автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов человека

На правах рукописи

ш

Федотов Александр Александрович

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОСТЬЮ АРТЕРИАЛЬНЫХ СОСУДОВ ЧЕЛОВЕКА

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 [Л ДР 2012

005013627

Самара-2012

005013627

Работа выполнена на кафедре радиотехники и медицинских диагностических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)

Научный руководитель:

заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, Калакутский Лев Иванович

Официальные оппоненты:

Меркулов Алексей Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электротехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)"

Гуменников Валерий Борисович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения"

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Защита диссертации состоится 6 апреля 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.05 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)", по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ Автореферат разослан 5 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.А. Фурсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важным направлением в совершенствовании систем управления состоянием организма человека является разработка измерительных преобразователей (ИП) физиологической информации, позволяющих получить оперативную информацию о текущем состоянии как всего организма в целом, так и его отдельных систем и органов. При построении ИП физиологической информации широко используются параметры сердечного ритма человека для оценки состояния организма и формирования управляющих воздействий, направленных на коррекцию состояния. Рассмотрению данных вопросов посвящены работы P.M. Баевского, В.М. Хаютина, Л.И. Калакутского, S. Akselrod, М. Pomeranz, J. Allen, M.F. O'Rourke, R.P. Kelly в которых показаны основные направления развития ИП для получения диагностической информации о структуре сердечного ритма и диагностических показателях состояния сердечно-сосудистой системы. Показатели сердечного ритма человека отражают активность процессов регуляции сосудистого тонуса и могут быть использованы для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.

Определение показателя эластичности артериальных сосудов человека требует построения ИП биосигналов сердечного ритма для неинвазивной диагностики патологии на ранней стадии развития. Существующая аппаратура, применяемая в системах управления эластичностью артериальных сосудов человека, основанная на ультразвуковых или рентгенографических методах, является дорогостоящей, не обеспечивает оперативность диагностической процедуры, предъявляет высокие требования к квалификации врача-оператора, зачастую требует инвазивного вмешательства в организм и не является полностью безопасной для здоровья человека.

Разработка и внедрение ИП биосигналов сердечного ритма для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека сдерживается отсутствием анализа параметров, методик разработки и проектирования ИП подобного типа. Необходимо исследование закономерностей формирования диагностических показателей эластичности артериальных сосудов и структурного построения ИП биосигналов сердечного ритма. Кроме того, необходимо снижение погрешности определения параметров сердечного ритма в условиях регистрации биосигналов, когда присутствуют помехи, обусловленные движениями или дыханием обследуемого.

В этом плане разработка и исследование характеристик ИП биосигналов сердечного ритма, позволяющего повысить эффективность определения показателя эластичности артериальных сосудов в системе управления эластичностью артериальных сосудов человека за счет сокращения времени диагностической процедуры и уменьшения погрешности определения диагностического показателя, является актуальной задачей.

Работа была выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследо-

ваний целевыми аспирантами (Государственный контракт № 14.740.11.0459 от 01 октября 2010 г, номер государственной регистрации 01201062872).

Цели и задачи работы. Целью данной работы является создание измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и новых методик обработки биосигналов, обеспечивающих повышение эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных методов и технических средств построения измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.

2. Разработать математическую модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма.

3. На основе полученной модели установить взаимосвязь между параметрами сердечного ритма и показателем эластичности артериальных сосудов.

4. Разработать методику комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма с целью получения диагностических показателей эластичности артериальных сосудов.

5. Исследовать погрешности измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.

6. Разработать измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, удовлетворяющий критериям эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов.

7. Провести клинические исследования экспериментального образца измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов.

Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

2. Разработана методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.

3. Разработана методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

Практическая ценность результатов диссертации заключается в следующем: 1. Предложено серийно пригодное схемотехническое построение измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов;

2. Обоснован выбор параметров измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов человека, обеспечивающих расширение динамического диапазона амплитуд регистрируемых биосигналов до 40 дБ;

3. Разработан амплитудно-временной обнаружитель опорных точек сигнала артериальной пульсации крови, позволивший снизить погрешность измерения длительностей межпульсовых интервалов;

4. Разработан измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, позволивший снизить погрешность определения показателя эластичности артериальных сосудов до 6%;

5. Создано программное обеспечение обработки данных измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и интерфейс пользователя в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, элементы теории погрешностей и методы статистической обработки экспериментальных данных, применялось имитационное моделирование на ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Всероссийской НТК "Медприбор-2009" (Таганрог, 2009); XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2009); IX Международной НТК "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии" (Владимир, 2010); международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2010); Всероссийской НТК "Медицинские информационные системы - 2010" (Таганрог, 2010), Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсисте-мы-2010" (Рязань, 2010), V Европейской конференции Биомедицинской инженерии ЕМВЕС'2011 (Будапешт, 2011), Международной молодежной конференции "Королевские чтения" (Самара, 2011).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

2. Методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.

3. Методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены на предприятии Инженерно-медицинский центр «Новые приборы» (г. Самара), в учебный процесс в Самарском государственном аэрокосмическом университете при подготовке магистров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии», а также в клиническую практику Областной клинической больницы имени Калинина (г. Самара).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 статьи - в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований, трех приложений. Текст диссертации изложен на 153 страницах, содержит 72 рисунка, 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, формулируется цель работы, научная новизна, практическая ценность работы.

