автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Методы и система для оперативного контроля состояния плода во время родов по ЭКГ

Введение.

Глава 1. Системы оперативного контроля состояния плода во время родов.

1.1. Электрокардиограмма плода и её особенности.

1.2. Существующие системы для анализа ЭКГ плода.

1.3. Методы цифровой фильтрации.

1.3.1. Основы цифровой фильтрации.

1.3.2. Цифровая фильтрация электрокардиосигнала.

1.4. Алгоритмы, используемые в системах для автоматического анализа

1.4.1. Основные этапы алгоритмов анализа ЭКГ плода.

1.4.2. Алгоритм поиска QRS-комплексов плода на основе корреляционных методов.

1.4.3. Коррекция дрейфа изолинии ЭКГ плода.

1.5. Постановка задач исследования.

Глава 2. Измерение частоты сердечных сокращений плода во время родов.

2.1. Структура алгоритмического обеспечения обработки ЭКГ плода.

2.2. Этапы алгоритма поиска QRS-комплексов ЭКГ плода.

2.3. Предварительная обработка сигнала.

2.4. Обнаружение QRS-комплексов.

2.5. Исключение нетипичных QRS-комплексов.

2.6. Корректировка параметров алгоритма.

2.7. Определение ^-интервалов, частоты сердечных сокращений и базальной частоты сердечных сокращений.

2.8. Экспериментальная оценка качества работы алгоритма.

Выводы.

Глава 3. Выявление информативных параметров ЭКГ для диагностики состояния плода.

3.1. Этапы алгоритма выявления информативных параметров.

3.2. Коррекция дрейфа изолинии.

3.3. Усреднение формы кардиоцикла. Исключение нетипичных сокращений.

3.4. Поиск информативных параметров.

3.5. Оценка состояния плода.

Выводы.

Глава 4. Реализация компьютерной системы контроля состояния плода.

4.1. Свойства системы оперативного контроля состояния плода.

4.2. Макет системы для регистрации ЭКГ плода.

4.3. Программа регистрации и анализа ЭКГ плода.

4.4. Экспериментальный набор реализаций ЭКГ плода.

Выводы.

Основные результаты работы.

Актуальность проблемы. Роды являются, несомненно, сложным биологическим процессом, понимание которого требует большого объема медицинских знаний. Стремительно развивающиеся медицинские технологии сделали роды гораздо безопаснее как для матери, так и для ребенка. Но, несмотря на это, в настоящее время в России только 25-30% родов завершаются без существенных патологий. Первоочередное значение имеет оперативная диагностика нарушений, возникающих у матери и плода на разных стадиях процесса родов.

Во время родов у врачей часто возникает вопрос: как точно отличить нормально проходящий процесс родов от процесса родов, проходящего с осложнениями? В случае если состояние плода под угрозой врачам необходимо своевременно осуществлять медицинское вмешательство. В то же время важно избежать излишнего медицинского вмешательства в случае нормального течения родов. Неверное принятие решения о состоянии плода может принести вред, как плоду, так и матери. Если информация о текущем состоянии плода во время родов будет доступна для врача, то это позволит принимать ему более точные и своевременные решения.

За последние 30 лет обычной практикой стало использование в акушерстве кардиотокографии для наблюдения за состоянием плода при беременности и в родах. Кардиотокография это регистрация сердечной деятельности плода одновременно с регистрацией изменений сократительной активности матки и шевелений плода. При этом для регистрации сердечной деятельности плода обычно используется неинвазивная установка электродов на брюшную стенку матери, что обеспечивает качество снятия сигнала достаточное для измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) плода. Значение ЧСС является важным показателем во время родов, однако для более точной оценки состояния плода принято использовать соотношение T/QRS (отношение амплитуды зубца Т к амплитуде £Ж>-комплекса).

Увеличение данного параметра свидетельствует о гипоксии плода. Использование T/QRS значительно улучшает качество оценки состояния плода. Для измерения T/QRS необходимо регистрировать ЭКГ плода инвазивными методами.

Главным недостатком применяемых в настоящее время в родильных домах России медицинских систем для анализа ЭКГ плода является отсутствие автоматического анализа параметра T/QRS. Медицинские системы, позволяющие анализировать данный показатель, были созданы за рубежом, однако, к сожалению, на настоящее время они не распространены из-за их высокой стоимости.

