автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка алгоритмического и программного обеспечения многопрофильного анализа состояния сердечно-сосудистой системы по вариабельности ритма сердца

На правах рукописи

КОРОТКЕВИЧ ДМИТРИЙ ЭРНСТОВИЧ

Разработка алгоритмического и программного обеспечения многопрофильного анализа состояния сердечно-сосудистой системы по вариабельности ритма сердца

Специальность 05.13.09 - Управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1999

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматизированного проектирования и информационные системы" Воронежского государственного технического университета

Научный руководитель : доктор технических наук,

профессор Рындин A.A.

Научный консультант : доктор медицинских наук,

профессор Минаков Э.В.

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Попова О.Б.

кандидат технических наук Измайлов В.Б.

Ведущая организация : Саратовский НИИ кардиологии

при СГМУ МЗ РФ

Защита состоится "14 "мая 1999 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.81.04 Воронежского государственного технического университета по адресу: г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан " " 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

1асмурнов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение компьютеров в медицину привело к развитию новых научных концепций, методологии научных и практических исследований, созданию новых методов и приборов. В последнее время всеобщее внимание привлекли к себе исследования в области оценки функционального состояния организма человека. Особенно широкое распространение получила компьютерная обработка данных, полученных в результате обследований сердечно-сосудистой системы (ССС).

Методология интенсивно развивающейся науки о влиянии различных факторов на состояние организма человека в целом базируется на использовании математических методов для описания исследуемых процессов и поиска оптимальных решений по количественным критериям оценки состояния ССС. Именно методы измерений и исследований, использование математических моделей создают предпосылку для широкого использования персональных компьютеров при решении проблем анализа функциональной деятельности организма человека.

Исследования, которые в настоящий момент интересуют медицинских специалистов, во многом связаны с использованием методов математического анализа вариабельности ритма сердца, как наиболее доступных и достаточно информативных способов оценки общего состояния организма человека.

Анализ существующих систем автоматизированной диагностики состояний ССС показал, что имеющиеся математические модели направлены, как правило, на достижение локальных целей при исследованиях в отдельных медицинских учреждениях, или являются жестко привязанными к конкретным условиям и, соответственно, не учитывают возникающие в современных условиях физические и эмоциональные нагрузки, которые приводят к изменениям в нормальной жизнедеятельности организма и сопровождаются не только нарушениями сердечной деятельности, но и комплексной перестройкой регулирующих процессов всех подсистем.

Эти автоматизированные комплексы не позволяют систематизировать данные, так как в основном ориентированы на узкопрофильные исследования или диагностику определенных состояний ССС, и не могут в должной мере обеспечить всесторонний подход к анализу получаемых данных и перенастройку подсистем диагностики. Кроме того, для существующих систем автоматизированного анализа характерны следующие недостатки: создание новых систем диагностики

проводится как правило изолированно от уже используемых; разработанные комплексы зачастую не имеют единого формата представления данных и не позволяют использовать их другими системами в качестве входной информации; отсутствует возможность исследования динамики изменений деятельности ССС; недостаточно применяются системный и программно-целевые подходы, имитационное моделирование и др.

Таким образом, актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью повышения эффективности разработки систем диагностики функциональных состояний организма человека, что достигается разработкой комплекса алгоритмов и программного обеспечения многопрофильного анализа состояний ССС.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Перспективные информационные технологии в высшей школе" и в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".

Цель н задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание комплекса алгоритмов и программных средств, позволяющих классифицировать различные патологические состояния и отслеживать их динамику по вариабельности ритма сердца. Достижение указанных целей предполагает решение следующих задач:

1. Проведение анализа методов оценки состояний ССС человека.

2. Определение методики анализа этих состояний на основе исследования вариабельности ритма сердца.

3. Разработка комплекса алгоритмов статистических расчетов, спектрального анализа и классификации данных, позволяющих проводить динамические исследования состояний ССС при лечении заболеваний.

4. Создание структуры автоматизированного комплекса анализа показателей состояния ССС.

5. Разработка программного и методического обеспечения автоматизированного комплекса многопрофильного анализа состояний,ССС.

6. Внедрение автоматизированного комплекса в клиническую практику для повышения эффективности диагностики и процесса лечения заболеваний ССС.

Методы исследования. Решение задачи разработки алгоритмического обеспечения многопрофильного анализа состояний ССС основывается на использовании методов статистического, корреляционного, гистографического и спектрального анализа,

классификации данных, моделирования сигналов, а также на экспериментальных исследованиях.

При разработке использовался принцип модульного программирования, новая технология средств визуального программирования Delphi, использующая язык Object Pascal применительно к оболочке Windows.

Научная новнзпа. Научная новизна основных выносимых на защиту результатов, заключается в следующем:

1. Предложена структура автоматизированного комплекса для исследования состояний ССС человека, отличающаяся возможностью проведения расширенного спектрального анализа ритмограмм и получения параметров моделей для различных заболеваний, а также оценки степени выраженности осложнений.

2. Разработан алгоритм спектрального анализа ритмограмм сердца, отличающийся использованием графического метода огибающих кривых и возможностью получения новых динамических характеристик колебательных процессов, повышающих точность диагностики.

3. Предложены алгоритмы классификации данных, получаемых при исследовании вариабельности ритма сердца, позволяющие формировать динамически обучаемые модели заболеваний и их осложнений.

Практическая ценность результатов диссертационной работы.

Разработана структура программного комплекса

многопрофильного анализа состояний ССС. Созданный комплекс обеспечивает решение задач, связанных с измерениями параметров работы сердца и включает модули:

• ввода информации с датчиков электрокардиосигнала и измерителя артериального давления посредством аппаратно-измерителыюго комплекса;

• управления режимами ввода данных;

• предварительной подготовки данных (в виде обработки присутствующих на ритмограмме артефактов);

• статистического, гистографического, корреляционного и спектрального анализа ритмограмм;

• распределения параметров по классам, определения групп и интервалов значений классов параметров при определении моделей состояния ССС;

• визуализации результатов.

