Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование приборов и систем медицинского назначения является важной народнохозяйственной задачей, требующей постоянного проведения глубоких научных изысканий. Особенно остро во всем мире стоит проблема снижения смертности от заболеваний сердца, поэтому диагностике и лечению патологий сердечно-сосудистой системы необходимо уделять большое внимание. Достоверную оценку состояния сердечно-сосудистой системы обследуемого можно получить с помощью кардиомониторных систем, которые формируют не только визуальное представление электрокардиосигнала, но и количественные параметры, вычисленные на основе анализа его информативных составляющих. Неотъемлемой частью подобных систем является устройство обнаружения информативных импульсов электрокардиосигнала (ИИ ЭКС). Основными проблемами при проектировании и эксплуатации подобных устройств являются интенсивные помехи (соотношение сигнал/помеха менее 10 дБ), нестационарность, сложная структура и индивидуальная изменчивость полезного сигнала.
Помехи, возникающие при регистрации ЭКС, разнообразны по происхождению и структуре. Это могут быть внешние помехи, помехи от биологического объекта и помехи, создаваемые техническими средствами. Наиболее распространенными помехами, возникающими в процессе анализа электрокардиосигнала, являются сетевые, миографические, дрейф изолинии, помехи вследствие движения и дыхания, шумы регистрирующего и прочего медицинского оборудования, шумы квантования, а также помехи, возникающие при обработке сигнала (колебания Гиббса).
Сложность подавления шумов в электрокардиосигнале обусловлена тем, что сигнал имеет локально сосредоточенную структуру, т.е. диагностические признаки локализованы на сравнительно небольших фрагментах области определения. Кроме того, между полезным сигналом и помехой отсутствует корреляция, то есть они являются статистически независимыми.
Большой вклад в автоматическую обработку и анализ ЭКС внесли отечественные ученые В. А. Калантар, А. И. Калиниченко, В. М. Колтун, Л. А. Манило, А. А. Михеев, А. П. Немирко, Л. И. Титомир, а также зарубежные авторы J. Pan, W. Tompkins, P. Trahinias, M. Ahlstrom, R. Balda,
V. Afonso, P. Hamilton и др.
Однако алгоритмы, положенные в основу приборов и систем медицинского назначения, показывают гарантированно высокие результаты только при определенных условиях. При наличии помех эффективность их работы существенно снижается. В настоящее время отсутствуют общепринятые методики сравнительной оценки алгоритмов обнаружения и анализа ИИ ЭКС в условиях интенсивных помех, поэтому необходима разработка алгоритмов и систем для обеспечения объективной оценки эффективности кардиомониторных систем.
Процесс анализа электрокардиосигнала включает следующие основные этапы:
– предварительная обработка (фильтрация легко устранимых помех);
– обнаружение характерных составляющих электрокардиосигнала;
– анализ найденных составляющих сигнала;
– решение о принадлежности к определенному классу (норма или патология).
Анализ показывает, что наиболее важным и сложным этапом является процесс обнаружения характерных составляющих ЭКС. От точности проведения данного этапа будет зависеть эффективность всей процедуры анализа в целом. В связи с этим предъявляются повышенные требования к алгоритмам обнаружения информативных импульсов электрокардиосигнала в составе приборов и систем для кардиодиагностики, в частности, высокая эффективность и помехоустойчивость (сохранение высокой эффективности при наличии интенсивных помех). Среди большого числа существующих алгоритмов в составе систем обнаружения с высокой эффективностью, заявленной разработчиками, далеко не все обладают приемлемой помехоустойчивостью. Объясняется это тем, что тестирование выполняется на небольшом количестве сигналов простой формы и однотипных по составу помех низкой интенсивности. Поэтому возникает потребность в разработке помехоустойчивых систем обнаружения ИИ ЭКС и методики тестирования, которая позволит автоматизировать оценку их эффективности по сравнению с аналогами в условиях наличия патологий и интенсивных помех различного происхождения.
Объект исследования: методы, алгоритмы и системы помехоустойчивого обнаружения информативных составляющих электрокардиосигнала.
Предмет исследования: алгоритмы и система для обнаружения информативных импульсов ЭКС на фоне помех различного вида.
Цель работы: разработка системы и создание алгоритма, повышающего эффективность обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех, а также создание методики для тестирования алгоритмов и систем.
