оценки состояния сосудов. Предложен новый метод оценки состояния сосудов, обеспечивающий одновременную регистрацию ПВ и формирование интегральной оценки состояния сосудов по параметрам формы сигнала ПВ в различных точках тела человека.

На основании предложенного метода составлена схемы функционирования ИИС для оценки состояния сосудов, гарантирующей эффективную автоматическую регистрацию и ЦОС ПВ, распознавание состояния сосудов. Построена обобщенная функционально-алгоритмическая структура, включающая в себя базовые подсистемы: сбора данных с датчиков ПВ, обработки данных, оценки состояния сосудов, хранения данных (рисунок 2).

Исследуемый пациент

"д * ™равлениесб .. Ш '

¡ЯЯ^^^ЖгШйгШгжуЯ информации кирига?^

> нилмспипии№ир СЖД Д □тлмятмирр^пр ВЖЯ

Ьиомедицинские

о ю о

о. й ю -9-

о 5

X I

Медицинский персонал, оперативные службы, органы управления

Рисунок 2 - Функционально-алгоритмическая структура ИИС для оценки состояния сосудов. Д - датчики, регистрирующие сигналы ПВ; КС - каналы связи; ПК - персональный компьютер

При использовании существующих методов создания программно-аппаратного обеспечения ИИС, регламентируемых стандартами, учтены сформулированные особенности и конкретизированы подсистемы на всех этапах ее разработки. Теоретически обоснована структура ИИС оценки состояния сосудов по параметрам ПВ, реализующая предложенный метод, обладающая модульной

структурой (рисунок За), включающей модуль с произвольным числом каналов для измерения, модуль синхронизации, а также модуль накопления данных измерений и модуль обработки результатов измерений и оценки параметров. Схемотехнически проработаны компоненты ИИС: беспроводные датчики ПВ и УСД (рисунок 36).

КС

ИС 1 ИС 2

ИС1

Д1

ДЗ I-«.-*

Д2

Д.}:;

ИК БС

УСД

ПК р

ип

> БД

ПК А

БВ

иэ

Рисунок За - Струетура ИИС: ИС/ - исследуемый сосуд, Д/ - датчики ПВ, ИК БС - измерительный канал на основе беспроводной сети, УСД-устройство синхронизации и сбора данных, ПК Р - компьютерный регистратор, ПК А - компьютерный анализатор, ИП - интерфейс пользователя, ИЭ - интерфейс эксперта, П - пользователь, Э - эксперт, БД - база данных, БВ - блок вывода, КС - компьютерная сеть

Рисунок 36 - Структура компонентов ИИС: Д и УСД: 3 - пьезоэлектрическая пластина, 4 и 7 - усилитель, 5 и 6 - фильтр, 8 и 15 - МК, 9 и 16 - элемент памяти, 10 и 14 — беспроводной модуль, 11 и 13 - антенна, 12 и 23 - аккумуляторы, 17 - контроллер дисплея, 18 - дисплей, 19 - клавиатура, 20 - С5М-модем, 21 и 22 - драйвер и разъем £/£В

Следствием предложенной структуры является повышение оперативности и достоверности оценки состояния сосудов, а также повышении масштабируемости ИИС, обеспечении интегрируемости с современными типовыми ПК.

Третья глава "Алгоритмическое и программное обеспечение ИИС" посвящена разработке методов и алгоритмов оценки состояния сосудов человека на основе сбора в РРВ, обработки ИзИ о ПВ с помощью цифровой фильтрации и контурного анализа. В главе также рассматривается структура разработанного программного обеспечения ИИС, реализующего процессы регистрации, представления и хранения информации о ПВ, а также обеспечивающего автоматизированное получение результатов обработки измерений.

Дается формализованное описание процесса измерения важного диагностического показателя (ДП) - скорости распространения ПВ (СРПВ) и оценки состояния сосудов по нескольким показателям. Для этого введены компоненты: Л - множество сигналов ПВ, регистрируемых в точках 0\ .. О/, Т - множество моментов времени расчета ДП Л г,-. Сбор информации о ПВ осуществляется с нескольких точек человеческого тела одновременно и синхронизировано, после чего производится расчет временной задержки волны. Зная расстояние между исследуемыми точками, вычисляется ДП - СРПВ. На рисунке 4 приводится графическая интерпретация процесса измерения временной задержки между точками нарастания форм колебаний сосудов.

Предложено для устранения помех и несистематических компонент использовать способ локального усреднения данных с помощью фильтрации, включающей в себя метод устранения случайных одиночных импульсов при движении пациента, вызванных высокой чувствительностью пьезоэлектрического датчика, и сглаживания фильтром простого и экспоненциального скользящего среднего. Предложены алгоритмы, реализующие их численные методы, обеспечивающие высокую производительность при непрерывной автоматической обработке на ПК.

Для решения поставленной задачи по обработке ИзИ и расчету ДП на основании совместного анализа нескольких ПВ предложен метод контурного анализа (рисунок 5). Разработаны алгоритмы обработки ИзИ, позволяющие проводить расчет ДП на основе совместного анализа нескольких ПВ, зарегистрированных в различных точках на сосудах: справа и слева на бедренной, берцовой, плечевой, лучевой, височной артериях, а также на сонной артерии.

Приведена постановка задачи выбора состояния сосудов из множества I) = {£/,, ¿2,... сЦ, где п - количество диагнозов. Выбор осуществляется на ос-

Рисунок 4 - Графическая интерпретация измерений ПВ в РРВ

нове полученных ДП и других параметров пациента: Р = {р\,рг, — рт}, где т -количество параметров. Приняты следующие ДП для заданного типа исследуемой артерии и характеристики пациента: р\ - СПРВ, рг - кровяное давление (систолическое, диастолическое), р3 - рост, рц - вес, - возраст, р6 - пол, р7 -частота пульса (уд/мин). Могут использоваться и дополнительные ДП.

Х2, Хк

-> Р

Рисунок 5 - Блок-схема метода обработки ИзИ о ПВ для расчета СРПВ. Компоненты: Р - ДП, Ж/ - ПВ в различных точках. Функции: 1 - редактирование, 2 - масштабирование, 3 - предварительная подготовка, 4 - удаление тренда, 5 - идентификация контрольных точек, 6 - определение периодов, 7 - расчет длительности среднего периода, 8 - калибровка периодов

Разработан метод и реализован алгоритм работы подсистемы оценки состояния сосудов, построенный в соответствии с концепцией статистической классификации различных ДП с учетом того, что параметры состояний могут быть известны или определяться экспериментальным путем. Выделяется два основных режима. Первый режим - заполнение БД. В этом случае проводится исследование сосудов и расчет ДП ПВ. Данные о пациенте, сигналы заданной длительностью, зарегистрированные в нескольких точках, и рассчитанные т-ДП Р сохраняются в БД, содержащую N измерений. Одновременно с этим, эксперт проводит исследование сосудов данного пациента с помощью известных методов, например с помощью ультразвуковой диагностики. Учитывая историю болезни пациента, эксперт формирует заключение О о стадии развитии заболевания, которое заносится в БД. Во втором режиме пользователь ИИС обращается к БД, при этом измеренные параметры исследуемого пациента соотносятся с параметрами классов с известными экспертными заключениями, и определяется результирующее состояние сосудов.