В первой главе диссертации рассмотрены существующие системы управления эластичностью артериальных сосудов: ультразвуковые, рентгенографические, сфигмографические и плетизмографические, описано их построение, перечислены достоинства и недостатки. Проведенный анализ исследований в области определения показателя эластичности артериальных сосудов человека показал, что использование фотоплетизмографических методов регистрации сигнала артериальной пульсации крови является клинически наиболее эффективным методом. Наиболее перспективным и многообещающим методом определения показателя эластичности артериальных сосудов в системах управления эластичностью артериальных сосудов является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) и определение параметров сердечного ритма, оценивающих эластичность артериальных сосудов.

Описаны методы формирования диагностических показателей ВСР, использующихся для оценки состояния сердечно-сосудистой системы: статистические, геометрические и спектральные. Было показано, что для определения показателя эластичности артериальных сосудов наибольшей эффективностью и информативностью обладают спектральные показатели.

Проанализированы методы построения ИП биоэлектрической активности сердца и ИП сигнала артериальной пульсации крови, проведена их классификация. Сделан вывод о том, что применение существующих ИП биосигналов сердечного ритма на основе регистрации и обработки сигнала артериальной пульсации крови не может обеспечить достаточную точность определения диагностического показателя эластичности артериальных сосудов человека в силу отсутствия исследованной взаимосвязи параметров сердечного ритма и показателей эластичности артериальных сосудов.

Вторая глава посвящена моделированию процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в ИП биосигналов сердечного ритма.

Для описания процессов распространения пульсаций давления применялись одномерные уравнения Навье-Стокса:

дР = %ц ^ р 80 ^ дх жг4 тп-2 3/ ' 8С> = 3яг3 дР дх ~ ' д( '

где: х - осевая координата; О, - расход жидкости; Р - давление; ц - вязкость крови; г - радиус артерии; р - плотность жидкости; Ъ, — модуль Юнга артериальной стенки; Л - толщина стенки.

Для получения точных математических зависимостей изменения давления от времени и координаты воспользуемся аналогией между процессом распространения пульсации давления по артериальному руслу и распространением электромагнитных колебаний по однородным линиям передачи с распределенными параметрами. На одном конце линии с распределенными параметрами находится источник электрического сигнала, другой конец линии замкнут на обобщенное сопротивление нагрузки. В такой модели источник сигнала моделирует импульсное изменение давления, возникающее во время систолы и приводящее к выбросу крови го левого желудочка.

Процесс формирования артериальной пульсации крови в сосудах верхних конечностей, на основании использования аналогии с электрической линией передачи с распределенными параметрами, можно представить эквивалентной схемой, состоящей из двух линий передач, представленной на рисунке 1.

- прямая пульсация давления; ^ - отраженная пульсация давления;

1 - линия 1 с согласованной нагрузкой;

2 - линия 2 с несогласованной нагрузкой; Ъц - характеристическое сопротивление линии; Zl - сопротивление нагрузки в линии 1; Ъг - сопротивление нагрузки в лиши 2.

Рисунок 1 - Эквивалентная схема формирования артериальной пульсации крови в периферических сосудах пальца руки В качестве наиболее подходящего вида колебания внешнего давления Ро(0 для моделирования сердечного выброса при систоле было выбрано импульсное колебание с экспоненциальными фронтами:

¡ПИ-Р-* П-0-е Ь >К1-1р)1

где: Ртах - амплитуда импульса давления; Т] - длительность переднего фронта импульса; ¡р - длительность импульса; 7>- длительность заднего фронта импульса; 1(0 - единичная функция.

Первая линия передачи представляет собой линию с согласованной нагрузкой и моделирует участок артериального русла от сердца до периферических сосудов верхних конечностей, по которому распространяется прямая пульсация давления. Вторая линия передачи является линией с несогласованной нагрузкой и модели-

рует участок артериального русла от сердца до точки отражения пульсации давления, по которому распространяется отраженная пульсация давления.

Артериальная пульсация крови, наблюдаемая в периферических артериях пальцев руки, образуется в результате суммирования прямой и отраженной пульсаций давления, с учетом временной задержки распространения отраженной пульсации давления относительно прямой пульсации давления.

Зависимость изменения артериальной пульсации крови от времени и координаты имеет следующий вид:

(1)

|—--— 7-—-- _

¿у^Мг- А)

¿т,

Рисунок 2 - Зависимости изменения артериальной пульсации крови от времени и показателя эластичности

Анализ технических средств неинвазивной регистрации сигнала артериальной пульсации крови показал, что фотоплетизмографический способ регистрации является наиболее приемлемым и эффективным для решения поставленных задач.

Фотоплетизмографический способ регистрации сигнала артериальной пульсации крови основан на методе фотометрии, в основу которого положена способность биологической ткани, содержащей пульсирующий артериальный сосуд, изменять степень поглощения светового потока, проходящего сквозь ткань.

В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера поглощение света будет зависеть от толщины биологической ткани, длины волны света и индивидуальных оптических свойств тканей, через которые это излучение проходит:

/ = /о

где: I - интенсивность светового потока, прошедшего через ткань; 1о - интенсивность светового потока, падающего на ткань; - коэффициент светопоглощения; зависящий от длины волны излучения и оптических свойств ткани; / - толщина ткани, поглощающей свет.

где: к/ - коэффициент отражения пульсации давления; А - время задержки распространения отраженной пульсации давления.

На рисунке 2 приведены зависимости изменения артериальной пульсации крови от времени и показателя эластичности.

Получена зависимость изменения величины фототока во времени на выходе фотоприемника, регистрирующего световой поток, прошедший сквозь биологическую ткань, от модельного изменения пульсации давления, параметров свето-диода, оптических свойств ткани, параметров пульсирующего артериального сосуда, толщины просвечиваемой ткани:

¡ф{1) = 1ф0+Зх-р-исд-1са-е 2 к где ¡ф0 — темновой ток фотодиода; Бл - спектральная чувствительность фотодиода; Р - световая отдача светодиода; Ис0 - прямое падение напряжение на светодиоде; 1сд - ток питания светодиода; V - коэффициент Пуассона; - исходный диаметр

пульсирующего артериального сосуда; /= - толщина непульсирующих компонентов биологической ткани, содержащей пульсирующий артериальный сосуд; к -толщина стенки пульсирующего сосуда; - значение модуля Юнга стенки артериального сосуда. Изменение давления ?(г) определяется выражением (1).

