автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Техническое и алгоритмическое обеспечение для повышения достоверности и информативности обработки импедансных плетизмограмм (реограмм)

Министерство образования Российской Федерации

На правах рукописи УДК 616-073.173

Алалуев Роман Владимирович

ОД

19 ш гт

ТЕХНИЧЕСКОЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ И ИНФОРМАТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ИМПЕДАНСНЫХ Ш1ЕТИЗМОГРАММ (РЕОГРАММ)

Специальность 05.11.17 - "Медицинские приборы и системы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2000

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Ю.В. Иванов. Научный консультант

доктор технических наук, профессор В Я. Распопов.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор A.A. Ильин;

кандидат технических наук A.A. Заславский.

Ведущая организация: Клинико-диагностический центр Тульской областной больницы.

Защита состоится « //» 2000г. в часов на заседании

диссертационного совета'К.063.47.06 в Тульском государственном университете (300600, г. Тула, ул. Болдина, 128)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тульского государственного университета (300600, г.Тула, просп. Ленина д.92)

автореферат разослан «21» (А^ШХ. 2000г.

Ученый секретарь диссертационного сове кандидат технических наук, доцент

fipH}, у о CrOSfO

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Важной проблемой современной медицины являются заболевания сердечно-сосудистой системы, занимающие одно из первых мест среди болезней других органов и систем.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросу ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, что является необходимым условием, обеспечивающим эффективность проводимой терапии.

Анализ причин морального старения ряда методов кардиологического исследования показал, что эти методы должны обеспечивать: простоту процедуры обследования; анализ результатов не только ь качественном, но и в количественном виде; метрологический подход к процессу исследования в виде возможности калибровки; динамическое обследование; оценку результатов в единицах общепринятой физической размерности; возможность автоматизации процесса съема и анализа информации.

Современный уровень развития радиоэлектронной промышленности и, в особенности, компьютерных технологий позволяет эффектшшо решать вопросы регистрации и количественного анализа больших обьемон электрофизиологической информации.

Одним из наиболее распространенных электрофизиологичесиих'методов изучения системной и региональной гемодинамики является реографпя. Зарождение метода реографии связано с работами отечественных исследователей, которые удерживают ведущие позиции в изучении этого метода. Ее ценными преимуществами по сравнению с другими способами исследования функционального состояния сосудистого русла являются простота и оперативност!? подготовки пациента и проведения исследования. Реографическое оборудование отличается относительной дешевизной. Географический метод позволяет реализовать без ущерба для здоровья человека его многократное обследование в течение короткого интервала времени, а также обеспечить мониторинг изменений системного и регионального кровообращения, возникающих под влиянием функциональных воздействий на его организм.

Реографы не имеют регистрирующего устройства, не у т.-.ч из них есть собственный усилитель. Поэтому в качестве средства усиления и регистрации при работе с реографом применяют электрокардиограф или Электроэнцефалограф.

В последнее время широкое распространение в медицинской практик получили регистрирующие устр йства с использованием электрон..о-вычислительной и микропроцессорной техники, которые позволяю! автоматизировать процесс снятия и анализа реограмм. Однако в обработке реограмм можно выделить недостатки: отсутствие адекватных матемагическич моделей реографического сигнала, сложность В использовании и насфойке программ, большой объем баз данных, отсутствие мошпормитвых

обследований, сложноспь и противоречивость нормирования реограмм, преобладание качественных и отсутствие количественных оценок параметров. Поэтому проблема повышения достоверности и информативности обработки реографической информации представляется весьма актуальной. Цели ч задачи диссертации

Целью данной работы является создание алгоритмического и технического обеспечения, которое бы позволило повысить достоверность и информативность реографической методики при учете возможных артефактов и разнообразия форм реоэнцефалографической кривой, как в норме, так и при па юлогических проявлениях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

- проанализировать существующие методы обработки и хранения реофафической информации,

~ разработать методики нормирования и моделирования реографических показателей, что обеспечит формализацию типа патологии;

- разработать методику позволяющую проводить мониторинговые наблюдения за параметрами реограммы пациента независимо от записи синхронных электрокардиограмм или фонокардиограмм;

- разработать методику и алгоритм для оценки венозного оттока путем преобразования качественных оценок в количественные показатели.

- разработать методы архивирования позволяющие значительно увеличить размеры баз данных реограмм при нормированном значении точности представления данных;

Мез оды исследовании основаны на применении методов теории вероятностей, математической статистики, теории управления, моделирования, вычислительной математики и вычислительной техники. Научная новизна работы:

- разработаны алгоритмы мониторингового исследования реоэнцефалограммы без регистрации синхронных кривых электрокардиограммы н фонокардиограммы;

- разработана методика моделирования, архивирования и нормирования реографнческого сигнала основанная на представлении сигнала в виде кусочно-полиномиальной функции;

- введен количественный параметр, характеризующий степень затруднения венозного оттока.

Прлк уичсскпи ценность работы заключается в том, что разработаны, созданы и внедрены:.

-- комплекс аппаратуры для регистрации и анализа реограмм;

- оригинальное программное обеспечение позволяющее проводить м(. .шоринговые обследования пациента;

~ про1рлммное обеспечение, реализующее алгоритмы моделирования, и нормирования реографических данных;

- параметры, которые дают возможность количественной оценки затруднения венозного опока.

