автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование и разработка методов, алгоритмов и средств распознавания феноменов в ЭКГ-сигналах

Министерство ойшего и профессионального образования ^ 0 ФЕВ »П-лрЬссийской Федерации

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 615.471:616.12-008-07(043.3)

Максимов Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И СРЕДСТВ РАСПОЗНАВАНИЯ ФЕНОМЕНОВ В ЭКГ-СИГНАЛАХ

Специальность: 05.13.16 - Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

05.11.17 - Медицинские приборы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 1997

Работа выполнена на кафедре микропроцессорных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Пьявченко О.Н.

кандидат технических наук, доцент Синютик С.А.

доктор технических наук, профессор Белявский Г.И.

доктор биологических наук, профессор Омельченко В.П.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Таганрогский

научно-исследовательский институт связи

Защита состоится " " 1998г. в _ часов на заседании

специализированного совета Д063.13.02 по защите диссертации при Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347928, г.Таганрог, пер.Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "9" 1998г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук., доцент

А.Н. Целых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время в диагностике и исследовании различных биомедицинских сигналов применяются разнообразные методы обработки и хранения поступающей информации. Эти методы связаны, с одной стороны, с математической обработкой измеряемых физических величин, а с другой стороны, с использованием методов искусственного интеллекта при формировании диагностических выводов по результатам проведенных измерений. Поэтому актуальной является задача построения диагностических систем, которые включали бы в себя на нижнем уровне спектр математических методов для предварительной обработки биосигналов, а на верхнем уровне -системы автоматического формирования вербальных заключений.

Наиболее массовой и важной методикой обследования биологического объекта на базе анализа биосигналов является анализ электрокардиограммы, что обуславливает первостепенность задач увеличения информативности ЭКГ и ускорения процесса анализа.

Параллельно с этим важно облегчить труд врача при проведении рутинных методик, связанных с измерением параметров и идентификацией феноменов ЭКГ.

Работы в данной области начались с момента широкого внедрения компьютеров в процесс обработки данных. Пионерские работы в этом направлении провел Pipberger, разработавший одну из первых систем автоматизированного анализа ЭКГ на основе неврачебных критериев. В нашей стране основополагающие работы были выполнены Баевским P.M., Жемайтите Д, Чирейкиным JI.B., Шурыгиным В.Я., Лабутиным В.К. и др.

Следует заметить, что число работ, посвященных этим важным вопросам постоянно растет. Разработка и применение математических методов относится не только к проблемам автоматизации получения медицинской информации, ее преобразования, хранения и анализа, но и к проблемам формирования и представления результатов исследования.

Для более точного анализа такой сложной системы, как сердечнососудистая, со многими контурами управления, постоянные времени которых меняются от долей секунды до нескольких часов, актуальной является задача непрерывного наблюдения и оценки деятельности анализируемого объекта в течении длительного времени. С целью уменьшения возможного психофизиологического влияния процесса обследования на пациента, его необходимо производить с возможно меньшим дискомфортом для обследуемого. Такие условия может обеспечить малогабаритный носимый кардиомонитор. Существующие кардиомониторы в качестве обработки осуществляют сжатие информации преимущественно апертур-ными методами. Более актуальной является задача анализа сигнала за достаточно короткие промежутки времени с возможностью оперативного

формирования словесных советующих заключений. Сложность данной задачи состоит в том, что вычислительные ресурсы аппаратных средств ограничены. В связи с этим актуальной является задача создания нового алгоритмического и аппаратного обеспечения носимых кардиомониторов.

Настоящая работа посвящена синтезу и исследованию методов и алгоритмов обработки биомедицинских сигналов, в частности, кардиосигна-ла и разработке варианта носимого кардиомонитора, использующего предложенную методику обработки. При этом ставится задача разработать методы и алгоритмы распознавания сигналов с выраженной детерминированной компонентой в квазиреальном масштабе времени при ограниченных вычислительных ресурсах, пригодные для работы в малогабаритных носимых кардиомониторах.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектом исследования являются сигналы, снимаемые с биологических объектов, характеризующиеся квазидетерминированностью, образующие счетное множество форм патологии и нормы, наличием помех, перекрывающих спектр сигналов,.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов, методов и средств обработки сигналов с формированием словесных заключений обобщающего характера. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— исследование методов цифровой обработки биосигналов;

— выбор метода предварительной цифровой обработки с минимальными искажениями, учитывающий особенности ЭКГ-сигнала (ЭКС);