Для проверки адекватности предложенной модели процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови было проведено сравнение фрагментов опорных сигналов артериальной пульсации крови, зарегистрированных у людей с различным состоянием артериального русла, и соответствующих фрагментов модельных зависимостей, полученных при различных значениях показателя эластичности. Для нормированных опорных сигналов и нормированных модельных зависимостей артериальной пульсации крови коэффициент корреляции составил не менее 0,9.

Разработка динамической модели распространения пульсаций давления по артериальному руслу позволила установить взаимосвязь между параметрами сердечного ритма и показателем эластичности артериальных сосудов. В динамической модели временные параметры пульсаций давления определяются длительностью сердечного цикла, зависящей от процессов регуляции автономной нервной системы. Распределение последовательности длительностей сердечного цикла, зарегистрированной в течение длительного промежутка времени, описывается нормальным законом распределения.

Периодическое изменение показателя эластичности под действием сосудистой регуляции приводит к возникновению дополнительной вариабельности пульсового ритма за счет изменения длительностей межпульсовых интервалов. Для оценки вариабельности длительностей межпульсовых интервалов использовалась величина общей спектральной мощности последовательности длительностей межпульсовых интервалов.

На рисунке 3 приведены зависимости изменения общей спектральной мощности последовательности длительностей межпульсовых интервалов от показателя эластичности при различных значениях коэффициента изменения показателя эластичности М(.

Общая спектральная мощность последовательности длительностей межпульсовых интервалов (£/>/>) зависит от вариабельности длительностей 11-Я интервалов, определяемой выраженностью процессов регуляции со стороны автономной

нервной системы на биоэлектрическую активность сердца, и вариабельности длительностей межпульсовых интервалов, обусловленной изменением показателя эластичности.

5тис! та»!-:-;-,-т-:-;-:--£Л,ысг 900

«Ю 450 500 6» МО «О

Рисунок 4 - Зависимости изменения разностной спектральной мощности от показателя эластичности при различных значениях частоты изменения показателя эластичности^

(1 -/¿=0,1 Гц, 2 - 0,15 Гц, 3 - 0,2 Гц)

Рисунок 3 - Зависимости изменения общей спектральной мощности последовательности длительностей межпульсовых интервалов от показателя эластичности при различных значениях коэффициента изменения показателя эластичности (1 -М(=0,\~,2-М( =0,15; Ъ-М; =0,2)

Предложен показатель разностной спектральной мощности, оценивающий непосредственно интенсивность изменения показателя эластичности, определяемый как разность между общей спектральной мощностью последовательности длительностей межпульсовых интервалов (8рр) и общей спектральной мощностью последовательности длительностей Л-Я интервалов (Бш).

На рисунке 4 приведены зависимости изменения разностной спектральной мощности ^¿у]) от показателя эластичности при различных значениях частоты изменения показателя эластичности. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что при увеличении показателя эластичности величина разностной спектральной мощности уменьшается. При увеличении частоты изменения показателя эластичности величина разностной спектральной мощности увеличивается.

Полученные зависимости изменения разностной спектральной мощности и общей спектральной мощности последовательности длительностей межпульсовых интервалов от значения показателя эластичности обладают различной чувствительностью к изменению показателя эластичности артериальных сосудов. Показатель разностной спектральной мощности обладает в 4 раза большей относительной чувствительностью к изменению показателя эластичности артериальных сосудов, чем показатель общей спектральной мощности последовательности длительностей межпульсовых интервалов.

Таким образом, использование показателя разностной спектральной мощности является предпочтительным при построении ИП биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.

Предложена методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови, основу которой составляет

10

оценка относительных различий спектральных показателей вариабельности сердечного ритма и вариабельности пульсового ритма. Предложен диагностический показатель (ДП) эластичности артериальных сосудов, определяемый как:

ДП = ~ ^ • 100 %

Третья глава посвящена исследованию погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.

На основе установленной зависимости между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма предложена методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.

Основными источниками погрешности определения ДП эластичности артериальных сосудов являются погрешность преобразования зарегистрированной выборки кардиоинтервалов (КИ) (межпульсовых и 11-11 интервалов) в зависимость изменения длительностей КИ от реального времени, погрешность измерения длительностей КИ, обусловленные выбором опорной точки биосигнала, погрешность, обусловленная выбором параметров регистрации биосигналов.

Исследование влияния погрешностей ИП на погрешность определения ДП осуществлялось путем формирования модельных последовательностей длительностей КИ, соответствующих заданным значениям показателей эластичности артериальных сосудов.

Зависимость изменения длительностей Я-Я интервалов во времени можно представить в виде гармонического колебания, что соответствует большинству современных представлений о структуре сердечного ритма и происходящих процессах регуляции. Коэффициент изменения длительностей Я-Я интервалов определяется интенсивностью регуляции автономной нервной системы на биоэлектрическую активность сердца. Частота изменения длительностей Я-Я интервалов находится в пределах диапазона физиологической адекватности: [0,04 - 0,4] Гц.

Для описания зависимости изменения длительностей межпульсовых интервалов от времени, предположим, что периодические колебания показателя эластичности артериальных сосудов под действием сосудистой регуляции носят гармонический характер и приводят к появлению дополнительной вариабельности длительностей межпульсовых интервалов с частотой изменения в пределах физиологического диапазона регуляции симпатического отдела автономной нервной системы [0,04 - 0,14] Гц.