Кроме того, полученные результаты могут быть использованы и при обработке других видов физиологической информации, таких как сфигмограммы, кривые дыхания. Результаты работы

Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса разрабатывалось на кафедре "Приборы управления" Тульскою государственного университета (ТулГУ) в рамках гранта №98.0121ГР по фундаментальным исследованиям в области приборостроения по программе министерства образования РФ «Разработка теоретических основ построения систем обработки информационных потоков в лечебном учреждении». Работа внедрена в НИИ НМТ, Тульской городской поликлинике №1, Тульском клинико-диагностическом центре, Тульском медицинском техническом центре. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" ТулГУ и кафедры "Медико-биологических дисциплин" ТулГУ.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы обсуждались на 1 и 2 Всероссийских научно-технических конференциях «Биотехнические медицинские и экологические системы и комплексы» » Рязанской государственной радиотехнической академии им. А.С.Попова в (1997 и 1998 г.); на 3 Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» в Нижнем Новгороде на базе Верхневолжского отделения академии технологических наук Российской Федерации (1998 г.); на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1998 и 1999 годах. Программно-технический комплекс был апробирован в клинико-диагностическом центре Тульской областной больницы.

Публикации по теме диссертации было опубликовано 7 научных работ. Материалы диссертации вошли в 2 технических отчета по НИР, проводимых на кафедре Приборы управления ТулГУ. На научно технических конференциях работа удостоена двух дипломов.

Структура и объем диссертация Диссертация состоит из введения, 5 тлав, выводов и рекомендаций, списка литературы, содержащего 139 наименований. Текст выполнен на 131 листах машинописного текста, включающего 38 иллюстраций, 7 таблиц, 1 приложение

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ Во пведсиии отражены актуальное,цель работы, практическая и научная значимость, научная новизна работы, апробация полученных результатов, публикации структура и объем диссертации.

В первой главе рассмотрено состояние разработок в области проектирования автоматизированных комплексов для обработки реогра'мм Рассмотрены основные помехи и артефакты, которые могуг быть наложены

реем рафический сигнал. Приведен обзор литературных источников. Все ан'юмачтцнропанные комплексы предложено условно разделять по степени автоматизации на: программы надстройки над неавтоматизированным инатном, при этом компьютер рассчитывает показатели реограмм по параметрам графиков, измеренным вручную и введенным с клавиатуры и программы, которые позволяют подключать реограф к компьютеру через согласующее устройство.

По функциональному назначению все реографические комплексы можно ра »делить на: специализированные реографические комплексы, обеспечивающие возможность проведения только реографических обследований, реографические комплексы в составе приборов для функциональной диагностики, включающие в себя обширный набор методик, ре01рафические приставки в составе прикроватных мониторинговых комплексов длительного наблюдения за пациентами.

Среди внешних помех, влияющих на реографический сигнал, обычно выделяются артефакты: неправильная настройка реографа, неисправности регистрирующего устройства, ненадежное крепление электродов, дыхание пациента, сетевые наводки, непроизвольные движения пациента, случайные возмещения. Рассмотрена возможность математического описания этих помех и методы борьбы с ними. ■

На основании материалов первой главы были сделаны выводы:

- реографический сигнал представляет собой сложный эпокгфофизиологический сигнал, на который могут быть наложены многочисленные помехи и артефакты, которые могут носить как случайный, гак н детер.мннированный характер;

- при автоматическом анализе реографических данных часто встает вопрос о количественной оценке венозного оттока, которая может дополнить и улучшить автоматическую интерпретацию рсографической кривой;

- обзор публикаций по теме исследования не выявил теоретических и практических математических описаний реографического сигнала, а также серьезных теоретических разработок по теме автоматического анализа реограмм в норме и при различных патологиях. Кроме того, современные источники не содержат описаний методик архивации биомедицинских сигналов, в частности, реограмм;

- обзор современного программного обеспечения для обработки реограмм показал, что все выпускаемые отечественной промышленностью реографические комплексы имеют обособленное от других приложений npoipaMMiioe обеспечение, что обусловлено как операционной системой (DOS), шк и требованиями но уменьшению себестоимости изготавливаемой аппаратуры. Однако современный уровень требует развития комплексов с открытой архитектурой, позволяющих использовать все современные достижения в области обработки данных. Программное обеспечение большинства данных комплексов не позволяет проводить монито'рпых (в режиме реального времени) обследований пациента. Если такая возможность

в -

предусмотрена, то автоматический анализ кривых реограммы основывается па анализе синхронно записанной электрокардиограммы, или применяется анализ в псевдореальном времени, например по снятым экранам.

По второй главе описывается разработанный алгоритм обрабогки реограмм в реальном времени. Обработка реограмм заключается в распознавании характерных точек (начальные точки анализа, максимум дифференциальной реограммы, амплитуда реограммы, амплитуда иицнзуры, дикротическпй зубец, конец анализа) и расчете по ним амплитудно-временных показателей. При рабоге в реальном времени выборка разделяется на несколько этапов (рис. 1). Длина этапов определяется максимальным временем сердечного цикла.