Разработаны алгоритмы работы сети датчиков для режимов инициализации, измерения, обнаружения и компенсации ошибок. Алгоритм измерения основан на совместном параллельном выполнении задач каждого МК в датчиках и УСД. На основании алгоритма работы датчиков создана и исследована модель оригинального адаптированного протокола передачи ИзИ в беспроводной сети датчиков, обеспечивающего на канальном уровне мультиплексирование потоков данных ПВ в РРВ, рисунок 6.

Разработанный протокол позволяет идентифицировать точку наблюдения, обеспечить диспетчеризацию и формирование индексируемых пакетов данных

измерений, синхронизацию доступа к каналу передачи информации, обнаружение и компенсацию ошибок. Определено, что максимальное количество тайм-слотов между синхронизациями в сети с предложенным протоколом равно 45; максимальное число датчиков - 101.

Е1

Л_»

п

п+2

г+1^ п+2

1.МС

I, мс

I, мс

1 ;

р~] отправка сообщения датчиками ^ аналого-цифровое преобразование Р"1! смена режима прием/отправка

3 п п+1

Г7! отправка синхронизирующего сообщения | [ прием сообщения модулем сбора данных

П+21

Рисунок 6 - Временная диаграмма протокола передачи данных с датчиков ПВ

Разработана система ПО, предоставляющая пользователю юзабельный интерфейс, обеспечивающий удобство его применения в графическом, диалоговом и ^^-ориентированном режимах работы, логичность и простоту в расположении элементов управления. Система программного и информационного обеспечения включает СУБД, \veb-портал для удаленного доступа к БД и программную инструментальную оболочку, реализующую функционирование программ эксплуатации, представленных на рисунок 7.

Программная инструментальная оболочка

X

Программы эксплуатации

Регистрация сигналов

Управление передачей данных

Визуализация в режиме реального времени

Автоматический сбор данных

г- Диагностика

щ

Расчет диагностам, параметров

Статистическая классификация по диагностич. параметрам

Идентификация состояния

Управление информацией

Расчет дополн. параметров

Вывод справочной информации

Дублирование информации

Справочная служба

Данные медицинских учреиздений

Данные сотрудников, экспертов, пациентов

Свойства диагнозов

Свойства измерений и исследований

Подпрограммы обслуживания базы данных

Ввод служебной информации

Ввод информации о пациенте

Ввод диагнозов

Сбор информации о ПВ

Поиск и замена информации

Заполнение исследований

Рисунок 7 - Структура программной инструментальной оболочки ИИС

УКеЬ-портал включает в себя: модуль аутентификации пользователей; модуль, разбивающий экран на фреймы, содержащие информацию о пациентах, измерениях, график формы ПВ; модуль выводы списка пациентов; модуль вывода результатов измерений; модуль вывода графиков ПВ; модуль ввода данных. Результатом проведенного схемно-структурного проектирования, включающего проектирование логического и физического уровней, получена СУБД-ориентированная структура БД и спецификации прикладных программ.

Высокая эффективность ИИС оценки состояния сосудов достигается благодаря возможностям аппаратной платформы и программной оболочки, обеспечивающим комплексную автоматизацию задач сбора и обработки информации, проверки и редактирования контрольных точек формы ПВ и выполнения расчетов ДП в автоматическом или автоматизированным режиме, идентификации состояния сосудов на основе статистического анализа данных БД; многопользовательского режима; кроссплатформенности; масштабируемости.

В четвертой главе рассматриваются вопросы реализации и результаты исследования ИИС. Создана печатная плата и произведен монтаж компонентов аппаратной платформы ИИС, содержащей беспроводной датчик ПВ, имеющий компактные размеры, и УСД (рисунок 8, 9). На рисунке 10 показан датчик ПВ с чувствительным элементом и манжетой для крепления.

Рисунок 8 - Внешний Рисунок 9 - Внешний Рисунок 10 - Внешний вид вид датчика ПВ вид УСД датчика ПВ с манжетой

Разработаны портативные беспроводные датчики регистрации ПВ, использование которых необременительно для пациента. Проведенный анализ конструкции датчиков показал высокий уровень технологичности, соответствующий всем требованиям к современным электронным устройствам и обеспечивающий минимальные затраты промышленного производства при заданных показателях качества.

Программная инструментальная оболочка реализована на объектно-ориентированном языке С#, и все алгоритмы в ней разбиты по классам, каждый из разработанных классов описан в формате ЦМЬ. Проведено экспериментальное исследование сбора, обработки и анализа реальных сигналов ПВ. Для обес-

печения устойчивой и безошибочной беспроводной передачи ИзИ рекомендовано проводить сбор данных с датчиков ПВ, находящихся на расстоянии не более 5,5 м от УСД.

Результаты диссертационной работы внедрены в ПГМА им. Вагнера, г. Пермь. Установлено, что разработанная ИИС позволяет автоматизировать весь комплекс работ по оценке состояния сосудов на основе исследуемых параметров, повышает оперативность и достоверность диагностических процедур, и может быть использована для скрининг-диагностики, выявления патологических форм заболеваний и в рамках массовых исследований. Разработана методика применения ИИС, позволяющая оперативно подготовить медицинский персонал для работы с системой, сократить время обучения и приобретения навыков медицинским специалистам для работы в рамках ИИС для оценки состояния сосудов.

Проведена оценка значений основных и дополнительных погрешностей результатов обработки измерений и расчета временной задержки распространения ПВ. Для этого была разработана методика статистической проверки результатов обработки на эталонном сигнале длительностью 60 секунд, и стенд экспериментальной проверки на базе микропроцессорного устройства ЯТСи-04. Для работы инструментальной программной оболочки с экспериментальной установкой создан программный модуль, включающий в себя блок работы с таблицей БД, хранящей результаты экспериментальной проверки, а также блок анализа результатов обработки измерений, реализующий расчет погрешности. Результаты исследования точности представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты исследования погрешности измерений датчиков ПВ

№ п/п Наименование погрешности и ее характеристики Заданная задержка (чс) и значение погрешности Среднее значение

20 40 60 во 100

1 Абсолютная погрешность 0,3 0,2 0,5 0,3 0,4 0,34

2 Относительная погрешность 4,6567 2,4377 1,6809 1,0615 1,0877 2,1865

3 Систематическая составляющая погрешности 0,2083 0,75 0,3333 0,0333 0,0667 0,2783

4 Средняя квадратическая погрешность 1,4944 1,5492 1,5811 1,3375 1,7127 1,5350

Проведенные исследования с помощью разработанной методики и экспериментального стенда для оценки точности измерений датчиков ПВ подтвердили работоспособность ИИС. Полученные результаты говорят о высокой точности измерения датчиками временных интервалов на коротких и продолжительных диапазонах измерений. Экспериментальные исследования позволил установить, что вероятность ошибки классификации в системе обработки измерительной информации составляет 0,045.