Выборки зарегистрированных длительностей КИ представляют собой последовательности с неэквидистантными отсчетами. Для преобразования зарегистрированных выборок КИ в последовательности с равномерными отсчетами во времени необходима аппроксимация отсчетов исходных выборок с помощью гладких функций с последующей дискретизацией.

Погрешность определения ДП эластичности артериальных сосудов в этом случае определялась как относительное отклонение значения ДП, определенного для модельных последовательностей КИ, от значения ДП, определенного для аппроксимированных выборок зарегистрированных КИ.

На рисунках 5 и 6 приведены зависимости изменения погрешности определения ДГГ эластичности артериальных сосудов от частоты изменения длительностей межпульсовых интервалов / и среднего значения длительностей межпульсовых интервалов РР„, соответственно, при различных типах интерполяции.

5,, % га

6,, % 2.«

---2

--3

Рисунок 5 - Зависимость изменения погрешности определения ДП от частоты изменения длительностей межпульсовых интервалов

Рисунок 6 - Зависимость изменения погрешности определения ДП от среднего значения длительностей межпульсовых интервалов

1 - интерполяция кубическими сплайнами, 2 - интерполяция квадратичным полиномом, 3 - интерполяция линейным полиномом

Анализ полученных зависимостей показал, что погрешность определения ДП эластичности артериальных сосудов зависит от типа применяемой интерполяции, при этом интерполяция с помощью кубических сплайнов обеспечивает наименьшую погрешность. С увеличением частоты изменения длительностей межпульсовых интервалов и величины среднего значения длительностей межпульсовых интервалов погрешности ДП увеличиваются, при этом в диапазоне изменения параметров модели погрешность определения ДП не превышает единиц процентов.

Погрешность определения ДП эластичности артериальных сосудов зависит от выбора длительности регистрации биосигналов сердечного ритма. Погрешность определения ДП в этом случае определялась как относительное отклонение значения ДП, определенного для модельных последовательностей КИ, от значения ДП, определенного для ограниченных по длительности выборок КИ.

На рисунке 7 приведены зависимости изменения погрешности определения ДП эластичности артериальных сосудов от длительности регистрации биосигналов Г при различной частоте изменения длительностей межпульсовых интервалов /

Полученные зависимости показывают, что уменьшение длительности регистрации биосигналов приводит к увеличению относительной погрешности определения ДП. Предъявляемые требования к оперативности определения показателя эластичности артериальных сосудов и ограничения, накладываемые спектральным преобразованием с точки зрения стационарности биосигналов, требуют уменьшения длительности регистрации биосигналов. С другой стороны, необходимость обеспечения требуемой разрешающей способности при спектральном преобразовании и минимизации погрешности определения ДП не позволяет использовать малые длительности регистрации биосигналов. На определенном ин-

тервале дальнейшее увеличение длительности регистрации биосигналов не приводит к значительному снижению погрешности определения ДП, поэтому наиболее оптимальное значение длительности регистрации находится в диапазоне 240 - 360 с, что соответствует основным рекомендациям стандарта анализа вариабельности сердечного ритма по использованию 5-минутной длительности регистрации биосигналов.

5,, % и

Рисунок 7 - Зависимость изменения погрешности определения ДП от длительности регистрации биосигналов, 1 -/=0,04 Гц, 2 -/=0,15 Гц

Рисунок 8 - Зависимость изменения погрешности определения ДП от погрешности измерения длительностей кардиоинтерва-лов, 1 - С =0,03; 2 - С=0,02; 3 - 00,012

Для анализа влияния погрешности измерения длительностей КИ на погрешность определения ДП эластичности артериальных сосудов задавалась величина случайной погрешности измерений с характеристиками нормального распределения (математическое ожидание равно нулю, среднеквадратичное отклонение (о) определялось величиной вносимой погрешности, количество выборок N=10000). Погрешность определения ДП определялась как относительное отклонение значения ДП, определенного для модельных последовательностей КИ, от значения ДП, определенного для выборок КИ при добавлении погрешности измерения в значения длительностей КИ.

Для оценки погрешности измерения длительностей КИ использовались кван-тильные характеристики погрешностей при заданной доверительной вероятности Р=0,9; абсолютная погрешность измерения длительностей КИ определялась как

До,9=±1,6-е.

На рисунке 8 приведены зависимости изменения погрешности определении ДП эластичности артериальных сосудов от погрешности измерения длительностей КИ, при различных значениях коэффициента изменения длительностей меж-пуяьсовых интервалов С.

Анализ полученных зависимостей показал, что уменьшение допустимой погрешности определения ДП повышает требования к предельной погрешности измерения длительностей КИ. Если ограничить погрешность определения ДП на уровне 10%, то погрешность измерения длительностей КИ не должна превышать 5 мс, что предъявляет определенные требования к построению измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.

Для определения опорной точки сигнала артериальной пульсации крови предлагается амплитудно-временной обнаружитель. На стадии предварительной

обработки сигнала артериальной пульсации крови применяются операции дифференцирования и нелинейного преобразования сигнала. В данном амплитудно-временном обнаружителе в качестве опорной точки предложено использовать максимум первой производной сигнала артериальной пульсации крови. Обнаружение максимума первой производной сигнала происходит на основе трехточечной схемы детектирования на интервале поиска, формируемого временным положением соответствующего Я-зубца сигнала биоэлектрической активности сердца. Границы интервала поиска определяются на основе априорных физиологических данных о взаимоположении соответствующих биосигналов, что обеспечивает высокую эффективность детектирования.