На первом этапе от «текущей точки снятия реограмм и» до «расстановки характерных точек» выполняется исходная фильтрации, расчет шага дискретизации, все алгоритмы отвечающие за формирование режима работы (на рис. 2. режимы обведены пунктиром), а также алгоритм нахождения начальных точек сердечных циклов. На втором этапе работают алгоритмы распознавания, которые расставляют оставшиеся характерные точки: максимум реограммы, ¡шцизуру, дикротическпй зубец, максимум дифференциальной реограммы. На следующем этапе происходит расчет основных параметров реограмм по полученным характерным точкам.

Рис. I. Этапы нахождения характерных точек реограммы Обработка реограммы в реальном времени позволяет перейти ил точечных опенок при проведении функциональных проб к оценке динамики реографнческнх показателей пациента за время функциональной пробы. Схема алгоритма обработки реограмм приведена на рис. 2. Алгоритм работает в 5 режимах: нестабильность шага дискретизации АЦП, переполнен ^ мантиссы АЦП, нестационарность входного сигнала, режим «норма», режим экстрасистолы. Для обеспечения устойчивого переключения п основной режим «норма» осуществляется задержка 1с. Переход в режим экстрасистолы осуществляется только из режима «норма» при смещении максимума спектра основной гармоники в область

Максимум ди(Ь. осогоаммы — Максимум сеогшммы

> -1 ;

Инцизуга

-1 ^

Ди (логический зубец

г ' 1

Расчет параметров оеограммы

Сравнение с нормами и граничными значениями

параметры реограммы

Рис. 2. Структурная схема алгоритма обработки реограмм в реальном времени

яички л частот более чем на 30% за время сердечного цикла. Нормативное значение нестационарное™ сигнала выбирается исходя из амплитуды реографического сигнала таким образом, чтобы первая гармоника постоянной составляющей сигнала не превышала первой гармоники реографического сигнала. Алгоритм определения начальных точек сердечных циклов основан на расчете рейтингов локальных минимумов реограммы как возможных начальных точек.

При практическом применении алюритм правильно распознает 94% характерных точек в режиме «норма».

В третьей главе описывается разработанное математическое и программное обеспечение для количественной оценки венозного оггока. Вывод методики разделен на несколько этапов: постановка задачи, подготовка исходных данных, выбор набора информативных признаков, построение модели решающего правила.

Постановка задачи. При разработке методики исходным момешом принимается то, что реографическая кривая несет в себе вполне достаточную информацию о состоянии венозного опока из головного мозга. Задача исследования состоит » том, чтобы найти такой набор информативных признаков кривой, который позволил бы судить о степени нарушен ¡п венозного оттока из полости черепа.

Подготовка исходных данных. Для изучения участка кривой 01 дикротического зубца до конца анализа над ним были привеленм преобразования подобия (рис. 3).

0

>1 I

Рис. 3. Преобразование нисходящей части реографическом кривой В качестве аппроксимирующей кривой выбран полином '1 порядка поскольку полиномы меньших порядков не обеспечиваю г точности, ч

полиномы старших порядков учитывают даже незначительные колебания I рафика (помехи)

/'(/) = а0/° + я/ + аг1г + «/ + а4/4.

Далее была выбрана обучающая группа составленная из 50 нормальных реограмм и реограмм людей, у которых наблюдаются различные формы затруднения венозного оттока. Конкретные реализации реограмм обозначены

Каждой реограмме из этой группы после изучения была выставлена эмпирическая оценка Ь — состояния венозного оттока из полости черепа. По шкале оценки от 0 до 10 балов, причем 0 баллов получили реограммы у которых признаков венозного опока из полости черепа не наблюдалось, а 10 -реограммы с ярко выраженными признаками венозного оттока. Затем реограммы были разделены на группы соответствующие набранным баллам. Таким образом, был получен набор реограмм и соответствующих им оценок венозного от!ока

-ад).

которые позволили выделить ряд информативных признаков Хк руограмм характеризующих венозный отток.

Д0->С*1.*2»*з)» (1)

где время, соответствующее выпуклой части (вш на участке от дшфотического зубца до конца анализа реограммы (рис. 4).

ч—:.....

{'не. 4. Определение коэффициента Х^ на участке от дикротического }убца до конца анализа.

Зависимость между параметром и его оценкой можно представить на основании опытов в виде:

6, =18.2 5.27.

В зависимости (1) х>- характеризует площадь под выпуклой частью кривой Графически этот показатель представлен на рис.5.:

I 1

в \

ПШ ^Чм

Рис. 5. Определение площади под выпуклой половиной кривой Зависимость также представим в виде линейной функции:

Ьг - 14.7-0.44.

Параметр Х3- определяется как площадь, ограничиваемая положительной полуволной кривой реограммы на исследуемом участке:

Рис 6. Площадь ограниченная положительной полуволной сигнал:) на участке от дикротического зубца до конца анализа.

Зависимость может быть аппроксимирована прямой

¿3 = 24 • _х3 - 4.92; при х3 > 0.36

Адекватное описание венозного оттока можно получи а,, если рассмотреть среднее значение первых трех баллов. При построении решающею правила необходимо учитывать, что параметр Ь} определен не на все)") числовой

оси, а только при Х} >0.36.

