автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Исследование методов поциклового сжатия электрокардиосигнала

РГб од

На правах рукописи

13 111 13,95 :

Левашов Сергей Юрьевлч

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЦОЦИКПОВОГО СЖАТИЯ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА

Специальность: 05.13.09 - Управление в биологических

и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

Авгореферат диссертации¿на соискание ученой степени кандидата технических наук ' / .

Санкт-Петербург - 1995

Работа .выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. ч В. И .Ульянова (Ленина). -'->0 '

Научный руководитель - .

. доктор технических наук, профессор А.П.Немирко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Э.И.Цветков кандидат технических наук, доцент С.Iй.Данько.

Ведущая организация - СКТБ "Биофизприбор"

■ ■а'. ^ ■■■. ■ ^ ■ Защита состоится " " <4*0НЯ 1995 г. в 4 О на заседании диссертационного совета Д 063.36.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_££_» 1995 г_

Ученый секретарь диссарр&циомиогчэ чтовефа

Юлдашев З.М.

Ьбщая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из наиболее важных задач современной медицины является борьба с заболеваниями сердечно-сосудистой системы человека, составляющих основную долю 'бреди причин Смертности людей в трудоспособном возрасте . Для диагностики заболеваний сердца в последние десятилетия все более широкое применение находят компьютерные системы передачи, хранения и автоматического анализа электрокардиографических (ЭКГ) данных и в первую очередь элект-рокардиосигнала (ЭКГ-сигнала).

-Применение сжатия в таких системах«позволяет- уменьшить объемы данных, 'сохраняемых для последующего' сравнения или обработки, обеспечить режим - реального времени при* передаче многоканальной ЭКГ по Телефонной сети, уменьшить время, а значит и стоимость передачи предварительно записанных данных в ■ диагностический центр,'увеличить функциональные возможности амбулаторных кардиомониторов и многое другре.

Наибольший эффект сжатие данных приносит -в системах длительного непрерывного наблюдения за ■ функционированием сердечно-сосудистой системы, одной из особенностей г-этих систем является огромный объемы -данных, которыми они'. оперируют. Применение сжатйй позволяет уменьшить-эти объемы, что,- в свою очередь,' приводит к значительному снижению стоимости таких систем.

Первые системы, предназначенные для длительной - регистрации' ЭКГ й'условиях клиник, появились в конце 60-х годов. Большинство Из них не использовали алгоритмов сжатия,, или же применяли Относительно простые универсальные методы с невысокой "эффективностью. Появление' новых мощных микропроцессоров с' увеличенным объемом внутренней- памяти и бргстро-. действием позволила расширить возможности таких систем и реализовать в них более сложные^точные инадежиыеметоды автоматического- анализа сигнала.' в связи е.. этим появилась возможность дбпойнить'систёмы .регистрации также, новыми ал~ тбритмами сжатия, которые • Используют результаты , автомагического анализа и благодаря этому обладают более высокой

эффективностью. Таким образом поиск/ разработка и всестороннее исследование новых математических методов и алгоритмов сжатия ЭКГ-сигнала представляет собой актуальную задачу.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение качества компьютерных систём передачи, хранения в автоматического анализа биомедицинских сигналов за счет использования более эффективных процедур сжатия ЭКГ. >

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи: t

- разработка новых, более эффективных методов поцикло-вого сжатия ЭКГ-гсигнала; их теоретические и экспериментальные Исследования;

- разработка и исследование методов поциклового сжатия ЭКГ-сигнала с использованием адаптивных процедур линейного предсказания;

- реализация предложенных алгоритмов и программ сжатия ЭКГ-сигнала в составе программно-алгоритмического обеспечения компьютерных систем мониторного контроля ЭКГ.

Метопы исслепования. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена на базе аппарата теории случайных процессов в адаптивной фильтрации сигналов.

