автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Совершенствование автономных медицинских измерительных приборов на основе сплайновых вейвлет фильтров

На правах рукописи

БУРУКИНА Ирина Петровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ СПЛАЙНОВЫХ ВЕЙВЛЕТ ФИЛЬТРОВ

Специальность 05.11.17 - приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2007

003052915

Работа выполнена на кафедре «Информационно-вычислительные системы» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чувыкин Борис Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Истомина Татьяна Викторовна;

кандидат технических наук, доцент Квятковскин Юрий Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП ПО «Старт»

(г. Заречный, Пензенская обл.)

Защита диссертации состоится 29 марта 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте www.pnzgu.ru.

Автореферат разослан «_»_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А. В. Светлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие медицинской науки и новые идеи в клинической медицине ставят все новые задачи по созданию медицинской аппаратуры. В настоящее время использование в медицинской практике компьютера в сочетании с измерительной и управляющей техникой позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии пациента, ее обработки в реальном масштабе времени и управления его состоянием. Этот процесс привел к созданию медицинских измерительных приборов (МИЛ) с новыми инструментальными методами исследования.

Приоритетным направлением программы информатизации медицины является мониторинг здоровья населения. Мониторинг здоровья - это система оперативного слежения за состоянием и изменением здоровья населения, представляющая собой постоянно совершенствующийся механизм получения разноуровневой информации для углубления оценки и прогноза здоровья населения за различные временные интервалы. Автономные медицинские измерительные приборы (АМИП) являются ключевым звеном в системах мониторинга различного типа. В медицинской практике широко используются АМИП, предназначенные для контроля деятельности сердечно-сосудистой системы (ССС) по электрокардиограмме (ЭКГ). Это связано с тем, что основная доля причин смертности людей в трудоспособном возрасте связана с сердечнососудистыми заболеваниями. Согласно данным Госкомстата, смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в России сегодня в среднем составляет 53,37% общей смертности. Поэтому вопросы разработки и совершенствования АМИП для объективной оценки и прогнозирования состояния сердечно-сосудистой системы актуальны.

Методы вейвлет преобразования, несмотря на сложность, связанную с математической реализуемостью и интерпретацией результата, доказали свою практическую эффективность в медицине.

Современный уровень применения вейвлет для анализа ЭКГ охватывает значительную часть достижений в области теории вейвлет, разработанной в 80-90-е гг. коллективами под руководством И. Добеши, К. Чуй, В. Свелденса, А. Луиса и др.

Применение вейвлет преобразования в МИП связано с массовым появлением высокоточных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей (ИАЦП) с разрядностью 20+24 бит. Сплайновые вейвлеты отличаются рядом особенностей (гладкость, симметрия, компактность), которые эффективны для анализа сигналов ЭКГ.

В настоящее время на первый план выходит проблема разработки аппаратно-программных средств реализации континуально-дискретных сплайновых вейвлет алгоритмов для анализа сигналов ЭКГ, однако созданию новых конкурентоспособных высокоэффективных АМИП

препятствует отсутствие методики проектирования сплайновых вейвлет фильтров на базе ИАЦП.

Цель работы - совершенствование АМИП с новыми функциональными возможностями в системах мониторинга сигнала ЭКГ на основе использования континуально-дискретных сплайновых вейвлет алгоритмов.

Основные задачи исследования:

1. Анализ современных АМИП для мониторинга ЭКГ и путей их технического совершенствования.

2. Анализ используемых в кардиологии вейвлет алгоритмов и выделение подкласса вейвлет, реализуемых в рамках АМИП, для анализа сигналов ЭКГ.

3. Разработка инженерной методики проектирования сплайновых вейвлет фильтров как базисных элементов совершенствования АМИП.

4. Оценка погрешностей измерительного канала и разработка алгоритма коррекции погрешностей и повышение помехоустойчивости в АМИП.

5. Разработка инженерной методики проектирования АМИП, ориентированной на использование современных микроконтроллеров.

Методы исследования. При выполнении работы использовалась теория цифровых измерений и обработки сигналов, теория линейных импульсных систем, теория операторных методов анализа непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных систем, теория дискретизации и восстановления измерительных сигналов, теория оценок погрешности. Для аналитических выводов использовались математические пакеты прикладных программ и имитационное моделирование в системах визуального программирования.

Научная новизна работы:

1. Впервые предложен и исследован метод континуально-дискретного сплайнового вейвлет преобразования сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени.

2. Разработана обобщенная структура, в рамках которой возможна реализация сплайновых вейвлет алгоритмов в континуально-дискретной форме.

3. Разработан метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход.

4. Найдено аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в цепи обратной связи (ОС).

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная структура АМИП, реализующая континуально-дискретный алгоритм сплайнового вейвлет преобразования

сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени на основе сплайнового вейвлет фильтра.

2. Метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход.

3. Аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией в цепи обратной связи.

Реализация и внедрение результатов. Полученные в диссертационной работе результаты разработку! теории и инженерной методики проектирования высокоточных ИАЦП, относящихся к подклассу сигма-дельта АЦП, используются при выполнений НИР «ОБНОВА» в ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза) и при обосновании перспектив создания интеллектуальных средств измерений для ракетно-космической техники в рамках Федеральной космической программы до 2010 г. Кроме того, результаты диссертационной работы используются в научно-исследовательской работе, проводимой в кардиологическом отделении Пензенской областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 14 конференциях: Международной научно-технической конференции «Физика и техника приложения волновых процессов» (Самара, 2003); V Международной конференции «Радиоэлектроника в медицине» (Москва, 2003); П научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы» (Санкт-Петербург, 2003); XI межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы диагностики, лечения и реабилитации больных» (Пенза, 2004); IV Международном симпозиуме «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия. КАРДИОСТИМ-2004» (Санкт-Петербург, 2004); X Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы» (Таганрог, 2006); III Международной заочной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2006) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ и получено 5 патентов на изобретения РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Изложена на 176 страницах, содержит 100 рисунков и 11 таблиц, список литературы включает 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности сигнала ЭКГ и методы его анализа. Проведена систематизация методов анализа и выделены две основные группы: методы анализа ЭКГ, применяемые для клинического обследования населения, и методы анализа ЭКГ, применяемые для массового обследования населения.

Рассмотрены вопросы применения вейвлет преобразования для анализа ЭКГ. Показана высокая эффективность сплайнового вейвлет преобразования при решении задач анализа ЭКГ. Выявлена возможность аппаратной реализации сплайновых вейвлет.

Проведен анализ современных медицинских измерительных приборов, участвующих в организации макросистемы мониторинга сердечно-сосудистой системы (рис. 1).

Выявлены тенденции развития медицинских измерительных приборов:

- получение все более полной диагностической информации;

- усложнение алгоритмов обработки сигналов ЭКГ;

- усложнение алгоритмов принятия решений;

- представление информации в удобном для врача виде. Выявлена роль АМИП среди медицинских измерительных приборов.

Приведен обзор современных АМИП, применяемых в отечественном

здравоохранении, которые могут служить аналогами для разработки новых усовершенствованных АМИП.

Для АМИП существует целый ряд технических проблем, не характерных для остальных МИП. Эти проблемы связаны с неразрешимым противоречием: необходимо обеспечить повышение точности измерения и обработки первичной информации и в то же время выполнить жесткие требования по ограничению массогабаритных размеров, энергопотреблению и стоимости. Неразрешимость противоречия заключается в том, что ценой улучшения качества измерений является усложнение схемотехнических решений (увеличение массогабаритов), использование быстродействующей цифровой схемотехники (повышение энергопотребления). С учетом особенностей проектирования АМИП были сформулированы направления и этапы совершенствования, основанные па использовании алгоритма сплайнового вейвлет анализа.

Во второй главе проведен анализ математических свойств сплайновых вейвлет, который показал потенциальную возможность аппаратно-программной реализации в режиме реального времени алгоритмов сплайновых вейвлет преобразований.