— программное моделирование процесса обработки электрокардиологических сигналов предлагаемым методом;

— исследование погрешностей метода, обусловленных дискретностью представления сигнала на этапе обработки;

— исследование информационно-логических структур представления ЭКС и алгоритмов их обработки, с целью выбора наименее трудоемкого алгоритма;

— разработка алгоритма анализа ЭКС в квазиреальном времени;

— разработка структуры аппаратно-программных средств для обработки ЭКС с параллельной выдачей диагностических и советующих заключений;

— оценка качества предлагаемых алгоритмов путем проведения статистического эксперимента на реальной базе ЭКС.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в комплексном подходе к разработке и реализации методов предварительной цифровой обработки сигналов, их структурного изображения с последующим двухсторонним синтаксическим анализом. Результатом анализа является цепочка вывода, заканчивающаяся построением словесного заключения. Метод базируется на использовании совокупности методов теории цифровой обработки сигналов, теории информации, теории формальных грамматик и

языков, теории проектирования баз данных и знаний, теории распознавания образов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

следующие:

- Принципы построения автономных диагностических систем на базе анализа малоамплитудных биосигналов с выраженной детерминированной компонентой, работающих в квазиреальном масштабе времени с непрерывным формированием диагностических и советующих заключений в словесной форме.

- Новые лингвистические структуры, используемые при помехоустойчивом синтаксическом анализе биосигналов со сжатием информации и одновременным формированием словесного заключения.

- Новый алгоритм синтаксического анализа, обеспечивающий более надежное распознавание структуры сигнала, основанный на моделировании врачебного мышления и особенностях анализируемых сигналов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получен ряд новых научных результатов, которые сводятся к следующему:

- разработаны метод и алгоритмы предварительной обработки элек-трокардиосигнала, обеспечивающие одновременно предварительное разбиение сигнала на классы с последующей фильтрацией в каждом классе;

- разработаны алгоритмы сегментации сигнала с учетом его многомерного характера;

- разработан алгоритм двухстороннего синтаксического анализа сегментированного сигнала, позволяющий повысить помехоустойчивость;

- предложена грамматика на основе атрибутной грамматики Кнута, учитывающая особенность электрокардиосигнала: наличие ярко выраженной синхронизующей компоненты (атрибутная грамматика с маркерами).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в следующем: полученные научные результаты позволяют создавать малогабаритные носимые диагностические системы для длительного мониторирования сердца с новыми функциональными возможностями, что имеет важное практическое значение в ранней диагностике заболеваний, наблюдении за деятельностью сердечно-сосудистой системы и оценки эффективности действия лекарственных препаратов; на основе теоретических исследований и научных результатов, разработаны и отлажены алгоритмы предварительной фильтрации ЭКС, его сегментации, выделения и классификации (^ИЗ-комплексов. Данные программы входят в состав программного обеспечения носимого кардиомонитора для суточного мониторирования сердца. Разработана структурная схема монитора, изготовлен его макет, который в настоящее время проходит апробацию. Отдельные результаты использованы в программном обеспечении программно-аппаратного ком-

плекса по теме "Разработка гастроинтестинографического комплекса", комплекса "Кармин".

Полученные результаты могут быть использованы при разработке систем распознавания слабых сигналов на фоне мощных помех известной формы, либо при распознавании слабых сигналов с прогнозируемым временем появления на фоне случайной помехи.

Собрана база данных по ЭКГ, общий объем которой составляет 1500 записей, выбран объем представительной тестовой выборки - 150 записей на одну патологию.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Исследования проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ Таганрогского государственного радиотехнического университета. Результаты проведенных исследований нашли практическое использование при разработках стационарных систем анализа ЭКГ. Отдельные результаты работы были внедрены в ряде медицинских учреждений г.Таганрога, г.Ессентуки, г.Пятигорска. Результаты работы нашли отражение в отчетах по НИР АП1/4.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ИЗЛОЖЕННОГО подтверждается проведенными исследованиями, основанными на использовании математического аппарата и экспериментальном численном моделировании на ЭВМ, обработкой тестовой базы данных реальных ЭКГ здоровых людей и патологических ЭКГ, публикациями и докладами, апробацией работы на ряде Всероссийских и региональных конференций, а также внедрением ряда результатов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Персональные исследовательские комплексы и автоматизированные рабочие места" (г.Таганрог, 1994г);

- Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Компьютерные технологии и связь в современном обществе" (г.Таганрог, 1995г);

- III Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г.Таганрог, 1996г.);

- Второй региональной научно-практической конференции научных и санаторно-курортных учреждений Кавказских Минеральных Вод, посвященной 75-летию основания здравницы "Актуальные вопросы использования природных преформированных факторов, фитотерапии и других традиционных методов в комплексном лечении заболеваний органов пищеварения и обмена веществ" (г.Ессентуки, 1997г.);

- Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления" (г.Таганрог, 1997г.);

- Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности" (г.Таганрог, 1997г);

- на НТК профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (г.Таганрог, 1994-1997гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 167 страницах, содержит 46 рисунков, 5 таблиц, списка использованных источников, включающего 88 наименований и 60 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы и обоснована актуальность решаемой задачи.

В первом разделе приведен обзор современных аппаратных средств наблюдения за сердечно-сосудистой системой (ССС) и результаты анализа сигналов, используемых в различных электрокардиологических исследованиях, предложены пути дальнейшего совершенствования аппаратно-программных средств исследования сердечной деятельности.

Рассмотрены схемотехнические особенности известных устройств для ЭКГ-диагностики, используемых в медицине. Проведенный анализ показал, что несмотря на появление новых схемотехнических решений, связанных со значительным качественным улучшением элементной базы, в настоящее время задача обнаружения малоамплитудных сигналов является по прежнему актуальной и с учетом новых знаний, полученных в медицине, предъявляющей все более высокие требования к качеству получаемой информации, требует разработки новых и модификации уже известных алгоритмов и устройств обработки. При этом особо остро стоит проблема создания малогабаритных носимых кардиомониторов, способных обеспечить длительное наблюдение за состоянием ССС.

Установлено, что для носимых кардиомониторов с циклом записи сутки и более, весьма актуальным является уменьшение избыточности информации (в идеале полная обработка ЭКС в квазиреальном масштабе времени). В связи с этим, предложено строить кардиомониторы, которые в процессе мониторирования ведут обработку информации, что позволит сократить объем памяти монитора и ускорить процесс последующей обработки ЭКС.

В работе проведен структурный анализ ЭКГ-информации, в результате которого выявлено, что кардиосигнал, в отличие от других биомеди-

цинских сигналов обладает специфическими свойствами (квазидетерминированность в большинстве случаев, длинные участки стационарности, счетное множество вариаций форм Р, С^Б, Т). Полученные данные о структуре ЭКС показывают, что для целей обнаружения малоамплитудных феноменов ЭКГ можно использовать методы обработки, традиционно используемые в областях далеких от электрофизиологических сигналов.

Проведенный анализ помех, присутствующих при съеме ЭКГ и медико-технических требований к системам длительного мониторирования сердца показал, что наиболее важной проблемой при локализации малоамплитудных феноменов является неискажающая форму фильтрация высокочастотной помехи, по спектру пересекающейся с информативным сигналом, точная компенсация дрейфа изолинии и быстрая классификация обнаруживаемых сигналов по их морфологии.

Рассмотрены погрешности основных методов цифровой фильтрации и показана ограниченная область использования этих методов для обработки ЭКГ. При применении фильтров происходит сглаживание тонкой структуры зубцов в случае нерекурсивной фильтрации, сглаживание и сдвиг экстремумов в случае рекурсивной фильтрации. Для неискажаю-щей фильтрации ЭКГ от сетевой и миографической помехи необходимо использовать подходы отличающиеся от традиционных рекурсивных и нерекурсивных цифровых фильтров.

Из анализа структуры ЭКС получено, что для подавляющего большинства состояний нормы и патологии характерна временная привязанность элементов электрической систолы друг к другу. Одновременно в ЭКС практически всегда присутствует высокоаплитудная, легко обнаруживаемая компонента - Л-зубец или (^Б-комплекс. Благодаря наличию такой естественной точки синхронизации можно воспользоваться алгоритм фильтрации помех со случайной природой методом синхронного накопления. Однако реальный ЭКС может иметь несколько форм основного фонового ритма и одновременно несколько аритмий типа случайное событие (экстрасистолы). Поэтому непосредственное использование метода накопления с одним сумматором приведет к искажению формы как фоновых ритмов, так и экстрасистол.

Для устранения этого недостатка предложен комбинированный метод накопления. Показано, что метод накопления в сочетании с предварительной классификацией обрабатываемых сигналов, позволяет более качественно производить выделение малоамплитудных сигналов при обработке ЭКГ.

