Введение к работе
Актуальность работы. По данным Всемирной организации здравоохранения заболевания сердца прочно занимают первое место в мире по причинам смертности, только в России ежегодно умирают более полутора миллиона человек, еще большее количество людей становится инвалидами.
Для своевременной профилактики, ранней диагностики, прогнозирования и эффективного лечения заболеваний сердца используется кардиографическая информация (КИ) о физиологическом и анатомическом состоянии сердца пациента, полученная в результате обработки электрокардиосигнала (ЭКС) и флюорографического изображения сердечной тени (ФИСТ). ЭКС определяет электрическую активность сердца, которая является одним из важнейших показателей сердечной деятельности, а обработка ФИСТ – геометрическую структуру сердца.
Для автоматизации процесса обработки КИ широко применяются системы, осуществляющие подавление интенсивных помех различного вида, обнаружение и распознавание информативных участков (ИУ) сигнала, измерение параметров сигнала и принятие диагностических решений. Все этапы обработки КИ до принятия диагностических решений относятся к задаче помехозащищенной обработки информации. Качественное подавление помех при обработке КИ ведет к повышению эффективности измерения информативных параметров (ИП) сигнала.
Значительную роль в создании теории помехозащищенности систем внесли российские ученые: М. А. Земельман, В. А. Котельников, Е. В. Михайлов, Ю. С. Солодов, Э. К. Шахов, К. Э. Эрглис. В области разработки систем и алгоритмов обработки ЭКС существенный вклад внесли: в России – А. Н. Калиниченко, А. А. Михеев, А. П. Немирко, С. В. Селищев,
Л. И. Титомир и др.; за рубежом – N. Huang, S. Long, J. Pan, Z. Shen,
W. Tompkins и др. В области обработки изображений следует отметить работы российских ученых С. Е. Бару, И. С. Грузмана, В. А. Сойфера,
Я. А. Фурмана, М. А. Щербакова, Л. П. Ярославского и др., а также зарубежных специалистов – H. Andrews, W. Pratt, R. Gonzalez, A. Rosenfeld,
R. Woods и др.
В России системы помехозащищенной обработки КИ входят в состав систем диагностики состояния сердца (СДСС), которые разрабатывают и серийно изготавливают НПКФ «Медиком ЛТД» (г. Таганрог), ООО
«МедАн» (г. Волгоград), ООО «Медицинские Компьютерные Системы»
(г. Москва), ООО «Нейрософт» (г. Иваново) и другие предприятия. За рубежом наиболее известны такие компании, как General Electric, Siemens и Shiller.
Однако существующие СДСС не предназначены для работы в условиях интенсивных помех различного вида (при отношении сигнал/шум менее 10 дБ – для ЭКС и 40 дБ – для ФИСТ).
Изложенное дает достаточно оснований для утверждения, что совершенствование и разработка новых систем и алгоритмов помехозащищенной обработки КИ для СДСС являются актуальными задачами современной медицинской промышленности.
Целью диссертационного исследования является совершенствование существующих и разработка новых систем и алгоритмов помехозащищенной обработки кардиографической информации на основе преобразования Гильберта – Хуанга для приборов и устройств диагностики состояния сердца, обеспечивающих повышение эффективности обнаружения, распознавания информативных участков и измерения информативных параметров сигналов в условиях интенсивных помех различного вида.
Задачи исследования:
-
Анализ и систематизация помех, возникающих при получении кардиографической информации; определение перспектив совершенствования систем помехозащищенной обработки кардиографической информации.
-
Сравнительный анализ алгоритмов декомпозиции на эмпирические моды, обоснование предлагаемого технологического процесса, разработка экспериментальной базы данных и методики помехозащищенной обработки кардиографической информации.
-
Разработка алгоритмов и подсистемы подавления интенсивных помех различного вида в электрокардиосигналах на основе декомпозиции сигналов на эмпирические моды и спектрального анализа Гильберта.
-
Разработка алгоритма и подсистемы эффективного обнаружения и выделения информативных участков электрокардиосигналов с использованием многоканальной записи сигналов и преобразования Гильберта – Хуанга.
-
Разработка алгоритмов и подсистемы подавления помех и выделения контура сердца на флюорографических изображениях сердечной тени на основе декомпозиции на двумерные эмпирические моды, текстурного и контурного анализа.
-
Реализация, экспериментальная проверка и внедрение разработанных систем помехозащищенной обработки кардиографической информации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались преобразование Гильберта – Хуанга, методы цифровой обработки сигналов и изображений, методы спектрального и статистического анализа, теоретические основы электрокардиографии, программирование в средах Microsoft Excel, Matlab, LabView и Delphi.
Научная новизна работы:
-
Разработаны алгоритмы и подсистема, обеспечивающие анализ и эффективное подавление интенсивных помех различного вида в электрокардиосигналах, позволяющие снизить уровень всех помех в электрокардиосигналах за счет адаптивной объемной пороговой обработки поверхностей энергетической плотности, фрактального анализа определенных эмпирических мод и введения обратной связи.
-
Предложены и реализованы оригинальный алгоритм и подсистема обнаружения R зубцов электрокардиосигналов, обеспечивающие повышение чувствительности и специфичности с использованием преобразования Гильберта – Хуанга, многоканального электрокардиосигнала, записанного по нескольким отведениям, и корректировки результатов посредством статистической обработки.