Полученные результаты используются в дальнейшем для диагностики и исследования динамики процессов лечения заболеваний.

Разработанный на основе предложенных методов аппаратно-программный комплекс многопрофильного анализа состояний ССС "Биомед-3" внедрен в учебный процесс на кафедрах "Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах" и "Систем автоматизированного проектирования и информационных систем" Воронежского государственного технического университета, а также в научно-исследовательскую работу и клиническую практику на кафедрах "Нормальной физиологии", "Госпитальной терапии" и "Общей врачебной практики (семейной медицины)" Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н.Бурденко.

Реализация работы. Работа выполнена в рамках межвузовской научно-технической программы "Конверсия", а также в рамках научно-исследовательских работ ГБ НИР 1.97 "Принципы аналоговой и цифровой обработки биомедицинской информации" и ГБ НИР 96.04 "Моделирование и оптимизация в информационных системах".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских совещаниях-семинарах "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1995, 1996, 1998), Международном симпозиуме "Вариабельность сердечного ритма : Теоретические аспекты и практическое применение " (Ижевск, 1996), конференциях "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона" (Воронеж, 1996-1997), Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998), III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998), региональной научно-практической конференции "Прибормедтехника-98" (Воронеж, 1999), а также ежегодных научно-практических конференциях ВГТУ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных работах.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ методов оценки состояния сердечно-сосудистой системы человека, изучены принципы влияния состояния ССС на функционирование организма в целом.

Рассмотрены способы измерений параметров ритма сердца при помощи стационарной аппаратуры и малогабаритных переносных приборов, получивших название регистраторов кардиоритма. Проанализированы также методики проведения обследований для выявления отклонений в работе сердца, основными из которых являются:

• быстрое обследование (минимальная методика), позволяющее за непродолжительное время (10-20 минут) провести исследование общего состояния организма человека;

• хронометрическое обследование (мониторирование), использующее наблюдение за изменениями характеристик состояния организма в течение продолжительного времени (обычно 24 часа), дающее на основании анализа данных наиболее полную картину функционирования ССС и организма в целом.

Исследованы принципы математической обработки данных ритма сердца, основанные на проведении статистического, гистографического, корреляционного и спектрального анализа, по оценке количественных показателей которых можно судить о состоянии механизмов вегетативной регуляции, дающих достаточно развернутое описание деятельности ССС, а также нервной системы человека.

По результатам анализа существующих отечественных и зарубежных диагностических систем выявлено, что эти системы ориентированы на узкопрофильные обследования и имеют "закрытую" структуру, не позволяющую корректировать диагностические заключения и дополнять имеющуюся базу данных моделей различных заболеваний.

Исходя из особенностей объекта исследования, предложена "открытая" структура аппаратно-программного комплекса,

позволяющая проводить анализ состояний ССС при различных заболеваниях и их осложнениях, ставится задача разработки алгоритмического и программного обеспечения многопрофильного анализа состояний ССС по вариабельности ритма сердца.

Во второй главе представлена схема проведения обследований, методики их проведения, описаны процедуры математического анализа полученных данных, рассмотрены способы получения дополнительных характеристик "волновой" структуры ритмограмм сердца, определен метод классификации показателей состояний ССС.

С целью повышения эффективности проведения исследований состояний ССС при различных заболеваниях, предложена схема проведения обследований, включающая:

1. Определение контингента обследуемых.

2. Выбор способа обследования.

tl

3. Обследование пациентов.

4. Предварительную подготовку данных.

5. Математическую обработку данных.

6. Занесение информации в базу данных.

7. Классификацию параметров.

8. Определение количественных оценок классов параметров в зависимости от состояний ССС.

Подбор контингента обследуемых проводится по информации поступающей от врача и определяется исследуемым заболеванием. Выбор способа обследования зависит от типа используемой измерительной аппаратуры и исследуемых показателей.

Наличие этапа предварительной подготовки данных обусловлено тем, что в некоторых случаях (при нарушениях в деятельности ССС) длительности отдельных RR-интервалов могут отличаться более чем на 40% от соседних. Такие RR-интервалы называются артефактами и в большой степени влияют на данные статистических расчетов, корреляционного и спектрального анализа, поэтому перед проведением этапа математической обработки они должны быть исключены из ритмограмм.

Процедуры математической обработки данных рассмотрены для получения статистических параметров вариабельности ритма сердца, показателей гистографического и корреляционного анализа ритмограмм, которые позволяют оценивать уровень состояния ССС человека и функциональные свойства организма. Помимо данных видов расчетов, также проводится спектральный анализ динамических рядов RR-интервалов, являющийся одним из ведущих методов математического анализа ритма сердца.

Применение спектрального анализа продиктовано необходимостью получения показателей активности различных уровней центральной регуляций в виде длительности периодов колебательных составляющих и их мощности. Использование метода интерполяции огибающей по разности между соседними RR-интервалами, который предлагается вместо широко распространенного преобразования Фурье, существенно ускоряет процесс выделения колебательных составляющих ритма сердца за счет сокращения и упрощения математических вычислений, а также позволяет получать ряд дополнительных оценок функционального состояния организма в виде статистических показателей вариабельности колебательных составляющих ритмограмм сердца.

Методика получения параметров, характеризующих "волновую" структуру ритмограммы сердца, представлена на рис.1, где Ai -амплитуда i-й волны, В, - длительность i-й волны.