Поскольку веса каждого из баллов Ь{ Ь2 Ьъ по информашиности

примерно равны, балл образованный первыми 3 параметрами мо-жно приближенно определить по формуле

3

Ьл±Ь. при .V. < 0.36

при л*3 > 0.36

Таким образом

получено решающее правило. По нему мл.мп)

приближенно судить о состоянии венознот опока из полости черепа через оценку балла реограммы.

В 'Ц'чи'ппщ глаье описана разработанная методика моделирования архивации и нормирования ))еографическою сигнала. При анализе лжерагуры не было выявлено математических моделей реографического сигнала, как в норме, так и при различных патологиях. Авторы работ считают, что такая модель даже в первом приближении достаточна сложна и должна учитывать массу факторов (состояние пациента, особенности крепления электродов в каждом конкретном случае н другие артефакты). Для ра¡работки адекватною математического описания реографического сигнала рассмотрим наиболее общий случай.

Представим, что математическая модель представлена в виде зависимости

^ = /(')■

Причем, функция /{/) определена, ограничена и непрерывна па отрезке (а, Ь), соответствующем одному полному сердечному циклу. Решая это уравнение, в общем случае можно определить бесконечное множество решений в виде отдельных реализаций реографического сигнала

В настоящее время точное определение данной математической модели невозможно. Но существуют достаточно большие базы данных решений данной математической модели. Будем искать решение в виде множества (пространства) сплайн-функций вида:

где т - максимальный порядок полинома в разбиении; к - дефект соответствующего разбиения;

Ац[а,Ь]-разбиение отрезка [<а,6]на N участков таких, чтобы выполнялось условие:

<(1 (3)

где -узлы разбиения.

При вычислении сплайнов первостепенное значение имеет форма их нродоанления, то есть выбор базиса линейного пространства [¿/./?]).

Существуют различные способы представления сплайнов: кусочно-многочленная, в виде суммы усеченных степенных функций, через В (блшеные) сплайны и через фундаментальные функции. К сожалению, представление в виде суммы усеченных степенных функций, удобное в теоретических исследованиях, практически непригодно для вычисления ввиду быефло накопления ошибок округления. Использование базиса из фундамешальных еппайнов шеи.е неприемлемо для решения данной задачи.

Слс 1.1и;нел1 .по, наиболее приемлемым на практике является кусочно-

полиномиальное представление исследуемых функций. Функции

ха, а = 0,...т

(х — х^Ч, а ~т-к +1, ... ,т, где(1 <к<т + \)п 0=1, ...,N-1)

линейно независимы и образуют базис в пространстве Л'* (Ад. [</, Ь}) размерность пространства определяется по формуле

К-(тН)+к(К-1). (4)

Игак, для представления реографического сигнала п виде (2). необходимо:

- выбрать разбиение реографической кривой, соответствующей одному полному сердечному циклу[я, А] на N участков;

- выбрать методику нахождения полиномов;

- выбрать наименьший порядок и дефект в точках разрпм аппроксимирующих полиномов, которые обеспечили бы задани} м точность аппроксимации.

Наиболее естественным выбором разбиения реографической крипгш будет сплайн обеспечивающий разбиение представленное на рис. 7.

Я»)*

Рис 7. Разбиение реографического сигнала на участки для аппроксимации. Точки разбиения графика можно определить:

- /0 - точка начала анализа реографической кривой;

- максимум дифференциальной реограммы;

- /2 - амплитуда РЭГ;

- /3- амплитуда иицизуры;

-амплитуда дикротического зубца;

2

- /6-конец анализа.

Однако для разных периодов реограммы эти точки могут иметь разное расположение. Для нашею случая примем, что все промежутки

равны между собой и равны

1,

\а,Ь\

Введем в рассмотрение коэффициенты приведения К1у1иа1 для каждого интервала такие, что

К

»¡¡Ш I

(Сы-о-^-М)

1

\а, Ь\

(5)

Поскольку время сердечного цикла у людей составляет около 1с. примем отрезок [а, ¿Дранным [0,1]с. Теперь формула (5) упростится

К,

прив I

Таким образом, точки разобьют кривую реограммы на равные участки I л о преобразование обозначено стрелочками).

Рассмотрим точки Поскольку над отрезками было проьедецо

преобразование растяжения первая производная кривой реограммы будет иметь изломы в точках /(.

На каждом отдельном участке искомые функции будут степенными полиномами порядка т.

К (0 = а0/0 + а/ + "•+ ат1'

Дн» достижения приемлемой точности аппроксимации экспериментальных кривых реограммы будем использовать широко известный неюл наименьших квадранш

Поскольку при применении метода наименьших квадрат о» никак не оговорены граничные условия на аппроксимирующем сплайне возникнут дефекты 1 рода. Следовательно, сплайн будет иметь дефект равный:

£ = ш +1

На основании данной методики молено построить N степенных полиномов порядка т

Порядок полиномов определим исходя из возможности обеспечения требуемой точности аппроксимации (1%). На основании экспериментальных данных было установлено, что для реографической кривой разбитой по методу, изложенному выше, наименьший порядок полиномов который обеспечивает необходимую точность равен т — 4.

Решение исходной функции (2), будет иметь вид множества сплайна:

545(А6[0Л]); гб)

Множество степенных полиномов порядка 4 дефекта 5 по 6 кратному разбиению на отрезке (0, 1), будет соответствовать множеству решений исходной математической модели. Размерность полученного пространен^ получим из формулы (4).