Экспериментальные исследования проводились по состав-( ленным программам I и выбранным методикам с использованием стандартной аннотированной базы ЭКГ-сигналов Массачусетс-кого технологического института (MIT/BIH Arrhythmia Database, USA).. Результаты исследований обрабатывались с использованием аппарата математической статистики. Л Новые научные результаты. На защиту выносятся следующие новые научные результаты, которые получены автором в процессе решения поставленных задач:

- обоснована структура алгоритмов сжатия, методом поцик-_ ловой обработки, использующая результаты обнаружения желудочковых комплексов ЭКГ и классификации формы кардиоциклов;

- исследЬвана потенциальная эффективность алгоритмов поциклового1 сжатия в зависимости от свойств.' ЭКГ-сигнала и помех;

- предложены и исследованы три новых алгоритма поцикло-вого сжатия-восстановления, предназначенные для разных задач автоматического анализа ЭКГ и обеспечивающие: различную эффективность сжатия при разных требованиях к ошибке восстановления сигнала; предложенные алгоритмы обеспечивают -увеличение коэффициента сжатия в среднем в 1/7 раза по сравнению с известными при одинаковых значениях ошибки восстановления сигнала; /

- предложены и экспериментально исследованы два новыз( алгоритма поциклового сжатия, использующие процедуры адаптивной фильтрации с различными методами настройки к°эффици-< ентов, что позволило дополнительно увеличить коэффициент: сжатия сигнала в среднем на 6,7%;

• - предложен новый метод настройки весовых коэффициентов адаптивного . фильтра, учитывающий частотные свойства ЭКГ-сигнала, который повышает скорость адаптации и эффектив-* ность сжатия сигнала.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссерта«-ционной' работе методы, алгоритмы и программы сжатия ЭКГ* "•сигнала могут использоваться при создании программного обеспечения различных компьютерных систем медицинского назначения и позволяют обеспечить эффективную передачу, хранение и обработку ЭКГ-данных.

Предложенные в работе методики экспериментальных исследований позволяютполучить объективную оценку качества ежа-« тия и могут быть использованы в работах, связанных с иссле-дЬванием других алгоритмов сжатия и проводить сравнение их эффективности.

Внедрение результатов. Диссертационная работа связана с выполнением научно-исследовательских работ по темам: "Создание новых математических методов автоматического анализа биосигналов для микрокомпьютерных медицинских систем 'й приборов" (БЭС-20), "Разработка новых структурных методов распознавания, образов для прикладных программных комплексов" (БЭС-3) по ГНТП "Перспективные информационные технологии", "Разработка.методов и программных комплексов, для анализа и /идентификации сложных .контурных изображений" (БЭС-1'8) по I , ГНТП "Информатизация России"которые .ведись с участием

автора с 199 2 г. на кафедре биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ в области создания новых методов автоматического анализа биомедицинских сигналов.

Программы сжатия ЭКГ-сигнала, созданные в э?оДе работы, вошли в состав программного обеспечения компьютерной кар-диомвниторной системы "РИТМОН", которая 'Используется для длительного наблюдения за тяжелыми кардиологическими больными в нескольких десятках лечебных учреждений России'

Апробация работыt Основные положения и результаты диссертационной 1 работы докладывались и обсуждались на: Международном семинаре по обработке и автоматическому анализу биомедицинских сигналов (Силезский техническийуниверситет, Гливице, Польша, 1993), Международных симпозиумах по бйоме-дицинской технике "SYMBIOSIS'93" (Брно, Чехия, 1993) и "SYMBIOSIS'94" (С.-Петербург, 1994), научном семинаре секции "Биомедицинская радиоэлектроника и бионика" НТОРЭС им. А.С.Попова (С.- Петербург, 1993), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского аостава СПбГЭТУ (1994, 1995).

Публикации; Материалы диссертации опубликованы в 4 печатных работах.

Структура и объем писсертапии. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения.и приложения. Основной текст диссертации изложен на 131 машинописных страницах. Иллюстративный материал представлен в виде 25 таблиц и 32 рисунков. Список литературы по включает 59

наименований. В приложении представлена характеристика состава стандартной 'аннотированной базы ЭКГ-Сигналов, использованной при проведении экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тем$ и необходимость совершенствования методов сжатия ЭКГ-сигнцла, применяемых в компьютерных системах передачи, храцей^я И автоматического анализа биомедицинских сигналов. Сформулированы 'цель, задачи исследования и основные положения, выносимые

автором на защиту. Приведено краткое содержание я-исе-ертации по главам.

