Введение к работе
Актуальность и преимущества внедрения
микропроцессорной техники в клиническую практику врача-кардиолога в настоящее время уже не вызывают сомнения. Компьютеры и интеллектуальные кардиографы нашли себе применение во многих медицинских кабинетах. Это в первую очередь палаты интенсивной терапии, реанимационные и кардиологические отделения. Здесь, как правило, особое внимание уделяется динамике значений параметров, отражающих способность сердца выдерживать жизненнонеобходимую для человека нагрузку. Электрокардиограмма (ЭКГ) при этом наблюдается в течение длительного* времени — от нескольких часов до нескольких суток. Проводится также множество других исследований (в том числе и регистрация коротких записей ЭКГ), имеющих специализированное значение, на которых мы не будем останавливаться. Подобное длительное наблюдение за пациентом требуется также в спортивной медицине [Дембо А. Р., Земцовский Э. В., 1989] и в космической медицине [1>аевский Р. М., 1984].
Другого рода исследования сердечного ритма проводятся в
кабинетах функциональной диагностики, отделениях
гипероарической оксигенащш (ГБО), лазерной медицины и других отделениях, осуществляющих лечение методами различных неспецифических воздействий на весь организм в целом. При таких исследованиях врача, хак правило, интересует реакция сердечнососудистой системы на то или иное воздействие на человека. Это может быть исследование, проведённое по методике Холтера [Murray А., 1982], физическая нагрузка [Сидоренко Г. И., 1994], фармакологический тест, наблюдение за физиологическим состоянием пациента в барокамере [Селивра А. И. и др., 1994][Чернов В. И., Сарова Н. И, 1994][Лившиц Б. М., Ромасенко М. Р., 1994] и т.д. .;-
И, наконец, исследования ритма сердца третьего рода — скрининговые — осуществляются в основном в поликлиниках и при массовых обследованиях людей. Здесь основной задачей врача является классификация записей ЭКГ по типам "норма"—"патология".
В настоящее время разработан широчайший спектр электрокардиографического оборудования, производимого в нашей стране и за рубежом, предназначенного для решения самых
разнообразных медицинских задач. Это интерпретирующие электрокардиографы, портативные ЭКГ-мониторы, амбулаторные устройства записи ЭКГ, прикроватные мониторы, эмбриональные мониторы, мониторы для новорожденных, мониторные осциллоскопы и многие другие приборы. Основными разработчиками и производителями этих приборов являются следующие отечественные и зарубежные фирмы: Hewlett Packard (США), Scimens (Германия), Oxford Medical Ltd. (Великобритания), Schiller AG (Швейцария), Геософт-Геолинк (Россия), Медиком (Россия), Микард (Россия), ЛептаМед (Россия), и другие.
В настоящее время математические методы анализа ритма сердца по длительным записям ЭКГ (а именно статистический анализ, вариационная пульсометрия, корреляционная ритмография, автокорреляционный анализ, спектральный анализ) приобретают всё большее значение в кардиологии и других областях медицины [Янушкевичус 3. И., Жемайтите Д. И., 1977][Баевский Р. М., Шлык Н.И. - ред., 1992]. Качество же работы математических алгоритмов существенным образом зависит от точности измерения параметров ЭКГ, в первую очередь, интервалов RR (расстояний между ведущими зубцами смежных желудочковых комплексов QRS), что в свою очередь зависит от эффективности приёмов "очистки" электрокардиосигналов (ЭКС) от "шума", накладывающегося на полезный сигнал при съёме, оцифровке и передаче сигнала в цифровой кардиоанализатор.
Диссертационная работа выполнялась в рамках договора N30-03/38-КС от 24 мая 1994 года (заказчик: Министерство здравоохранения РФ; исполнитель МОНИКИ им. М. Ф. Владимирского) "О развитии производства изделий медицинской техники" сроком от начала финансирования до декабря 1995 года и договора N14-H от 25 сентября 1995 года (заказчик: Министерство здравоохранения РФ; исполнитель МОНИКИ им. М. Ф. Владимирского) "Совершенствование дифференциальных методов лечения недостаточности кровообращения при некоронарогенных заболеваниях миокарда" сроком с 1996 по 2000 год.