Длительность Г1Р.-интервалов, мс

800 п

700 ■

600 -

500

Номера КЯ-иитервалов

Рис.1. Параметры, характеризующие "волновую" структуру ритмограммы сердца

Длительности волн в этом случае определяются по формуле :

шах,+1

I ЯЯп /1000, (сек),

и=шах;

О)

а их мощности :

Р, = (4 / 2) =

, (мс»). (2)

Благодаря получению значений периодов и мощностей всех видов волн в виде массива данных, становится возможен их статистический анализ, в результате которого определяются показатели, аналогичные статистическим оценкам массива [^.-интервалов:

1. Среднее значение.

2. Максимальное, минимальное значения.

3. Среднеквадратичное отклонение и дисперсия.

4. Вариационный размах.

5. Коэффициент вариации.

6. Мода - наиболее вероятное значение параметра. Граничные значения параметров колебательных процессов и данные по ширине разрядов для построения гистограмм приведены в табл. 1.

Таблица 1

Граничные значения вариабельности параметров колебательных процессов для построения гистограмм

Наименование Значение Ширина разряда

волн гистограммы

период мощность период мощность

(сек) (мс::) (сек) (мс*)

Дыхательные 1 .. 15 1 .. 2000 0.5 100

Медленные 1 типа 10.. 30 1 .. 2000 I 100

Медленные 2 типа 30 .. 60 1 .. 2000 1 100

7. Амплитуда моды - наибольшая вероятность моды в процентах.

8. Коэффициенты ассиметрии и эксцесса - указывающие на степень стационарности исследуемых процессов, на наличие и выраженность переходных процессов.

Все расчеты показателей производятся с волнами от 2 до ¡-1, из-за необходимости исключения первой и последней волн ввиду возможной их неполной идентификации по граничным ЯК-интервалам.

По результатам серии обследований, для получения количественных оценок состояний ССС при различных заболеваниях и определения количества классов параметров соответствующих патологическим осложнениям, первоначально проводится классификация вычисленных показателей, использующая минимаксный критерий, вследствие первоначальной неопределенности границ классов, их количества и коэффициентов значимости параметров. На следующем этапе методом перебора выявляются группы показателей, соответствующие осложнениям или степеням тяжести исследуемого заболевания.

В третьей главе описана структура алгоритмического обеспечения автоматизированного комплекса многопрофильного анализа состояния ССС (АКМА ССС).

Разработаны алгоритмы предварительной обработки данных ритма сердца, включающие фильтрацию ритмограммы от артефактов, представленных в виде пар Я-Т и Т-К интервалов, а также экстрасистол и компенсаторных пауз. Фильтрация первых осуществляется сглаживанием данных импульсов путем суммирования их длительностей, если

о

результатом сложения является величина на 20 % меньшая, чем длительность предыдущего Як-интерпала. Определение наличия экстрасистол и компенсаторных пауз, а также их .длительности, производится по превышению 40 %-го отклонения исследуемого ЯЯ-интервнла от длительности соседних левого или правого импульсов. Сглаживание ритмограммы осуществляется путем усреднения данных кардиоинтервалов между соседними.

Предложены алгоритмы статистического, гистографического, корреляционного анализа, а также быстродействующий алгоритм спектрального анализа ритма сердца, основанный на применении метода огибающих кривы?:. Использование алгоритма спектрального анализа позволяет проводить исследования "волновой" структуры ритма сердца для колебаний с неограниченными временными интервалами, а также наблюдать за их. динамикой. Алгоритм выделения колебательных составляющих ритма сердца для дыхательных волн представлен на рис.2. В данном алгоритме приняты следующие обозначения:

ЯЯб - количество зг регистрированных ЯК-интервалов;

ЯЯр}, - 1-й ЯЯ-интервал (мс);

Н\УСоип1 - количество выделенных дыхательных воли;

Н\Урр] - помер Я Л-интервала, соответствующий пику ¡-й дыхательной волны;

Н'Л'тр] - номер ЯК.-интервала, соответствующий провалу 1-й дыхательной волны;

П'.Ур] - длительность 1-й дыхательной волны (мс);

РН^/р] - мощноегь 1-й дыхательной волны (мс2).

На первом этапе работы алгоритма (блоки 3-7) производится суммирование длительностей кардиоинтервалов до достижения первого пика на ритмограмме, затем определяется номер соответствующего ЯП-интервала (блок 8).,Чал ее. суммирование длительностей продолжается до первого провала 1а ритмограмме (блоки 9-12). Таким образом, происходит вычисление периода волны 1-го порядка - дыхательной волны. В следующем, 13 блоке, определяется номер этого минимального кардиоинтервала и рассчитывается мощноегь выявленной волны. Цикл вычислений заканчивается при достижении последнего ЯЯ-интервала, при этом подсчитыиаегся общее число дыхательных волн (блок 14) и далее осуществляется переход к этапам выявления параметров колебаний более высоких порядков.

Рис. 2. Алгоритм выделения колебательных составляющих ритма сердца

для дыхательных волн

Характеристики этих колебаний определяются по аналогичной схеме, за исключением того, что в этих случаях вместо ЯП-интервалов, соответствующим пикам и провалам на исходной ритмограмме. используются ЯЯ-интервалы, "привязанные" к пикам и провалам огибающих кривых для волн предыдущих порядков.

Так как проведение обследованиий проводится в рс.ыыкш масштабе времени, с учетом начала времени регистрации кардиоритма, предлагаемый алгоритм позволяет выявлять из'лскскис волновой структуры ритмограммы в различное время суток. Это дает широкие

возможности для анализа влияния различных факторов на нервную систему.