Результаты использования ИИС в ПГМА и городской клинической больницы №2 имени Ф.Х. Граля г. Перми при обследовании студентов и больных пока-

зали, что форма ПВ у здоровых людей по основным структурным параметрам совпадает. С другой стороны, наблюдается изменение характеристик формы в зависимости от состояния человека, состояния его сосудов, что свидетельствует о важности оценки формы сигнала ПВ в использовании при диагностике различных заболеваний. Аналогично показала себя оценка скорости распространения пульсовой волны. Независимо от количества точек процедура измерения и расчет оценок занимает несколько минут, что в разы меньше времени исследования традиционными методами только для одной точки.

Предложенная ИИС позволяет реализовать дистанционную распределенную схему диагностики заболеваний сосудов в целях формирования интегральных оценок по различным категориям и слоям населения и определения мер по профилактике. Сформулированы основные направления развития ИИС, ее перспективы, а также рекомендации к практическому применению. Дальнейшее развитие научных исследований й их практических приложений возможно по направлению пульсовой диагностики, дистанционных технологий измерений и т.д.

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

В приложениях содержаться исходные тексты программ инструментальной программной оболочки и м>е6-портала, а также реализация программы для стенда оценки точности датчиков ПВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача повышения оперативности процесса измерений и достоверности оценки характеристик состояния крупных сосудов человека на основе методов и ИИС регистрации и обработки информации о ПВ. Получены следующие основные научные выводы:

1. Анализ существующих средств для оценки состояния сосудов человека позволил сделать вывод о необходимости разработки и исследования доступных методов и ИИС, пригодных для лечебных учреждений с целью раннего выявления и профилактики заболеваний сосудов, обеспечивающих повышение оперативности проведения диагностических обследований.

2. Предложен новый метод оценки состояния сосудов человека, отличающийся от известных одновременной регистрацией ПВ в различных точках наблюдения одного или разных сосудов, суть которого заключается в формировании интегральной оценки состояния сосудов по параметрам формы сигнала ПВ и скорости ее распространения на локальных участках сосудов.

3. Теоретически обоснована структура ИИС оценки состояния сосудов по параметрам ПВ, реализующая предложенный неинвазивный метод. Установлено, что независимо от количества точек процедура измерения и расчет оценок занимает несколько минут, что значительно меньше времени традиционных

методов только для одной точки. Новизна технического решения подтверждается патентом на изобретение № 2344753 от 27.01.2009 RU.

4. Разработан комплекс алгоритмов и программы функционирования ИИС предложенной структуры. Создана система ПО с юзабильным пользовательским интерфейсом, включающая в себя СУБД, wei-портал, программную инструментальную оболочку, которая позволяет выполнять расчеты СРПВ в автоматическом или автоматизированным режимах, а также проводить имитационное моделирование процедур статистической классификации ДП. Получены свидетельства о регистрации программ "Монитор пульсовой волны" и "WEB-портал монитора пульсовой волны" (№2008615714 и №2008615713 от 28.11.2008 г.).

5. Исследованы особенности и технические возможности функциональных узлов ИИС. На основании разработанного алгоритма работы датчиков создана и исследована модель протокола передачи ИзИ. Подтверждена работоспособность системы с помощью созданного стенда. Установлено максимальное количество таймслотов между синхронизациями измерений - 45; максимальное число одновременно работающих датчиков -101; вероятность ошибки классификации в системе обработки ИзИ - 0,045.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в ПГМА им. Вагнера, г. Пермь. Отработана методика оценки состояния сосудов. В ходе экспериментальных исследований ИИС установлено соответствие морфологии, характерных особенностей ПВ различных артерий и показателя СРПВ результатам, полученным с помощью известных традиционных методов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Модель синтеза структуры автоматизированной системы сбора и обработки данных на базе беспроводных датчиков / Кычкин A.B. // Автоматизация и современные технологии, 2009, -№ 1. - С. 15-20.

2. Алгоритмическое и программное обеспечение информационной системы диагностики атеросклероза / Файзрахманов P.A., Кычкин A.B. // Проблемы управления, 2009, -№ 2. - С. 66-70.

3. Разработка мобильного комплекса регистрации пульсовой волны / Кычкин A.B. // Датчики и системы, 2009. - № 7. - С. 20-24.

В других изданиях

4. Современная информационная система медицинской диагностики сосудов человека / Кычкин A.B., Шиловских П.А., Артемов С.П. // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: обл. науч.-техн. конф., - Пермь, 2005. - С. 49-58.

5. Автоматизированная система дистанционного сбора и обработки информации с датчиков пульсовой волны / Кычкин A.B., Файзрахманов P.A. //

Автоматизированные системы управления и информационные технологии: все-рос. науч.-практ. Интернет-конф. - Пермь, 2006. - С. 213-221.

6. Создание программного обеспечения для модулей удаленной телеметрии и управления подвижным объектом. / Файзрахманов P.A., Кычкин A.B., Франк Т., Беш К. // Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике: I всерос. науч.-техн. Интернет-конф. - Пермь, 2007.-С. 68-76.

7. Модель системы сбора и обработки данных на основе беспроводных сетей / Кычкин A.B., Файзрахманов P.A. // Молодежная наука Прикамья - 9: сб. науч. тр. краев, конф. - Пермь, Перм. гос. тех. ун-т, 2008. - С. 100-104.

8. Информационная диагностическая система Pulse Monitor / Файзрахманов P.A., Кычкин A.B., Трегубов A.A., Шайхаторов Р.В., Инго Мури // Электротехника, информационные технологии, системы управления: Вестник ПГТУ. № 2,2008. -С. 209-215.

9. Монитор пульсовой волны / Кычкин A.B., Файзрахманов P.A. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008615714 от 28.11.2008 г.

10. Web-портал монитора пульсовой волны / Кычкин A.B., Файзрахманов P.A. //Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008615713 от 28.11.2008 г.

11. Патент № 2344753 Россия, МПК А61В 5/02 2007119222/14; заявл. 23.05.07; опубл. 27.01.09, Бюл. №3. Устройство для регистрации скорости распространения пульсовой волны / Кычкин A.B., Файзрахманов P.A.

12. Протокол синхронизированного сбора данных с датчиков пульсовой волны / Кычкин A.B., Андреев Е.И., Темичев A.A. // Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации: всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи - Ульяновск, 2009. -С. 566-571.

13. Диагностическая модель оценки состояния сосудов человека на основе нечеткого классификатора / Кычкин A.B., Бакунов P.P., Кузьмин А.О. // Современная техника и технологии: XV междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2009. - С. 545-547.

14. Разработка интеллектуальной системы поддержки принятия решений для диагностики атеросклероза / Кычкин A.B., Берг М.Д., Файзрахманов P.A. // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: XI междунар. конф. - Самара, 2009. - С. 491-497.

Кычкин Алексей Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СОСУДОВ

Специальность 05.11.16-Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности и медицине)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.05.10. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 941 /2010. Издательство

Пермского государственного технического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33.

Список используемых сокращений.

Введение.

1 Современное состояние информационно-измерительных систем в медицинской диагностике.

1.1 Медицинская диагностика состояния ССС человека.

1.2 Аналитический обзор информационных систем регистрации, обработки и анализа информации для оценки состояния сосудов.

1.2.1 Системы передачи и хранения данных.