В первой главе рассматриваются основные задачи и методы сжатия ЭКГ-сигнала в компьютерных системах передачи, хранения и автоматической обработки ЭКГ. Применение сжатия в таких системах позволяет достичь уменьшения объемов данных, сохраняемых для последующего сравнения или обработки; обеспечить передачу мньгоканальной ЭКГ по телефонной сети в реальном масштабе времени; реализовать некоторые высокоскоростные алгоритмы анализа ритма сердца; ускорить передачу предварительно записанных ЭКГ в диагностический центр по телефонному каналу, а также увеличить функциональные возможности амбулаторных ЭКГ-мониторов.

Основной задачей большинства систем сжатия является уменьшение' объема данных,' при- условии сохранения в восстановленном сигнале значимых особенностей"формы. Другими словами можно сказать, что сжатиеявляется процессом устранения из ' ЭКГ-^сигнала избыточной7 информации. В любом цифровом сигнале всегда присутствует избыточная информация, обусловленная тем фактом, что соседние отсчеты сигнала не являются статистически независимыми и квантованные^ уровни амплитуды сигнала не являются равновероятными.

Рассмотрены основные методы сжатия цифровых сигналов, которые направлены на .'исключение избыточной информации, обусловленной этими причинами. Аналитический обзор методов показал их принципиальную ограниченность, связанную с тем, что методы, направленные - на исключение избыточной информации; присутствующей в любых цифровых, сигналах, обладают сравнительно невысокой эффективностью.

■ Кроме избыточной информации, присутствующей во всех цифровых сигналах, ЭКГ-сигнал обладает дополнительной избыточностью связанной с различйем в частотном составй различных"' элементов кардиоцикла ЭКГ и повторяющимся характером сигнала. Приведенный обзор существующих методов сжатия позволил сформулировать вывод о целесообразности применения для сжатия ЭКГ-сигнала метода поцикловой обработки, который направлен на последовательное исключение из, сигнала избы-

-б-

точной информации различных типов как универсальных, так и специфичных дяй ЭКГ

На основании анализа литературных источников, посвященных гсжатию ЭКГ-сигнала методом поцикловой обработки> обос^ нована необходимость дополнительных исследований этого метода;. направленных на выявление предельных характеристик метода и зависимости эффективности сжатия ЭКГ-сигнала от параметров алгоритма, свойств сигнала•и помехи. Обоснована целесообразность разработки новых алгоритмов сжатия ЭКГ-сигнала; основанных на методе поцикловой. обработки, предназначенных для разных задач автоматического анализа ЭКГ и обеспечивающих различную эффективность сжатия при разных требованиях к ошибке восстановления сигнала, а также необходимость исследования этих алгоритмов, направленного на выявление предельных характеристик метода и зависимости эффективности сжатия ЭКГ-сигнала от параметров алгоритма, свойств сигнала и помех.

■Сформулирован вывод о целесообразности применения в системах сжатия ЭКГ-сигнала процедуры адаптивной фильтрации, которая позволяет осуществлять более эффективное предсказание отсчетов сигнала, •чем линейные полиномиальные предсказатели, используемые в методе разностной ' импульсно-кодовой модуляции; и позволяет ожидать увеличение общей эффективности сжатия.

Здесь же обсуждаются также особенности организации сжатия ЭКГ-сигнала в системах длительного непрерывного наблюдения за ритмом' сердца. Отмечена необходимость разработки максимально эффективных однопроходных алгоритмов сжатия ЭКГ-сигнала, реализующих сжатие длительной записи в виде независимых процедур сжатия последовательных фрагментов сигнала.

Во второй главе подробнб рассмотрены и исследованы алгоритмы, основанные на методе поциклового сжатия. Представлена обобщенная структура алгоритмов, включающая в себя разделение, ЭКГ-сигнала на интервалы, соответствующие кар-диодиклам типичной для данного пациента формы, и интервалы патологических кардиоциклов, имеющих нетипичную форму. эти интервалы сигнала обладают различными свойствами и сжимают-

ся различными.способами а различной,.точностью. По интервалам ЭКГ-сигН(ада, соответствующим кардиоциклам типичной фор-т мк< формируемся шаблон формы типичных ..кардиоциклов, который ЗЭ.ТЩ вычитается из каждого кардиоцикла, форма.. которого распознана как типичная. Подученный в результате вычитания шаблона, типичной формы сигнал, называемый остаточным, подвергается процедурам прореживания и реквантования для дополнительного. увеличения коэффициента, сжатия. Затем вычисляется первая разность остаточного сигнала, которая сжи-г маеф%# с помощью метода энтропийного кодирования: Интервалы ЭКГ-сигнала,,, соответствующие кардиоциклвй* нетипичной формы, также подвергаются процедуре вычисления первой разности и сжимается .с помощью метода энтропийного кодирования, но без прореживания и реквантования/ которые увеличивают ошибку восстановления сигнала.