Разработан алгоритм классификации параметров,

характеризующих работу сердца, с учетом первоначальной неопределенности их числа и граничных значений. На первом этапе этого алгоритма осуществляется расчет диапазона значений параметров, совокупность которых можно рассматривать как модель состояния ССС, соответствующую исследуемому заболеванию. Следующий шаг производит разбиение параметров на классы, определяет количество этих классов и их индивидуальные границы, которые отражают количественные признаки степеней тяжести или осложнений заболевания. Завершающим этапом является объединение параметров и их классов в группы длл определенных степеней тяжести. Данный этап позволяет выявить параметры моделей осложнений заболевания. На рис.3 представлена схема определения параметров моделей.

Рис.3. Схема определения параметров моделей

j Q Классы параметров вариабельности ритма сердца при

фиксированном заболевании F0={X(1), Х(2),..., Х(у)} !(Щ] Группы классов параметров свойственных определенным осложнениям фиксированного заболевания (F(j) cF,)-> max

Результаты классификации используются в дальнейшем для наблюдения за динамикой изменения состояния больных при проведении периодических обследований, подборе лечебных мероприятий или лекарственных средств.

Четвертая глава представляет разработанную структуру ЛКМА ССС, основными модулями которой являются :

• управление измерениями и обменом данными с аппаратной частью комплекса;

« управление базой данных обследованных пациентов;

• математическая обработка информации, включающая в себя процедуры расчетов характеристик вариабельности ритма сердца, автоматизированной классификации параметров и получения параметров моделей состояний ССС;

• визуализация рассчитанных показателей;

• диагностика состояния по результатам обследования;

• процедуры интерактивной коррекции классов и параметров моделей состояний ССС.

Аппаратная часть комплекса предназначена для получения аналоговой информации с датчиков элгктрокардиосигналов, закрепляемых на теле пациента, преобразования полученных данных в цифровой сигнал и передачи этих данных и память компьютера. Разработанный измерительный комплекс выполнен в виде отдельного устройства, подключаемого к компьютеру через последовательный порт связи. Управление комплексом производится программно по специально разработанному протоколу обмена данными.

Программное обеспечение комплекса создавалось с применением модульного принципа, при котором вся программа, разделяется на отдельные самостоятельные модули. Использовалась технология средства визуального программирования Delphi включающего язык Object Pascal под управлением оболочки Windows.

Разработанный программный комплекс "Биомед-3" функционирует на компьютерах с процессором 486 и Pentium под управлением оболочки WINDOWS версии 3.1 и выше. Для нормального функционирования программы требуется не менее 4Мб свободной оперативной памяти и 1Мб свободного дискового пространства. Комплекс также может работать в режиме удаленного доступа к данным вычислительных сетей (при наличии необходимого программного обеспечения).

Описывается организация взаимодействия врача с аппаратно-программным комплексом, обладающим следующими функциями:

настройка связи между компьютером и измерительным блоком;

проведение обследований в режимах "экспресс-контроля", "текущего обследования" и "мониторирования";

осуществление математической обработки поступившей информации;

визуализация полученных результатов в виде таблиц, графиков и диаграмм;

классификация полученных данных, для выявления количественных оценок степеней тяжести исследуемых заболеваний и использование их для процедур диагностики;

обслуживание базы данных пациентов, позволяющей исследовать динамику изменений сосгояния ССС при проведении процессов лечения;

вывод исходных данных и результатов в виде текстовой, графической информации на печатающее устройство.

Приводятся примеры содержимого информационных окон и результаты работы с данным программным комплексом на различных этапах работы.

Описана методика проведения обследований в режиме "экспресс-контроля". ,

С использованием разработанного комплекса была обследована ~руппа больных сахарным диабетом с последующей классификацией вычисленных параметров. В результате были определены диапазоны шачений параметров вариабельности кардиоритма, выявлено наличие рупп показателей, характерных данному заболеванию на различных ггадиях его течения. Также была исследована динамика состояния ССС у ханных больных до и после цикла лечения.

Полученные параметры вариабельности ритма сердца для больных ■лхарным диабетом в стадиях декомпенсации и компенсации федставлены в табл. 2.

В результате внедрения разработанного комплекса в клиническую фактику на кафедрах "Госпитальной терапии" и "Общей медицинской фактики (семейной медицины)" ВГМА им Н.Н.Бурденко было выявлено окращетш времени выбора и проведения лечебных мероприятий, а акже оценки действия лекарственных средств, на 15-20 %. Приведенные результаты были получены за счет возможности наблюдения динамики вменения состояния ССС в процессе лечения, сокращения времени ычисления показателей вариабельности ритма сердца и их истематнзации.

Таблица 2 Параметры вариабельности ритма сердца для больных сахарным диабетом в стадиях декомпенсации и компенсации

№ Наименование параметра Лишинешческое описание

Де<омпенсашш Компенсация

1. Ма ксималыюе значение (сек) 0,57 720-0,591 НО 0,650-0,69370

2. Вариационный размах (сек) 0,07388-0,09312 0,1220-0,15090

3. Среднеквадратичное отклонение (сек) 0,01427.-0,01476 0,01525-0,01624

4. Эксцесс -0,Г.'4:>0..1),:!6370 1,1230-1,6420

5. Днсгкфсия (сек2) 0,00008-0,00011 0,00020-0,00022

6. Амплитуда мо;пл(%) 66,50..67,320 73,020-74,660

7. Индекс вегегатнвного равновесия (' ¡Лч.'к) 464,50..546,90 1123.0..1206.0

8. Средняя вариабельность 30-сек\'нддых участков (сек) 0,1539-0,20890 0,23390-0,33370

9. Средняя разность между соседними шлч (81).Ч Г)) (сек) 0,00241..0,00460 0,00533-0,00751