В континуально-дискретной форме сплайн Вт Л степени т -1 описывается следующим выражением:

Формула (1) предполагает возможность реализации сплайна в виде импульсной характеристики линейной импульсной системы (ЛИС), состоящей из последовательно включенных (т + 1) интеграторов и звена (т + 1)-й конечной разности.

Предложена структура, в рамках которой можно реализовать алгоритмы сплайнового вейвлет анализа сигнала ЭКГ в континуально-дискретной форме в режиме реального времени.

Решена задача синтеза структуры АЦФ (рис. 2), реализующей алгоритм сплайнового вейвлет преобразования, с учетом следующих ограничений: использование в прямом канале преобразования ИАЦП и использование в канале ОС ЦАП с ШИМ.

Проведен анализ возможности использования структур ИАЦП в АЦФ для реализации алгоритмов сплайновых вейвлет. Выбрана структура ИАЦП с однократным и многократным интегрированием, работающего без пропусков информации - сигма-дельта АЦП.

Разработана методика расчета АЦФ замкнутого типа с использованием ИАЦП, основанная на известном математическом свойстве ЛИС — свойстве эквивалентности импульсной характеристики непрерывной и дискретной частей системы (рис. 3).

(1)

ЦАП

хЩ-

-

- Л_ ж,«

X тп

1 1 1 1

р р р р

-

Н!Р) —> X:

¿И

у[п]

^ 1ШЩ _

Рис. 2 Обобщенная структура АЦФ, реализующая алгоритм сплайнового вейвлет преобразования

АЦФ замкнутого типа с ИАЦП однократного интегрирования

*0

л? _ _

1 р н{р)

1

V;«

_ 1ьщп;

1 этап

:11>м -¡> М-я'-Н ! Н ^

1 Нр

р

1

+

2 этап

I

н,.

— Н и

| ЗЕВ

3 этап

Рис. 3 Приведение ЛИС замкнутого типа к эквивалентной ЛИС разомкнутого типа

Получены значения коэффициентов цифровых КИХ и БИХ фильтров, а также масштабирующего коэффициента X для структуры АЦФ с одним, двумя и тремя интеграторами в цепи прямого преобразования и одной петлей ОС, что позволило синтезировать АЦФ замкнутого типа, реализующего алгоритм сплайнового вейвлет преобразования.

Передаточная функция (ПФ) разомкнутой части АЦФ определяется из следующего выражения:

1

н^У-

1

_1___= (2)

2 • г • (г -1) 2-2.(2-1)

2-0 + й, т-'Жг-О + ^-а + д, ■ г'1)- (г +1)

где а и Ъ - коэффициенты цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ) и с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ); X - масштабный коэффициент.

Показаны результаты имитационного моделирования АЦФ с однократным, двукратным и трехкратным интегрированием в цепи прямого преобразования и одной петлей ОС, что позволило в максимальной степени приблизить математические модели АЦФ к реальным аппаратным средствам и провести необходимый комплекс инженерных исследований полученного технического решения.

Получено аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования (более третьего порядка) с широтно-импульсной модуляцией в цепи обратной связи, основанное на условии симметрии импульсов ШИМ сигнала относительно некоторой точки, выбранной внутри интервала цикла преобразования (рис. 4).

Математически условия формирования многоимпульсного ШИМ сигнала для структуры АЦФ с ИАЦП с многократным интегрированием имеют вид

\ = -а, -8;й2 = + а, • е; 1ц = Ь, -а2 - в; й4 = -а2 -е , (3) где коэффициент а\ модели принят равным единице, а коэффициент д2

У2

имеет численное значение а, = — = 0,7937005260.

2 2

U(t) A

uD--. - -

h2=h!+Eh

\

Il SI

/

h4=h3-Eh

'3 t

Рис. 4 ШИМ сигнал

Разработана методика расчета АЦФ с использованием ЦАП с ШИМ в петле ОС. Полученные значения коэффициентов цифровых КИХ и БИХ фильтров, а также масштабирующего коэффициента ?„ для структуры АЦФ, реализующего сплайн второго порядка с ШИМ в ОС и ИАЦП однократного интегрирования в прямой цепи преобразования, позволили разработать практические структуры АЦФ замкнутого типа, ориентированные на использование современных микроконтроллеров для применения в АМИГ1 для контроля за ССС.

Представлены результаты имитационного моделирования структуры АЦФ, реализующего сплайн второго порядка с ШИМ в ОС и ИАЦП однократного интегрирования в прямой цепи преобразования.

Для моделирования непрерывно-дискретных алгоритмов сплайновых вейвлет фильтров аналого-дискретную часть АЦФ дополнена цифровым КИХ фильтром, реализующим алгоритм ортогонализации. Задача синтеза коэффициентов ЦФ ортогонализации рассмотрена на примере частного случая структуры, реализующей алгоритм вейвлета Хаара, весовая функция которого обладает нулевой гладкостью. Поэтому для вейвлет более высоких порядков представленная структура дополнена фильтрами интерполяции.

Разработана методика расчета коэффициентов ЦФ интерполятора, реализующего сплайновую интерполирующую весовую функцию.

ПФ ЦФ интерполятора определяется по следующей формуле:

fi(z) = £„(;)•_-"'• (1+а, +;') + ... + ат ■ (z~m + z"')), (4)

где En(z) - многочлены Эйлера-Фробениуса, а - весовые коэффициенты.

Условию центральной симметрии отвечают только нечетные степени многочленов Эйлера-Фробениуса. Для четных степеней учтен тот факт, что середина интервала сплайновой функции находится между узлами дискретизации (рис. 5). При расчете En{z) введено смещение узлов отсчета на полшага дискретизации:

Em(z) = Z(Bm(t)%Thnj, (5)

2

«в V» ввВ

Рис. 5 Сплайновая интерполирующая функция

Приведены модифицированные, с учетом выражения 5, многочлены Эйлера-Фробениуса до 11 порядка, необходимые для расчета сплайновых интерполирующих фильтров. Рассчитаны коэффициенты ПФ ЦФ интерполятора до 11 порядка с учетом ограничений, связанных с реализацией КИХ фильтров до 7 порядка.

В третьей главе разработана структура сплайнового вейвлет фильтра на уровне БнпиПпк модели, в которой выделены три независимые компоненты:

- аналого-цифровой фильтр, реализующий сплайновый вейвлет алгоритм;

- цифровой интерполирующий КИХ фильтр, реализующий алгоритм интерполяции;

- блок цифровых КИХ фильтров, реализующих алгоритмы детализации и аппроксимации входных сигналов и обеспечивающих получение коэффициентов ортогонального сплайнового вейвлет разложения (фильтры ортогонализации).

Проведено исследование сплайновых вейвлет фильтров для анализа сигналов ЭКГ. Целью исследования является определение возможностей выделения «тонкой структуры» сигнала ЭКГ (рис. 6).

Это предполагает последовательность следующих процедур:

- континуально-дискретное сплайновое вейвлет преобразование сигнала ЭКГ (рис. 7,а);

- дискретно-континуальное сплайновое вейвлет преобразование сигнала ЭКГ (рис. 7,6).

Коэффициенты континуально-дискретного сплайнового вейвлет преобразования содержат информацию по энергии отдельных компонент сигнала ЭКГ и моменту времени их появления. Дискретно-континуальное сплайновое вейвлет преобразование позволяет визуализировать эти компоненты и определить форму высокочастотных низкоамплитудных компонент сигнала ЭКГ, которые являются важными элементами алгоритма диагностики ССС. Информацию несет числовое значение временной задержки их появления по отношению к комплексу ОЯБ, а также их «частота», т.е. номер гармоники сплайнового вейвлет преобразования.