Рассмотрены требования международных стандартов к представлению цифрового ЭКГ-сигнала в системах для ЭКГ-диагностики и вытекающие из них параметры процедур прореживания й реквантования. Обоснованы параметра Процедуры энтропийного кодирования и длительность шаблона формы нормальных кардиоциклов .

Предложены трй новых алгоритма сжатия ЭКГ-сигнала методом поцикловой обработки, предназначенные для различных за» дач автоматического анализа ЭКГ и обеспечивающие различную эффективность сжатия при различных требованиях к ошибке восстановления сигнала. Первый алгоритм обеспечивает высокую точность восстановления всего ЭКГ-сигнала и предназначен для использования в системах детальной диагностики ритма сердца на_ основании записей ЭКГ-сигнала. Второй алгоритм направлен на точное воспроизведение формы сигнала только"на интервалах,( соответствующих Р-ОИв-Т-комплексам кардиоциклов типичной формы и патологическим хардиоциклам, и предиазна-, чен для использования в составе систем амбулаторного■мони-- торирования кардиологических больных. Третий алгоритм обеспечивает точное воспроизведение сердечного ритма ' и формы ЭКГ-сигнала на интервалах, соответствующих патологическим кардиоциклам, в' то время" как кардиоциклы типичной формы восстанавливаются в виде некоторой усредненной модели без

/

воспроизведения особенностей каждого p-QRS-T-комплекса. Такой подход позволяет достичь увеличения коэффициента сжатия более чем в три раза по сравнений с первым алгоритмом, но приводит также к многократному' увеличению ошибки восстановления ЗКГ-'сигнала. Данный алгоритм может найти свое применение в системах длительного наблюдения за ритмом Некардиологических больных в условиях палат интенсийной -терапии и реанимации, где точное воспроизведение формы каждого кар-ди'оцикла не требуется.

Приведено теоретическое , исследование . эффективности предложенных алгоритмов. Эффективность сжатия ЭКГ-сигнала в данной работе характеризуется двумя параметрами: коэффициентов сжатия> определяемым как отношение объема исходного описания сигнала к объему его сжатого описания, И.средне-квадратической ошибкой восстановления, определяемой как корень квадратный из среднего квадрат.а разности между отсчетами исходного сигнала и соответствующими отсчетами сигнала после операции сжатия-восстановления.

На оснований анализа всех составляющих сжатого описания ■ сигнала выведены аналитические зависимости показателей эффективности предложенных алгоритмов поциклового сжатия, позволяющие судить о их потенциальной эффективности в зависимости от свойств ЭКГ-сигнала и помех;' рассмотрена теоретическая зависимость предельных значений коэффициента сжатия ЭКЦ-сигнала от таких характеристик представления цифрового сигнала как частота дискретизации и разрядность отсчетов; а также зависимости показателей эффективности сжатия, от частоты сердечных Сокращений и свойств наложенной на сигнал помехи. В качестве помехи рассматривался случайный процесс, характеризующийся нормальным законом распределения, нулевым средним и заранее заданной.дисперсией.

Предложена методика проведения* экспериментальных исследований разработанных алгоритмов на стандартной базе данных ЭКГ-ригнапов. Методика опирается на использование аннотированной базы ЭКГ-сигналов Массачусетского технологического института (MXT/BIH Arrhythmia Database, USA), ставшей фактический стандартом для проведения исследований и разработ «и методов и алгоритмов анализа ЭКГ-данных.. Каждая запись