1». Продольная ось скатгерграммы (сек) 0,10 450-0,13180 0,17260.0,21350

и. Индекс функционального сосгояшщ 3,08э0..3,2050 4,170-4,2910

12. Количество сдвигов автокоррелограммы до АКФ < 0.3 7,0-8,750 21,0-31,50

13. Средняя мощность дыхате;1ьных во.чн (мс2) 6,30>0..18,8» 37,540-41,790

14. Средняя мощность медленных волн 1 типа (мс3) 5,59 ГО.. 17,6 20 113,80-119,80

15. Средняя мощность медленных волн 2 типа (мс2) 189,90 .207,10 50,010-58,750

16. Индекс ценгрллнзаиии 8,5740-12.170 2,2820-3.1810

17. Индекс активации подкорковых центров 0,11190-0,16020 0,25670-0,35320

18. Период дых.волн - Максимальное значение (сек) 6,390-6,917) 9,5560-10,080

19. Период дых.волн - Вариационный размах (сек) 5,2510-5,7850 8,4550-8,9890

20. Период ДМХ.ВОЛН - Среднеквадратичное откп. (сек) 0,89350.. 1,2 40 1,5870-1.7060

21. Пентод дых-воли - Эксцесс 0,65520..0,8^70 3,2059-3,6690

22. Период далх.волн - Коэффициент вариашги 46,6'0..48,5 ¡0 41,010-41,780

23. Период дых.вош{ - Мода (сек) 1.3220..140 20 1,5620-1,6820

24. Период дых.вощ! - Амплитуда моды (%) 32.3'10..37,5 Ю 27,241.30,670

25. Период медл.волн 1 - Минимальное значение (сек) 2,1530-2,231.0 2,7771.2,8180

26. Период мс.иг.Еолн 1 - Вариационный размах (сек) 19,650-20,810 16,761.17.340

27. Период ме;1л.волн 1 - Среднеквадратичное откл. (сек) 5,7820-5,86 (0 4,470 .5,12600

28. Период медл.волн 1 - Асимметрия 2,1710-2,22150 0,29370-0,94370

29. Пе^ код медл.волн 1 - Эксцесс 0,00131.0,2'870 -1,1080-0,55330

30. Пер и од медл.волн 1 - Отклонение от среднего (%) 42,0-43,540 34,7811-39,380

31. Период медл.волн 1 - Коэффициент вариации 53,130-58,5.0С0 46,340-47,020

32. Период медл.волн 1 - Мода (сек) 10,610-10,910 3,5320-4,1470

33. Период медл.волн 2 - Максимальное значение (сек) (.0,320-63,7110 51,670-53,40

34. Период медл.волн 2 - Вариациошоый размах (сек) «6,710..51,8''О 26,10-33,830

35. Период медл.волн 2 - Среднеквадратичное откл. (сек) 18,130-20,150 9,0210-12,060

36. Период медл.волн 2 - Амплитуда моды (%) 11,110-17,510 21,780-23.910

37. Мощность дых.волн • Вариациошсьш размах (мс2) 361,С ..1512, 2664,0-3815,0

38. Мощность дых.волн - Среднеквадратичное откл. (мс2) 5.8,480-313,10 .567,60-737,40

39. Мощность ДЫХ.В0ЛН - Эксцесс 16,65 0-22,410 8,1120-13,830

40. Мощность дых.волн - Отклонение от среднего (%) 699,50-931,70 506,40-564.30

41. Мощность дых-волн - Коэффтагснт вариации 1654,0. 1905,0 775,30-1152,0

42. Мощность дых.волн - Мода (мс1) 18,050-75,610 133,20-190,70

43. Мощность дых.волн - Амплитуда моды (%) 75,920-81,7^0 50,640-56,170

44. Мощность мелл.волн 1 - Вариационный размах (мс2) 528,0-1535,(1 6906,0-7577.0

45. Мощность медл.волн 1 - Асимметрия 3,5440-4,0230 2,1060-2,8250

46. Мощность медл.волн 1 - Эксцесс 13,20-15,94(1 2.233(1.-10,460

47. Мощность мелл.волн 1 - Коэффициент вариации 1041,0-1325 0 757,20..8Ы,0

48. Мощность медл.волн 1 - Мола (мс2) 27,40-7/,7211 346,10-379,60

49. Мощность мелл.волн 1 - Амплитуда моды (%) 43,610-48,770 35,0-38,440

50. Мощность медл.волн 2 - Максимальное значение (мс2) 841,0-2047,0 5666,0-6872.0

51. Мощность медл.волл 2 - Вапия1шп!гн*.;й размах (мс2) 720,0,.1943,0 5611,(1-6833,0

52. Мощность меди.волн 2 - Среднеквадратичное о пел. (мс2) 320,45-780,60 1701,0-1931,0

53. Мощность МСДЛ.ВОЛИ 2 - Отклоните от среднего (%) 207,73-236,50 394,50-437,60

54. Мощность медл.волн 2 - Мода (мс2) 58,755-76,820 293,60-329,70

55. Мощность меядлолн 2 - Амплитуда моды (%) 33,143-34,130 28,180..29,170

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура автоматизированного комплекса для исследования состояний ССС человека, отличающаяся возможностью проведения расширенного спектрального анализа ритмограмм, систематизации рстультатов и получением количественных оценок состояний ССС для различных заболеваний, а также степеней их тяжести.

2. Предложен алгоритм спектрального анализа ритмограмм человека, дающий возможность получения ряда статистических и динамических характеристик колебательных процессов ритма сердца за счет применения графического метода огибающих кривых.

3. Определены дополнительные параметры оценки состояния ССС по результатам спектрального анализа, позволяющие повысить точность диагностики, расширить перечень выявляемых патологий.

4. Предложены алгоритмы классификации данных, получаемых при исследовании вариабельности ритма сердца, позволяющие повысить эффективность определения параметров моделей состояний ССС для диагностики заболеваний и наблюдения за динамикой процесса лечения.