При регистрации и анализе ЭКГ плода возникают трудности, связанные с высоким уровнем шумов по отношением к полезному сигналу. Дополнительные искажения ЭКГ плода связаны с необходимостью установки активного электрода на его голове. Качество регистрируемой ЭКГ может существенно изменяться в процессе родов. Создание и исследование адекватных алгоритмов для анализа ЭКГ плода так же затрудненно отсутствием общедоступной базы данных записей ЭКГ плода.

Таким образом, проблема разработки медицинской системы для контроля состояния плода во время родов представляется весьма актуальной.

Целью работы является разработка методов, алгоритмов и системы для оперативного контроля состояния плода во время родов по ЭКГ. Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

• Разработать метод и алгоритм обнаружения желудочковых комплексов на ЭКГ плода. Исследовать и разработать эффективные методы цифровой фильтрации для выделения желудочковых комплексов ЭКГ плода.

• Разработать метод и алгоритм оценки информативных параметров на ЭКГ плода, позволяющий оценивать параметры T/QRS, PR/RR.

• Разработать метод и алгоритм оценки состояния плода во время родов по данным ЭКГ.

• Создать программу для контроля состояния плода во время родов и реализовать её в системе для оперативного контроля состояния плода.

• Провести экспериментальную апробацию предложенных алгоритмов, методов и системы контроля состояния плода. Объектом исследования является компьютерная система контроля состояния плода по время родов по данным ЭКГ.

Предметом исследования является алгоритмическое, программное и методическое обеспечение системы для анализа ЭКГ плода во время родов.

Методы исследования. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена с использованием теории цифровой фильтрации и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились на базе «НИИ акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта РАМН» при помощи специального блока съема ЭКГ плода. Для регистрации и анализа ЭКГ плода была проведена разработка программ в среде Microsoft Visual Studio С++ 6.0. Новые научные результаты:

В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты, которые выносятся автором на защиту:

1. Метод и алгоритм обнаружения (Ж^-комплексов в ЭКГ плода во время родов. Для предварительной обработки ЭКГ плода проведено исследование и разработка набора цифровых фильтров, которые приводят к усилению составляющих, основная доля которых в ЭКГ плода приходится на желудочковые комплексы, и ослаблению влияния помех.

2. Метод и алгоритм оценки параметров T/QRS и PR/RR на ЭКГ плода, обладающий высокой защищенностью от помех.

3. Метод и алгоритм оценки состояния плода во время родов, позволяющий предоставить интегральную оценку плода по данным ЭКГ.

4. Компьютерная система для контроля состояния плода во время родов по ЭКГ, которая прошла апробацию в клинических условиях и подтвердила правильность предложенных алгоритмических решений. Практическая ценность работы.

Созданная оригинальная система для анализа ЭКГ плода, позволяет эффективно оценивать его состояние. Данная система значительно более доступна по цене по сравнению с существующими зарубежными аналогами.

Базальная ЧСС плода является средней от частоты числа сердечных сокращений плода за определенный промежуток времени, в промежутках между схватками. Децелерацией называется уменьшение ЧСС плода на 15 и более ударов в минуту и по продолжительности более 15 секунд по сравнению с базальным ритмом.

Результаты работы принципиально важны для развития неонаталогии, поскольку вооружают специалистов-медиков новыми эффективными аппаратно-программными средствами для объективного контроля за состоянием системы «роженица-плод» и возможностью ранней коррекции оперативно выявляемых отклонений от нормы.

Использование разрабатываемого комплекса в родильных отделениях будет способствовать существенному повышению качества диагностики состояния плода в процессе родов и своевременной коррекции родов. Научные положения, выносимые на защиту: 1. Система для оперативного контроля состояния плода во время родов должна оценивать частоту сердечных сокращений плода, вариабельность ритма и параметр ЭКГ плода T/QRS.

2. Для анализа ЭКГ плода необходимо использовать алгоритмы и методы автоматического анализа, параметры которых учитывают специфичность ЭКГ плода. Внедрение результатов.

Диссертационная работа связана с выполнением НИР, которые проводились в 2003-2005 гг. на каф. БМЭиОС СПбГЭТУ с участием автора: НИР по гранту РФФИ № 03-01-00216-а "Исследование методов распознавания формы биомедицинских сигналов" (ГРИН/БЭС-71), НИР по гранту Минобрнауки «Разработка программных комплексов для автоматизации кардиологических исследований» (ИИД/БЭС-78).