Для обеспечения помехоустойчивого детектирования Я-зубца сигнала биоэлектрической активности сердца предложен обнаружитель на основе алгоритма Пана-Томпкинса, включающего в себя стадии полосовой фильтрации, нелинейной обработки биосигнала с целью выделения Л-зубца, с последующим сглаживанием с помощью фильтра скользящего среднего.

Основными видами помех, влияющими на эффективность обнаружения опорной точки сигнала артериальной пульсации крови являются:

1) помехи электрической природы, возникающие в усилительном тракте ИП в результате влияния внешних электрических сетей питания, а также помехи, обусловленные воздействием собственных шумов аналоговых элементов ИП;

2) помехи физиологического происхождения, возникающие из-за дыхания или движения обследуемого.

Оценкой эффективности обнаружителей опорной точки сигнала артериальной пульсации крови в условиях присутствия различного рода помех является погрешность определения длительностей межпульсового интервала в диапазоне изменения коэффициента отношения сигнал/помеха (рисунок 9).

А Б

Рисунок 9 - Зависимости изменения погрешности измерения межпульсовых интервалов от коэффициента отношения сигнал/помеха для различных обнаружителей опорной точки сигнала артериальной пульсации крови (А - в условиях присутствия дыхательных и электрических помех, Б - в условиях одновременного присутствия всех ввдов помех) (1 - обнаружитель на основе полосового фильтра, 2 - обнаружитель на основе фильтра скользящего среднего, 3 - обнаружитель на основе первой производной и адаптивного алгоритма поиска опорной точки, 4 - предлагаемый амплитудно-временной обнаружитель)

Полученные зависимости показывают, что присутствие артефактов движения при регистрации биосигналов приводит к значительному увеличению погрешности измерения длительностей межпульсовых интервалов. Наибольшей помехоустойчивостью к данному типу помех обладает разработанный амплитудно-временной обнаружитель, позволяющий обеспечить погрешность измерения длительностей межпульсовых интервалов в пределах допустимого уровня 5 мс.

Предложенный амплитудно-временной обнаружитель опорной точки сигнала артериальной пульсации крови обладает наибольшей эффективностью по сравнению с другими рассмотренными обнаружителями.

Результаты расчета погрешности ИП биосигналов сердечного ритма в соответствии с разработанной методикой оценки погрешностей показали, что величина суммарной погрешности определения ДП эластичности артериальных сосудов не превышает 6%.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию аппаратной реализации ИП биосигналов сердечного ритма и его клиническому использованию. Предложено построение ИП биосигналов сердечного ритма (рисунок 10), содержащего усилитель тока (УТ), светоизлучающий диод (СИД), фотодиод (ФД), преобразователь тока в напряжение (ПТН), синхронный детектор (СД), регулируемые усилители напряжения (УПН1 и УПН2), фильтр верхних частот (ФВЧ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер (МК), электроды (Э1-ЭЗ), инструментальный усилитель (ИУ), драйвер нейтрального электрода (ДНЭ), усилитель переменного напряжения (УПНЗ).

то -» од —<! «64 I— УПН

Г 7

ДНЭ

Рисунок 10 - Структурная схема ИП биосигналов сердечного ритма Изготовлен экспериментальный образец ИП, данные из которого поступают в ПК. Разработано программное обеспечение ПК, предназначенное для обработки данных и осуществления взаимодействия между ИП и врачом в системе управления эластичностью артериальных сосудов человека, разработан интерфейс пользователя ПК.

В рамках клинических исследований в условиях областной клинической больницы имени Калинина (г. Самара) было обследовано 30 человек, пациентов кардиологического отделения больницы с различными формами патологий артериальных сосудов и 30 практически здоровых людей. Сравнение результатов клинического обследования и результатов, полученных при помощи разработанных средств, показало соответствие последних "золотым стандартам" клинических методов определения показателя эластичности артериальных сосудов, что позво-

ляет рекомендовать разработанный ИП биосигналов сердечного ритма для клинического внедрения в медицинскую практику. Определены показатели чувствительности и специфичности диагностики состояния артериальных сосудов, которые составили 88% и 86% соответственно.

Проведенные исследования разработанного ИП в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека показали высокую эффективность диагностики состояния артериальных сосудов за счет уменьшения погрешности определения диагностического показателя эластичности артериальных сосудов и сокращения длительности диагностической процедуры до 5 минут, в то время как существующие клинические методы требуют проведение диагностических тестов не менее 1 часа.

Таблица 1 Технические характеристики ИП биосигналов сердечного ритма

Параметр Значение

Амплитуда входного напряжения ЭКГ сигнала, мВ 0,5-5

Динамический диапазон изменения амплитуды сигнала артериальной пульсации крови, дБ 40

Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ, не менее 100

Частотный диапазон входных сигналов:

Биоэлектрической активности сердца, Гц 0,5-50

Артериальной пульсации крови, Гц 0,2-15

Частота дискретизации, Гц 1000

Разрядность АЦП, бит 10

Входное сопротивление, МОм, не менее 100

Диапазон определения диагностического показателя, % 0-10

Погрешность измерения диагностического показателя, %, не более 6

Питание, В 5

Потребляемая мощность, Вт, не более 0,3

Габариты, мм 150x130x50

Масса, кг 0,5

Результаты проведенных исследований показали, что разработанный измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма позволяет оперативно и эффективно определять показатель эластичности артериальных сосудов в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

2. Разработана методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спек-

тральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.

3. Разработана методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

4. Предложено серийно пригодное схемотехническое построение измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.

5. Обоснован выбор параметров измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов человека, обеспечивающих расширение динамического диапазона амплитуд регистрируемых биосигналов до 40 дБ.