Я=(т+1)+к(>1-1 )=4+1+5(6-1 )=30.

Итак, реографический сигнал представляется в виде кусочно-полиномной функции (5), а коэффициенты полиномов являются линейно независимыми и образуют базис в пространстве размерности 30.

Рассмотренная методика может иметь целый ряд практических применений, например, моделирование реографического сигнала по заданной патологии пациента. Алгоритм моделирования состоит в определении кривой из множества решений, которая по своим параметрам наиболее приближена к заданным. В начале отбор кривых происходит по типу заданной патологии как наиболее существенному для формы кривой, затем по объективным данным конкретного пациента (возраст, вес, пол и т.д.), и только после этого по амплитудно-временным параметрам реограммы. При несоответствии амплитудно-временных параметров подобранного сплайна заданным над кривыми сплайна проводятся преобразования подобия.

Применение пространства сплайнов переводит нормирование реограмм из области нормирования конкретных амплизулно-прсмснны* параметров к более естественному для нрачей нормированию самого графика (вида) реограммы. Сущность нормирования заключается » том, чш каждому типу реографической кривой (гипертонический, ашническнй. нормальный и т.д.) ставится в соответствие решения из множества (6). Таким образом каждой отдельной реализации множес(ва (6) будет посгамен я соответствие ее тип. Работа метода нормирования заключается в определении типа патологии сосудистой системы путем подбора к исследуемой реиф.нлме

кршкж ¡и множества решений (6). В качестве критерия соответствия принят следующий:

Графически этот критерий можно интерпретировать как разность площадей ограничиваемых исследуемой и моделируемой кривыми. Причем, для того чтобы этот критерий работал необходимо привести исследуемую и моделируемую реографические кривые путем преобразования подобия к виду с единичной амплитудой и периодом.

Помимо моделирования и нормирования рассмотренная выше методика может применяться для архивирования реограмм. Вопросу сжатия биомедицинских данных, в частности реограмм, в литературе уделено достаточно мало внимания. Однако С ростом потребности в компьютеризированной обработке биомедицинских данных увеличивается и их размер. Для приложений работающих как «вещь в себе» (без использования передачи данных по сети) в настоящее время этот вопрос может быть решен установкой дополнительных жестких дисков, специальных устройств резервного копирования (лазерных дисков, магнитооптических дисков, стримеров и т.д.). Для передачи данных по сети необходимость в уменьшении размеров передаваемых файлов имеет первостепенное значение и может значительно увеличить производительность системы, а также уменьшить время доступа к сетевым ресурсам особенно при сложной организации сети в лечебном учреждении. Следовательно, задача уменьшения размеров передаваемых файлов остается весьма актуальной.

Рассчитаем степень сжатия данных при условии, что данные представлены в текстовом виде.

Для разрядности АЦП п~ 10 каждой точке необходимо 4 байта, следовательно, для представления с частотой дискретизации Р0 одного сердечного цикла потребуется около

•100%

где Л'(/)-сплайн исследуемой кривой

.У (/)-сплайн кривой из множества решений.

4 = 4-*;

00

Для иредстатш чия коэффициентов полинома необходимо хранить 7 Г\«и юксшьой информации (3 разряда числа со знаком и 2 разряда степени со

м>,!аы>мУ

Кроме этого для каждого полинома кроме первого необходимо хранжь данные шести точек разрыва где I — по 4 байта на точку.

Итак, для одного сердечного цикла имеем: ■

4=(7-(т + 1) + 4)-Л^. (8)

Если поделить (7) на (8) и учесть, что после сжатия данных получается структурированный текстовый файл который хорошо сжимается стандартными программами (20-30%) получим аналитическое выражение для степени сжатия

(7-(/и + 1) + 4)-ЛГ 4-Л

(20-30%).

Графически зависимость степени сжатия от частоты дискретизации представлена на рис. 8.

7

1б 14 12 10 8 6 4 2

100 200 300 400 500 ¥0 Рис. 8. Зависимость степени сжатия от частоты дискретизации В пятой главе приведено описание разработанного комплекса для обработки реограмм.

Программно-технический комплекс для обработки реограмм предназначен для снятия, обработки и хранения реограмм при реоэнцефалографии, реовазографии и тетраполярной грудной реографии.

Основными особенностями комплекса являются возможности, проведения мониторинговых обследований пациентов; формирования полных выборок пациентов со всеми параметрами в формате Г-ХСТЦ наблюдения динамики показателей пациента и сравнения результате неограниченного числа обследований; построения больших и распределенных баз данных реограмм; количественной оценки параметров затруднения веночного опока; активизации приложения по месту базы данных и по списку обследуемых. Оригинальное приспособление для составления врачебных заключений (по орле

- ответ) позволяет с одной стороны автоматизировать процесс составления заключений, с другой стороны обеспечить ненавязчивость компьютера при оценке врачом основных показателей реограммы. В комплексе предусмотрена возможность конструирования пользовательских заключений. Алгоритм архивации реографических данных позволяет в нерколько раз уменьшить размер базы данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Предлагаемая работа посвящена решению научных и практических проблем, связанных с разработкой автоматизированной системы для снятия, регистрации, хранения, обработки реографической информации. Выполнение район.) позволило получить следующие результаты.

