Введение к работе
Актуальность работы. В современной России смертность от заболеваний сердечнососудистой системы составляет 56 % от всех причин смертности.
Накопленный за последние десятилетия опыт лечения заболеваний сердца позволил выявить и классифицировать в Международной классификации болезней систему сердечнососудистых заболеваний, охватывающую более 200 видов, среди которых наиболее опасным для жизни является инфаркт миокарда (ИМ). ИМ в нашей стране «молодеет», затрагивая все более широкие слои трудоспособного населения. В связи с тяжелым течением и высокой летальностью (общая летальность в острейшем, остром и подостром периодах ИМ составляет около 30 %) своевременная диагностика данного заболевания является одной из актуальных проблем современного здравоохранения.
Научные школы под руководством таких выдающихся российских ученых, как Л. А. Бокерия, И. М. Гельфанд, Ю. В. Гуляев, М. П. Рощевский, Л. В. Розенштраух, Е. П. Чазов, В. С. Анищенко, Р. М. Баевский, А. Н. Волобуев, Г. Г. Иванов, В. С. Мархасин, Ю. И. Неймарк, А. П. Немирко, В. Н. Орлов, С. В. Селищев, А. В. Струтынский, Л. И. Титомир, Г. В. Рябыкина, Э. К. Шахов, В. В. Шкарин, внесли значительный вклад в развитие компьютерной диагностики состояния сердечнососудистой системы.
В настоящее время, несмотря на разнообразие используемых статистических и математических способов обработки кардиографической информации, в данной области исследований остается актуальной задача повышения чувствительности и специфичности анализа электрокардиосигнала (ЭКС) для диагностики ИМ.
Целью работы является повышение чувствительности и специфичности способов и средств обработки электрокардиографической информации для диагностики инфаркта миокарда.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1 Анализ существующих способов автоматического измерения
информационных параметров ЭКС для диагностики инфаркта миокарда
в 12 стандартных отведениях, выявление их недостатков и обоснование разработки новых способов анализа ЭКС.
2 Разработка новых способов анализа ЭКС для диагностики инфаркта миокарда на основе совместного использования способов, осуществляющих как измерение отдельных элементов кардиоцикла, так и оценку кардиоцикла в целом.
3 Усовершенствование способа и разработка методики нейросетевого анализа ЭКС.
4 Разработка структуры программного обеспечения компьютерной диагностической системы, реализующей новые способы анализа ЭКС для диагностики инфаркта миокарда.
5 Внедрение разработанных способов и средств анализа ЭКС для диагностики инфаркта миокарда.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы исследования электрической активности сердца, теории искусственных нейронных сетей, теории цифровой обработки сигналов, теории вейвлет-преобразования.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
1 Впервые предложен подход к анализу ЭКС на основе совместного использования разработанных способов амплитудно-временного, частотно-временного и нейросетевого анализа, обеспечивающий принципиальную возможность в условиях массового обследования с вероятностью до 99,9 % выделить пациентов с неблагоприятным состоянием сердца и приблизить функциональные возможности доклинического анализа ЭКС к уровню клинических обследований сердца.
2 На основе совместного использования предложенных способов амплитудно-временного и частотно-временного анализа ЭКС разработан новый способ выделения и обработки кардиоцикла, позволяющий точнее на 11 % определить начало кардиоцикла.
3 Адаптирована структура двухслойной нейронной сети LVQ (Learning Vector Quantization, квантование обучающих векторов), разработаны алгоритм обучения нейронной сети CCLVQ3 и методика нейросетевого анализа ЭКС для диагностики инфаркта миокарда, которые обеспечивают чувствительность и специфичность к ЭКС-признакам инфаркта миокарда выше на 12 и 8 % соответственно, чем у используемых в практической медицине способов амплитудно-временного анализа ЭКС.
4 Предложена и обоснована структура программного обеспечения компьютерной диагностической системы, реализующая новые способы анализа ЭКС и позволяющая приблизить возможности доклинического анализа ЭКС к уровню клинических обследований сердца.
Практическая значимость и реализация результатов:
1 Предложенные способы анализа ЭКС используются как основа для построения новых средств кардиодиагностики. Результаты диссертационного исследования реализованы в компьютерной диагностической системе (КДС) «Кардиовид», проходящей клиническую апробацию в городской больнице скорой медицинской помощи им. Г. А. Захарьина г. Пензы. Испытания КДС свидетельствуют о повышении эффективности диагностики ИМ, что позволяет повысить эффективность лечения.
2 Методика нейросетевого анализа ЭКС для диагностики инфаркта миокарда способствует решению сложных терапевтических задач, возникающих при необходимости выбора тех или иных методов лекарственного воздействия при повреждении миокарда с целью приостановления или замедления его прогрессирования.
3 Разработанная при непосредственном участии автора КДС «Кардиовид» используется в учебном процессе Медицинского института Пензенского государственного университета.
4 Созданная подсистема регистрации пациентов в лечебных учреждениях повышает оперативность постановки диагноза и достоверность назначения лечения.
На защиту выносятся:
1) способ анализа ЭКС на основе совместного использования способов, осуществляющих как измерение отдельных элементов кардиоцикла, так и оценку кардиоцикла в целом, обеспечивающий принципиальную возможность в условиях массового обследования с вероятностью до 99,9 % выделить пациентов с неблагоприятным состоянием сердца;
2) ЭКС-признаки инфаркта миокарда, полученные путем анализа ЭКС в частотно-временной области на основе вейвлет-преобразования, в амплитудно-временной области на основе построения аттрактора ЭКС, при нейросетевом анализе ЭКС на основе разработанных решающих правил и повышающие чувствительность и специфичность диагностики инфаркта миокарда;
3) способы выделения R-зубцов и определения начала кардиоцикла, позволяющие путем надежного (99,7 %) детектирования R-зубцов минимизировать вероятность ошибки второго рода (пропуск события) и обеспечивающие повышение достоверности оценки электрической активности синусового узла и топики миокарда;
4) алгоритм обучения CCLVQ3 и структура двухслойной нейронной сети LVQ, обеспечивающие повышение чувствительности и специфичности к ЭКС-признакам инфаркта миокарда по сравнению с используемыми в практической медицине способами амплитудно-временного анализа ЭКС;
5) структура программного обеспечения компьютерной диагностической системы, позволяющая реализовать разработанный подход к анализу электрокардиографической информации и используемая как основа для построения новых средств кардиодиагностики.
Достоверность полученных результатов обусловлена непротиворечивостью и полнотой исходных предпосылок, корректным использованием аналитических и расчетных методов, сопоставимостью результатов теоретического исследования и моделирования с экспериментальными данными и практической реализацией.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы прошли апробацию на 23 международных научных конференциях и выставках, отмечены в каталоге Международной компьютерной выставки CeBIT-2006, награждены золотыми и серебряными медалями ВВЦ (2005) и Московского салона инноваций и инвестиций (2006, 2010).
Публикации. Основные положения работы представлены в 28 публикациях, в том числе 20 статьях и тезисах докладов конференций (из них 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК), 6 патентах РФ на изобретение (из них 5 – на способы обработки электрокардиосигнала, 1 – на устройство обработки электрокардиосигнала), 1 зарегистрированной программной разработке, 1 учебном пособии.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем составляет 150 страниц, работа содержит 67 рисунков, 6 таблиц, список литературы, включающий 99 наименований.
Автор выражает благодарность доктору медицинских наук, профессору Ф. К. Рахматуллову за ценную помощь, оказанную в ходе подготовки данной диссертационной работы.