Рис. 6 Выделение «тонкой структуры» сигнала ЭКГ

а) б)

Рис. 7 Онлайновое вейвлет преобразование сигнала ЭКГ

Рассмотрена задача уменьшения влияния внешних помех и искажения формы сигнала ЭКГ с учетом наиболее распространенных типов внешних помех, присутствующих в ЭКГ и особенностей применения сплайнового вейвлет фильтра. Исследованы влияние степени гладкости базисной функции при анализе сигнала ЭКГ, алгоритмы корректирующих ЦФ и оценка погрешностей измерительного канала.

Сравнивая временные диаграммы линейной, параболической и кубической аппроксимации ЭКГ сигнала, сделан вывод, что оптимальным вариантом представляется применение вейвлет с переменной гладкостью, которая устанавливается аппаратно в зависимости от характера процесса.

Решена задача выбора степени гладкости базисной функции, исходя из требований уровня помехоустойчивости и неравномерности АЧХ, и разработки алгоритмов корректирующих ЦФ, коэффициенты которых выбираются из условия обеспечения свойств интерполяции.

Проведена оценка погрешности сплайнового интерполирующего фильтра по двум критериям: оценка максимума модуля неравномерное™ АЧХ в интервале частот полосы пропускания и оценка полосы задерживания по заданному уровню АЧХ.

На рисунке 8 приведены логарифмические графики зависимости максимальной погрешности для порядков ЦФ от второго до пятого. Установлена зависимость между гладкостью сплайновой вейвлет функции и неравномерностью АЧХ: зависимость носит характер, приближенный к монотонной функции, и для высоких степеней гладкости (сплайны порядков от 5 и выше) алгоритм коррекции плохо обусловлен.

С..ГО11НН

второго порядка

Охгаапн

Ц'СШЛО

порядка

мхи шн чеггеркчо п^ >рядт а

Сгони ш пятого порядка

Рис. 8 Графики зависимости максимальной погрешности для порядков ЦФ от второго до пятого

В четвертой главе выбран аналог АМИП, выявлены его недостатки в части функциональных возможностей и предложено техническое решение по реализации алгоритма сплайновых вейвлет. Вариант функциональной схемы усовершенствованного АМИП, реализующего сплайн второго порядка с расчетной точностью 20 разрядов, с ШИМ в петле ОС приведен на рисунке 9.

Поступающий в микроконтроллер поток цифровой информации представляет собой последовательность коэффициентов сплайнового вейвлет разложения входного сигнала ЭКГ.

Усовершенствованный АМИП характеризуется по отношению к аналогу, во-первых, расширенными функциональными возможностями:

- выполняются в реальном масштабе времени алгоритмы континуально-дискретного и дискретно-континуального сплайнового вейвлет преобразования входного сигнала до пятого уровня разложения при максимальной тактовой частоте 1-2 кГц, что позволяет выявить «тонкую структуру» сигнала ЭКГ;

- устанавливается аппаратно гладкость сплайновых вейвлет и выбирается масштаб базисной функции при сплайновом вейвлет разложении.

Во-вторых, улучшенными техническими характеристиками:

- повышается помехоустойчивость к широкополосным помехам;

- увеличивается точность измерения входного сигнала ЭКГ за счет использования высокоточных интегрирующих АЦП с разрядностью 16 бит, реализующих онлайновые весовые функции.

Рис. 9 Схема усовершенствованного АМИП

Для оценки погрешностей измерительного канала исследованы структуры модуляторов, реализующих сплайны от первого до четвертого порядков, и ЦФ дециматоры с количеством каскадов от 1 до 8 и с коэффициентами передискретизации из ряда 2, 4, ..., 256, входящие в состав сигма-дельта АЦП усовершенствованного АМИП.

Получены численные оценки погрешности измерительного канала для выбранной структуры сигма-дельта АЦП по минимаксному критерию и по среднеквадратичному отклонению (рис. 10).

Оценка погреииотй по шюшаксномулрилрию Оценка погрешностей по СКО

2 4 5 16 52 128 256 ; 2 4 8 16 32 ¡4 12» 236

Рис. 10 Оценка погрешности измерительного канала

Разработаны принципиальные схемы в САПР РБрюе основных элементов усовершенствованного АМИП для практического использования полученных теоретических результатов.

Сравнение временных диаграмм результатов имитационного моделирования в БтЫшк и работы принципиальных схем показали высокую степень совпадения, что гарантирует практическую реализуемость усовершенствованных АМИП на выбранной элементной базе.

При выборе в качестве комплектующих элементов принципиальной схемы были заложены требования технологии производства НИИ физических измерений (г. Пенза), где разрабатывается макет образца усовершенствованного АМИП.

Предварительные экспериментальные исследования по оценке эффективности сплайнового вейвлет анализа сигналов ЭКГ в реальном масштабе времени и сопоставление аналогичных результатов, полученных с использованием специального оборудования в кардиологическом отделении Областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко (г. Пенза) показали высокую степень совпадения результатов, что подтверждает перспективность использования АМИП с расширенными функциональными возможностями во врачебной практике.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях представлены:

1) результаты исследований эффективности использования четырех типов модуляторов, реализующих сплайны от первого до четвертого порядков, и восьми вариантов многокаскадных ЦФ дециматоров, входящих в структуру сигма-дельта АЦП усовершенствованного АМИП;

2) методика расчета и полученные значения коэффициентов интерполирующих фильтров до 11 порядка, входящих в структуру сплайнового вейвлет фильтра усовершенствованного АМИП;

3) документы о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного анализа применяемых в кардиологии вейвлет преобразований установлена высокая эффективность применения сплайновых вейвлет для анализа сигналов ЭКГ, что расширит функциональные возможности существующих в кардиологии АМИП.

2. Разработана обобщенная структура сплайновых вейвлет фильтров в континуально-дискретной форме, что позволило повысить точность измерения и обработки входных сигналов ЭКГ в режиме реального времени по сравнению с альтернативными аналогами.

3. Предложена и теоретически обоснована методика аналитического расчета коэффициентов сплайновых вейвлет фильтров, что является математической основой для инженерной методики проектирования элементов АМИП, обладающих повышенной помехоустойчивостью.

4. Найдено аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией в цепи обратной связи. Это позволило разработать практические структуры АЦФ замкнутого типа в составе АМИП, ориентированных на использование микроконтроллеров широкого применения, что важно при серийном производстве.

5. Разработан и технически реализован метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход, что позволило решить проблему адекватности и реализуемости алгоритма сплайнового вейвлет преобразования.

6. Разработан и экспериментально исследован конкурентно способный вариант АМИП на уровне принципиальных схем, отличающийся от аналога встроенными алгоритмами сплайнового вейвлет преобразования сигнала ЭКГ в режиме реального времени. Результаты экспериментального исследования приведены в приложении к диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Бурукина, И. П. Особенности анализа электрокардиографической информации с использованием вейвлет-преобразования / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин // Медицинская техника. - 2006. - № 2. -С. 24-26.

2. Бурукина, И. П. Аппаратно-программная реализация сплайновых вейвлет для анализа ЭКГ / И. П. Бурукина // Известия ТРТУ. — 2006. — № 11.-С. 57-58. - (Тематический выпуск. Медицинские информационные системы).

3. Бурукина, И. П. Использование моделирования трехмерного компьютерного изображения сердца для визуализации состояния сердечно-

сосудистой системы / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. Н. Митрошин // Вестник аритмологии. - 2004. - № 35. - С. 194-195.

4. Бурукина, И. П. Автоматизированная информационная система для анализа электрокардиосигналов / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Л. Ф. Бартош, Ф.Л. Бартош // Вестник аритмологии. - 2004. - №35. -С. 195-196.

Статьи в журналах

5. Burukina, I. P. Specific features of electrocardiographic information analysis based on wavelet transform / I. P. Burukina, O. N. Bodin // Biomedical Engineering. Wednesday. - 2006. - August 09. - P. 58-62.