1. Разработан алгоритм автоматической обработки реограмм в реальном времени.

2. Разработана методика моделирования, архивации, нормирования реографических данных.

3. Разработано программное обеспечение реализующее вышеперечисленные функции.

4; Разработано оригинальное программное обеспечение для автоматизации реографической методики

5. Предложен алгоритм нахождения коэффициента для.определения состояния венозного оттока:.

6. Разработанные методики прошли экспериментальную проверку, и нашли применение в Медицинских учреждениях города Тулы и позволили поднять на более высокий уровень обработку реографической информации. .

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алалуев Р.В., Иванов Ю.В., Аникина Л.Ю. Программно технический комплекс для обработки реограмм/Юборонная техника,-1996,- №11-12-С. 6-7.

2. Алалуев Р.В., Аникина Л.Ю. Программно технический комплекс для обработки реоэнцефалограмм /ЛГез.док.науч.конф. Биотехнические медицинские и экологические системы и комплексы.- Рязань: РГРТА, 1997.-С. 21-22.

3. ИвановЮ.В., Алалуев Р.В. Принципы построения автоматизированных реографических комплексов// Вестник новых медицинских технологий-1997,- т.- С. 13' 135.

4. Аталусв Р.В., ИвановЮ.В., Автоматизированный комплекс для измерения и расчета параметров реограмм //Тез.док.науч.конф. Методы и средства измерений физических величин часть 7.- Нижний Новгород: НГТУ, 1998-С. 13.

3 ,\лалуев >' Ч , Иванов Ю.В. Алгоритм автоматического нахождения

характерных точек реограммы //Тез.док.науч.конф. Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы,- Рязань: РГРТА, 1998-С. 68-69.

6. Алалуев Р.В. Математическое описание реографического сигнала // Вестник новых медицинских технологий,- 2000 - №2,- С. 34-35.

7. Алалуев Р.В. Применение аппроксимирующих полиномов для архивирования реографических данных// Вестник новых медицинских технологий,- 2000,- №2 - С. 51.

Подписано в печать 3/ ■*. Формат бумага 60x84 1/16. В)мага тип.нрафскв* М 1

Офсетная печать. Усл. печ. л. /„ О , Усл. кр.-отт. /, С . Уч. и>.ъ л. Тираж ,у> акз. Зака) ? у V •

Тульский государственный университет, 300600, г. Ту.и, пр. Ленин», 92. Релакимонпо- издательский пещр Тульского государственною укнисрсккш. 300600, г. Тула, ул. Ьолдппа, 151

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ

1.1. Анализ влияния внешних факторов на измерение реограммы

1.2. Обзор существующих технических средств для обработки реограмм

1.3. Обзор публикаций по теме исследования

1.4. Анализ современного программного обеспечения применяемого для обработки реограмм

1.5. Выводы

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

2.1. Исследование реографического сигнала в норме и при различных патологиях, определение рамочных условий для алгоритма

2.2. Структура алгоритма обработки реограмм в реальном времени.

2.3. Особенности построения алгоритма обработки реограмм в реальном времени

2.4. Методы получения алгоритма цифровой фильтрации по аналоговым прототипам

2.5. Выводы

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ВЕНОЗНОГО ОТТОКА

3.1. Географическая кривая при различных изменениях венозного оттока

3.2. Методика определения выпуклых и вогнутых участков на реограмме

3.3. Вывод формулы показателя, характеризующего венозный отток из региона

3.4. Выводы

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК МОДЕЛИРОВАНИЯ, АРХИВИРОВАНИЯ

И НОРМИРОВАНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО СИГНАЛА

4.1. Разработка математического описания реографического сигнала

4.2. Разработка алгоритма моделирования реографического сигнала

4.3. Применение аппроксимирующих полиномов для нормирования реографических сигналов

4.4. Применение аппроксимирующих полиномов для архивирования реографических кривых

4.5. Исследование поведения алгоритма обработки реограмм в реальном времени при различных помехах и нестационарности сигнала

4.6. Выводы

5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕОГРАММ

5.1. Назначение, структура, особенности комплекса

5.2. Технические характеристики комплекса

5.3. Методика работы с программой

5.4. Расчет погрешности комплекса

5.5. Выводы 108 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113 ПРИЛОЖЕНИЕ

Важной проблемой современной медицины являются заболевания сердечно-сосудистой системы, занимающие одно из первых мест среди болезней других органов и систем.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросу ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы, что является необходимым условием, обеспечивающим эффективность проводимой терапии.

Анализ причин морального старения ряда методов кардиологического исследования показал, что эти методы должны обеспечивать: простоту процедуры обследования; анализ результатов не только в качественном, но и в количественном виде; метрологический подход к процессу исследования в виде возможности калибровки сигнала; динамическое обследование; оценку результатов в единицах общепринятой физической размерности; возможность автоматизации процесса съема и анализа информации.

Современный уровень развития радиоэлектронной промышленности и в особенности компьютерных технологий позволяет эффективно решать вопросы регистрации и количественного анализа больших объемов электрофизиологической информации [16].