За выполнение НИР в рамках диссертации автором получен диплом победителя конкурса грантов Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов 2005 г.

Разработанный комплекс для оперативного контроля состояния плода по ЭКГ используется в практической работе в акушерской клинике «НИИ акушерства и гинекологии РАМН им. Д.О. Отта РАМН». Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях:

• 4 Международный симпозиум «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия», Санкт-Петербург, 2004.

• 59-я научно-техническая конференция, посвященная дню радио, Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004 г.

• 7th International Conference Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies, 18-23 октября 2004 г. (автор награжден специальным дипломом за лучший доклад)

• IV Всероссийский конгресс по перинатальной психологии, психотерапии и перинатологии с международным участием. Москва. 2003.

• Всеармейская научно-практическая конференция и сборы военных гинекологов «Актуальные вопросы военной гинекологии», Санкт-Петербург, 2004 г.

• V Российского форума «Мать и Дитя», Москва, 2003.

• VI Российского форума «Мать и Дитя», Москва, 2004.

• Всероссийская конференция молодых исследователей «Физиология и медицина», Санкт-Петербург, 2005.

• 4-я международная конференция «Реальный и виртуальный мир нового тысячелетия», СПГУ, Санкт-Петербург, 2002.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, из них - 4 статьи и 9 работ в трудах международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 71 наименование и одного приложения. Основная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текста. Работа содержит 32 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено исследование и разработка набора цифровых фильтров для выделения желудочковых комплексов на ЭКГ плода. Разработан алгоритм для выявления (Жб'-комплексов ЭКГ плода при высоком уровне технических и биологических помех.

2. Разработаны алгоритмы оценки амплитудно-временных параметров T/QRS и PR/RR, обладающий высокой защищенностью от помех.

3. Разработан алгоритм оценки состояния плода во время родов, позволяющий предоставить интегральную оценку плода по данным ЭКГ.

4. Проведена экспериментальная проверка алгоритмов в клинических условиях на базе «НИИ акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта РАМН».

5. Сформирован архив данных ЭКГ плода, обеспечивающий возможность исследования алгоритмов и методов контроля состояния плода во время родов.

6. Разработана компьютерная система для контроля состояния плода во время родов по ЭКГ, которая прошла апробацию в клинических условиях и подтвердила правильность предложенных алгоритмических решений. Созданный программный комплекс, обеспечивает непрерывный контроль состояния жизнедеятельности плода по ЭКГ.

109

1. Коуэн К.Ф., Грант П.М. Адаптивные фильтры: Мир. М. - 1988. - 392 с.

2. Ариас Ф. Беременность и роды высокого риска: Пер. с англ. М.:Мед.1989. 655 с.

3. Барановский А.Л., Калиниченко А.Н., Манило Л.А. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. Пособие для вузов // М: Радио и связь, 1993. 248 с.

4. Батько Б.М. Соискателю ученой степени. Практические рекомендации (от диссертации до аттестационного дела): СИП РИА. М. - 2001. - 240 с.

5. Дашичев В.В., Охапкин М.Б., Афанасьев В.А. Клинические и специальные методы обследования плода и недоношенного новорожденного // Ярославль1990.- 138 с.

6. Демидов В.Н., Сигизбаева И.К., Логвиненко А.В. Клиническое значение некоторых трудно интерпретируимых и редко выявляемых кардиотокограмм во время беременности // Акушерство и гинекология. 1987. -N 1 -с. 15-19

7. Завьялов Ю.С., Леус В.А., Скороспелов В.А. Сплайны в инженерной геометрии. М.: Машиностроение - 1985. - 224 с.

8. Калиниченко А.Н. Методы цифровой фильтрации электрокардиосигнала в кардиомониторных системах: Дисс. канд. техн. наук., Л.: ЛЭТИ, 1988. 206 с.

9. Калиниченко А.Н. Методы цифровой фильтрации электрокардиосигнала в кардиомониторных системах: Автореферат, Л.: ЛЭТИ, 1989. 16 с.

10. П.Карагулян P.P., Абрамченко В.В., Шеповальников Р.А., Немирко А.П. и др. Прямая интранатальная электрокардиограмма в акушерской практике. // Материалы V Российского форума «Мать и Дитя»: М.,2003, с. 152.