5. Разработан аппаратно-программный комплекс многопрофильного анализа состояния ССС - "БИОМЕД-З", обеспечивающий сбор, обработку, хранение данных, формирование моделей состояний С XX.1 но показателям вариабельности ритма сердца.

6. Проведено обследование группы больных сахарным диабетом и по его результатам получены количественные показатели состояния ССС свойственные данному заболеванию.

7. Данный комплекс внедрен в учебный процесс на кафедрах "Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах" и "Систем автоматизированного проектирования и информационных систем" Воронежского государственного технического университета, а также в научно-исследовательскую работу на кафедре "Нормальной физиологии" Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н.Бурденко.

8. Использование разработанного комплекса в клинической практике на кафедрах "Госпитальной терапии" и "Общей медицинской практики (семенной медицины)" Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н.Бурденко выявило сокращение времени выбора и проведения лечебных мероприятий, а также оценки действия лекарственных средств, на 15-20 %.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Горбунов В.Г., Короткевич Д.Э. Особенности постановки задачи оптимального синтеза параметрической системы кривошипных прессов / Моделирование и оптимизация сложных систем: Сб. науч. тр. - Воронеж: ВПИ, 1986. - с. 37-40.

2. Короткевич Д.Э. Автоматизированная система снятия и обработки сигналов пульса человека / Всероссийское совещание-семинар "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (г. Воронеж, 26 июня -I июля 1995 г.) : Тезисы докладов. Воронеж: ВГТУ, 1995. с. 43.

3. Балашов Ю.С., Беляков А.Л., Исаев И.В., Короткевич Д.Э., Кренев Ю.Л., Минаков Э.В., Трифонов В.П. Автоматизированный комплекс экспресс-контроля показателей сердечно-сссудисгой системы человека II Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона. Материалы конференции, Воронеж, 1996 г. Том 1, с. 130-136.

4. Балашов Ю.С., Козьмин В.А., Короткевич Д.Э., Поляков A.B. Твердотельный регистратор ритма сердечных сокращений // Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона. Материалы конференции, Воронеж, 1996г.Том 1, с.136-143.

5. Балашов Ю.С., ьеляков А.Л., Кренев Ю.Л., Короткевич Д.Э., Минаков Э.В., Трифонов В.П. Автоматизированный комплекс экспресс-контроля и мониторинга показателей сердечно-сосудистой системы человека / Вариабельность сердечного ритма : Теоретические аспекты и практическое применение // Тез. междунар. симноз. I Ижевск : Изд-во Удм. ун-та, 1996. С. 145.

6. Короткевич Д.Э., Минаков Э.В. Автоматизированная система диагностики функционального состояния человека / Всероссийское совещание-семинар "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (г.Воронеж, 26-29 июня 1996 гЛ : Тезисы докладов. Воронеж: ВГТУ, 1996. с. 93.

7. Короткевич Д.Э. Образно-графический анализ состояния сердечно-сосудистой системы человека / Высокие т ехнологии в технике, медицине и образовании : Межвуз. сб. науч. трудов / Воронеж, ВГТУ,

1996. с. 150-154.

8. Короткевич Д.Э., Минаков Э.В., Минакова Н.Э., Балашов Ю.С. Автоматизированная система оперативного анализа состояния здоровья человека // Реализация региональных научно-технических программ 1^аггрально-Черноземного региона. Материалы конференции, Воронеж,

9. Короткевич Д.Э., Воробьев Э.И. Моделирование состояния сердечно-сосудистой системы человека / Высокие технологии в технике, медицине и образовании : Межвуз. сб. науч. трудов ! Вороне*:, ВГТУ,

1997. с. 166-170.

10. Короткевич Д.Э., Литвиненко Ю.В., Пасмурное С.М., Гуськов Е.Б. Статистические характеристики ритмограмм и их моделирование. / Высокие технологии в технике, медицине и образовании , ч. 3 : Межвуз. сб. науч. трудов / Воронеж, ВГТУ, 1998. с.141-146.

11. Короткевич Д.Э., Воробьев Э.И. Определение колебательных составляющих ритма сердца при длительных обследованиях / Высокие технологии в технике, медицине и образовании : Межвуз. сб. iiavn трудов / Вороне:::, ВГТУ, 1S98. с.lOl-iu».

12. Короткевич Д.Э., Литвиненко Ю.В., Пасмурно« С.М. Марковская модель ритмограммы. Всероссийское совещание-семинар

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах- рукописи

Короисевич Дмитрий Эрнстович

Разработка алгоритмического и программного обеспечения многопрофильного анализа состояния сердечмо-сссудмстом системы по вариабельности ритма сердца .

Специальность 05 Л 3.09 - Управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор A.A. Рындин

Научный консультант

д.м.н., профессор З.В.М'ииаков

Воронеж 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ.....12

1.1. Проблемы исследования состояний сердечно-сосудистой системы человека.....................................12

1.2. Обзор методов математического анализа-

сердечного ритма..................................... 23

1.3. Цель и задачи исследования ............................ 37

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РИТМА СЕРДЦА ............. 39

2.1. Структура и методическое обеспечение процессов исследования ритма сердца ............................. 39

2.2. Математическое обеспечение многопрофильного анализа ... 43

2.3. Классификация параметров ритма сердца ................ 59

Выводы второй главы .................................... 68

3. АЛГОРИТМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

И АНАЛИЗА КАРДИОРИТМА .............................. 69

3.1. Предварительная обработка данных ритма сердца ......... 69

3.2. Алгоритмизация процедур математической

обработки данных..................................... 77

3.3. Классификация параметров ритма сердца и

состояний сердечно-сосудистой системы .................. 92

Выводы третьей главы ..................................... 99

4. СТРУКТУРА И ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА

МНОГОПРОФИЛЬНОГО АНАЛИЗА

СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА ......... 100

4.1. Программное и информационное обеспечение автоматизированного комплекса....................... 100

4.2. Организация взаимодействия ЭВМ с врачом ............. 107

4.3. Анализ эффективности применения алгоритмов и программного обеспечения по результатам серии

опытных клинических обследований .................... 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................. 127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............... 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...........................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...........................................168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Внедрение компьютеров в медицину привело к развитию новых научных концепций, методологии научных и практических исследований, созданию новых методов и приборов. В последнее время всеобщее внимание привлекли к себе исследования в области оценки функционального состояния организма человека. Особенно широкое распространение получила компьютерная обработка данных, полученных в результате обследований сердечно-сосудистой системы (ССС).