6. Бурукина, И. П. Возможности вейвлет для обработки сигналов ЭКГ / И. П. Бурукина // Информация о передовом опыте ; Пензенский ЦНТИ. - 2006. - № 4. - С. 1-8.

Статьи в материалах международных, всероссийских конференций и симпозиумов

7. Бурукина, И. П. Анализ особенностей проектирования автономных измерительных медицинских приборов / И. П. Бурукина // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы (Биосистемы-2006) : сборник статей XIX Всероссийской научно-практической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. -Рязань, 2006. - С. 180-184.

8. Бурукина, И. П. Аппаратно-программная реализация сплайновых вейвлет для анализа ЭКГ / И. П. Бурукина // Медицинские информационные системы (МИС-2006) : сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2006.-С. 20-21.

9. Бурукина, И. П. Использование многократного интегрирования с ШИМ в медицинских приборах / И. П. Бурукина // Наука на рубеже тысячелетий : сборник статей 3-й Международной заочной научно-практической конференции. - Тамбов : ОАО «Тамбовполиграфиздат», 2006. -С. 150-155.

10. Бурукина, И. П. Вопросы проектирования микромощных автономных медицинских измерительных приборов / И. П. Бурукина, Б. В. Чувыкин // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : сборник тезисов докладов Международной научно-технической конференции. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. - С. 72-73.

11. Бурукина, И. П. Использование метода ШИМ в первичных преобразователях медицинских приборов / И. П. Бурукина, Б. В. Чувыкин // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : сборник тезисов докладов Международной научно-

технической конференции. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. - С. 73-74.

12. Бурукина, И. П. Визуализация повреждений миокарда на синтезированном изображении сердца / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Л. Ф. Бартош, Ф. Л. Бартош // Методы и средства обработки сложной графической информации : сборник тезисов докладов VII Всероссийской с участием стран СНГ конференции. - Нижний Новгород, 2003. - С. 88-89.

13. Бурукина, И. П. Моделирование распространения волны возбуждения в миокарде / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. В. Кузнецов // Физика и техника приложения волновых процессов : сборник тезисов докладов Международной научно-технической конференции. - Самара, 2003.-С. 94-95.'

14. Бурукина, И. П. Анализ кардиологической информации с помощью нейронной сети / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. В. Кузнецов, И. А. Ливанова // Радиоэлектроника в медицине : сборник тезисов докладов

V Международной конференции. - М., 2003. - С. 103-104.

15. Бурукина, И. П. Использование вейвлет преобразования для анализа информационных параметров электрокардиосигналов / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях : сборник тезисов докладов IV Всероссийской научно-технической конференции. - Бийск, 2003. -С. 61-62.

16. Бурукина, И. П. Использование нейронных сетей для анализа электрокардиографической информации / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. В. Кузнецов // Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия : сборник тезисов докладов

V Международной конференции. - Ульяновск, 2003. - С. 26-27.

17. Бурукина, И. П, Исследование вейвлет-анализа электрокардиосигналов / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. Н. Митрошин // Актуальные вопросы диагностики, лечения и реабилитации больных : сборник тезисов докладов XI межрегиональной научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С. 38-39.

18. Бурукина, И. П. Обучающий комплекс для студентов-медиков с использованием визуализации повреждений миокарда на синтезированном изббражении сердца / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. Н. Митрошин, А. В. Кузнецов // Тренажерные технологии и симуляторы : сборник тезисов докладов II научно-технической конференции. - СПб., 2003. -С. 45-46.

19. Бурукина, И. П. Методология анализа ЭКС в автоматизированной информационной системе врача-кардиолога / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин // Экономико-организационные проблемы проектирования применения информационных систем : сборник тезисов докладов VII Международной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону, 2003. - С. 31-32.

Статьи в сборниках научных трудов

20. Бурукина, И. П. Системы мониторинга, применяемые в клинической практике отечественного здравоохранения / И. П. Бурукина // Автоматизация и управление в технических системах : межвузовский сборник научных трудов. - Вып. 24. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2005. - С. 160-164.

21. Бурукина, И. П. Использование сплайновых вейвлет для воспроизведения сигналов ЭКГ / И. П. Бурукина // Университетское образование - 2006 : сборник научных трудов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. - С. 155-160.

22. Бурукина, И. П. Гладкость базисных функций сплайновых вейвлет / И. П. Бурукина // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвузовский сборник научных трудов. -Вып. 36. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. - С. 88-94.

23. Бурукина, И. П. Аппаратная реализация алгоритмов вейвлет анализа сигнала ЭКГ / И. П. Бурукина, Б. В. Чувыкин // Информационно-измерительные системы : межвузовский сборник научных трудов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. - С. 113-119.

24. Бурукина, И. П. Синтез имитационных электрокардиосигналов для настройки компьютерной диагностической системы / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Н. А. Сипягин // Университетское образование - 2004 : сборник научных трудов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2004.-С. 120-126.

25. Бурукина, И. П. Применение нейронных сетей в токологическом конвейере компьютерной графики / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. А. Борисов // Университетское образование - 2004 : сборник научных трудов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2004. - С. 90-95.

26. Бурукина, И. П. Устройство сопряжения электрокардиографа с персональным компьютером типа 1ВМ РС / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. А. Борисов // Университетское образование - 2004 : сборник научных трудов. - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2004. -С. 190-195.

27. Бурукина, И. П. Построение электрокардиограмм на электрической оси сердца / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, И. П. Гераськин, А. С. Маслаков // Актуальные проблемы науки и образования : сборник статей. - Пенза, 2003. - С. 55-60.

Авторские свидетельства

28. Бурукина, И. П. Вейвлет анализ кардиосигналов / И. П. Бурукина // Пензенский ЦНТИ, ИЛ № 267-06. - Пенза, 2006. - С. 1-6.

29. Устройство для регистрации электрокардиосигналов пат. 2258457 Рос. Федерация / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин,

В. В. Родионов. - № 2004102333 ; заявл. 27.01.04 ; опубл. 20.08.05, Бюл. № 23.-13 с.

30. Устройство для регистрации электрокардиосигналов : пат. 2256400 Рос. Федерация / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Л. Ф. Бартош, Ф. Л. Бартош. - № 2003130909/14 ; заявл. 20.10.2003 ; опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20. - 10 с.

31. Устройство для регистрации результирующей ЭКГ на фронтальной и горизонтальной плоскостях : пат. 2252695 Рос. Федерация / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Л. Ф. Бартош, Ф. Л. Бартош, И. В. Аникушина, И. Г. Гиезов, К. А. Тарнопольский. - № 2004102334/14 ; заявл. 27.01.2004 ; опубл. 27.05.2005, Бюл. № 15. - 12 с.

32. Способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики сердца : пат. 2264786 Рос. Федерация / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, А. А. Митин, В. В. Огоньков, А. Н. Митрошин, Л. А. Бондаренко, Л. Е. Рудакова. - № 2004108078/14 ; заявл. 19.03.2004 ; опубл. 27.11.2005, Бюл. № 33. - 11 с.

33. Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы : пат. 2257838 Рос. Федерация / И. П. Бурукина, О. Н. Бодин, Е. Г. Агапов, А. В. Адамов, А. В. Кузьмин. - № 2004107011/14 ; заявл. 09.03.2004 ; опубл. 10.08.2005, Бюл. № 22. - 25 с.

БУРУКИНА Ирина Петровна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ СПЛАЙНОВЫХ ВЕЙВЛЕТ ФИЛЬТРОВ

Специальность 05.11.17 —приборы, системы и изделия медицинского назначения

Подписано в печать 26.02.07. Формат 60"-<841/]б-Усл. печ. л. 1,40. Заказ № 003855. Тираж 100.