6. Разработан амплитудно-временной обнаружитель опорных точек сигнала артериальной пульсации крови, позволивший снизить погрешность измерения длительностей межпульсовых интервалов.

7. Разработан измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, позволивший снизить погрешность определения показателя эластичности артериальных сосудов до 6%.

8. Создано программное обеспечение обработки данных измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и интерфейс пользователя в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека.

9. Проведены клинические исследования разработанного ИП в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека, показавшие его высокую эффективность.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В eedyufuxрецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Федотов, A.A. Диагностика дисфункции сосудистого эндотелия методом контурного анализа пульсовой волны [Текст] / Л.И. Калакутский, A.A. Федотов // Известия ЮФУ. Технические науки - 2009. - № 9. - С. 93-98.

2. Федотов, A.A. Методика оценки эластических свойств сосудов на основе анализа вариабельности сердечного ритма [Текст] / С.Г. Гуржин, Л.И. Калакутский, A.A. Федотов // Биомедицинская радиоэлектроника- 2010. -№ 8. - С. 54-59.

3. Федотов, A.A. Флуктуационный анализ сердечного ритма для оценки состояния сосудистой системы [Текст] / A.A. Федотов, Л.И. Калакутский // Известия ЮФУ. Технические науки - 2010.8.-С. 103-107.

4. Федотов, A.A. Погрешности определения спектральных показателей вариабельности пульсового ритма [Текст] / Л.И. Калакутский, A.A. Федотов, А. В. Шуляков // Биомедицинская радиоэлектроника - 2011. - № 7. - С. 61-65.

Патент Российской Федерации:

5. Патент 2423913 Российская Федерация, МПК А61В5/0402, А61В5/0295. Способ диагностики состояния сосудистой системы [Текст] / Л.И. Калакутский, П.А. Лебедев, A.A. Федотов, Е.П. Лебедева; заявитель и патентообладатель Самарский государственный' аэрокосмический университет. - № 2009145552/14; заявл. 08.12.2009; опубл. 20.07.2011, Бюл. №20.-7 с.

В других изданиях:

6. Федотов, A.A. Моделирование процессов распространения пульсовых волн в магистральных сосудах [Текст] /A.A. Федотов // Сборник трудов XXI Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" - Рязань, 2008. - С. 217-223.

7. Федотов, A.A. Метод обработки фотоплетизмографического сигнала периферической артериальной пульсации для оценки эластичности артериальных сосудов [Текст] / Л.И. Калакутский, А.А Федотов // Тезисы докладов 16-й Всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2009" - Москва, 2009. - С. 281.

8. Федотов, A.A. Методика оценки диагностических параметров биосигнала периферической артериальной пульсации [Текст] / Л.И. Калакутский, A.A. Федотов И Сб. материалов XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" - Томск, 2009. - № 1. - С. 590-593.

9. Федотов, A.A. Модель длинной электрической линии для описания артериальной системы человека [Текст] / Л.И. Калакутский, A.A. Федотов // Межвузовский сборник научных статей "Медицинские приборы и технологии" - Тула, 2009. - С. 84-88.

10. Федотов, A.A. Измерительный преобразователь для определения эластичности магистральных сосудов [Текст] / A.A. Федотов, Ж.С. Панина, П.А Муравьев // Материалы международной молодежной научной конференции "XVIII Туполевские чтения" - Казань, 2010.-№5.-с. 293-294.

11. Федотов, A.A. Погрешность методов оценки показателей эластичности магистральных сосудов [Текст] / A.A. Федотов, Л.И. Калакутский // Сб. материалов IX Международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии" -Владимир, 2010. - С. 190-194.

12. Федотов, A.A. Измерительный преобразователь параметров сердечного ритма [Текст] / A.A. Федотов // Труды международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" - Новосибирск, 2010. - Том 5. -с. 114-117.

13. Федотов, A.A. Измерительный преобразователь гемодинамических параметров на основе комплексной обработки биосигналов [Текст] / АС. Видманов, P.P. Шаймарданов, A.A. Федотов // Сб. материалов всероссийской молодежной научной конференции "Мав-лютовские чтения" - Уфа, 2010.-№ 2. - С. 90.

14. Федотов, A.A. Устройство измерения кардиопульсового интервала [Текст] / А.А Федотов // Сб. материалов всероссийской научно-технической конференции "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы-2010" - Рязань, 2010.-С. 588-591.

15. Федотов, A.A. Возможности диагностики артериальной жесткости на основе бифункционального монигорирования сердечного ритма [Текст] / Л.И. Калакутский, А.А Федотов, Е.П. Лебедева. // Тезисы III съезда кардиологов ПФО "Кардиология ПФО: возможности.'? перспективы" -Самара, 2010. - С. 34-35

16. Федотов, A.A. Оценка различия показателей вариабельности ритма сердца, определяемых с помощью пульсовых и ЭКГ датчиков [Текст] / Л.И. Калакутский, A.A. Федотов, П.А Лебедев, Е.П. Лебедева // Сборник научных трудов VI Всероссийского Симпозиума и IV Школы-семинара с международным участием: "Медленные колебательные процессы в организме человека. Теоретические и прикладные аспекты нелинейной динамики в физиологии и медицине" - Новокузнецк, 2011. —С. 66.

17. Fedotov, A. Estimation of Arterial Stiffness Based on Analysis of Pulse Rate Variability [Текст] / L. Kalakutskiy, A. Fedotov // Proceedings of 5th European Conference of the Interna-

tional Federation for Medical and Biological Engineering. - Budapest, 2011. - Vol. 37. - P. 389392.