Методология интенсивно развивающейся науки о влиянии различных факторов на состояние организма человека в целом: базируется на использовании математических методов для описания исследуемых процессов и поиска оптимальных решений по количественным критериям оценки состояния ССС. Именно методы измерений и исследований, использование математических моделей создают предпосылку для широкого использования персональных компьютеров при решении проблем анализа функциональной деятельности организма человека.

Исследования, которые в настоящий момент интересуют медицинских специалистов, во многом связаны с использованием методов математического анализа вариабельности ритма сердца, как наиболее доступных и достаточно информативных способов оценки общего состояния организма человека.

Анализ существующих систем автоматизированной диагностики состояний ССС показал, что имеющиеся математические модели направлены, как правило, на достижение локальных целей при исследованиях в отдельных медицинских учреждениях, или являются жестко привязанными к конкретным условиям и, соответственно, не

учитывают возникающие в современных условиях физические и эмоциональные нагрузки, которые приводят к изменениям в нормальной жизнедеятельности организма и сопровождаются не только нарушениями сердечной деятельности, но и комплексной перестройкой регулирующих процессов всех подсистем.

Эти автоматизированные .комплексы не позволяют систематизировать данные, так как в основном ориентированы, на узкопрофильные исследования или диагностику определенных состояний ССС, и не могут в должной мере обеспечить всесторонний подход к анализу получаемых данных и перенастройку подсистем диагностики. Кроме того, для существующих систем автоматизированного анализа характерны следующие недостатки: создание новых систем диагностики проводится как правило изолированно от уже используемых; разработанные комплексы зачастую не имеют единого формата представления данных и не позволяют использовать их другими системами в качестве входной информации; отсутствует возможность исследования динамики изменений деятельности ССС; недостаточно-применяются системный и программно-целевые подходы, имитационное моделирование и др.

Таким образом, актуальность диссертационного исследования определяется необходимостью повышения эффективности разработки систем диагностики функциональных состояний организма человека, что достигается разработкой комплекса алгоритмов и программного обеспечения многопрофильного анализа состояний ССС.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой "Перспективные информационные технологии в высшей школе" и в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Биомедкибернетика, компьютеризация в медицине".

.'Цель и задачи исследовании. Целью диссертационной работы является создание комплекса алгоритмов и программных средств, позволяющих классифицировать различные патологические состояния и отслеживать их динамику по вариабельности ритма сердца. Достижение указанных целей предполагает решение следующих задач:

1. Проведение анализа методов оценки состояний ССС человека.

2. Определение методики анализа этих состояний на основе исследования вариабельности ритма сердца.

3. Разработка комплекса алгоритмов статистических расчетов, спектрального анализа и классификации данных., позволяющих проводить динамические исследования состояний ССС при лечении ■заболеваний.

4. Создание структуры автоматизированного комплекса анализа показателей состояния ССС.

5. Разработка программного и методического обеспечения автоматизированного комплекса многопрофильного анализа состояний ССС.

6. Внедрение автоматизированного комплекса в клиническую практику для повышения эффективности диагностики и процесса лечения заболеваний ССС.

Методы! исследования., Решение задачи разработки алгоритмического обеспечения многопрофильного анализа состояний ССС основывается на использовании методов статистического, корреляционного, гистографического и спектрального анализа, классификации данных, моделирования сигналов, а также на экспериментальных исследованиях.

При разработке использовался принцип модульного программирования, новая технология средств визуального программирования Delphi, использующая язык Object Pascal

применительно к оболочке Windows.

Научная новизна. Научная новизна основных выносимых на защиту результатов, заключается в следующем:

1. Предложена структура автоматизированного комплекса для исследования состояний ССС человека, отличающаяся возможностью проведения расширенного спектрального анализа ритмограмм: и получения параметров моделей для различных заболеваний, а также оценки степени выраженности осложнений.

2. Разработан алгоритм спектрального анализа ритмограмм сердца, отличающийся использованием графического метода огибающих кривых и возможностью получения новых динамических характеристик колебательных процессов, повышающих точность диагностики.

3. Предложены алгоритмы классификации данных, получаемых при исследовании вариабельности ритма сердца, позволяющие формировать динамически обучаемые модели заболеваний и их осложнений.

Практическая ценность результатов диссертационной работы.

Разработана структура программного комплекса

многопрофильного анализа состояний ССС. Созданный комплекс обеспечивает решение задач, связанных с измерениями параметров работы сердца и включает модули:

• ввода информации с датчиков электрокардиосигиала и измерителя артериального давления посредством аппаратно-измерительнош комплекса;

® управления режимами ввода данных;

® предварительной подготовки данных (в виде обработки присутствующих на ритмограмме артефактов);

© статистического, гистографического, корреляционного и

спектрального анализа ритмограмм;

® распределения параметров по классам, определения групп и интервалов значений классов параметров при определении моделей состояния ССС;

• визуализации результатов.

Полученные результаты используются в дальнейшем для диагностики и исследования динамики процессов лечения заболеваний.

