Введение к работе
Актуальность темы. Современное состояние науки и техники характеризуется широким использованием информационно-измерительных систем, работающих в условиях большого количества разнообразных источников сообщений, распределенных во времени и в пространстве. Решению многих вопросов построения информационно-измерительных систем способствовали работы ученых Т.Н. Кава-лерова, Л.Ф. Куликовского, В.Н. Малиновского, СМ. Мандельштама, Г .Я. Мирского, П.В. Новицкого, О.Н. Новоселова, П.П. Орнатского, Е.М. Прошила, Ф.Е. Темникова, А.Ф. Фомина, Э.И. Цветкова, МЛ. Цапенко и ряда других. Одной из перспективных областей применения ИИС являются биотехнические системи, в частности системы автоматизированного анализа и регистрации электрокардиосигналов (ЭКС). Различные аспекты теории и практики построеши подобных систем достаточно полно освещены в работах ученых В.М. Ахутипа, И.А. Дубровского, В.Д. Жуковского, Л.И. Калакутского, Л.А. Манило, А.П. Немирко и др. Несмотря на большое количество проведенных исследований, остаются задачи, требующие дополнительной детальной проработки. К таким относятся задачи построения многоканальных систем регистрации ЭКС для холтеровского мониторирования электрокардиограмм (ХМЭКГ): Суть данного кардиомониторинга заключается в продолжительной записи ЭКС на магнитную ленту портативного магнитофона, постоянно находящегося при больном, и в последующей расшифровке записи с помощью специальных устройств. Данный метод, как правило, применяется при исследовании скрытых, безболевых случаев ишемических заболеваний сердца, приступов стенокардии, нарушений ритма, протекающих кратковременно и в случайные моменты времени. Устройства, реализующие метод ХМЭКГ, выпускаются рядом фирм как в России, так и за рубежом. Среди отечественных устройств наибольшее распространение получили аппаратурный комплекс «Лента-МТМ» и аппаратурно-диагаостический комплекс «Икар», а среди зарубежных продукция таких фирм, как Hewlett-Packard (США), Siemens (Германия), Oxford (Англия) и ряда других.
Метод непрерывной записи ЭКС на магнитную ленту обладает рядом недостатков, среди которых: сложность метода; наличие искажений сигналов, возникающих из-за неравномерности протяжки и дефектов ленты; ретроспективность анализа и невозможность сигнализации при возникновении опасных состояний. Одним из перспективных направлений в создании эффективных систем регистрации ЭКС является использование методов обнаружения информативных изменений в сигнале и регистрации только тех фрагментов, которые со-
держат данные изменения. Подобным образом работает носимый монитор-анализатор «Икар». Несмотря на явные достоинства и новизну, он не лишен ряда недостатков, одним из которых является ограниченное число регистрируемых фрагментов. Поэтому весьма актуальны значительное увеличение количества записываемой кардиоинформа-ции и повышение эффективности ее оперативной обработки в носимом кардиомониторе.
Цель работы. Целью диссертации является повышение эффективности систем цифровой регистрации для ХМЭКГ за счет разработки методов сжатия, основанных на обнаружении и регистрации существенных изменений параметров ЭКС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: — исследовать особенности согласования объема цифрового регистратора с характеристиками ЭКС путем анализа процессов, характерных для ХМЭКГ;
разработать методы компактного представления кардиосигналов при ХМЭКГ и их восстановления с заданной точностью;
разработать методы регистрации ЭКС, основанные на выделении по выбранному критерию значимой информации, оценить их погрешность и эффективность;
- разработать структуру системы цифровой регистрации ЭКС для
ХМЭКГ, её информационное, программное и алгоритмическое
обеспечение, оценить эффективность внедрения результатов тео
ретических исследований в разрабатываемые модели.