При использовании комбинированного метода накопления алгоритм обработки ЭКС имеет структуру, содержащую следующие этапы: съем и оцифровка ЭКС; разделение на классы и накопление в классах; формирование символьного описания ЭКС.

Исследованию и синтезу алгоритма накопления и пригодного для составления советующих диагностических заключений алгоритма формиро-

вания символьного описания ЭКС посвящаются 2 и 3 разделы диссертации.

Во втором разделе моделируется и исследуется комбинированный метод накопления на ЭВМ.

В программной модели комбинированного метода накопления в качестве С^ИБ-комплекса выбран треугольный импульс по спектральным и амплитудным характеристикам близкий к реальному (ЗИБ-комплексу. Для введения аддитивного шума используется генератор случайных чисел. Модель позволяет имитировать накопление сигналов разных классов, имитировать процесс появления ошибок при синхронизации, путем случайного смещения точки синхронизации с изменением дисперсии распределения этого смещения. При этом регистрируются возникающие искажения сигнала и чувствительность метода к различным факторам, влияющим на качество вынесения решения при анализе ЭКГ. С использованием данной программной модели проведены исследования зависимости расширения С^ЯБ-комплекса по сравнению с исходным от среднеквадратичного отклонения погрешности синхронизации. Показано, что в основном искажения возникают из-за неточной синхронизации отдельных реализаций во времени и некоторого отличия реализаций друг от друга даже в одном классе.

Разработана модель возникновения искажений сигнала, таких как сглаживание фронтов, уменьшение амплитуд, расширение комплекса, в которой накопление заменено процессом прохождения сигнала через некоторый линейный четырехполюсник. Получены зависимости коэффициента передачи такого четырехполюсника от статистических характеристик погрешности синхронизации сигналов при накоплении.

В результате анализа процесса обработки ЭКС, выявлена природа ошибок, возникающих при комбинированном накоплении и рассчитаны погрешности данного метода.

Исследованы причины возникновения погрешности метода, связанные с конечной разрядностью представления данных и конечной частотой

дискретизации. Получены соотношения А>Дс/Дтй+Ду), & > А у ¡ха связывающие размеры квантов по амплитуде Ду и по времени т с прогнозируемой скоростью нарастания сигнала а.

Разработан алгоритм разделения на классы и накопления в классах, осуществляющий предварительное определение класса (^Б-комплекса, по некоторой группе признаков, направление его в соответствующий сумматор и последующее накопление в классе.

При выборе информативных признаков для разделения на классы учитывалась специфика обрабатываемого сигнала, характеристики обнаруживаемых и разделяемых комплексов, и использовались наиболее важные и в то же время быстро определяемые в режиме квазиреального времени параметры комплекса. Рассматривая ЭКС в норме и патологии, а

также ЭКС из тестовой базы, для разграничения классов выбраны следующие критерии: количество зубцов (^ЦБ-комплекса, длительность С^Б-комплекса, сумма положительных и отрицательных площадей элементов С^Б-комплекса, максимальная амплитуда положительного и отрицательного зубца (^ЛБ-комплекса

Для помехоустойчивой работы в данном алгоритме предусмотрена коррекция дрейфа изолинии, контроль уровня шума реализации и отбраковка сильно искаженных реализаций. Для исключения захвата участка, соответствующего (ЗЕБ-комплексу, разработан алгоритм выделения С^ИБ-комплексов из ЭКС на основе сравнения адаптивного порога с некоторым функционалом от нескольких векторов многомерного ЭКС. Определены временные границы для С^ИБ-комплекса и зоны запрета нового поиска.

Для случая ЭКС с двумя источниками ритма разработан алгоритм распознавания малоамплитудных феноменов, на фоне высокоамплитудного основного ритма. Алгоритм основан на вычислении в скользящем окне меры различия между текущим сигналом и эталоном, и применением сравнения с порогом.

В третьем разделе исследуются и разрабатываются алгоритмы для символьного описания ЭКС. Показано, что ЭКС благодаря своим статистическим свойствам позволяет производить анализ с помощью аппарата экспертных систем (ЭС) во временной области, в отличие от других биомедицинских сигналов, в частности от ЭЭГ, где традиционно диагностической информацией являются изменения в спектре сигнала. Форму сигнала ЭКГ во временной области с учетом дальнейшей обработки удобно представлять в структурно-лингвистическом виде, что позволяет одновременно уменьшить избыточность информации.