18. Федотов, АЛ. Спектральная оценка параметров периферического пульса для определения вариабельности ритма сердца [Текст] / А.А. Федотов, Е.П. Лебедева // Международный сборник научных статей "Медицинские приборы и технологии". - Тула, 2011. - С. 244-246.

19. Федотов, А.А. Особенности схемотехнического построения измерительного преобразователя артериальной пульсации крови [Текст] / А. А. Федотов // Сборник трудов Международной молодежной конференции "Королевские чтения". - Самара, 2011. -С. 259.

20. Федотов, АЛ. Измерительный преобразователь параметров сердечного ритма для оценки стрессового состояния человека [Текст] / Л.И. Калакутский, А А. Федотов Н Тезисы трудов Всероссийской научной школы молодежи. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2011г.-С. 200-203.

21. Федотов, АЛ. Возможность оценки кардиопульмонального барорефлекса посредством одновременной регистрации сердечного и пульсового ритмов [Текст] / Е.П. Лебедева, Л.И. Калакутский, ПЛ. Лебедев, АЛ. Федотов II Сборник материалов VI Национального конгресса терапевтов - Москва, 2011. - С. 122.

22. Федотов, АЛ. Возможность оценки степени коронарного стеноза посредством одновременной регистрации сердечного и пульсового ритмов [Текст] / Е.П. Лебедева, М.А. Качковский, П.А. Лебедев, Л.И. Калакутский, АЛ Федотов // Сборник материалов VI Национального конгресса терапевтов-Москва, 2011. -С. 122-123.

23. Федотов, АЛ. Возможность оценки атеросклеретического ремоделирования коронарных артерий посредством анализа спектральных различий вариабельности сердечного и пульсового ритмов [Текст] / ПЛ. Лебедев, Е.П. Лебедева, Д.В. Дупляков, Л.И. Калакутский, А. А. Федотов // Артериальная гипертензия - 2011. - Том 17 (№5). - С. 1-7.

Подписано в печать 28.02.2012. Тираж 100 экземпляров. Отпечатано с готового оригинал-макета СГАУ. 443086, Самара, Московское шоссе, 34

61 12-5/2189

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА

На правах рукописи

Федотов Александр Александрович

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОСТЬЮ АРТЕРИАЛЬНЫХ СОСУДОВ ЧЕЛОВЕКА

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Калакутский Л.И.

Самара 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА.....................................................9

1.1 Системы управления эластичностью артериальных сосудов...................9

1.2 Средства регистрации показателей сердечного ритма...............................16

1.3 Параметры сердечного ритма для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека..........................................24

1.4 Комплексная обработка биосигналов сердечного ритма в системах управления эластичностью артериальных сосудов..................................31

1.5 Выводы............................................................................................35

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА АРТЕРИАЛЬНОЙ ПУЛЬСАЦИИ КРОВИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА.................36

2.1 Обзор гемодинамических моделей....................................................36

2.2 Моделирование гемодинамических процессов..................................41

2.3 Гемодинамическая модель сосуда без отражения..............................46

2.4 Гемодинамическая модель сосуда с отражением................................50

2.5 Моделирование сигнала артериальной пульсации крови....................53

2.6 Моделирование связи между параметрами пульсового ритма и показателем эластичности артериальных сосудов...................................60

2.7 Методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови................................67

2.8 Выводы............................................................................................72

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА.................73

3.1 Методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма......................... .......................................73

3.2 Средства обнаружения опорных точек сигналов артериальной пульсации крови и биоэлектрической активности сердца........................80

3.3 Исследование погрешностей обнаружения опорных точек сигнала артериальной пульсации крови..............................................................91

3.4 Выводы..........................................................................................101

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА.............102

4.1 Особенности построения аппаратных средств измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма................................102

4.2 Практическая реализация измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма..............................................................112

4.3 Расчет погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.................................................................................124

4.4 Клиническое использование измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов.................................................128

4.5 Выводы...........................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................137

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Важным направлением в совершенствовании систем управления состоянием организма человека является разработка измерительных преобразователей (ИП) физиологической информации, позволяющих получить оперативную информацию о текущем состоянии как всего организма в целом, так и его отдельных систем и органов. При построении ИП физиологической информации широко используются параметры сердечного ритма человека для оценки состояния организма и формирования управляющих воздействий, направленных на коррекцию состояния. Рассмотрению данных вопросов посвящены работы P.M. Баевского, В.М. Хаютина, Л.И. Калакутского, S. Akselrod, М. Pomeranz, J. Allen, M.F. O'Rourke, R.P. Kelly в которых показаны основные направления развития ИП для получения диагностической информации о структуре сердечного ритма и диагностических показателях состояния сердечно-сосудистой системы. Показатели сердечного ритма человека отражают активность процессов регуляции сосудистого тонуса и могут быть использованы для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.

Определение показателя эластичности артериальных сосудов человека требует построения ИП биосигналов сердечного ритма для неинвазивной диагностики патологии на ранней стадии развития. Существующая аппаратура, применяемая в системах управления эластичностью артериальных сосудов человека, основанная на ультразвуковых или рентгенографических методах, является дорогостоящей, не обеспечивает оперативность диагностической процедуры, предъявляет высокие требования к квалификации врача-оператора, зачастую требует инвазивного вмешательства в организм и не является полностью безопасной для здоровья человека.

Разработка и внедрение ИП биосигналов сердечного ритма для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека сдерживается отсутствием анализа параметров, методик разработки и проектирования ИП подобного типа. Необходимо исследование закономерностей формирования диагностических показателей эластичности артериальных сосудов и структурного построения ИП биосигналов сердечного ритма. Кроме того, необхо-

димо снижение погрешности определения параметров сердечного ритма в условиях регистрации биосигналов, когда присутствуют помехи, обусловленные движениями или дыханием обследуемого.