Научная новизна. Сформулированы принципы и предложены ме
тоды информационного согласования параметров систем цифровой
регистрации для холтеровского кардиомониторинга и характеристик
совокупности электрокардиосигналов, основанные на целенаправлен
ном измерении параметров процесса, обеспечивающем максимизацию
объема регистрируемой существенной информации. .
Разработан метод структурного описания кардиониклов, предложены оригинальный вектор признаков и система восстанавливающих функций, позволяющие значительно увеличить количество записываемой кардиоинформации с сохранением возможности восстановления с заданной точностью.
Разработаны и исследованы способы выделения и регистрации существенной информации на основе предложенных методов определения диагностически значимых различий в регистрируемых электро-кардиосигаалах. Тем самым решена задача минимизации времени апостериорной обработки результатов кардиоисследований.
Практическая значимость. Систематизированы по функциональным возможностям варианты построения систем цифровой реги-
гграции электрокардиосигналов и разработан подход к построению базовых структур исходя из требований точности, быстродействия и юпустимого соотношения аппаратной и программной реализации ал-оритмов функционирования при ограничении на объем агшаратур-плх затрат.
Синтезирован алгоритм функішонирования системы, основавши на выделении и регистрации диагностически значимой информанта.
Создан аппаратно-программный комплекс моделирования элек-грокардиосигналов для проверки работоспособности и эффективности жстем автоматизированного анализа и регистрации электрокардно-;игналов.
Разработай ряд алгоритмов и устройств системы цифровой регистрации электрокардиосигналов, отвечающих современным гребо-шниям развития медицинской техники.
Результаты работы апробированы и используются в лечебгго-эеабилитациошгом процессе в Государственном научно-їсследовательском испытательном институте МО РФ (авиационной и космической медицины) в г. Москве; в организациях-соисполнителях заучно-технической программы «Автоматизированные системы ме-!щко-биологического назначения», головная организация: Ростовский госуниверситет, НИИ нейрокйбернетшш им. А.Б. Когапа, НТО ;<БЙОС»; в Рязанском областном клиническом кардиологическом іиспансере, а также в учебном процессе РГРТА при преподавании дисциплин по специальностям 1905 «Биотехнические и медицинские шпараты и системы», 1906 «Инженерное дело в медико-эиологической практике» и 1909 «Информационно-измерительная гехника и технологии».
Методы исследования. При решении поставленных задач применялся математический аппарат теории вероятіїости и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, элемен-гы морфологического анализа. Поставленные задачи анализа ЭКС решались с применением элементов структурного подхода к идентификации сигналов и теории ортогонального разложения по системам базисных функций. Для проверки ряда теоретических выводов использовалось имитационное моделирование на ЭВМ. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V и VI всесоюзных НТК "Ос-пиллографические методы измерений" (г. Вильнюс, 1986, 1990); международной НТК "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации"(г. Рязань, 1993); всероссийской НТК "Аппаратно-программные средства диагностики и лечения сердечно-
сосудистых заболеваний" (т. Самаса. 1994"); всеооссийской НТК "Электромагнитные поля в медицине и биологии" (г. Рязань, 1995) республиканских НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (г. Рязань, 1995, 1996); всероссийское НТК "Новые информационные технологии в научных исследования} радиоэлектроники" (г. Рязань, 1996); II международной НТК "Физик и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (г. Владимир 1996); международной НІЖ "Здоровье студентов как комплексна* проблема: медицинские, экологические и социальные аспекты" (г. Тула, 1996); научно-технических конференциях РГРТА (1992-1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатный работ.
Положения, выносимые на защиту:
описание электрокардиосигналов в пространстве признаков s система восстанавливающих функций;
метод сегментарной цифровой регистрации электрокардиосигналов;
структура построения системы цифровой регистрации электрокардиосигналов для ХМЭКГ, учитывающая рациональное сочетание аппаратных и программных средств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит библиографический список из 106 наименований, изложена на 145 страницах основного текста, на которых приведено 57 рисунков и 11 таблиц.