Разработанный на основе предложенных методов аппаратно-программный комплекс многопрофильного анализа состояний ССС "Биомед-3" внедрен в учебный процесс на кафедрах "Системного анализа и управления в медицинских и педагогических системах" и "Систем автоматизированного проектирования и информационных систем" Воронежского государственного технического университета, а также в научно-исследовательскую работу и клиническую практику на кафедрах "Нормальной физиологии", "Госпитальной терапии" и "Общей врачебной практики (семейной медицины)" Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н.Бурденко.

Реализация работы,, Работа выполнена в рамках межвузовской научно-технической программы "Конверсия", а также в рамках научно-исследовательских работ ГБ НИР 1.97 "Принципы аналоговой и цифровой обработки биомедицинской информации" и ГБ НИР 96.04 "Моделирование и оптимизация в информационных системах".

Апробация работы» Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1995, 1996, 1998), Международном симпозиуме "Вариабельность сердечного ритма : Теоретические аспекты и практическое применение " (Ижевск, 1996), конференции "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона" (Воронеж, 1996-Î 997), Всероссийском совещании-семинаре

"Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998), III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998), региональной научно-практической конференции "Прибормедтехника-98" (Воронеж, 1999), а также ежегодных научно-практических конференциях ВГТУ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных работах.

Структура и объем работы» Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 6 таблиц.

В первой главе проведен анализ методов оценки состояния ССС человека, изучены принципы ее влияния на функционирование организма в целом.

Рассмотрены способы измерений кардиоритма и вопросы методик проведения обследований для выявления отклонений в работе сердца. Исследованы принципы математической обработки данных ритма сердца, основанные на проведении статистического, гистографического, корреляционного и спектрального анализа и их образно-графического представления.

Проведен анализ существующих диагностических систем и представлена общая структура этих систем, которой обычно придерживаются их разработчики. Дано обоснование разработки комплекса алгоритмов автоматизированного многопрофильного анализа состояния ССС и разработана общая структура аппаратно-программного комплекса.

Во второй главе представлена схема проведения обследований, методики их проведения, описаны процедуры математического анализа полученных данных, рассмотрены способы получения дополнительных

характеристик "волновой" структуры ритмограмм сердца, определен метод классификации показателей состояний ССС.

Рассмотрена методика многопрофильного анализа данных на основе вычисления математических показателей ритма сердца, характеризующих работу системы кровообращения.

Дано описание метода спектрального анализа, определения характеристик волновой структуры ритмограммы с применением геометрического подхода при помощи семейства огибающих кривых.

Проанализированы способы классификации многопараметрического пространства и выбран наиболее эффективный метод, основанный на минимаксном критерии.

В третьей главе описана структура, алгоритмического обеспечения автоматизированного комплекса многопрофильного анализа состояния ССС (АКМА. ССС).

Разработаны алгоритмы предварительной обработки данных ритма сердца, включающие фильтрацию ритмограммы от артефактов.

Предложены алгоритмы статистического, гиетографического, корреляционного анализа, а также быстродействующий алгоритм спектрального анализа ритма сердца, позволяющий проводить исследования волновой структуры ритма сердца для колебаний с неограниченными временными интервалами.

Разработан алгоритм классификации параметров, характеризующих работу сердца, с учетом первоначальной неопределенности их числа и граничных значений.

Четвертая; глава. представляет разработанную структуру программного комплекса АКМА ССС, основными модулями которой являются : управление измерениями и обменом данными с аппаратной частью комплекса; управление базой данных обследованных пациентов; математическая обработка информации, включающая в себя процедуры

расчетов характеристик вариабельности ритма сердца, автоматизированной классификации параметров и получения параметров моделей состояний ССС; визуализация рассчитанных показателей; диагностики состояния по результатам обследования; процедуры интерактивной коррекции классов и параметров моделей состояний ССС.

Описывается организация взаимодействия врача с аппаратно-программным комплексом в режимах настройки, проведения обследований, проведения математического анализа и классификации полеченных данных, обслуживания базы данных пациентов. Приводятся примеры содержимого информационных окон в моменты работы с данным программным комплексом на. различных этапах работы.

Осуществлен анализ эффективности работы данного аппаратно-программного комплекса в виде проведения серии опытных обследований в клинических условиях.

В заключении рассмотрены основные результаты работы.

В приложениях приведены листинги модулей разработанного программного комплекса многопрофильного анализа состояния сердечно-сосудистой системы человека и акты внедрения результатов работы.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ CMCFEWÏM ЧШОШКА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Трудоемкость разработки и создания автоматизированных комплексов для анализа состояния ССС человека определяется достаточно сложной математической обработкой значительного объема получаемой информации. Использование персональных компьютеров позволит увеличить быстроту и эффективность процесса выявления людей с начальными стадиями заболеваний для своевременного проведения профилактических и лечебных мероприятий, а также проводить прогнозирование функционального состояния организма.

1.1. Проблемы исследования состояний серде«шо-сосудистой

системы человека

Основной задачей медицины является предупреждение развития

б/—' е

о заболевании, а также лечение функциональных и органических изменений функционирования организма человека и дальнейшее поддержание его работоспособности на определенном уровне. Современная медицинская наука особое внимание отдает развитию новых направлений в ранней диагностике и восстановительному лечению ССС, так как последние занимают первое место в мире по смертности.

Прекращение работы сердца и, как следствие, жизнедеятельности всего организма человека возможно из-за внезапной остановки сердца в результате возникновения тромба в кровеносных сосудах, разрыва

сердечной мышцы (инфаркта), большой физической перегрузке и громадного числа других случаев (травмы, хирургические операции, неправильное применение лекарственных средств и т.п.) [21,73,78,83].

Любые отклонения в деятельности организма, пускай даже незначительные, могут свидетельствуют о нарушении состояния ССС. Такими отклонениями могут быть частый или чрезвычайно редкий пульс, учащение дыхания без физиче