Рассмотрены различные варианты возможной реализации ЭС для обработки ЭКС на основе предикатного исчисления, продукционного метода и метода семантических сетей. Показано, что ни один из рассмотренных подходов в чистом виде не может удовлетворить всех требований по обработке, особенно по времени анализа и количеству продукционных правил. Поэтому в качестве алгоритмической основы предложено применить метод атрибутных транслирующих грамматик (АТГ), использующий нисходящий метод разбора (рекурсивный спуск). В процессе разбора учитывается информация, полученная на более ранних этапах обработки и особенности самого ЭКГ (концентрация диагностической информации на относительно коротких участках сигнала, мощное влияние на заключение крайне коротких и малоамплитудных фрагментов ЭКГ).

Рассмотрены этапы применения метода АТГ для анализа ЭКС: сегментация, формирование алфавита, синтаксический и семантический анализ цепочки.

Этап сегментации можно разделить на две фазы: первичную и вторичную. На этапе первичной сегментации определяется зона местонахождения <ЗЛБ по алгоритму анализа положения экстремумов на плоскости

амплитуда/время. Второй этап сегментации заключается в определении точки изолинии, аппроксимации сигнала некоторым полиномом, в простейшем случае первого порядка и определении зон местонахождения зубцов Р, С^ИБ, Т. Предварительно зона С^ЯБ определена на первом этапе сегментации. Для уточнения местоположения зубцов введены понятия вероятностных функций Рр, Гд^з. Рт соответствующие зонам Р, <31^, Т. Для каждой функции предложен метод их построения. Показано, что при построении вероятностных функций Рр, Рдиэ. ^т. необходимо использовать различные подходы, определяемые морфологией Р-, (ЗЯБ, Т—зубцов. Функция Рсде может быть построена автоматически с использованием анализа мощности высокочастотных составляющих (более 15Гц), усредненных в некотором временном окне (50-100мс). Для построения Рр, Рр предложено использовать комбинированный метод обнаружения таких зон (автоматический и полуавтоматический на этапе обучения распознающей системы).

В результате анализа существующих методов разбора ЭКС, способов съема и векторной природы ЭКГ, при формировании алфавита, введено понятие мультисимвола, в дальнейшем используемого для согласованного символьного представления ЭКС. Предложено два варианта формирования мультисимвольной строки - синхронный по всем временным реализациям многомерного сигнала и асинхронный по каждой временной реализации в отдельности. В качестве атрибутов мультисимвола могут быть использованы например, следующие параметры сигнала: т - длительность; Da - пространственное смещение изолинии; V - вектор мгновенной пространственной скорости; И - максимальный мгновенный радиус кривизны; Ар - максимальное положительное смещение; Ам - максимальное отрицательное смещение. Правила синтеза атрибутов например для мультисимвола С1, можно записать следующим образом:

где А1, В1 - одномерные проекции мультисимвола С1 на оси двух отведений.

Для повышения помехозащищенности алгоритма на этапе синтаксического и семантического анализа предложен метод, моделирующий особенности врачебного мышления: разбор начинается с наиболее рельефного элемента С^ИБ и движение продолжается одновременно влево и вправо относительно этого элемента (рис.1). Подобный элемент принадлежит множеству терминальных символов и называется маркером, а сама АТГ — атрибутной транслирующей грамматикой с маркерами (АТГМ).

3. Ка:= тах

'аА1 + ШВ1 "

Двусторонний синтаксический анализ с использованием АТГМ

Б

Маркер

газбог влево i газеог епгано

^- I -^

Рис.1

Показана возможность использования предложенной модификации метода АТГ в квазиреальном времени. Доказаны леммы о конечности правых частей для такой грамматики и отсутствии бесконечной рекурсии при использовании леворекурсивных и праворекурсивных правил.

Определен состав и сформирована минимальная тестовая база данных ЭКГ для формирования основного набора грамматических правил. Для определения начального множества грамматических правил используется полуавтоматический метод их формирования. Для этого разработана программа, реализующая алгоритм сегментации и аппроксимации ЭКГ из тестового набора. Обеспечена возможность с помощью визиров задания зоны, соответствующей нетерминалу, для которого необходимо сформировать правило. Фрагмент правила формируется автоматически и добавляется как новая альтернатива к существующему на данный момент правилу. После обработки всех ЭКГ из тестовой базы формируется исходная грамматика для обработки ЭКГ в автоматическом режиме.