базы содержит 30 минутный фрагмент ЭКГ-сигнала, зарегистрированного в двух отведениях в условиях бытовой активности пациента. База данных содержит два набора записей. Первый набор представляет из себя представительную' выборку сигналов и помех, встречающихся в электрокардиографической практике, и содержит 23 записи, а второй набор включает в себя записи с более редкими но клинически важными ЭКГ-событиями, не вошедшими в первый набор, и содержит 25 записей. Использование такой стандартной базы данных ЭКГ-сигналов позволяет получить объективные оценки эффективности алгоритмов сжатия, может быть использована в работах, связанных с исследованием других алгоритмов сжатия^ а также Проворить адекватное сравнение их эффективности. В работе предлагается при экспериментальных исследованиях алгоритмов» сжатия использовать следующие показатели их эффективности: ,

- коэффициент сжатия,

- максимальную ошибку восстановления к

- средне-квадратическую ошибку, восстановления й

- относительную средне-квадратическая ошибку вЬсстанов-ления. ■

Для подтверждения результатов теоретических исследований зависимости показателей эффективности сжатия от частоты сердечных сокращений и свойств наложенной на сигнал помехи были сформированы модельные ЭКГ-сигналы, Характеризующиеся заданными значениями частоты сердечных сокращений и дисперсии помехи, которая представляла из себя случайный процесс с нормальным законом распределения и нулевым средним значением. Исследование эффективности сжатия модельных ЭКГ-сигналов показало, что результаты экспериментальных исследований расходятся с теоретическими не более Чем на 3,2%, „что позволяет сделать вывод о соответствии теоретических"зависимостей экспериментальным данным.

Проведенные в работе экспериментальные Исследования эффективности предложенных алгоритмов на модельных сигналах и реальных шисях из базы данных ЭКГ-сигналов позволяют сделать вывод о том, что предложенные алгоритмы обеспечивают увеличение коэффициента сжатия в среднем в 1,7 раза по

' -10- . -■■ ' м ■■■■■ " .

сравнению с известными алгоритмами при. одинаковых значениях ошибки восстановления сигнала. 1 , > , , „

сжатия -реальных записей ЭКГ-сигнала,-, п<*ка.зж,т ли, 'что коэффициент сжатия--существенно за-в^си^-ят числа Кардиоциклов нетипичной формы, Црийутствующих в ЗКГ-сигнала. Так коэффициент сжатия различных записей -Э-КГ-сигнапа, представленного1 с -частотой' дискретизации >500 /Гц, разрядностью 12 бит и разрешавшем 2,5 мкВ на- младший значащий разряд, с помощью первоцо; алгоритма лоциклового сжатия изменяете»? от 18,67 для записи, все «ардиощаклы которой обладают типичной формой, до- 3,25 для записи,- более -трети кардиоциклов которой характеризуются нетипичной формой. По •результатам сжатия реальных записей ЭКГ-сигнала были составлены графики <. экспериментальных зависимостей - коэффициента Сжатия от среднего числа 'кардиоциклов нетипичной формы в минусе сжигаемого ЭКГ-сигнала.

В третьей главе г предложен новый алгоритм сжатия ЭКГ-сигнала ,» основанный на методе поцикловой обработки! и использующий ' в качестве одного из .своих звеньев адаптивный фильтр, что позволяет дополнительно увеличить коэффициент сжатия.

: Одним-' из факторов, определяющих коэффициент сжатц^ ЭКГ-сигнала с помощью предложенных во - второй главе алгоритмов является энергий сигнала, полученного.-в. .результате выполнения рледующих обратимых процедур:

- - вычитание ' из- каждого кард^оцикла, характеризующегося типичной формой,, некоторогр--усредненного шаблона .формы ,и

- вычисление первой разности сигала, полученного в результате выполнения' рредыдущей. -процедуры и называемого- остаточным. - 7 I х • ■> > ¿< ,4 ^ "

Процедура вычисления первой разности является .ч^стрым случаем метода разностной ймиуньешэ-кодовой,модуляции< торый заключается в вычисление ошибки рредаск$з.а.ийя ^ждого нового обсчета сигнала пр -предыдущим'отсчеа?ам, с цомощью!/Линейного ■ пйлрвомиапьного предсказателя. В ,этрм.г1рлуча^ процедура вычисления первой разности может, трактоваться как вн, числение ойибки- предсказания - нулевого порядку. Применение другого предсказателя, который обеспечит более эффективное

предсказание и .уменьшит энергий) ошибки, позволит дополнительно увеличить коэффициента сжатия. В работе вместо \вы-числрния первой разности остаточного сигнала предложено использовать процедуру адаптивного линейного предсказания первого порядка с помощью адаптивного фильтра, который способен осуществлять более точное предсказание и тем самым увеличить общую эффективность алгоритма сжатия.