Информационно-издательский центр ПГУ Пенза, Красная, 40, т.: 56-47-33

Введение

1 Анализ и пути совершенствования современных медицинских измерительных приборов, применяемых для анализа сигналов ЭКГ Ю

1.1 Особенности сигнала ЭКГ и методы его анализа

1.2 Общие сведения о вейвлетах и их применение для анализа ЭКГ

1.3 Современное состояние средств диагностики сердечнососудистой системы

1.4 Анализ автономных медицинских измерительных приборов и путей их совершенствования

Выводы по главе

2 Разработка элементов теории сплайновых вейвлет фильтров

2.1 Анализ математических свойств сплайновых вейвлет

2.2 Постановка задачи анализа и синтеза аналого-цифровых фильтров, реализующих сплайновые вейвлет алгоритмы

2.3 Анализ структуры интегрирующих аналого-цифровых преобразователей

2.4 Разработка методики расчета аналого-цифрового фильтра замкнутого типа с использованием интегрирующих аналого-цифровых преобразователей

2.5 Разработка математической модели аналого-цифрового фильтра с использованием цифроаналоговых преобразователей с широтно-импульсным модулятором в петле обратной связи

2.6 Синтез алгоритмов интерполирующих сплайнов

Выводы по главе

3 Исследование и разработка путей совершенствования автономных медицинских измерительных приборов на базе сплайновых вейвлет фильтров ЮЗ

3.1 Особенности проектирования автономных медицинских измерительных приборов ЮЗ

3.2 Разарботка структур сплайновых вейвлет фильтров на уровне Simulink модели

3.3 Вопросы помехоустойчивости автономных медицинских измерительных приборов

Выводы по главе

4 Разработка инженерной методики проектирования сплайновых вейвлет фильтров в автономных медицинских измерительных приборах

4.1 Особенности структуры аппартной части автономных медицинских измерительных приборов

4.2 Выбор структуры сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей для усовершенствования автономных медицинских измерительных приборов

4.3 Разработка функциональной структуры усовершенствованного одноканального автономного медицинского измерительного прибора

4.4 Разработка структуры усовершенствованного одноканального автономного медицинского измерительного прибора на уровне Simulink модели

Выводы по главе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие медицинской науки и новые идеи в клинической медицине ставят всё новые задачи по созданию медицинской аппаратуры. В настоящее время использование в медицинской практике компьютера в сочетании с измерительной и управляющей техникой позволило создать новые эффективные средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии пациента, ее обработки в реальном масштабе времени и управления его состоянием. Этот процесс привел к созданию медицинских измерительных приборов (МИЛ) с новыми инструментальными методами исследования. В 60-х годах применение средств вычислительной техники в медицинской аппаратуре позволило перейти к теоретической разработке принципиально новых устройств, но на практике широкое применение такие приборы получили благодаря успехам в области микроэлектроники и цифровой обработки информации.

Приоритетным направлением программы информатизации медицины является мониторинг здоровья населения. Мониторинг здоровья - это система оперативного слежения за состоянием и изменением здоровья населения, представляющая собой постоянно совершенствующийся механизм получения разноуровневой информации для углубления оценки и прогноза здоровья населения за различные временные интервалы [53].

Автономные медицинские измерительные приборы (АМИП) являются ключевым звеном в системах мониторинга различного типа, работают в условиях непосредственного контакта с объектом исследования в реальном режиме времени и позволяют повысить качество профилактической и лечебно-диагностической работы. В медицинской практике широко используются АМИП, предназначенные для контроля деятельности сердечно сосудистой системы (ССС) по электрокардиограмме (ЭКГ). Это связано с тем, что основная доля причин смертности людей в трудоспособном возрасте связана с сердечнососудистыми заболеваниями [47]. Согласно данным Госкомстата, смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в России сегодня в среднем составляет 53,37%. Поэтому вопросы разработки и совершенствования АМИП для объективной оценки и прогнозирования состояния сердечно-сосудистой системы актуальны.

Пути совершенствования АМИП определяются как в части технической реализации измерительных каналов и алгоритмов, так и в системной части АМИП - элемента сложного программно-аппаратного комплекса и идут по двум направлениям:

1. Совершенствование элементной базы.

2. Совершенствование алгоритмов измерений и обработки входной информации.

Эти два направления взаимосвязаны друг с другом, т.е. развитие элементной базы стимулирует использование все более совершенных сложных математических методов для обработки входной информации: быстрое преобразование Фурье (БПФ), корреляционный анализ, регрессионный анализ, вейвлет преобразование и другие. Вейвлет преобразование, несмотря на сложность, связанную как с математической реализуемостью, так и интерпретацией результата, доказали свою практическую эффективность в медицине [103,121,123,124,125,133,135, 143, 144].

Применение вейвлет - преобразования в МИП началось в 90-х годах, что связано с массовым появлением высокоточных интегрирующих аналого-цифровых преобразователей (ИАЦП) с разрядностью 20-КМ. Сочетание высокой точности ИАЦП, доступной элементной базы, алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) и использование персонального компьютера позволило использовать вейвлет-преобразование в МИП. Из непрерывных вейвлет - преобразований в рамках аналого цифрового фильтра (АЦФ) возможна реализация подкласса сплайновых вейвлет [3,62,112,113,114]. Сплайновые вейвлеты отличаются рядом особенностей [24,25,27] (гладкость, симметрия, компактность), которые эффективны для анализа сигналов ЭКГ. Сплайновые вейвлеты в сочетании с ИАЦП и алгоритмами аналого-цифровой фильтрации являются важнейшими компонентами АМИП.

В настоящее время отсутствует методика проектирования сплайновых вейвлет фильтров на базе ИАЦП, поэтому при создании новых конкурентоспособных высокоэффективных АМИП на первый план выходит проблема разработки аппаратно-программных средств реализации сплайновых вейвлет фильтров для АМИП.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Совершенствование АМИП с новыми функциональными возможностями в системах мониторинга сигнала ЭКГ на основе использования континуально-дискретных сплайновых вейвлет алгоритмов.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

- Анализ современных АМИП для мониторинга ЭКГ и путей их технического совершенствования.

- Анализ используемых в кардиологии вейвлет алгоритмов и выделение подкласса вейвлет, реализуемых в рамках АМИП, для анализа сигналов ЭКГ.

- Разработка инженерной методики проектирования сплайновых вейвлет фильтров как базисных элементов совершенствования АМИП.

- Оценка погрешностей измерительного канала и разработка алгоритма коррекции погрешностей и повышение помехоустойчивости в АМИП.

- Разработка инженерной методики проектирования АМИП, ориентированной на использование современных микроконтроллеров.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении работы использовалась теория цифровых измерений и обработки сигналов, теория линейных импульсных систем, теория операторных методов анализа непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных систем, теория дискретизации и восстановления измерительных сигналов, теория оценок погрешности. Для аналитических выводов использовались математические пакеты прикладных программ и имитационное моделирование в системах визуального программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

1. Впервые предложен и исследован метод континуально-дискретного сплайнового вейвлет преобразования сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени.

2. Разработана обобщенная структура, в рамках которой возможна реализация сплайновых вейвлет алгоритмов в континуально-дискретной форме.

3. Разработан метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход.

4. Найдено аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в цепи обратной связи (ОС).

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Усовершенствованная структура АМИП, реализующая континуально-дискретный алгоритм сплайнового вейвлет преобразования сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени на основе сплайнового вейвлет фильтра.

2. Метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход.

3. Аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией в цепи обратной связи.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 7 Всероссийской с участием стран СНГ конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» (Нижний Новгород, 2003); Международной научно-технической конференции «Физика и техника приложения волновых процессов» (Самара, 2003); 5 Международной конференции «Радиоэлектроника в медицине» (Москва, 2003); IV Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2003); 2-ой научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы» (Санкт - Петербург, 2003); Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2003); 7-ой Международной научно-практической конференции «Экономико-организационные проблемы проектирования применения информационных систем» (Ростов на Дону, 2003); 5-ой Международной конференции «Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия» (Ульяновск, 2003); VIII Международной научно - методической конференции «Университетское образование 2004» (Пенза, 2004); XI межрегиональной научно - практической конференции «Актуальные вопросы диагностики, лечения и реабилитации больных» (Пенза, 2004); IV Международном симпозиуме «Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия» «КАРДИОСТИМ 2004» (Санкт -Петербург, 2004);. Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы» (Таганрог, 2006); 3-й Международной заочной научно - практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2006); Международной научнотехнической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2006).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ и получено 5 патентов на изобретения РФ.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Полученные в диссертационной работе результаты разработки теории и инженерной методики проектирования высокоточных ИАЦП, относящихся к подклассу сигма-дельта АЦП, используются при выполнении НИР «ОБНОВА» в ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза) и при обосновании перспектив создания интеллектуальных средств измерений для ракетно-космической техники в рамках Федеральной космической программы до 2010 г. Кроме того, результаты диссертационной работы используются в научно-исследовательской работе, проводимой в кардиологическом отделении Пензенской областной клинической больницы им. Н. Н. Бурденко.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Изложена на 176 страницах, содержит 100 рисунков и II таблиц, список литературы включает 148 наименований.

Выводы по главе

1. Решена поставленная в диссертационной работе задача по разработке сплайновых вейвлет фильтров и их использования для усовершенствования АМИП:

- выбран аналог АМИП, выявлены его недостатки в части функциональных возможностей;

- предложено техническое решение по реализации алгоритма сплайновых вейвлет первого, второго и третьего порядков в аналоге АМИП с использованием АЦФ, ЦФ интерполяции, ЦФ масштабирования, ЦФ ортогонализации.

2. Разработана методика выбора структуры и расчета сигма-дельта АЦП:

- выбор структуры модулятора;

- выбор структуры и алгоритма ЦФ дециматора;

- расчет погрешности квантования для выбранной структуры сигма-дельта АЦП.

3. Разработана функциональная модель АМИП на уровне БтиПпк моделей и принципиальных схем РБрюе. Сопоставление результатов имитационного моделирования и САПР показали высокую степень совпадения, что гарантирует практическую реализуемость усовершенствованных АМИП на выбранной элементной базе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена актуальной в настоящее время теме совершенствования автономных медицинских измерительных приборов на основе сплайновых вейвлет фильтров.

Наиболее важные результаты, полученные в ходе выполнения работы, заключаются в следующем:

1. На основе проведенного анализа применяемых в кардиологии вейвлет преобразований установлена высокая эффективность применения сплайновых вейвлет для анализа сигналов ЭКГ, что расширит функциональные возможности существующих в кардиологии АМИП.

2. Разработана обобщенная структура сплайновых вейвлет фильтров в континуально-дискретной форме, что позволило повысить точность измерения и обработки входных сигналов ЭКГ в режиме реального времени по сравнению с альтернативными аналогами.

3. Предложена и теоретически обоснована методика аналитического расчета коэффициентов сплайновых вейвлет фильтров, что является математической основой для инженерной методики проектирования элементов АМИП, обладающих повышенной помехоустойчивостью.

4. Найдено аналитическое решение для расчета коэффициентов замкнутой структуры ИАЦП многократного интегрирования с широтно-импульсной модуляцией в цепи обратной связи. Это позволило разработать практические структуры АЦФ замкнутого типа в составе АМИП, ориентированных на использование микроконтроллеров широкого применения, что важно при серийном производстве.

5. Разработан и технически реализован метод анализа и синтеза сплайновых вейвлет фильтров, в основу которого положен структурно-алгоритмический подход, что позволило решить проблему адекватности и реализуемости алгоритма сплайнового вейвлет преобразования.

6. Разработан и экспериментально исследован конкурентно способный вариант АМИП на уровне принципиальных схем, отличающийся от аналога встроенными алгоритмами сплайнового вейвлет преобразования сигнала ЭКГ в режиме реального времени. Результаты экспериментального исследования приведены в приложении к диссертационной работе.

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы решены задачи, имеющие существенное значение при создании АМИП для диагностики заболеваний ССС.

1. A.c. 663074 СССР. Интерполирующий фильтр / В.Д. Михотин, Б.В. Чувыкин, В.М. Шляндин // Открытия. Изобретения. - 1979. - №18.

2. Амиров Р.З. Электрокардиотопография.- М.: Медицина, 1965. 142 с.

3. Алексеев К.А. Восстановление импульсных характеристик датчиков и испытательных воздействий с помощью обратного континуального вейвлет-преобразования // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -№7.-2002.-С. 40-44.

4. Альберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения/ Дж. Альберг, Э. Нильсон, Дж. Уолш. М.: Мир, 1972. - 292с.

5. Андронов A.A., Витт A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит. 1959. - 916 с.

6. Анищенко B.C., Янсон Н.Б., Павлов А.Н. Может ли режим сердца здорового человека быть регулярным? // Радиотехника и электроника, 1997, т.42, №8, 1005-1010 с.

7. Астафьева Н. Вейвлет анализ: основы теории и примеры. Успехи Физических Наук, 166 (1996), № 11, с. 1145.

8. Баевский P.M., Иванов Г.Г., Чирейкин JI.B. и др.Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем//Вестник аритмологии, 2001,№24,65-87 с

9. Балыкова А.Ю. Методика расчета аналого-цифровых фильтров // Труды Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах»; Под ред. д.т.н., проф. М.А. Щербакова. Пенза: ИИЦ ПТУ, 2004. - С. 309-311.

10. Балыкова А.Ю. Многофункциональный аналого-цифровой фильтр// Современные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: Материалы 5-ой Всероссийской научно-технической конференции. Пенза: ИИЦ, 2004. - С. 234-239.

11. Балыкова А.Ю. Расчет аналого-цифровых измерительных фильтров с использованием метода эквивалентных импульсных характеристик/ А.Ю.

12. Балыкова, В.М. Жигачев, Б.В. Чувыкин // Человек и общество на рубеже тысячелетий: XIV Межд. сб. науч. тр. Воронеж, 2002- С. 82-84.

13. Блатгер К. Вейвлет-анализ. Основы теории. -Москва: Техносфера, 2004,280 с.

14. Богач Н.В. Обработка измерительных сигналов методом вейвлет-преобразования / Микропроцессорные средства измерений: Сб. научн. трудов: АО "Рубеж". С.-Петербург, 1998. - С.12-15.

15. Бодин О.Н. Многомерный анализ электрокардиографической информации на основе нейронной сети // Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2005, №3.

16. Бондаренко A.A. Проблемы современной электрокардиографии //Медицинская техника. 2003. - №6.

17. Бондаренко J1.H. О погрешностях измерительных преобразователей со сплайн-импульсной характеристикой/JI.H. Бондаренко, Б.В. Чувыкин// Труды ун-та. межвуз. сб. науч. тр. Вып. 27. - Пенза: изд-во ПГУ, 2003. - С. 77-82.

18. Бур дун Г. Д., Марков Б. Н., Основы метрологии, М., 1972.

19. Бурукина И.П. Гладкость базисных функций сплайновых вейвлет. Труды ун-та. межвуз. сб. науч. тр. Вып. 35. - Пенза: изд-во ПГУ, 2006.

20. Бурукина И.П. Вейвлет анализ кардиосигналов. Пензенский ЦНТИ, ИЛ № 267-06. - Пенза, 2006.

21. Бурукина И.П. Возможности вейвлет для обработки сигналов ЭКГ/ информация о передовом опыте. Пензенский ЦНТИ, № 4. 2006.

22. Бурукина И.П. Аппаратно- программная реализация сплайновых вейвлет для анализа ЭКГ// Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы» (МИС 2006). -Таганрог: изд-во ТРТУ, 2006.