В четвертом разделе рассмотрен пример технической реализации аппаратно-программного комплекса носимого кардиомонитора. Разработана структура аппаратных средств кардиомонитора и произведен выбор элементной базы для всех его компонентов. Для выбора вычислительного блока произведена оценка временных затрат при реализации предложенных алгоритмов на однокристальной микро-ЭВМ. На основе анализа современной элементной базы, в качестве вычислительного ядра выбрана ОМЭВМ 87c31GB (87c51GB). Долговременная память кардиомонитора реализована на микросхемах перспективного технологического направления FLASH.

Так как по технологии длительного мониторирования носимый кардиомонитора работает в составе системы кардиомонитор—хост-компьютер, разработано программное обеспечение для такой системы. С

учетом технологии анализа записей ЭКГ-мониторирования врачом функциональной диагностики произведено распределение функций монитора и программного обеспечения хост-компьютера. Разработан интерфейс пользователя, позволяющий производить предварительную настройку параметров алгоритмов кардиомонитора до обследования и апостериорную обработку результатов мониторирования.

Для анализа надежности алгоритмов обработки и формирования заключения проведена опытная эксплуатация этих алгоритмов в составе стационарной системы анализа ЭКГ "Кармин". В процессе опытной эксплуатации произведено сравнение автоматической диагностики ЭКГ с диагностикой группы врачей-экспертов. Выявлена достаточная надежность диагностических алгоритмов, особенно в случае тяжелых патологий, что особенно важно для кардиомониторов.

С целью снижения энергопотребления кардиомонитора была произведена оценка возможности его реализации как многопроцессорной системы на базе Р1С-контроллеров. Показана реализуемость такой системы с выигрышем по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работы.

Приложения к диссертации содержат листинги программ моделирования работы предложенного комбинированного метода обработки малоамплитудных сигналов, программ анализа возникающих ошибок при работе метода, фрагмента программы формирования грамматики при обработке ЭКГ-сигнала, фрагмент АТГМ, пример заключения по ЭКГ, а также акты об использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе рассмотрен комплекс теоретических и практических вопросов разработки и исследования методов, алгоритмов и средств распознавания феноменов в ЭКГ-сигналах. В работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработаны метод и алгоритмы предварительной обработки элек-трокардиосигнала, обеспечивающие одновременно предварительное разбиение сигнала на классы и фильтрацию в каждом классе, позволяющие повысить качество предварительной обработки электрокардиосигнала.

2. Исследованы особенности комбинированного метода накопления и зависимость его ошибок от неточности синхронизации отдельных реализаций, от дискретизации по времени и амплитуде, позволяющие выбирать частоту дискретизации и разрядность АЦП, а также предъявлять требования к алгоритмам поиска точек синхронизации.

3. Разработаны алгоритмы сегментации электрокардиосигнала с учетом его многомерного характера. Введение понятия мультисимвола на этапе сегментации электрокардиосигнала позволило скрыть многомерность электрокардиосигнала в атрибутах данного мультисимвола.

4. С целью повышения помехозащищенности синтаксического анализа, разработан алгоритм двухстороннего синтаксического анализа сегментированного сигнала, использующий характерные свойства электрокар-диосигнала. В отличие от используемых алгоритмов синтаксического анализа, предложенный алгоритм более устойчив к малоамплитудным помехам в анализируемом сигнале.

5. Для реализации разработанного алгоритма синтаксического анализа предложена грамматика на основе атрибутной грамматики Кнута, учитывающая особенность электрокардиосигнала: наличие ярко выраженной синхронизующей компоненты (атрибутная грамматика с маркерами).

6. Разработана структура аппаратно-программных средств носимого кардиомонитора с обработкой информации в квазиреальном масштабе времени.

7. Разработан и внедрен в стационарную систему анализа ритма сердца алгоритм поиска мало амплитудных феноменов при наличии двух и более источников электрической активности сердца, позволяющий надежно регистрировать редкие виды аритмий, типа "Синдром слабости синусового узла", "Полная AV-блокада" и "Полная AV-диссоциация".

8. Разработанные методы и алгоритмы возможно применять для обработки сигналов, отличающихся от ЭКГ, в случае наличия в них выраженной детерминированной компоненты, например, вызванные потенциалы центральной нервной системы, электроэнцефалограммы, электромио-граммы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Максимов A.B. Принципы построения корреляционных дискриминаторов, основанные на инвариантной статистике. / /Сборник научных трудов молодых ученых. Таганрог: ТРТУ 1995. С.116-119.