1.2.2 Устройства съема биомедицинских сигналов.

1.2.3 Системы регистрации и анализа сигналов.

1.2.4 Идентификация диагностических параметров.

1.2.4.1 Контурный анализ сигналов пульсовой волны.

1.2.4.2 Методы статистического и спектрального анализа биомедицинских данных.

1.2.4.3 Исследование зависимостей и снижение размерности.

1.2.5 Модели и методы идентификации состояния сосудов.

1.3. Основные требования к информационно-измерительной системе для оценки состояния сосудов человека.

1.4. Выводы по главе.

2 Разработка ИИС для оценки состояния сосудов.

2.1 Мониторинг состояния сложных биологических систем.

2.2 Формализация оценки состояния сосудов с помощью ИИС.

2.3 Параметрическая модель ИИС.

2.4 Функционально-алгоритмическая структура системы.

2.5 Синтез структуры ИИС и компонентов программно-аппаратного комплекса.

2.6 Выводы по главе.

3. Алгоритмическое и программное обеспечение ИИС.

3.1 Применение интеллектуальных технологий при моделировании системы медицинской диагностики.

3.2 Диагностические показатели состояния сосудов человека.

3.3 Описание процесса получения диагностических параметров.

3.3.1 Концептуальная модель процесса измерения.

3.3.2 Дискретизация сигнала пульсовой волны.

3.3.3 Обработка сигналов пульсовой волны с применением цифровой фильтрации

3.3.4 Анализ формы пульсовой волны.

3.3.5 Алгоритмы обработки пульсовой волны.

3.4 Распознавание и классификация состояний сосудов человека.

3.5 Протокол сбора измерительной информации в режиме реального времени.

3.6 Структура программной инструментальной оболочки.

3.7 Подсистема хранения измерительной биомедицинской информации.

3.8 Автоматизация диагностики состояния сосудов человека.

3.9 Выводы по главе.

4 Реализация и исследование ИИС для оценки состояния сосудов.

4.1 Объектно-ориентированная интерпретация структуры программной инструментальной оболочки.

4.2 Методика применения программно-аппаратного комплекса для регистрации пульсовой волны и расчета диагностических параметров.

4.3 Оценка технологичности конструкции датчиков.

4.4 Оценка погрешности измерений датчиков пульсовой волны.

4.4.1 Методика исследования.

4.4.2 Разработка экспериментальной установки и анализ результатов.

4.5 Результаты сбора, обработки и анализа пульсовой волны с помощью ИИС.

4.6 Оценка результатов классификации и перспективы развития системы.

4.7 Выводы по главе.

Актуальность темы. К настоящему времени накоплен большой фактический материал по изучению, разработке и внедрению в медицинскую практику методов исследования гемодинамики, моделирования пульсового движения крови в сосудах и установления диагностических признаков состояния кровеносной системы человека (Asmar R., Бакусов JI.M., Затейщикова А.А., Педли Т., Регирер С.А. и др.)- Возросший интерес к этому вопросу объясняется тем, что свойства эластичности сосудов играют большую роль в кровообращении. Однако по данным ВОЗ (2006 г.) во всем мире смертность от сердечнососудистых заболеваний занимает первое место (30% от всех заболеваний), по данным World Health Statistics (2008 г.) - 9,7 % заболеваний сосудов, 12,2 % заболеваний сердца. Высокие показатели заболеваемости сосудистой системы человека, поражение людей все более молодого возраста, делают эту проблему одной из важнейших в современном здравоохранении.

Для решения задач определения параметров сосудов и способов оценки их состояния применяют сфигмографический метод (Валтнерис А.Д., Власова С.П., Савицкий Н.И. и др.), основанный на анализе графического изображения формы пульсовой волны (ПВ), и являющийся доминантным представителем доступных физиологических подходов. Данный метод реализуется с помощью стационарных комплексов для оценки состояния сосудов. Однако применяемые устройства имеют существенные ограничения и не в полной мере удовлетворяют потребностям практической медицины. Это вызвано низкой оперативностью исследований, высокой стоимостью оборудования, необходимостью высокой квалификации сотрудников, а также проведением обследований в условиях стационара, ограниченностью каналов снятия сигналов и другими факторами. Практика показывает, что главным ограничением, препятствующим корректной постановке диагностических заключений о состоянии сосудов, является то, что число измеряемых параметров фиксировано, и значительная часть информации о состоянии пациента при выявлении заболеваний учитывается не всегда.

Сложившаяся ситуация свидетельствует о развивающемся несоответствии между высоким уровнем заболеваемости и состоянием инструментальных средств для диагностики сосудов человека. Отсюда возникает потребность в исследованиях и разработках перспективных информационно-измерительных систем (ИИС), применение которых позволит увеличить число одновременно регистрируемых параметров, обеспечить передачу измерительной информации в режиме; реального времени, структурирование и хранение; данных, а также оперативную обработку и анализ результатов измерений с использованием программного обеспечения. ПЭВМ' (Гусев В.Г., Мейзда Ф>,: Новопашенный;; Г.Н., Щапенко^МШ!,. Цветков^ ЭЖ исдр:). Развитие;таких ИИ(3 позволит реализовать новые методы,, повышающие, эффективность диагностических процедур: и; обеспечивающие раннюю диагностику, а также соответствовать своевременности; оперативности и достоверности оценки состояния сосудов.

Таким, образом,, разработка и исследование метода, оценки состояния; сосудов и ИИС, осуществляющей, автоматизированную регистрацию1 ИВ, хранение, обработку результатов- измерений и комплексный; анализ биомедицинской ИзИ, является актуальной научно-технической задачей.

Цель - повышение оперативности процесса измерений и достоверности оценки характеристик состояния крупных сосудов человека на основе • методов и ИИС регистрации и обработки информации о ПВ.

Для достижения цели исследования поставлены и решены следующие задачи: • i. Выполнен анализ существующих методов и технических средств оценки состояния сосудов человека.

2. Разработан оригинальный метод оценки состояния сосудов на основе измерения формы и скорости, распространения- ПВ (СРГТВ), обеспечивающий повышение оперативности; и достоверности обработки результатов измерений.

3. Предложена ИИС оценки характеристик состояния крупных сосудов человека, обладающая-элементами"новизны.и реализующая предложенный метод оценки,состояния сосудов по параметрам ИВ1 •

4. Разработан комплекс алгоритмов, программное и информационное^ обеспечение, реализующие процессы взаимодействия и функционирования компонентов ИИС.

5. Проведена экспериментальная проверка функциональных элементов и ИИС в целом по оценке точности характеристик параметров сосудов, а также выполнения классификационных процедур.

• Методы исследованияюснованы. на использовании аппарата теории ИИС, методов статистической обработки результатов измерений, информационных технологий;, систем реального времени, объектно-ориентированного подхода при создании программ.

Объектом исследования являются измерение и оценка параметров состояния крупных кровеносных сосудов человека.

Предмет исследования - методы, программное и информационное обеспечение и технические средства ИИС для оценки характеристик состояния крупных сосудов человека.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценки состояния сосудов на основе измерения, формы и СРПВ, позволяющий повысить оперативность и достоверность диагностических процедур на основе комплексной обработки параметров ПВ, зарегистрированных в нескольких точках наблюдения.