Одним из наиболее распространенных электрофизиологических методов изучения системной и региональной гемодинамики является реография [50]. Зарождение метода реографии связано с работами отечественных исследователей, которые удерживают ведущие позиции в изучении этого метода. Ее ценными преимуществами по сравнению с инвазивными способами исследования функционального состояния сосудистого русла являются простота и оперативность подготовки пациента и проведения исследования. Реографическое оборудование отличается относительной дешевизной. Реографический метод позволяет реализовать без ущерба для здоровья человека его многократное обследование в течение короткого интервала времени, а также обеспечить мониторинг изменений системного и регионального кровообращения, возникающих под влиянием функциональных воздействий на его организм.

Метод реографии не лишен и недостатков: нестандартность технических характеристик используемой аппаратуры (рабочая частота, принцип калибровки, двух- и четырехэлектродные системы, уровень помехозащищенности и т.д.), недостаточная разработка метрологических аспектов метода, сложность перехода от электрических параметров к реальным гемодинамическим величинам^ выраженным в физиологических размерностях, т. е. к количественной оценке полученных данных [42, 59, 61].

Все используемые в настоящее время реографы не имеют регистрирующего устройства, некоторые из них не имеют собственного усилителя. Поэтому в качестве средства усиления и регистрации при работе с реографом применяют электрокардиограф или электроэнцефалограф [30].

В последнее время широкое распространение в медицинской практике получили регистрирующие устройства с использованием электронно-вычислительной и микропроцессорной техники, которые позволяют автоматизировать процесс снятия и анализа реограмм, однако в обработке реограмм можно выделить несколько недостатков: отсутствие адекватных математических моделей реографического сигнала, сложность в использовании и настройке, большой объем базы данных, отсутствие мониторинговых обследований, сложность и противоречивость нормирования реограмм, количественной оценки параметров, совместимости с другим программным обеспечением.

Целью данной работы является создание алгоритмического и программного обеспечения, которое позволило бы повысить достоверность и информативность реографической методики при учете возможных артефактов и разнообразия форм реоэнцефалографической кривой как в норме, так и при патологических проявлениях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать существующие методы обработки и хранения реографической информации;

- разработать методику нормирования и моделирования реографических показателей для обеспечения формализации определения типа патологии;

- разработать методику позволяющую проводить мониторинговые наблюдения за параметрами реограммы пациента независимо от записи синхронных электрокардиограмм или фонокардиограмм;

- разработать методику и алгоритм для оценки венозного оттока путем преобразования качественных оценок в количественные показатели;

- создать методы архивирования, позволяющие значительно увеличить размеры баз данных реограмм при нормированном значении точности представления данных.

Методы исследований основаны на применении методов теории вероятностей, математической статистики, теории управления, моделирования, вычислительной математики и вычислительной техники.

Научная новизна работы:

- разработаны алгоритмы мониторингового исследования реоэнцефалограммы без регистрации синхронных кривых электрокардиограммы и фонокардиограммы;

- созданы методики моделирования, архивации и нормирования реографического сигнала, основанные на представлении сигнала в виде полиномиального сплайна;

- введен количественный параметр коэффициента затруднения венозного оттока.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны, созданы и внедрены:

- комплекс аппаратуры для регистрации и анализа реоэнцефалограмм;

- оригинальное программное обеспечение, позволяющее проводить мониторинговые обследования пациента;

- программное обеспечение, реализующее алгоритм архивации реографических данных;

- получены параметры, которые дают возможность количественной оценки степени затруднения венозного оттока.

Полученные результаты могут быть использованы и при обработке других видов физиологической информации, таких, как сфигмограммы, кривые дыхания.

Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса для обработки реограмм разрабатывалось на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета (ТулГУ) в рамках гранта №98.0121ГР по фундаментальным исследованиям в области приборостроения по программе министерства образования РФ «Разработка теоретических основ построения систем обработки информационных потоков в лечебном учреждении». Работа внедрена в НИИ НМТ, Тульской городской поликлинике №1, Тульском клинико-диагностическом центре, Тульском медицинском техническом центре. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" ТулГУ и кафедры «Медико-биологические дисциплины» ТулГУ.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы обсуждались на 1-й и 2-й Всероссийских научно-технических конференциях «Биотехнические медицинские и экологические системы и комплексы» в Рязанской государственной радиотехнической академии им. А.С.Попова в 1997 и 1998 гг, на 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Методы и 8 средства измерений физических величин» в Нижнем Новгороде на базе Верхневолжского отделения академии технологических наук Российской Федерации (1998 г.), на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 1998 и 1999 гг. Программно-технический комплекс был апробирован в Тульском клинико-диагностическом центре.

Публикации: По теме диссертации было опубликовано 7 печатных работ. Материалы диссертации вошли в два технических отчета по НИР. На научно-технических конференциях работа удостоена двух дипломов.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы, содержащего 138 наименований. Текст выполнен на 131 листе машинописного текста, включающего 38 иллюстраций, 7 таблиц, 1 приложение.

5.5. Выводы.

1. Разработанный программно-технический комплекс для обработки реограмм позволяет с минимальными трудозатратами обеспечить качественную и количественную оценки регионального кровотока.