2. Геложе Ю.А., Клименко П.П., Максимов A.B. Формирование системы информативных признаков для распознавания сигналов по виду модуляции.//Известия ТРТУ. Специальный выпуск. Материалы ХХХХ научно-технической конференции. Таганрог: ТРТУ 1995. С.24-25.

3. Геложе Ю.А., Клименко П.П., Максимов A.B. Следящий измеритель частоты / / Патент на изобретение №2050075.

4. Максимов A.B., Пьявченко А.О. Фильтрация цифровых сигналов с использованием вычислительного комплекса IBM-АПТ. //Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности: Тезисы докладов/Научно-технический семинар с международным участием (10-13 октября 1994). Таганрог: ТРТУ 1995. С.11-12.

5. Ищенко C.B., Максимов A.B., Пьявченко А.О., Постановка решения прикладных задач на вычислительном комплексе IBM PC/AT-акселератор.//Сб. науч. труд. "Компьютерные технологии в инженерной

и исследовательской деятельности" по материалам всероссийских научно-технических конференций с международным участием 1994-1995гг. Таганрог: ТРТУ 1996. С. 118-126.

6. Максимов A.B., Синютин С.А. Распознавание патологических эпизодов при суточном мониторировании ЭКГ. / /Сб. науч. труд. "Компьютерные технологии в инженерной и исследовательской деятельности" по материалам всероссийских научно-технических конференций с международным участием 19944995гг. Таганрог: ТРТУ 1996. С.174-178.

7. Максимов A.B. Алгоритм обнаружения ППЖ с использованием обработки в спектральной области. / /Третья Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая Кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". Тезисы докладов. Таганрог: ТРТУ,

1996. С.241.

8. Максимов A.B. Метод цифровой обработки малоамплитудных сигналов ЭКГ. / /Материалы второй региональной научно-практической конференции научных и санаторно-курортных учреждений Кавказских Минеральных Вод, посвященной 75-летию основания здравницы "Актуальные вопросы использования природных преформированных факторов, фитотерапии и других традиционных методов в комплексном лечении заболеваний органов пищеварения и обмена веществ". Ессентуки

1997. С.61-62.

9. Ищенко С.В, Максимов A.B., Синютин С.А., Хлестунов C.B. Применение атрибутных транслирующих грамматик для анализа ЭКГ-сигналов. / /Материалы второй региональной научно-практической конференции научных и санаторно-курортных учреждений Кавказских Минеральных Вод, посвященной 75-летию основания здравницы "Актуальные вопросы использования природных преформированных факторов, фитотерапии и других традиционных методов в комплексном лечении заболеваний органов пищеварения и обмена веществ". Ессентуки 1997. С.103-110.

10.Ищенко C.B., Максимов A.B., Синютин С.А. Алгоритм распознавания феноменов, некоррелированных с QRS-комплексом. / /Материалы второй региональной научно-практической конференции научных и санаторно-курортных учреждений Кавказских Минеральных Вод, посвященной 75-летию основания здравницы "Актуальные вопросы использования природных преформированных факторов, фитотерапии и других традиционных методов в комплексном лечении заболеваний органов пищеварения и обмена веществ". Ессентуки 1997. С.110-113.

П.Максимов A.B. Природа и характер ошибок, возникающих при обработке ЭКГ-сигнала в цифровых кардиомониторах. //Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления". Тезисы докладов. Таганрог: ТРТУ, 1997. С.66-67.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично Максимову А.В принадлежат следующие результаты:

В работе [2] алгоритм и программа описания образов сигналов.

В работе [3] предложена реализация адаптивного фильтра.

В работе [4] алгоритм и программа цифрового фильтра с использованием вычислительного комплекса 1ВМ-АПТ.

В работе [5] разработка демонстрационной программы фильтрации ЭКГ-сигналов на комплексе IBM РС/АТ-акселератор.

В работе [6] алгоритм классификации комплексов в многомерном пространстве.

В работе [9] алгоритм сегментации многомерного ЭКС.

В работе [10] алгоритм обнаружения Р-зубца, не связанного с QRS-комплексом.

Соискатель

А.В. Максимов

ОП. Тип. ТРТУ. Заказ №3 . Тир.бОэкз. 1998г.