-
Разработаны новые алгоритмы и подсистема подавления помех и выделения контура сердца на флюорографических изображениях сердечной тени на основе декомпозиции изображений на двумерные эмпирические моды и обратном их восстановлении, путем сложения отдельных эмпирических мод, формирующих мелкозернистую текстуру сердца, с последующим текстурным и контурным анализом, позволяющих эффективно подавлять помехи с низкой степенью вероятности регистрации без искажения контуров деталей сердца и обеспечивающих высокую вероятность правильного выделения контура сердца даже в условиях повышенной зашумленности флюорографических изображений сердечной тени.
-
Предложен усовершенствованный алгоритм многомерно-ансамблевой декомпозиции одновременно по двум координатам на двумерные эмпирические моды, позволяющий существенно снизить время обработки флюорографического изображения сердечной тени.
Практическую значимость работы представляют:
-
Методика помехозащищенной обработки кардиографической информации, предназначенная для использования в составе систем и подсистем приборов медицинского назначения, позволяющая:
анализировать помехи в электрокардиосигналах и флюорографических изображениях, решать задачи правильного обнаружения помех и автоматизировать процесс их эффективного подавления на последующих стадиях обработки сигналов;
обнаруживать и распознавать информативные участки, повышать число достоверных измерений информативных параметров сигналов и эффективность прогнозирования и результативного лечения сердечных заболеваний.
-
Системы помехозащищенной обработки кардиографической информации, реализующие предложенную методику и предназначенные как для диагностики состояния сердца, так и для решения исследовательских задач в кардиодиагностике.
-
Программное обеспечение для анализа электрокардиосигналов и выделения контура сердца на флюорографических изображениях, разработанное в среде Matlab и предназначенное для реализации аппаратно-программных модулей современных систем диагностики состояния сердца.
На защиту выносятся:
-
Классификация интенсивных помех различного вида, регистрируемых в кардиографической информации, систем и алгоритмов помехозащищенной обработки электрокардиосигналов и флюорографических изображений сердечной тени.
-
Преобразование Гильберта – Хуанга и разновидности его алгоритмов для решения задач эффективной помехозащищенной обработки кардиографической информации.
-
Технологический процесс эффективной обработки кардиографической информации.
-
Методика помехозащищенной обработки кардиографической информации и экспериментальная база данных электрокардиосигналов и флюорографических изображений, используемая при разработке алгоритмов и подсистем обработки кардиографической информации.
-
Алгоритмы и подсистемы анализа и подавления помех, обнаружения и распознавания информативных участков в электрокардиосигналах и флюорографических изображениях сердечной тени, построенных на основе преобразования Гильберта – Хуанга.
-
Аппаратно-программная и схемотехническая реализация систем помехозащищенной обработки кардиографической информации в среде Delphi/Matlab и LabView, предназначенная для использования в приборах и устройствах медицинского назначения.
Реализация результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались при выполнении работы по грантам Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»): «Разработка программно-аппаратных средств обеспечения эффективности процессов управления в технических системах» № 7391р/10199 от 28.12.2009 г. (2009–2010); «Разработка приборов и устройств для обеспечения качества, надежности и эффективности процессов управления в технических системах»
№ 14/14199 от 04.06.2011 г. (2011–2012).
Результаты диссертационного исследования используются в разработанных подсистемах помехозащищенной обработки электрокардиосигналов и флюорографических изображений КДС «Кардиовид» (проходит испытания в ЗАО «НПП «Антарес», г. Москва), в разработанных программах «API» («Adaptive processing of images») для оценки качества печати изображений и диагностики неисправности систем регистрации изображений в ООО «Компания «Про-сервис». Документы о внедрении представлены в приложении В.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Информационно-измерительная техника» Пензенского государственного университета при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Преобразование измерительных сигналов» и «Цифровая обработка измерительных сигналов» для специальностей 200102.65 «Приборы и методы контроля качества диагностики» и 200106.65 «Информационно-измерительная техника и технологии», а также при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях, на региональных и всероссийских инновационных и инвестиционных форумах: всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Биомедсистемы» (Рязань, 2007–2009), международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2009), всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009), международная научно-техническая конференция «Шляндинские чтения» (Пенза, 2009–2010), всероссийский молодежный образовательный форум «Селигер 2009–2011» (о. Селигер, 2009–2011), второй всероссийский молодежный инновационный конвент (Санкт-Петербург, 2009), III инвестиционный форум Пензенской области (Пенза, 2010), молодежный образовательный форум «Светлая поляна – Территория успеха» (Пенза, 2010), III инновационный конвент (Сколково, 2010), межрегиональный форум «Эффективные модели внедрения инновационных технологий в производство в сфере медицинской и фармацевтической промышленности. Роль регионов в инновационной стратегии страны» (Пенза, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в ведущих журналах перечня ВАК РФ и 3 статьи в зарубежных изданиях. Исследования и разработки отражены в 8 отчетах по НИОКР, получен
1 патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 264 наименований и трех приложений. Диссертация изложена на
205 страницах машинописного текста и содержит 96 рисунков, 20 таблиц.
За научные достижения в области приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Информационно-телекоммуникационные системы» автор работы удостоен стипендии Президента Российской федерации для аспирантов в 2011/12 уч. г.