Эффективность функционирование адаптивного филвтра определяется специальными алгоритмами настройки или адаптации его коэффициентов^ В работе рассмотрены два таких алгоритма: алгоритм наименьших квадратов

■ = Щ + 2\хчХк , ■ (1)

где И^ - вектор коэффициентов фильтра на к -ом шаге алгоритма, Ху - вектор отсчетов входного сигнала на к -ом шаге, б* - ошибка предсказания к -го. отсчета, Ц - параметр ско^ рости адаптации, и алгоритм последовательной регрессии

, = + ' (2)

| где А^р -' среднее' собственное значение автокорреляционной I матрицы сигнала, а ; - оценка обратной автокорреляционной матрицы входного сигнала.

Проведено теоретическое исследование особенностей работы алгоритмов настройки коэффициентов адаптивного фильтра, предназначенного для предсказания ртсчетов остаточного сигнала в составе алгоритма сжатия ЭКГ-сигнала. Остаточннй сигнал, и отсчеты кардиоциклов патологических типов, поступающие на вход адаптивного предсказателя, практически всегда обладают некоторой постоянной составляющей, обусловленной поляризацией электродов, дрейфом параметров усилителей ЭКГ-сигнала и другими факторами. Теоретическое рассмотрение процесса настройки коэффициентов адаптивного предсказателя показало, что алгоритм наименьших квадратов становится неэффективным при предсказании нестационарного сигнала с ненулевым средним значением. Этот факт связан с Фем, что при уровне постоянной составляющей входного сигнала адаптивного предсказателя, превышающей значение средне,-квадратического отклонения этого сигнала, траектория настройки коэффициен-

t

tob предсказателя в соответствии с алгоритмом наименьших квадратов будет располагаться вбдизи прямой, проходящей через точку начальных значений коэффициентов И направленной параллельно биссектрисе первого и третьего квадрантов^ пространства коэффициентов. В этоц случае, при неудачном выборе начальных значений коэффициентов оптимальные значения могут оказаться недостижимы за обозримое число: итераций.

Чтобы снизить влияние этого фактора на работу алгоритмов сжатия предложена модификация алгоритма наименьших квадратов, в котором введена дополнительная операция скользящего усреднения и вычитания и^з входного сигнала его среднего значения'. После предсказания очередного отсчета к его "значению прибавляется среднее 'значение сигнала. Такой подход .позволяет увеличить эффективность адаптации, уменьшить ошибку предсказания остаточного . сигнала' и, следовательно, увеличить Коэффициент сжатия ЭКГ-сигнала•

Разработаны и программно реализованы два алгоритма сжатия-восстановления, использующие блок адаптивного предсказания рстаточного сигнала с различными алгоритмами настрой-иди весовых коэффициентов и позволяющие увеличить коэффициент сжатия ЭКГ-сигнала. Обоснована структура алгоритма ежа-жия1 методом поцикловой обработки, гуредусматривающая дсполь-эявание двух независимых блоков адаптивного предсказания. Одаю блок.предусмотрен .для предсказания остаточного сигнала, получаемого в результате вычитания шаблона формы из ти-пичясих кардиоциклов ЭКГ-сигнала, а другой - для предака'за-ния отсчетов сигала, соответствующих, кардиоциклам нетиНиЧ-ной формы. Такое разделение операции предсказания связано с различием в статистических свойствах этих частёи сигнала.

С цепью максимизации коэффициента сжатия была проведена экспериментальная оптимизация параметров алгоритмов. Оптимизации подвергались параметры скорости настройки коэффициентов , представленные множителем ц в выражении {1) и множителем цХ,ср в выражении {2). Необходимость 'оптимизации этих параметров обусловлена* тем фактом,' что "при недостаточно больших значениях этих параметров процёсс'адаптации коэффициентов фильтра/ будет сравнительно' медленным и, такйм орразрй, малоэффективным.' С другой стороны, если значения

яараметров скорости■адаптации будет .выбрано слишком большим, то может быть нарушено условие устойчивости фильтра, что также приведет к Увеличению ошибки предсказания и, cjie-" довательно, уменьшению эффективности сжатия.