Основные задачи исследования:
-
анализ и систематизация алгоритмов обнаружения информативных импульсов ЭКС для создания системы обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех;
-
разработка помехоустойчивого алгоритма обнаружения информативных импульсов ЭКС на основе метода согласованной агрегации решений (САР), базирующегося на выделении областей компетентности решающих правил для повышения эффективности анализирующего блока системы обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех;
-
разработка критерия и методики оценки эффективности работы средств обнаружения информативных импульсов ЭКС;
-
создание системы обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех на основе алгоритма согласованной агрегации решений, повышающей эффективность обнаружения информативных импульсов ЭКС;
-
разработка системы тестирования аппаратно-программных средств управляемой имитации сигнально-помеховой обстановки и оценки эффективности обнаружения информативных импульсов ЭКС с помощью предлагаемой методики.
Методы исследования.
Теоретическая часть диссертационной работы выполнена на базе теории цифровой обработки сигналов и методов математической статистики. Исследования проведены в средах Matlab, Delphi.
Научная новизна исследования.
-
Разработан помехоустойчивый алгоритм согласованной агрегации решений, отличающийся использованием областей компетентности различных алгоритмов в процессе их агрегации, позволивший повысить надежность обнаружения информативных импульсов ЭКС за счет сочетания преимуществ алгоритмов, эффективных в разных диапазонах помех.
-
Предложен критерий оценки эффективности работы средств обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех, отличающийся введением процедуры интеграции в классический ROC-анализ и позволяющий агрегировать помехоустойчивые свойства решающих правил в составе алгоритма согласованной агрегации решений.
-
Предложена методика тестирования алгоритмов, входящих в состав аппаратно-программных средств обнаружения информативных импульсов ЭКС, отличающаяся введением управляемой имитации сигнально-помеховой обстановки и комплексированием критериев оценки эффективности этих алгоритмов.
-
Предложено использовать для создания системы обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех разработанный алгоритм согласованной агрегации решений, что позволяет повысить эффективность работы системы в условиях интенсивных помех в среднем на 5 %.
Практическая значимость.
Создана система тестирования аппаратно-программных средств медицинского приборостроения, отличающаяся возможностью вынесения экспертных оценок и позволяющая количественно и визуально оценивать эффективность алгоритмов, приборов и систем кардиологического назначения.
Разработана система обнаружения информативных импульсов ЭКС в условиях интенсивных помех на основе алгоритма согласованной агрегации решений, позволившая повысить надежность обнаружения информативных импульсов ЭКС за счет сочетания преимуществ нескольких алгоритмов, эффективных в разных диапазонах помех, что улучшает качество диагностики кардиологических заболеваний.
На защиту выносятся:
-
Помехоустойчивый алгоритм для системы обнаружения информативных импульсов электрокардиосигнала, основанный на методе согласованной агрегации с использованием областей компетентности, позволяющий сочетать достоинства нескольких решающих правил, имеющих различную математическую основу.
-
Методика тестирования алгоритмов и аппаратно-программных средств обнаружения информативных импульсов электрокардиосигнала, позволяющая оценивать работу алгоритмов в условиях имитации управляемой сигнально-помеховой обстановки.
-
Критерий оценки компетентности компонентов в составе согласованной агрегации решений, отличающийся введением процедуры интеграции в классический алгоритм ROC-анализа и позволяющий усовершенствовать оценку эффективности приборов и систем кардиологического назначения.
Реализация и внедрение результатов. Полученные в диссертационной работе результаты используются в научно-исследовательской работе, выполняемой ООО «Биософт-М», г. Москва, по созданию комплекса диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека, а также в учебном процессе кафедры «Информационные технологии и менеджмент в медицинских и биологических системах» Пензенской государственной технологической академии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на конференциях и научных школах: «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (Рязань, 2007); «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (Пенза, 2009); «Перспективы медицинского приборостроения» (Таганрог, 2009); «Инновационные технологии в экономике, информатике и медицине» (Пенза, 2008, 2009, 2010, 2011); «Медицинские информационные системы МИСС–2010» (Таганрог, 2009, 2010); «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2009, 2010); «Информационные и управленческие технологии в медицине и экологии» (Пенза, 2009, 2010); «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и к науке о мозге» (Таганрог, 2010); «Фундаментальные, клинические и гигиенические основы и аппаратно-методическое обеспечение системы медико-психологической реабилитации пациентов, подверженных высокому уровню напряженности труда и профессионального стресса» (Таганрог, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 4 по списку, утвержденному ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 2 приложений; изложена на 198 страницах и содержит 87 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 129 наименований.