11. Карагулян P.P., Абрамченко В.В., Шеповальников Р.А., Немирко А.П., Кузьмина Т.У., Савицкий А.Г. Компьютерная система для анализа электрокардиограммы плода во время родов. // Материалы VI Российского форума «Мать и Дитя»: М. 2004. - с. 7.

12. Маланова Т.Б. Значение кардиомониторного наблюдения для оценки состояния плода в процессе родового акта. // Акуш. и гинек. -1982. -N 9 -с. 60-63.

13. Норма в медицинской практике: Справочное пособие / Под ред Литвинова А.В. М.: МЕДпресс - 2001. - 144 с.

14. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. -М: Радио и связь, 1986. 400 с.

15. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учебное пособие / Зайченко К. В., Жаринов О. О., Кулин А. Н. и др.: РИО ГУАП. 2001. - 140 с.

16. Шеповальников Р.А. Алгоритм обнаружения QRS-комплексов ЭКГ плода во время родов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Биотехнические системы в медицине и биологии: СПб. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - вып.1. - 2005 г. - с. 3844.

17. Шеповальников Р.А. Алгоритм обнаружения QRS-комплексов ЭКГ плода во время родов // Биотехнические системы в медицине и биологии: Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб. - т.1. - 2005. - с. 38-44.

18. ШеповальниковР.А. Выявление информативных признаков ST-сегмента на ЭКГ плода человека во время родов // Всероссийская конференция молодых исследователей «Физиология и медицина» 14.04.2005 16.04.2005: СПбГУ.-СПб.-с. 139.

19. Шеповальников P.A., Немирко А.П., Калиниченко А.Н. Алгоритмы для анализа смещения ST сегмента плода во время родов // Биотехнические системы в медицине и биологии. СПб - Политехника - 2004 г. - с. 72-74.

20. Шеповальников Р.А., Немирко А.П., Калиниченко А.Н., Абрамченко В.В., Савицкий А.Г. Анализ электрокардиограммы плода во время родов. 59-я научно-техническая конференция, посвященная дню радио. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - Санкт-Петербург - 2004 - С. 210-211.

21. Akselrod S., Norymberg М., Peled I., Karabelnik E. & Green M.S. Computerised analysis of ST segment changes in ambulatory electrocardiograms.// Med.&Biol.Eng.&Comp. 1987. - pp. 513-519.

22. Arulkumaran S., Lilja H., Lindecrantz K., Ratnam S.S., Thavarasah A.S., Rosen K.G. Fetal ECG waveform analysis should improve fetal surveillance in labour // J PerinatMed. 1990.-pp. 13-22.

23. Asensio S.H., Figueroa-Longo J.G., Pelegrina I.A. Intrauterine exchange transfusion. A new technic // Obstet Gynecol 1968. - pp. 350-355.

24. Azeveto S., Longini R.L. Abdominal-lead fetal electrocardiographic R-wave enhancement for heart rate determination // IEEE Trans. Biomedical Engineering. 1980.-no. 27 (5)-pp. 255-260.

25. Barros А. К., Ohnishi N. Fetal heart rate variability extraction by frequency tracking // Proceedings of ICA'Ol. 2001. - pp. 270-285.

26. Charayaphan, C., Marble, A.E., Nugent, S.T. & Swingler, D. Correlation algorithm and sampling techniques for estimating the signal-to-noise ratio of the electrocardiogram. // J. Bio. Eng. 1992. - no. 14. - pp. 516-520.

27. Goldberger A.L., Goldberger E. Clinical Electrocardiography // CHAOS 6.1996. -pp. 87-92.

28. Grant A. Monitoring the fetus during labour. // Oxford: Oxford University Press. 1989.- pp. 846-82.

29. Chan P.D., Winkle C.R., Gynecology and Obstetrics // Current Clinical Strategies medical book.- 2002.

30. Hofmeister J.F., Slocumb J.C., Kottmann L.M., Picchiottino J.B., Ellis D.G. A noninvasive method for recording the electrical activity of the human uterus in vivo // Biomed. Instr. Technol. 1994. - p. 391.