2. Структура ИИС, реализующей предложенный метод оценки состояния сосудов по параметрам ПВ.

3. Комплекс алгоритмов, программное и информационное обеспечение ИИС для оценки состояния сосудов человека, обеспечивающие регистрацию ПВ в режиме реального времени и комплексную обработку результатов измерений.

Научная новизна результатов работы:

1. Предложен новый метод оценки состояния сосудов человека, отличающийся от известных одновременной регистрацией ПВ в различных точках наблюдения одного или разных сосудов с учетом информации о пациенте, суть которого заключается в формировании интегральной оценки состояния сосудов по параметрам формы сигнала ПВ и скорости ее распространения в различных точках поверхности тела человека.

2. Теоретически обоснована структура ИИС оценки состояния сосудов по параметрам ПВ, реализующая предложенный метод, обладающая элементами новизны, отличающаяся от известных модульной структурой, наличием модуля с произвольным числом каналов для измерения, модуля синхронизации, а также модуля накопления данных, модуля обработки результатов измерений и оценки параметров. Применение ИИС предложенной структуры позволяет повысить оперативность и достоверность оценки состояния сосудов. Новизна технического решения подтверждается патентом на изобретение № 2344753 от 27.01.2009 г.

3. Разработаны комплекс алгоритмов, программное и информационное обеспечение ИИС предложенной структуры, обеспечивающие реализацию и взаимодействие функциональных модулей системы, предоставляющие юза-бельный интерфейс пользователю, а также возможность воспроизведения результатов измерений и расчета оценок параметров и дальнейшего развития самой ИИС.

Практическая значимость. Программное обеспечение и беспроводные датчики ПВ.используются в деятельности Пермской государственной медицинской академии им. Вагнера в учебном процессе и исследованиях при-формировании и накоплении, знаний о процессах и механизмах возникновения и разви тия заболеваний сосудов, а также разработке и обучению новым методикам диагностирования атеросклероза крупных артерий.

Полученные результаты могут быть использованы в медицинских исследовательских институтах для. раскрытия ключевых факторов, определяющих необходимость развития методов заблаговременного обнаружения отклонений в работе сосудов, обнаружения начальной стадии развития заболевания и его патологических форм, формирования этапов лечения в зависимости от истории заболеваний. ИИС рекомендована к применению для скрининг-диагностики атеросклероза, пульсовой-диагностики, может быть использована в больницах.

Компактность аппаратных средств и возможности тиражирования позволяют использовать ИИС вне стационарных обследований, т.е. в автомобилях скорой помощи, при персональном контроле состояния сосудов, для<^ контроля здоровья персонала опасных производств и др. Система может применяться-при массовых обследованиях населения, что предусматривает Федеральная целевая программа «Здоровье».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах, в том числе на XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2009), XI Международной конференции "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (г. Самара, 2009), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Перспективы развития инноваций в энергоресурсосбережении" (г. Пермь, 2007), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области обработки, хранения; передачи и защиты информации" (г. Ульяновск, 2009), Всероссийских научно-технических конференциях "Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике" (г. Пермь, 2007 -2008), Всероссийской научно-практической конференции "Автоматизированные системы управления и информационные технологии" (г. Пермь, 2006), краевых научно-технических конференциях и научно-методических семинарах Пермской государственной медицинской академии.

Основные практические результаты, полученные в настоящей работе экспонировались на следующих научных и инновационных выставках: XI Московский Международный Салон промышленной собственности "Архимед-2008" (г. Москва, 2008), I Всероссийский молодежный Конвент (г. Москва, 2008). Разработка "Информационная система диагностики атеросклероза сосудов человека" удостоена медали и диплома II степени на международной выставке "Архимед-2008", проходившей в рамках XI Московского Международного Салона промышленной собственности "Архимед" г. Москва, 2008 г. Разработка "Информационная система диагностики сосудов человека по пульсовой волне" включена в 100 лучших инноваций России по направлению "Информационно-телекоммуникационные системы" в рамках I Всероссийского инновационного Конвента, г. Москва, 2008 г.

Объём и структура работы. Работа изложена на 186 страницах, включает 62 иллюстрации и 13 таблиц, 148 наименования использованных литературных источников на 12 страницах, 3 приложения на 37 страницах.

4:7 Выводы, по главе

Реализованная на объектно-ориентированном языке программирования программная инструментальная' оболочка для оценки состояния, сосудов человека на основе сбора, обработки и анализа формы ПВ обеспечивает высокую-эффективность исследований, производительность работы с БД, поддержку различных ОС и программных платформ за счет использования технологии .NET, может быть модифицирована и дополнена новыми функциональными возможностями. Организация удаленного доступа к БД осуществляется с помощью we/ьпортала.

Результаты диссертационной работы внедрены в ПГМА им. Вагнера, г. Пермь. Установлено, что разработанная ИИС позволяет автоматизировать весь комплекс работ по< оценке состояния сосудов на основе исследуемых параметров, повышает оперативность и достоверность диагностических процедур, и может быть использована для скрининг-диагностики, выявления патологических форм заболеваний и в рамках массовых исследований. Разработана методика применения ИИС, позволяющая оперативно подготовить медицинский персонал для работы с системой, сократить время обучения и приобретения навыков медицинским специалистам для работы в рамках ИИС для оценки состояния сосудов.

Результаты использования ИИС в ПГМА при обследовании студентов и больных показали, что форма ПВ у здоровых людей по основным структурным параметрам совпадает. С другой стороны, наблюдается изменение характеристик формы в зависимости от состояния человека, состояния его сосудов, что свидетельствует о важности оценки формы сигнала ПВ в использовании при диагностике различных заболеваний. Аналогично показала себя оценка скорости распространения пульсовой волны. Независимо от количества точек процеi i

• " ■-■/ '.■.' ' 135 ."., дура измерения: и расчет оценок занимает несколько минут, что в десятки раз меньше.времени традиционных методов только для одной точки.

Разработаны портативные, беспроводные датчики регистрации ПВ, использование которых необременительно для пациента. Проведенный, анализ конструкции' датчиков показал высокий уровень технологичности^ соответствующий' всем, требованиям' к современным электронным; устройствам и обеспечиваю-. щий минимальные затраты промышленного производства при заданных показателях качества. ,

Проведенные исследования- с помощью разработанной методики и экспериментального стенда для оценки точности измерений датчиков ПВ подтверди- . ли работоспособность ИИС.: Полученные результаты говорят о высокой точности измерения датчиками временных интервалов на коротких и продолжительных диапазонах измерений; Экспериментальные исследования позволил, установить, что вероятность ошибки, классификации! в системе обработки измерительной информации составляет 0;045.

Проведено экспериментальное исследование сбора, обработки и анализа реальных сигналов ПВ. Для обеспечения устойчивой и безошибочной беспроводной передачи ИзИ рекомендовано проводить сбор данных с датчиков I IB, находящихся на расстоянии не более 5,5 м от УСД.