Проведенное в работе экспериментальное исследование эффективности разработанных алгоритмов показало, что Использование адаптивного фильтра в алгоритме сжатия ЭКГ-сигнала увеличивает коэффициент скатия по сравнению с неадаптивным алгоритмом, предложенном во второй главе, в среднем на б', 24% при использовании для настройки коэффициентов предсказателя модифицированного алгоритма наименьших квадратов и на 6¿72% при использовании алгоритма последовательной регрессии При тех же значениях ошибки восстановления сигнала.

В четвертой главе рассматриваются особенности реализации алгоритмов сжатия данных в системах длительного непрерывного наблюдения за ЭКГ человека. Рассматриваются методы снижения вычислительной сложности предложенных процедур сжатия за счет реализации адаптивных фильтров в рамках целочисленных операций. Такой способ реализации дозволяет значительно сократить загрузку процессора под задачу сжатия данных и увеличить возможности кардиомонитора по анализу сйгнала и сервйсу. Так реализация алгоритма сжатия с ис-« пользованием адаптивного предсказателя, коэффициенты, которого настраиваются по алгоритму наименьших квадратов, показала, что для сжатия-восстановлени^ одной минуты ЭКГ-сигнала требуется 1,13 сехуиды при»использовании операций с плавающей точкой или 0,78 с в случае целочисленных операций. Данные результаты получены при использовании компьютера, оснащенного центральным процессором "Intel 486 ,DX" с тактовой частотой 40 МГц и встроённым математическим сопроцессором.

Также рассматриваются назначение, структура и.технические характеристики компьютерной кардиомониторной системы "РИТМОН" и реализованной в ней подсистемы сжатия и хранения данных. Приводится описание используемых в- системе алгоритмов автоматического анализа сигнала и результатов <gx функционирования . Алгоритмическое обеспечение системы включаем в себя анализ входного сигнала на допуст^ый уровень помех,

)

если уровень помех недопустимо высок, то формируется сообщение о помехе и соответствующий участок ЭКГ-сигнала да!пее,' не анализируется. Если сигнал признан пригодным для дальнейшей обработки, то после предварительной фильтрации' осуществляется выделение ДОв-комплекса ЭКГ с. использованием цифрового фильтра верхних частот (подавляются Частоты ниже 5 Гц),, дифференцирующего фильтра и операции детектирования ("определения модуля) сигнала. Процедура обнаружения 0118-комплекса представляет собой логический алгоритм, основанный на пороговых правилах и адаптирующийся к уровню элект-рокардиосигнала и текущей частоте сердечных сокращений. Все обнаруженные ОКБ-комплексы разбиваются на кластеры по сходству :их форм при помощи алгорйтма динамической классификации. Алгоритм основан на линейном решающем правиле, 'использующем четыре параметра" формы комплексов ширину, размах, ,площадь -зубцов, смещение относительно нулевой линии. Каждому; из сформированных кластеров " присваивается один из трех идентификаторов: "норма" ,-"патология'! или "неопределен- . ность". Измеренные алгоритмом смежные ГШ-интервалы и результаты классификации форм ОЯВ-хомплексов, служат основой для выявления нарушений ритма. Результаты обнаружения 0Я8-комплексов и динамической классификации их формы* являются основой' для функционирования■алгоритма сжатия, на вход которого подается прошедший предварительную фильтрацию ЭКГ-сигнад и все результаты его .автоматического анализа.

Предложены форматы данных, которые регулярно сохраняются системой в ходе наблюдения за пациентом'и содержат в сел бе как сжатое г описание регистрируемого ЭКГ-сигнала, так и результаты автоматического анализа. Использование предложенных форматов позволяет реализовать простор редким ретроспективного, визуального анализа результатов наблюдения врачом, чрезвычайно важный для исключения ложной диагностики^ возможной при автоматической обработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ , ч

В диссертационной,, ра^аде предложены и исследованы методы поциклового сжатия ..ЭКГ-сигнала для реализации в кар-

диомониторных*системах« Основные результаты работы сводятся к следующему:

1.. Обоснована необходимость разработки методов и алгоритмов сжатия ЭКГ-сигнала, предназначенных для использования в системах длительного непрерывного наблюдения за ритмом сердца, и целесообразность применения для сжатия ЭКГ-сигнала .в таких системах методов Поцикловой обработки, как потенциально Наиболее эффективных методов сжатия ЭКГ-сйгнала. ■■■ .......