31. Hon E.H., Quilligan E.J. The classification of fetal heart rate II. A revised working classification. // Conn Med J. 1967. - no. 31. - pp. 779-844.у

32. Jager F., Mark R., Moody G., Divjak S. Analysis of transient ST segment changes during ambulatory monitoring using the Karhunen-Loeve transform // Computers in Cardiology. 1992. - pp. 691-694.

33. Jenkins H.L., Symonds E.M., Kirk D.L., Smith P.R. Can fetal electrocardiography improve the prediction of intrapartum fetal acidosis? // BJOG 1986.-no. 93.-pp. 6-12.

34. Jiapu P., Tompkins W.J. A Real-Time QRS Detection Algorithm // IEEE Transactions on biomedical engineering. Vol. BME-32 № 3. - 1985. - pp. 230236.

35. Kalakutskij V., Konyukhov V., Manelis E. Estimation of fetal heart rate using abdominal ECG recordings // Proc. 2nd European Medical and Biological Engineering Conference. Vienna. - 2002. - pp. 56-58.

36. Khamene A, Negahdaripour S. A new method for the extraction of fetal ECG from the composite abdominal signal. //IEEE Trans Biomed Eng. 2000. - no. 47. -pp. 507-516.

37. Kirk D.L., Smith P.R. Techniques for the routine on-line processing of the fetal electrocardiogram. // J. Perinat. Med. 1986. - no. 14.

38. Larks S.D., Larks G.G. Comparative aspects of the fetal and newborn electrocardiograms. Evidence for the validity of the method for calculation of the electrical axis of the fetal heart. // Am J Obstet Gynecol. 1966. - no. 96. - pp. 553-5.

39. Liston R. Fetal health surveillance in labour // Journal of Obstetricians and Gynaecololists. 2002, - pp. 324-355.

40. Marvell С .J., Kirk D.L., Jenkins H.M., Symonds E.M. The normal condition of the fetal electrocardiogram during labour. // Br J Obstet Gynecol. 1980. - no. 87. -pp. 786-96.

41. Miranda C.P., Lehmann K.G., Froelicher V.F. Correlation between resting ST segment depression, exercise testing, coronary angiography, and long-term prognosis.//Am Heart J.-1991.-no. 122.-pp. 1617-28.

42. Mochimaru F., Fujimoto Y. Detecting the Fetal Electrocardiogram by Wavelet Theory-Based Methods // Progress in Biomedical Research. 2002. - Vol. 7. - No. З.-рр. 185-193.

43. Murray H.G. The fetal electrocardiogram: current clinical developments // J. Perinat. Med. 1986. - No 14. - pp. 399-404.

44. Pan J., Tompkins W. A real-time QRS detection algorithm // IEEE Trans Biomed Eng. 1985. - vol. 32. - no. 3. - pp. 230-236.

45. Pardi G, Tucci E, Uderzo A, Zanini D. Fetal electrocardiogram changes in relation to fetal heart rate patterns during labor // Am J Obstet Gynecol. 1974. -no. 118.-pp. 243-50.

46. Rosen K.G. ST Waveform. CTG clinical guidelines. // Internal report, Plymouth Postgraduate Medical School, University of Plymouth. 1994.

47. Sheild J.E., Kirk D.L. The use of digital filters in enhancing the fetal electrocardiogram. // Biomed. Eng. 1981. - no.3 - pp. 44-48.

48. Symonds E.M. Configuration of the fetal electrocardiogram in relation to fetal acid-base balance and plasma electrolytes. // J Obstet Gynaecol Br Commwlth 1971.-no. 78.-pp. 957-70.

49. Bankowski B.J. The John Hopkins Manual of Gynecology and Obstetrics, // 2d edition: Lipincott Williams and Wilkins. 2002.

50. Schreiber Т., Richter M. Nonlinear projective filtering in a data stream // Physics Department University of Wuppertal - Germany - v. 1 5.-2002.

51. Timo В., Mika P., Pasi A. High-Resolution QRS Detection Algorithm for Sparsely Sampled ECG Recordings. // University of Kuopio Department of Applied Physics Report Series ISSN 0788-4672 2004.

52. VanAlste J. A., Schilder T.S. Removal of Base-Line Wander and Power-Line Interference from the ECG by an Efficient FIR Filter with a Reduced Number of Taps. // IEEE Trans: Biomed. Eng. 1985. - no. 32. - pp. 1052-1060.