Предложенная-ИИС позволяет реализовать дистанционную распределенную схему диагностики заболеваний сосудов в целях формирования интегральных оценок по различным категориям и слоям населения и определения мер по профилактике: Сформулированы основные направления развития ИИС, ее перспективы; а также рекомендации к практическому применению; Дальнейшее развитие научных исследований и: их практических приложений возможно по направлению пульсовой диагностики, дистанционных технологий измерений и Т.д.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача повышения оперативности процесса измерений и достоверности оценки характеристик состояния крупных сосудов человека на основе информационно-измерительной системы регистрации и обработки параметров ПВ.

Получены следующие основные результаты и выводы:

1. Анализ существующих средств для оценки состояния сосудов человека позволил сделать вывод о необходимости разработки и исследования доступных методов и ИИС, пригодных для лечебных учреждений с целью раннего выявления и профилактики заболеваний сосудов, обеспечивающих повышение оперативности проведения диагностических обследований.

2. Предложен новый метод оценки состояния сосудов человека, отличающийся от известных одновременной регистрацией ПВ в различных точках наблюдения одного или разных сосудов, суть которого заключается в формировании интегральной оценки состояния сосудов по параметрам формы сигнала ПВ и скорости ее распространения на локальных участках сосудов.

3. Теоретически обоснована структура ИИС оценки состояния сосудов по параметрам ПВ, реализующая предложенный неинвазивный метод, обладающая элементами новизны, отличающаяся от известных модульной структурой, наличием модуля с произвольным числом каналов для измерения, модуля синхронизации, а также модуля накопления данных, модуля обработки результатов измерений и оценки параметров. Установлено, что независимо от количества точек процедура измерения и расчет оценок занимает несколько минут, что в разы меньше времени, занимаемого традиционными методами только для одной точки. Новизна технического решения подтверждается патентом на изобретение № 2344753 от 27.01.2009 RU.

4. Разработан комплекс алгоритмов и программы функционирования ИИС предложенной структуры. Создана система ПО с юзабильным пользовательским интерфейсом, включающая в себя СУБД, web-портал, программную инструментальную оболочку, которая позволяет выполнять расчеты СРПВ в автоматическом или автоматизированным режимах, а также проводить имитационное моделирование процедур статистической классификации ДП. Получены свидетельства о регистрации программ "Монитор пульсовой волны" и "webпортал монитора пульсовой волны" (№2008615714 и №2008615713 от 28.11.2008 г.).

5. Исследованы особенности и технические возможности функциональных узлов ИИС. На основании разработанного алгоритма работы датчиков создана и исследована модель протокола передачи ИзИ. Подтверждена работоспособность системы с помощью созданного стенда. Установлено максимальное количество таймслотов между синхронизациями измерений - 45; максимальное число одновременно работающих датчиков —101; вероятность ошибки классификации в системе обработки ИзИ - 0,045.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в ПГМА им. Вагнера, г. Пермь. Отработана методика оценки состояния сосудов на пациентах, наблюдаемых в отделении Нормальной физиологии городской клинической больницы №2 имени Ф.Х. Граля. В ходе экспериментальных исследований ИИС установлено соответствие морфологии, характерных особенностей ПВ различных артерий и показателя СРПВ результатам, полученным с помощью известных традиционных методов. Возможность автоматического вычисления и обработки параметров ПВ различного морфологического состава позволяет использовать ИИС для скрининг-диагностики, выявления патологических форм заболеваний, для пульсовой диагностики, в рамках массовых исследований. Предложенная ИИС позволяет реализовать дистанционную распределенную схему диагностики заболеваний сосудов в целях формирования интегральных оценок по различным категориям и слоям населения и определения мер по профилактике.

1. Айламазян А.К., Гулиев Я.И. Данные, документы и архитектура медицинских информационных систем // Тез. докл. Междунар. форума «Информатизация процессов охраны здоровья населения. 2001». - М., 2001. - С. 141-142.

2. Айламазян А.К., Гулиев Я.И., Комаров С.И., Малых B.JL, Морозов В.Ю. Информационные системы в медицине: проблемы и решения // Программные системы: Теоретические основы и приложения / Под ред. А.К. Айлмазяна. -М.: Наука. Физматлит, 1999. С. 162-168.

3. Айламазян А.К. Информация и информационные системы М.: Радио и связь, 1982. — 161 с.

4. Айвазян С.А. Прикладная статистика. Основы эконометрики. Т. 1. Основы эконометрики: учебник для вузов. 2-е изд. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 432 с.

5. Алдаров А.Т., Егоркина Т.И. Состояние и перспективы развития телемедицины в Российской Федерации // Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины 98: Доклады 5-го Международного форума. - Турция, 1998. - С. 6-11.

6. Александров В.В., Шнейдеров B.C. Обработка медико-биологических данных на ЭВМ. Л.: Медицина, 1984. - 157 с.

7. Архипова Г.П., Лаврова И.Г., Трошина И.М. Некоторые современные методы статистического анализа в медицине. М., 1971. - 76 с.

8. Б.Л. ван дер Варден. Математическая статистика: пер. с нем. М.: Иностр. лит., 1960. - 434 с.

9. Баевский P.M., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиологических систем (метод, реком.) // Вестн. аритмол. 2001. - Т.24. - С.66-85.

10. Бакусов Л.М. Некоторые модели и методы волновой гемодинамики. -Уфа: УАИ, 1992.-50 с.

11. Бейли Н. Математика в биологии и медицине. М: Мир, 1970. - 326 с.

12. Беленков Ю.Н., Мареев В.Ю. Сердечно-сосудистый континуум // Сердечная недостаточность. — 2002. Т. 3. - № 1. - 7 с.

13. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 540 с.

14. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: пер. с англ. — М.: Мир, 1989.-544 с.

15. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 448 с.

16. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1989. - 351 с.

17. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. — М.: Наука, 1977. 240с.

18. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978, - 399 с.

19. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. Пер. с англ. М.: Бином, - СПб.: Невский диалект, 1998. -560 с.

20. Валтнерис А.Д. Сфигмография как метод оценки изменений гемодинамики под влиянием физической нагрузки. Рига: Зинатие, 1988. - 132 с.

21. Василенко Г.И. Теория восстановления сигналов. М.: Советское радио, 1979.-272 с.

22. Васкевич Д. Стратегии клиент-сервер. Киев: Диалектика, 2-е изд., 1996.-396 с.

23. Веников В. А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1984. - 439 с.

24. Гома X. Проектирование систем реального времени; распределенных и параллельных приложений: Пер. с англ. М.:ДМК Пресс, 2002. - 704 с.

25. Григорьев А.И;, Саркисян А.Э; Шаги к медицине будущего//Компьютерные технологии в медицине.-1996. №2. - С. 14-18.

26. Гусев В.Г., Мулик А.В. Проектирование аналоговых измерительных устройств. Уфа, УАИ, 1990. - 97 с.

27. Гусев В.Г. Цифровые функциональные узлы устройств автоматики, измерительной и вычислительной техники. Уфа, УАИ, 1991. - 75 с.

28. Дейт К. Руководство по реляционной СУБД DB2. М.: Финансы и статистика, 1988.- 320 с. ' :

29. Дехтярь Г'.Я: Электрокардиографическая: диагностика. М.: Медицина, 2-е изд.; перераб. и доп., 1972. - 416 с.