2. Погрешность программно-технического комплекса в основном определяется погрешностью самого реографа-преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В первой главе диссертации проведен анализ состояния современных азработок в области проектирования автоматизированных программ но-?хнических комплексов для обработки реограмм. Выявлены основные внешние акторы, влияющие на изменение реограммы, они классифицированы и писаны. Выделены возможные пути уменьшения артефактов, роанализированы характеристики существующих технических средств для эработки реограмм. По результатам анализа выбраны наиболее приемлемые для аботы комплекса реографы. В публикациях по теме исследования не было лявлено математических моделей реограммы в норме и при различных атологиях. Алгоритмы обработки реографической информации в настоящее эемя связаны с записью синхронной электрокардиограммы. В литературе они писаны крайне поверхностно. Современное программное обеспечение для бработки реограмм условно разделено на две группы:

Программы, являющиеся надстройкой над неавтоматизированным яализом. При этом компьютер рассчитывает показатели реограмм по араметрам графиков, измеренным вручную и введенным с клавиатуры.

Программы, которые позволяют подключать реограф к компьютеру через эгласующее устройство. В данном случае вся обработка сигнала, включая змерение амплитудных и временных параметров, происходит в компьютере, [рограммы, основанные на этом подходе, более перспективны. В свою очередь, акие комплексы можно условно разделить на несколько подгрупп: .1. Полностью реографические комплексы, позволяющие проводить только еографические исследования. Основными достоинством таких комплексов вляется, как правило, широкий спектр реографических методик исследования.

2. Реографические устройства в составе комплексов для функциональной иагностики. Они обычно имеют достаточно слабое программное обеспечение, гносящееся к обработке реограмм, хотя информативность выше за счет звместного применения различных методик обследования пациентов;

3. Реографические приборы в составе комплексов для мониторного эследования пациентов. Такие приборы получили широкое распространение в 1рубежных образцах. Однако при анализе этих приборов было выявлено, что эивая реограммы этими комплексами не обрабатывается, а просто выводится на фан.

Вторая глава диссертации посвящена разработке алгоритма обработки гограмм в реальном времени без применения синхронной записи Iектрокардиограммы или фонокардиограммы. Исследование реографического «гнала в норме и при различных патологиях пациента позволило разделить все гографические кривые на типы, которые обозначены следующим образом: а -ормальная реоэнцефалограмма здорового человека, б - умеренное повышение эсудистого тонуса, в - выраженное повышение сосудистого тонуса, г -меренное снижение сосудистого тонуса, д - выраженное снижение сосудистого знуса, е - увеличение периферического сопротивления.

Рассмотрена структура алгоритма обработки реограмм в реальном ремени. Выделены основные особенности режима реального времени при роектировании алгоритмов, которые могут быть полезны разработчикам рограммного обеспечения. Поскольку в программе широко применяются азличные алгоритмы фильтрации, в отдельную главу вынесены особенности роектирования алгоритмов цифровой фильтрации по аналоговым прототипам.

Третья глава диссертации посвящена автоматизации оценки состояния знозного оттока из полости черепа. Приведен анализ реографической кривой ри различных формах затруднения венозного оттока. На основании этого нализа были сделаны выводы о том, что такие параметры реограммы, как лощадь выпуклой части реографической волны, время выпуклой части зографической волны, время, ограниченное положительной полуволной *гнала, отражают состояние венозного оттока. Каждой реографической кривой ыл выставлен балл, соответствующий степени затруднения венозного оттока. 1ежду баллами и параметрами выявлены зависимости, на основании которых ыло выработано решающее правило для определения степени затруднения шозного оттока. Это правило можно использовать при автоматической эработке результатов экспериментальных обследований конкретных ациентов.

В четвертой главе диссертации рассмотрены предложенные методики оделирования, архивации и нормирования реографического сигнала, азработанное математическое описание реографического сигнала показала, что зо грамму удобно представлять как полиномиальный сплайн порядка 4 дефекта при разбиении реограммы на 6 промежутков соответствующих точкам: начала чализа реографической кривой, максимума дифференциальной реограммы, мплитуды реограммы, амплитуды инцизуры, амплитуды дикротического зубца, оловины нисходящей ветви реограммы, конца анализа. Далее сделана выборка еографических кривых - создан базис. Каждой кривой из этого базиса присвоен яп патологии. Таким образом, получен инструмент для сравнения любой вновь нятой кривой с базисом. Критерии сравнения могут быть разные, но в качестве сновного принят интегральный. Для его создания реографическим кривым рисваивается тип патологии. Такое разбиение реограмм может иметь различные рименения: Нормирование реограмм таким образом позволяет перевести бласть нормирования от конкретных амплитудно-временных параметров к ормированию самого вида кривой путем нормирования сплайн-функций. 1оделирование реографической кривой также удобно осуществлять при остаточно большом базисе данных исходных сплайнов, при этом можно по аказу моделировать вид патологии и амплитудно-временные показатели, тшайновое представление реографической кривой позволяет производить рхивирование реографических кривых с высокой степенью сжатия до 2 % от

112 входного размера.

В пятой главе диссертации приведено описание разработанного рограммцо-технического комплекса для обработки реограмм. Показаны ^значение, структура, особенности и отличия комплекса от серийных образцов, меющихся на внутреннем и международном рынках. Рассмотрены технические фактеристики комплекса, описана методика работы с комплексом. Приведен ас чет погрешности комплекса.