Цель диссертационного исследования: создание более совершенных алгоритмов обработки ЭКС, предназначенных для использования в компьютерных автоматизированных системах мониторирования ЭКГ.
Основные задачи исследования:
-
сглаживание ЭКС от шума, присутствующего в канале наблюдения;
-
разработка алгоритмов обнаружения на ЭКГ желудочковых комплексов QRS в реальном времени наблюдения за больным, оценки их морфологии и расчёта RR-интервалов;
-
адаптирование описанных в предыдущих пунктах алгоритмов к обработке цифровых сигналов ЭКГ.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на базе аппарата теории управления, теории случайных процессов, методов спектрального, кластерного и дискриминантного анализа, а также методов цифровой обработки сигналов.
Экспериментальные исследования проводились с помощью компьютерной программы, написанной на языке Pascal 7.0 (фирмы Borland, USA) и пакета статистической обработки данных Statistical Graphic System 2.6 (Statistical Graphics Corporation, USA).
Научная новизна.
-
Разработаны теоретические и практические аспекты применения процедуры взвешенного средне-квадратического приближения в адаптивной фильтрации ЭКС. Показано, чтр алгоритм адаптивной фильтрации в данном случае представляет из себя либо одношаговую, либо итерационную процедуру последовательных приближений.
-
Рассчитан цифровой полосовой фильтр, предназначенный для обнаружения желудочковых комплексов QRS на ЭКГ.
-
Разработан вид критерия "сравнения" двух желудочковых комплексов QRS, представляющий собой модифицированный коэффициент корреляции двух участков ЭКГ.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе методы адаптивной фильтрации, поиска желудочковых комплексов QRS и сравнения их морфологии могут быть использованы в программном обеспечении компьютерных инструментальных систем мониторирования ЭКГ, в том числе и тех систем, которые осуществляют автоматизированную синдромальную диагностику нарушений сердечного ритма и проводимости (в холтеровских системах).
Внедрение результатов работы. . Результаты
диссертационной работы внедрены:
1) в программное обеспечение комплекса мониторирования ЭКГ (разработчики МОНИКИ — ТОО ЛептаМед, Москва); "
-
программное обеспечение электрокардиографа ЭКЗФлМЮ (производство МОНИКИ — ТОО ЛсптаМед, Москва);
-
программное обеспечение системы компьютерной поддержки гипербарической оксигенации (разработчик: Завод МТ и ТНП — филиал ГКНПЦ им. М. В. Хруиичева, Москва).
Апробации работы. По теме диссертации опубликовано і печатных работ, из которых 4 [1,2, 5,6] написаны с соавторами.
Результаты, полученные в диссертации, докладывались не Меджународном симпозиуме SYMBIOSYS'94 (С.-Петербург, 16-2G мая 1994 года), на Научно-технической конференции-конкурсе студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ (25-28 апреля 1994 года), на научных семинарах "Управление и устойчивость" кафедры Кибернетики МГИЭМ (20 октября 1995 года и 14 декабря 1996 года).
Положения, выносимые на защиту:
-
применение процедуры взвешенного среднеквадратического приближения в задаче адаптивной фильтрации ЭКС;
-
метод обнаружения желудочковых комплексов QRS на ЭКГ;
-
метод "сравнения" морфологии двух желудочковых комплексов QRS на предмет их "схожести" или "различия".
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, выводов, заключения, библиографического списка и приложения. Основной текст диссертации изложен на 79-ти машинописных страницах. Иллюстративный материал представлен в виде 2-ух таблиц и 13-ти рисунков. Библиографический список по теме работы изложен на 10-ти страницах и включает 116 наименований. В приложении, изложенном на 6-ти страницах, представлены графики исходных зашумлённых разного рода помехами записей ЭКГ и графики этих же записей ЭКГ, сглаженных предлагаемым в работе адаптивным фильтром.
В диссертационной работе использовался архив ЭКГ, собранный в МОНИКИ МЗМП РФ с помощью автоматизированной системы "СКАЗ", включающий записи ЭКГ в системе 12-ти стандартных отведений и в системе Франка длительностью от 10-ти секунд до 1 часа. В настоящее время архив насчитывает более 1000 исследований практически здоровых людей и пациентов с различными заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
Похожие диссертации на Математическая обработка сигналов в системе мониторирования электрокардиограмм