30. Джексон Г. Проектирование реляционных баз данных для использования с микроЭВМ: М.: Мир, 1991. - 252 с.36: Джон М. Смит. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. М.: Машиностроение, 1980. -271 с.

31. Дмитриенко В.Д{, Корсунов НИ. Основы теории нейронных сетей: учебное пособие.-Белгород: БИИММАП, 2001. 159 с.

32. Дюран М.Б. Кластерный анализ. М.: Финансы и статистика, 1977. - 220 с.

33. Жуков А.И. Метод Фурье в вычислительной математике. М.: Наука, 1992;-176 с.

34. Заде Л. Понятие: лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.,.Наука, 1976. -260с.

35. Занин И.В., Шопин А.Г. Интегрированная информационная система обработки технологической информации // Промышленные АСУ и контроллеры. 2002. - №8. - С. 15-17.

36. Затейщикова А.А., Затейщиков Д.А. Эндотелиальная регуляция- сосудистого тонуса: методы исследования и клиническое значение // Кардиология. -1998.-№9:-С. 68-78.

37. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов. — М., «Радио и связь», 2000. 368 с.

38. Каминская Г.Т. Основы электроэнцефалографии. М.: Издательство МГУ, 1989.-48 с.

39. Каминский JI.C. Статистическая обработка лабораторных и- клинических данных. — М.: Медицина, 1964. 252 с.

40. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид Т. Механика кровообращения. -М.: Мир, 1981.-623 с.

41. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учебноепособие для вузов / Под ред. A.J1. Барановского, А.П. Немирко. М.: Радио и связь, 1993.-248 с.

42. Конт В.И. Математические методы и моделирование в здравоохранении. -М.: Медицина, 1987. - 224 с.

43. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ, т.2: Получисленные алгоритмы. М.: Мир, 1977. - 370 с.

44. Кычкин А.В. Модель синтеза структуры автоматизированной системы сбора и обработки данных на базе беспроводных датчиков // Автоматизация и современные технологии, 2009, № 1. - С. 15-20.

45. Кычкин А.В. Разработка мобильного комплекса регистрации пульсовой волны // Датчики и системы, 2009, № 7. - С. 20-24.

46. Кычкин А.В., Шиловских П.А., Артемов С.П. Современная информационная система медицинской диагностики сосудов человека // Труды обл. на• 142 ;уч:-техн. конф: "Автоматизированныесистемы управления?и информационные технологии", Пермь, 2005. С. 49-58. ' ,

47. Кычкин-В-И!, Кычкин А.В:, Болотов Д.А. Прибор длягоценки сцепных качеств; дорожных покрытий на основе нечеткой логики // Мехатроника, автоматизация; управление, 2008; -.№ Г. — С. 19-231.

48. Кычкин А.В., .Шушаков С.О:, Файзрахманов Р.А. Нечеткий- подход к проектированию сетей интеллектуальных датчиков:// Автоматизированные сисг темы, управления и-, информационные технологии: краев, науч.-техн. конф: — Пермь, 2007. С. 48-54.

49. Кычкин А.В:, Файзрахманов Р.А. Модель системы: сбора и обработки данных на основе беспроводных сетей // Молодежная наука Прикамья 9: сб. науч. тр: краев; конф. - Пермь, Перм: гос. тех. ун-т, 2008 - С. 100-104.,

50. Кычкин. А.В., Берг М.Д., Файзрахманов Р.А. Разработка интеллектуальной системы поддержки принятия решений для диагностики атеросклероза // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: XI междунар. конф. Самара, 2009 - С. 491-497.

51. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях.-М.: Радио и связь, 1989: 224 с.

52. Лекции по сердечно-сосудистой хирургии / Под ред. Л.А. Бокерия:: В 2 т. М.: Издательство НЦССХим. А.Н. Бакулева РАМН, 1999. - 348 е., с ил-люстрац.

53. Ливенцев Н.М., Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура: Учебник для уч-ся. М.: Медицина, 1974. - 335 с.

54. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. Mi: Радио*и связь, 1988.-232 с.

55. Максимов Г.К., Синицын А.Н. Статистическое моделирование многомерных систем в медицине. М.: Медицина, 1983. - 144 с.

56. Мандель И.Д. Кластерный анализ. — М.: Финансы и статистика, 1988. -176 с.

57. Маркин Н.С. Основы теории обработки-результатов измерений. М.: Изд-BO'стандартов, 1991. - 173 с.

58. Марпл C.JI. Цифровой спектральный-анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.-584 с.

59. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределенная обработка данных: программное обеспечение, методы и архитектура. М.: Финансы и статистика, вып. № 1, 1985. - 256 с.

60. Медицинская информационная система / Под ред. Н.М. Амосова. -Киев: Наукова думка, 1971. 288 с.

61. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. -М: Мир, 1990.-535 с.

62. Методы диагностических исследований сердечно-сосудистой системы: Учебное пособие / Под ред. Ф.А. Пятаковича, Ю.И. Афанасьева, Т.И. Якунченко. Белгород: Издательство БГУ, 1999. - 176 с.

63. Методы сбора и анализа информации в физиологии и медицине: Сборник / Под ред. Б. И. Балантер. М.: Наука, 1971. - 319 е.: ил.

64. Микропроцессорные медицинские системы. / Под ред. У.Томпкинса, пер. с англ. М.: Мир, 1983. - 541 с.

65. Микропроцессорные системы: Уч. пособие для вузов / Под общ. ред. Д.В>. Пузанкова. СПб.: Политехника, 2002. - 935 с.

66. Милягин В.А., Милягина И.В., Грекова М.В., и др. Новый автоматизированный метод определения скорости распространения пульсовой волны // Функциональная диагностика. 2004. - № 1. - 33 с.

67. Минцер О.П., Угаров Б.Н., Власов В.В. Методы обработки медицинской информации. Киев: Висша школа, 1982. - 160 с.

68. Мищенко С.В., Муромцев Ю.Л., Цветков Э.И., Чернышов В.Н. Анализ и синтез измерительных систем. Тамбов: Издательство ТГТУ, 1995. - 236 с.

69. Мочалов В.П. Модель распределенной системы обработки данных. // Инфокоммуникационные технологии. 2004. - № 2. - С. 31-34.

70. Назаренко Г.И., Осипов Г.С. Основы теории медицинских технологических процессов: В 2 т. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 144 с.

71. Назаренко Г.И., Гулиев Я.И., Ермаков Д.Е. Медицинские информационные системы: теория и практика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 320 с.

72. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели.- М.: Высшая школа, 2002. 348 с.

73. Нейджел Д. Дж. Беспроводные сети интеллектуальных датчиков // Датчики и системы. 2002. - № 6. - С. 51-58.

74. Новиков Д.А., Новочадов В.В. Статистические методы в медико-биологическом эксперименте (типовые случаи). Волгоград: Издательство ВолГМУ, 2005. - 84 с.

75. Новопашенный Г.Н., Новицкий П.В. Электронные измерительные приборы: учеб. пособие для втузов. Л.: Энергия, 1966. - 268 с.