2. Предложены три новых алгоритма сжатия ЭКГ-сигнала методом поцикловой обработки, предназначенные для различных задач автоматического анализа ЭКГ и обеспечивающие различную эффективность сжатия при различных требованиях к ошибке восстановления сигнала.

3. Выведены аналитические зависимости показателей эффективности предложенных алгоритмов поцикловсго сжатия, позволяющие судить о потенциальной эффективности алгоритмов в зависимости'от свойств ЭКГ-сигнала и помех.

4. Предложена методика экспериментального исследования эффективности сжатия ЭКГ-сигналов, которая позволяет получить объективные количественные оценки параметров эффективности, может быть использована в работах, связанных с иг следованием других алгоритмов сжатия, а позволяет проводить объективное сравнения эффективности различных алгоритмов.

5. Проведено экспериментальное» исследование предложенных алгоритмов на модельных сигналах и реальных записях м'з базы данных ЭКГ-сигналов, позволяющее сделать вывод о том, что предложенные алгоритмы обеспечивают увеличение коэффициента сжатия в среднем в 1,7 раза по сравнению с известными при одинаковых значениях ошибки восстановления сигнала, а также выявить экспериментальные зависимодти <> показателей эффективности от среднего числа патологических кар-диоциклов в минуте сжимаемого ЭКГ-сигнала.

6. Предложены и экспериментально исследованы два новых алгоритма поциклового сжатия, использующие процедуры адаптивной фильтрации с различивши методами настройкиокоэффи-

О

циентов, что позволило дополнительно увеличить коэффициент сжатия сигнала в среднем на 6,7%. Провеяна процедура экс-

периментальной оптимизации параметров алгоритмов, которая позволила добиться максимальной эффективности разработанных алгоритмов г , ' , , .

7. Предложен новый м^тод настройки весовых коэффициентов ,адаптивного, фильтра > учитывающий частотнее свойства ЭКГ-сигнала,,который повышает скорость адаптации и эффекг тивность сжатия сигнала. '

Реализация предложенных и исследованных в настоящей работе алгоритмов сжатия ЭКГ-сигнала в виде блока программного обеспечения кар'дирмониторных систем позволяет повысить качество работы , и удобство эксплуатации таких систем за счет снижения требований к объемам памяти и улучшения кае чества;информации/ предъявляемой врзчу, в режиме ретроспективного анализа.

Публикации по теме диссертации

1. Калиниченко A.B., Левашов С.Ю. Оперативная обработка многоканальной Шкг/У Изв.ГЭТУ: Сб.науч.тр./ СП6ГЭТУ.'-СП6.,1994.- Вып.468.- с. 26 31.

2. Levashov S. г ECG Compression Based on Normalizing Procedures// Proc. of the Internatiönal £vmp6siuiu S-XMBIOSXST93, Brno.- 1993.- P'. 75-80.

3. Levaehov S. ECG Compression Based on Adaptive "Linear prediction Procedure// Proc. of thö It'ernational Symposium S5rHSIO'SIST04, fit.Petersburg.- 1994.- P. "56-62; ^

4. LevashoV S. ECG Compression Based on Adaptive Linear' Prediction Procedure//'' Pattern Recognition and Image Analyfcie.- 1995. Vol.5.- № 11.- P, 121-124. 4

Подписано в печать 22.05.95. Формат 60x84. 1/16. Офсетная печать. Печ. л. 1,0; уч.-изд.л. '.

Тираж 100 экз1! Зак. »79 ,

Ч- ^ Ч ™ i » / » „ Л .** iS

4 1 » Т77 -Ч, L \ * , ... • v <Пм< '

• * - w -ротйприн^'МГВ "ЙО*ЛИКОМ", 'V 'ч.

' 497376 ,'-С.гЙете1>б^рг, ул. 'Вроф-. -Попова, 5 - ■