23. Бурукина И.П. Аппаратно- программная реализация сплайновых вейвлет для анализа ЭКГ. Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Медицинские информационные системы. Таганрог: изд-во ТРТУ, 2006. №11(66).-с.57-58.

24. Бурукина И.П. Использование многократного интегрирования с ШИМ в медицинских приборах// Сборник статей 3-й Международной заочной научно- практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий». -Тамбов: ОАО «Тамбовполиграфиздат», 2006.-е. 148-150.

25. Бурукина И.П. Использование сплайновых вейвлет для воспроизведения сигналов ЭКГ// Сборник научных трудов «Университетское образование -2006» Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006.

26. Бурукина И.П., Бодин О.Н. Особенности анализа электрокардиографической информации с использованием вейвлет -преобразования/ Медицинская техника, №2,2006, с. 24-26.

27. Бурукина И.П. Аппаратная реализация алгоритмов вейвлет анализа сигнала ЭКГ / Чувыкин Б.В.// Межвузовский сборник научных трудов «Информационно-измерительные системы» Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006.

28. Бурукина И.П. Использование метода ШИМ в первичных преобразователях медицинских приборов / Чувыкин Б.В.// Тезисы докладов164

29. Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации». Пенза: ИИЦПГУ, 2006.-9-11 с.

30. Бурукина И.П. Моделирование распространения волны возбуждения в миокарде/ Бодин О.Н., Кузнецов A.B. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Физика и техника приложения волновых процессов», Самара, 2003 год.

31. Бурукина И.П. Анализ кардиологической информации с помощью нейронной сети/ Бодин О.Н., Кузнецов A.B., Ливанова И.А. // Тезисы докладов 5 Международной конференции «Радиоэлектроника в медицине», Москва, 2003 год.

32. Бурукина И.П. Синтез имитационных электрокардиосигналов для настройки компьютерной диагностической системы/ Бодин О.Н., Сипягин H.A. // Сборник статей ПГУ Изд-во: ПГУ, 2005.

33. Бурукина И.П. Применение нейронных сетей в технологическом конвейере компьютерной графики / Бодин О.Н., Борисов A.A. // Сборник статей VIII Международной научно методической конференции «Университетское образование 2004», г. Пенза, 2004 г.

34. Бурукина И.П. Устройство сопряжения электрокардиографа с персональным компьютером типа IBM PC / Бодин О.Н., Борисов A.A. // Сборник статей ПГУ Изд-во: ПГУ, 2005.

35. Бурукина И.П. Исследование вейвлет анализа электрокардиосигналов/ Бодин О.Н., Митрошин А.Н., // Тезисы докладов XI межрегиональной научно- практической конференции «Актуальные вопросы диагностики, лечения и реабилитации больных», Пенза, 2004.

36. Бурукина И.П. Построение электрокардиограмм на электрической оси сердца / О.Н. Бодин, И.П. Гераськин, A.C. Маслаков//Сборник статей Международного юбилейного симпозиума «Актуальные проблемы науки и образования», Пенза, 2003 год, ноябрь.

37. Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. -М.: Наука, 1983.-344 с.

38. Величко А.Д., Сударев A.M., Кадин И.Л., Исаев И.А., Материалы Третьей Научно-практической конференции "Неинвазивное мониторирование состояния сердечно-сосудистой системы в клинической практике".

39. Волгин Л.И. Инверсное топологическое преобразование активных электрических цепей // Радиотехника. 1984. - №5. - С.54-57.

40. Волобуев А.Н. Курс медицинской и биологической физики: Для студентов, аспирантов и врачей. М., 2002. - 432 с.

41. Воробьев В.И Теория и практика вейвлет-преобразования / В.И. Воробьев, В.Г. Грибунин // ВУС, 1999.-275 с.

42. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М.: Мир, 1973. 280 с.

43. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкин, М.Н. Поляк 2-изд. - М.: Радио и связь, 1990.-256 с.

44. Гельман В.Я. Медицинская информатика. Практикум. Питер, 2002.480 с.

45. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 192 с.

46. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. Том 2: учебник для вузов. 4-е167издание, 2006 год. 576 с.

47. Дремин И. М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование // Успехи физических наук.— 2001.— Т. 171.— №5.— 501с.

48. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Москва - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая диалектика», 2004. - 464 с.

49. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: C0J10H-P, 2002.448с.

50. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер. 2002

51. Иванов Г.Г. Электрокардиография высокого разрешения. //Медицинские компьютерные системы, www.mks.ru/library/knigi/index.shtml

52. Интегрирующие АЦП. http://gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/adc 5.htm.

53. Исмаилов Ш.Ю. Основы метрологии и электрических измерений: Учеб. пособие. СПб: изд-во СПбГПУ, 2003. - 300 с.

54. Журавлев Д.В., Балашов Ю.С., Костин A.A., Бовкун A.C. Портативное устройство контроля и регистрации биопотенциалов. Патент №42944, 21.06.2004 РФ.

55. Калакутский Л.И. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учеб. пособие/ М.: Высш. шк., 2004. - 156 с.

56. Камаев Д.Ю., Ларионов Д.Ю., Оферкин А.И. Средства амбулаторного мониторинга ЭКГ// Доктор.Ру.

57. Кечкер М.И. Руководство по клинической электрокардиографии. М., 2000. 395 с.

58. Короновский А., А. Храмов. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. Москва: Физматлит, 2003,176 с.

59. Котельник О.В. Справочник-каталог «Мир связи и информации» № 3 2000 г.

60. Кравченко В.Ф. Wavelet системы и их применение в обработке сигналов / В.Ф. Кравченко, В.А. Рвачев// Зарубежная радиоэлектроника, 1996.-№4.-С.3-20.

61. Крючков А.Н., Яшин A.A. Проектирование высокочастотной медицинской аппаратуры и устройств обработки и хранения информации:

62. Справочное руководство /Под ред. Е.И. Нефедова и A.A. Яшина. Тула: Изд-во Тульск. гос. ун-та, 1999. - 187 с.

63. Куриков С. Ф., Прилуцкий Д. А., Селищев С. В. Применение технологии многоразрядного сигма-дельта преобразования в цифровых многоканальных электрокардиографах. //М.: "Медицинская техника".-1997.-№4.-С. 7-10.

64. Маколкин В.И. ЭКГ: анализ и толкование. -М.:ГЭОТАР-мед, 2001.-159 с.

65. Медведев М.М. Холтеровское мониторирование в определении лечебной тактики при нарушениях ритма сердца. Лекция СПб,:2000.-48 е.: ил.

66. Михеев М.Ю. Измерительные преобразователи на базе замкнутых структур интегрирующего типа / М.Ю. Михеев, И.Ю. Сёмочкина, Б.В. Чувыкин // Монография; Под. ред. В.В. Усманова. Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2000.-100 с.

67. МихотинВ.Д Методы синтеза весовых функций для эффективной фильтрации измерительных сигналов / В.Д. Михотин, Б.В. Чувыкин, Э.К. Шахов //Измерение, контроль, автоматизация. 1981. -№5 (39). - С. 3-12

68. Мурашко В.В., Струтинский A.B. Электрокардиография.- М.: Медицина, 1991.-288 с.

69. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи): Учеб. Пособие / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

70. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры / Под ред. И.Н. Теплюка. М.: Мир, 1982.-590 с.

71. Орлов В.Н. Руководство по электрокардиографии. 4-е стер. Изд. - М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 528 е.: ил.

72. Основные медицинские и эксплуатационные требования к кардиомониторам. http://www.basco.spb.ru/articlel l.html

73. Нагин В.А. Методика предварительной цифровой обработки ЭКГ для программных ЭКГ систем// Тезисы докладов Всероссийской межвузовской конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2000», - М., - 2000, с.97.

74. Нагин В.А. Сжатие ЭКГ в компьютерных ЭКГ системах// Тезисы докладов Всероссийской межвузовской конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2001», - М., - 2001, с. 129.