76. Оценка погрешностей результатов измерении / Новицкий П.В., Зограф И.А.- Л.: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.

77. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2002. - 668 с.

78. Ольбинская Л.И. Общность патогенеза АГ и ХСН // Сердечная недостаточность. 2002. - Т. 3. - № 1. - 17 с.

79. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов P.M. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. - 408 с.

80. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. М. Мир, 1983.-400 с.

81. Постнова Т.Б. Информационно-диагностические системы в медицине. Современные методы обработки медицинской информации. М.: Наука, 1972.-223 с.

82. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997.-350 с.

83. Пропедевтика внутренних болезней: Учебник для студентов мед. вузов/ Под ред. В. X. Василенко, А.Л. Гребенёва М.: Медицина, 1982. - 592 с.

84. Распознавание образов и медицинская диагностика / Под ред. Ю.И, Неймарка, М.: Наука, 1972. - 328 с.

85. Регирер С. А. Гидродинамика кровообращения. М.: Мир, 1971. - 267 с.

86. Романов В.Н. Точность средств измерений. СПб.: СЗТУ, 2003. - 161 с.145 .'/. .

87. Рональд С. Меррелл, Джеймс С. Россер. Теленаставнинеств // Компьютерные технологии,в медицине. -; 1996. № 2. - С. 24-27.

88. Рябыкина F.B., Соболев А.В! Вариабельность, ритма/ сердца. Монография. М.: Стар'Ко, 1998. - 200 с. . ■

89. Савицкий Н.Ы. Биофизические основы; кровообращения; № клинические методы изучения,; гемодинамики: Изд. 3-е, испр. m доп. ЛГ: Медицина, 1974.-311 с. ,'./■'/' ' . : .

90. Сагайдак В.В; Опыт внедрения автоматизированной информационной системы онкологических больных.// Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины 98: Доклады 5-го Международного форума.; - Турция, 1998. - С. 34-35. . : ; ,

91. Селищев С.В. Автоматизированное проектирование биомедицинских электронных систем // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2001.-№ 12.-С. 5-17.

92. Сепетлиев Д. Статистические методы в научных медицинских исследованиях.—М1;: Медицина, 1968.-419 с.

93. Сергиенко В.И., Бондарева И.Б. Математическая статистика в кли-г нических исследованиях. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001. - 256 с.

94. Славин М.Б. Методы системного анализа в медицинских исследованиях.-М.: Медицина, 1989. 304 с.108., Советов Б.Я:, Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998. -319 с.

95. Соколов ДЖ. Математическое моделирование в, медицине. М.: Медицина, 1974. - 175с.

96. Телемедицина. Новые информационные технологии на пороге XXI века / Под ред. P.M. Юсупова, Р.И. Полонникова. СПб.: Институт информатики и автоматизации РАН, 1998. - 487 с.

97. Файзрахманов Р.А., Кычкин А.В;, Костарев С.Н. Оценка параметров беспроводных датчиков в системе мониторинга подвижных объектов // Современные проблемы развития сервиса и туризма в Пермском крае: II per. науч.-практ. конф. Пермь, 2007. - С. 411-423.

98. Файзрахманов Р1А., Кычкин А.В., Трегубов А.А., Шайхаторов Р.В., Инго Мури. Информационная диагностическая система Pulse Monitor // Электротехника, информационные технологии, системы управления: Вестник ПГТУ. № 2; 2008. - С. 209-215.

99. Физиология человека / Под ред. Р. Шмидта, F. Тевса: В-3 т.: Пер. с англ. М.: Мир; 1996. - Т.2. - 311 с.

100. Фолков Б., Нил Э. Кровообращение: Пер с англ. М.: Медицина, 1976.-463 с.

101. Хаусли Т. Системы передачи и телеобработки данных: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1994. 456 с.

102. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М-.: Недра, 1987. - 224 с.

103. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование: Учебное пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 2-е изд.; перераб. и доп., 1985.-438 с.

104. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 233 с.

105. Чазов Е.И. Эволюция методов диагностики сердечно-сосудистых заболеваний // Медицинские новости. 1995. - № 1. - С. 6-10.

106. Чирейкин Л.В., Шуригин Д.Я., Лабутин В.К. Автоматический анализ электрокардиограмм. Л.: Медицина, 1977. - 248 с.

107. Шиллер Н., Осипов М.А. Клиническая эхокардиография. М.: Практика, 2005. - 344 с.

108. Экспертные системы. Принципы работы и примеры /Под ред. Р.Форсайта. М.: Радио и связь, 1987. - 350 с.

109. Якубайтис Э.А. Классификация вычислительных сетей // Автоматика и вычислительная техника. 1983. - № 1. - С. 3-6.

110. Pulse pressure and aortic pulse wave velocity are markers of cardiovascular risk in hypertensive populations / Asmar R., Rudnichi A. et all // Am. J. Hyper-tens. 2001. - Vol. C-14, P. 91-97.

111. Katayoun Shorabi, Gregory J. pottie; "Performancce of a novel self-organizing protocol for wireless ad hoc sensor networks" in Proceedings of the IEEE 50th veicular technology conference, pp. 1222-1226, 1999.

112. Laurent-S;, Boutouyrie P. et all. Aortic stiffness is an independent predictor of all-cause and cardiovascular mortality in hypertensive patients. // Hypertension: -2001. Vol. C-37, P. 123-124.

113. Mendelson Y. Theory and development of a noninvasive pulse measurements: Ph.D. dissertation. Dep. Biomed. Eng. Case Western-Reserve Univ., Cleveland; OH, 1983.

114. Merri M., Farden D.C., Mottley J.G., Titlebaum E.L Sampling frequency of the electrocardiogram for spectral analysis of the heart rate variability. IEEE T-BME 1990; 37: 99-105.

115. Nasyrov R.V., Bakusov L.M. MODEL OF CENTRAL VENOUS HEMODYNAMICS. Российский журнал биомеханики. 1999. Т. 3. -№ 3. С. 52-55.

116. Noninvasive Pulse Oximetry Utilizing Skin Reflectance Photoplethysmographhy. Yitzhak Mendelson, Burt D. Ochs. IEEE BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol. 35, N. 10, October 1988. P. 798-805.

117. O'Rourke MF, Kelly RP. Wave reflection in the systemic circulation and its implications in ventricular function. // J. Hypertens. 1993. - Vol. C-ll, -P: 327-337.

118. Rappaport Theodore S. Wireless Communications Principles & Practice //IEEE Press.- 1996.-P. 130-131.

119. RTCU IDE Users Manual Version 4.75. 2007 Logic IO, www.logicio.com / www.rtcu.dk. 664 p.

120. Location in distributed ad-hoc wireless' sensor networks" Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2001 / Savarese C., Rabaey J.M., Beutel, J // Proceedings. 2001 IEEE International Conference on , Volume: 4 , 2001 Page(s): 2037-2040, vol. 4.

121. Stavros Toumpis; "Wireless Ad-Hoc Networks", Lecture Notes 20032004, Forschungszentrum Telekommunikation Wien.

122. Computer networks and distributed system / Yosef S., Sherif // Microelectronics and reliability. 1988. Vol. C-28, № 3. - P. 419^67.150