В этом плане разработка и исследование характеристик ИП биосигналов сердечного ритма, позволяющего повысить эффективность определения показателя эластичности артериальных сосудов в системе управления эластичностью артериальных сосудов человека за счет сокращения времени диагностической процедуры и уменьшения погрешности определения диагностического показателя, является актуальной задачей.

Работа была выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами (Государственный контракт № 14.740.11.0459 от 01 октября 2010 г, номер государственной регистрации 01201062872).

Цели и задачи работы. Целью данной работы является создание измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и новых методик обработки биосигналов, обеспечивающих повышение эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных методов и технических средств построения измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.

2. Разработать математическую модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма.

3. На основе полученной модели установить взаимосвязь между параметрами сердечного ритма и показателем эластичности артериальных сосудов.

4. Разработать методику комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преоб-

разователе биосигналов сердечного ритма с целью получения диагностических показателей эластичности артериальных сосудов.

5. Исследовать погрешности измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.

6. Разработать измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, удовлетворяющий критериям эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов.

7. Провести клинические исследования экспериментального образца измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов.

Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

2. Разработана методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.

3. Разработана методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

Практическая ценность результатов диссертации заключается в следующем:

1. Предложено серийно пригодное схемотехническое построение измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов;

2. Обоснован выбор параметров измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосу-

дов человека, обеспечивающих расширение динамического диапазона амплитуд регистрируемых биосигналов до 40 дБ;

3. Разработан амплитудно-временной обнаружитель опорных точек сигнала артериальной пульсации крови, позволивший снизить погрешность измерения длительностей межпульсовых интервалов;

4. Разработан измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, позволивший снизить погрешность определения показателя эластичности артериальных сосудов до 6%;

5. Создано программное обеспечение обработки данных измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и интерфейс пользователя в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, элементы теории погрешностей и методы статистической обработки экспериментальных данных, применялось имитационное моделирование на ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Всероссийской НТК "Мед-прибор-2009" (Таганрог, 2009); XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2009); IX Международной НТК "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии" (Владимир, 2010); международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2010); Всероссийской НТК "Медицинские информационные системы - 2010" (Таганрог,

2010), Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы-2010" (Рязань, 2010), V Европейской конференции Биомедицинской инженерии ЕМВЕС'2011 (Будапешт, 2011), Международной молодежной конференции "Королевские чтения" (Самара,

2011).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

2. Методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.

3. Методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены на предприятии Инженерно-медицинский центр «Новые приборы» (г. Самара), в учебный процесс в Самарском государственном аэрокосмическом университете при подготовке магистров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии», а также в клиническую практику Областной клинической больницы имени Калинина (г. Самара).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 статьи - в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получен 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований, трех приложений. Текст диссертации изложен на 154 страницах, содержит 72 рисунка, 1 таблицу.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ БИОСИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА

1.1 Системы управления эластичностью артериальных сосудов

В современном мире наблюдается угрожающая динамика роста числа заболеваний сердечно-сосудистой системы, при этом смертность от сердечно-сосудистых заболеваний занимает первое место среди всех болезней человека. Проведенные исследования показывают, что не менее 80% спектра этих заболеваний составляет атеросклероз - основное заболевание, ограничивающее среднюю продолжительность жизни человека [1, 2]. Маркером развития атеросклеротических изменений в сердечно-сосудистой системе является снижение эластичности артериальных сосудов [1, 3, 4].

В современной кардиологии существует потребность в разработке новых методик экспресс диагностики эластичности артериальных сосудов, реализуемых измерительным преобразователем физиологической информации в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов. Создание подобных методик и устройств позволит проводить прогностические исследования с целью выделения из общей популяции людей с прогрессирующими атеросклеротическими изменениями артериальной системы [5].

Ранняя неинвазивная диагностика эластичности артериальных сосудов, несмотря на успешное развитие методов функциональной кардиодиагности-ки, до сих пор представляет собой нерешенную задачу [1].

Системы управления эластичностью артериальных сосудов относятся к информационно-диагностическим системам и представляют собой совокупность аппаратно-программных средств и методов диагностики.

Все многообразие существующих систем управления эластичностью артериальных сосудов можно разделить на два функциональных класса: первый класс систем используется для постановки диагноза заболевания и формирования управляющих воздействий для оперативного вмешательства в сердечно-сосудистую систему человека, второй класс систем используется для определения показателей эластичности артериальных сосудов и формирования воздействий с целью коррекции состояния на ранней стадии развития патологии [1].

К первому классу можно отнести сложные и дорогостоящие системы инструментальной диагностики, основанные на использовании ультразвуковых или рентгеновских методов. Проведение подобных диагностических тестов зачастую сопряжено с инвазивным вмешательством в кровеносное русло человека, что повышает риски проведения подобных процедур для людей с прогрессирующими сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Ко второму классу можно отнести разнообразные экспресс-системы управления эластичностью артериальных сосудов, основанные на неинвазив-ной методике регистрации и обработки бисигналов (артериальной пульсации крови и биоэлектрической активности сердца).

На рисунке 1.1 представлена классификация наиболее распространенных современных систем управления эластичностью артериальных сосудов человека (СРП - скорость распространения пульсации давления, ВСР - вариабельность сердечного ритма).

Рисунок 1.1- Системы управления эластичностью артериальных сосудов человека Рентгенографические системы управления эластичностью артериальных сосудов позволяют провести исследование артериальной системы и получить возможность увидеть внутреннюю структуру артериальных сосудов. В состав рентгенографических систем управления эластичностью артериальных сосудов входят измерительный преобразователь рентгенографической информации, блок отображения информации и блок возд