75. Новоселов О.Н., Морозов М.С., Смирнов С.М., Шкардун А.П. Синтез многомерных нелинейных феменологических уравнений и фрактальный анализ электрокардиограмм // Радиотехника и электроника, 2003, т.48, №6,714 с.

76. Патент RU №2258457, А61В5/0432. Устройство для регистрации электрокардиосигналов/Бурукина И.П., Бодин О.Н., Родионов В.В.//БИ 2005,№ 23.

77. Патент RU №2256400, А 61 В 5/0402. Устройство для регистрации электрокардиосигналов / Бурукина И.П., Бодин О.Н., Бартош Л.Ф., Бартош Ф.Л.// БИ 2005, № 20.

78. Патент RU №2264786, А 61 В 5/0402. Способ определения основных функциональных показателей миогемодинамики сердца / Бурукина И.П., Бодин О.Н., Митин A.A., Огоньков В.В., Митрошин А.Н., Бондаренко Л.А., Рудакова Л.Е.// БИ 2005, № 33.

79. Патент RU №2257838, А 61 В 5/00, G06 F17/60. Способ диагностики состояния сердечно-сосудистой системы / Бурукина И.П., Бодин О.Н., Агапов Е.Г., Адамов A.B., Кузьмин A.B.// БИ 2005, № 22.

80. Патент RU №2252695, А 61 В 5/0432. Устройство для регистрации результирующей ЭКГ на фронтальной и горизонтальной плоскостях / Бурукина И.П., Бодин О.Н., Бартош Л.Ф., Бартош Ф.Л., Аникушина И.В., Гиезов И.Г., Тарнопольский К. А.// БИ 2005, № 15.

81. Патент РФ №2021752, А 61 В 5/0452. Устройство для выделения QRS-комплексов / Б.И. Крук, Н.И. Белкин // БИ 1994, №20.

82. Патент РФ №2219828, А 61 В 5/02. Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления / О.А. Зуйкова, А.А. Михеев // 2003.

83. Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир 1978 г. 848 с.

84. Robi Polikar, Iowa State University. Введение в вейвлет преобразование. www.autex.spb.ru

85. Ракчеева Т.А. Образный анализ ритма ЭКГ // Медицинская техника, 1995, №2, 9-16 с.

86. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

87. Рвачев В.Л., Рвачев В.Н. Теория приближений и атомарные функции. -М.: Знание, 1978.-64 с.

88. Смоленцев. Н. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. Второе издание Москва: ДМК Пресс, 2005, 304 с.

89. ЮО.Сивачев А.В., Юркевич А.П. Производство электрокардиографов в Российской Федерации//Медицинская техника. 2001. - №1. 101.Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии. -СПб.: ООО «Речь», 2002. - 350 с.

90. Ю2.Столниц Э., Дероуз Т., Салезин Д. Вейвлеты в компьютерной графике. Теория и приложения. Москва, Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002,272 с.

91. ЮЗ.Трифон Ламброу, Альфред Линней, Роберт Спеллер. Применение вейвлет преобразования к обработке медицинских сигналов и изображений. Компьютера, №8,1998. - Изд-во «Компьютерра»

92. Ю4.Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере / Под ред. В.Э. Фигурнова 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 544 с. 105.Уолт Кестер. Как выбрать тип АЦП для ваших приложений // Электроника НТБ. - 2006. - №4.

93. Юб.Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатории Базовых Знаний, 2001 - 616 е.: ил.

94. ПО.Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.: Физматгиз, 1963.-968 с.

95. Ш.Чернов А.З., Кечкер М.И. Электрокардиографический атлас. М.: Медицина, 1979.

96. ПЗ.Чувыкин Б.В. Финитные функции. Теория и инженерные приложения//

97. Монография: Под ред. Э.К. Шахова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.-100 с.

98. Чуи К. Введение в вэйвлеты. — М.: Мир, 2001. — 412 с.

99. Шахов Э.К. Преобразователи информации: классификация идинамические свойства// Датчики и системы, 2000, №8.

100. Пб.Шахов Э.К. Метод повышения помехоустойчивости интегрирующихцифровых приборов. Автометрия, 1980. - №5.

101. Ш.Шахов Э.К. Методы построения интегрирующих АЦП: Учеб. пособие. -Пенза: РИОППИ, 1984.

102. Шелевицкий И.В. Интерполяционные сплайны в задачах цифровой обработки сигналов // Exponenta Pro. -2003. №4. С.42-53.

103. Щербаков М. А. Цифровая полиномиальная фильтрация: теория и приложение. Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. 246 с.

104. Яковлев А. Основы вейвлет-преобразования сигналов. Серия «Конспекты лекций по радиотехническим дисциплинам», выпуск 10 -Москва: Физматлит, 2003, 80 с.

105. Akay MIEEE Spectrum 34 50 (1997).

106. Blanco S et al. IEEE Eng. Med. Biol. 16 64 (1997).

107. Blanco S et al. Phys. Rev. E 54 6661 (1996)

108. Burukina I.P., Bodin O.N. Specific features of electrocardiographic information analysis based on wavelet transform // Biomedical Engineering. -Wednesday, August 09,2006 -pp. 81-83.

109. Burukina I.P., Bodin O.N., Kuznetsov A.V. The Electrocardiographic Information Interactive system: the problems of human computer interaction, Ulyanovsk, 2003.

110. Charles K. Chui. An Introduction to Wavelets. Academic Press, Boston, 1992.

111. College of Cardiology and American Heart Association Task Force on Practice Guidelines // Circulation.— 1998.— P. 1949—1984.

112. Crowe J.A., Gibson N.M., Woolfson M.S., Somekh M.G. Wavelet transform as a potential tool for ECG analysis and compression. // Journal of the Biomedical Engineering, May-1992, Vol. 14(3)., P.268-272.

113. Curtin M. Sigma-Delta techniques reduce hardware count and power consumption in biomedical analog front end // Analog Dialogue Journal. 1994. V.28.-№2.-6-8.

114. Daubechies I. Orthogonal Bases of Compactly Supported Wavelets Comm. Pure Appl. Math. 41 (1988). pp. 909-996.

115. Haar A. Zur Theorie der Orthogonalen Funktionen-Systeme // Math. Ann. | 1910.| No. 69. | P. 331-371.

116. Ivanov P С et al. Nature 383 323 (1996).

117. Kienle F.A.N. Grudzuge der Funtionselektrokardiographie. Karlsruhe, 1955.-211 p.

118. Li C., Zheng C., Tai C. Detection of ECG characteristie points using the wavelet transform// IEEE Trans. Biomed. Eng., 1995, 42. pp. 21-28.

119. Mahalingam N., Kumar D., Neural networks for signal processing applications: ECG classification// Australas. Phys. Eng. Sci. Med., 1997, vol. 20, no.3, pp. 147-151.

120. Mallat S. A Wavelet Tour of Signal Processing. | New York London. Academic Press, 1998.

121. Mallat S., Zhong S. Characterization of Signals from Multiscale Edges// IEEE Trans, on Pattern Analysis and Machine Intelligence | 1992. | Vol. 14, No. 7. | P. 710-732.

122. Medical electrical equipment, Part 3, Particular requirement for the essential perfomance of recording and analysing electrocardiographs. // IEC.- Geneva.-1996.

123. Meste O., Rix H., Caminal P., Thakor N. Ventricular Late Potentials Characterisation in Time-Frequency Domain by Means of a WaveletTransform. // IEEE Transaction on Biomedical Engineering.-V. 41.-№7.-July 1994.-P. 625-633.

124. Schiff S J et al. Electroen. Clin. Neurophysiol. 91 442 (1994).

125. Wavelets in Medicine and Biology (Eds A Aldroubi,MUnser) (Boca Raton: CRC Press, 1996)145.www.ecg.ru.146.www.cardiosite.ru.147.www.cardiology.medicus.ru.148.www.medmedia.ru/articles/?id=54308174