Введение к работе
Актуальность темы. Развитие метода электрокардиографической диагностики связано с повышением разрешающей способности инструментальных средств измерения параметров структурных элементов регистрируемого информационного процесса — электрокардиосигнала (ЭКС). Обнаружение и оценивание низкоамплитудных составляющих (т.н. микропотенциалов) ЭКС обеспечивает возможность выявления заболеваний сердца на ранних стадиях развития, а отслеживание динамических изменений их параметров позволяет производить объективный и оперативный контроль течения заболевания и эффективности предпринимаемых терапевтических мероприятий.
Существующие методы обнаружения и оценивания микропотенциалов ЭКС, несмотря на исключительное разнообразие используемых рабочих гипотез и методологических установок, не обеспечивают удовлетворительного решения проблемы; более того, получаемые с их помощью результаты зачастую противоречат друг другу. В первую очередь это связано с тем, что используемые математические модели информационных процессов не адекватны реальной ситуации.
Объектом исследования диссертационной работы является структурно-морфологическая модель ЭКС, которая отражает его внутреннее строение в контексте рассматриваемой проблемы и включает как компоненты электрической активности сердца, так и составляющие помех с различными свойствами.
Предмет исследования — комплекс алгоритмов и аппаратных средств, обеспечивающих проведение прикладных исследований в области электрокардиографии высокого разрешения: решение задач обнаружения и оценивания параметров низкоамплитудных составляющих электрокардиосигнала.
Цель работы состоит в разработке новых и усовершенствовании существующих методов и инструментальных средств обнаружения и оценивания параметров микропотенциалов электрокардиографического процесса, что позволит расширить функциональные возможности и улучшить показатели качества приборов и систем, предназначенных для ранней диагностики и отслеживания динамики развития патологий сердца.
Задачи исследования включают:
построение математических моделей информационных процессов и мешающих воздействий с привлечением ретроспективной, текущей и экспертной1 информации;
формализацию задач обработки электрокардиографической информации, выбор критериев оптимизации при принятии решений;
разработку методики и критериев количественного анализа микропотенциалов ЭКС, синтез специализированных помехоустойчивых алгоритмов обработки регистрируемых процессов;
1 Научные консультации проводились с ведущими специалистами лаборатории пчщ""ТН'Т11*п Санкт-
Петербургского НИИ Кардиологии Минздрава РФ им. акад В . и д-ром мед наук В С Морошкиным.
?ЙЇ!?Ій.'ЙЙЇОТМОМ»*І** Гусаровым БИБЛИОТЕКА СПетербург ип t \ 09 $**V3Jj
анализ показателей качества разработанных алгоритмов обнаружения и оценивания параметров микропотенциалов ЭКС на фоне помех;
анализ влияния инструментальных ошибок на результаты обработки, формулировку комплекса технических требований к критичным параметрам регистрирующей аппаратуры с учетом их практической реализуемости;
апробацию на практике предложенных алгоритмов обработки ЭКГ с использованием средств математического и полунатурного моделирования.
Методы исследования, использованные в диссертационной работе: элементы системного подхода в прикладных исследованиях; математическая статистика; методы идентификации динамических объектов и систем; теория оптимальных решающих правил в приложении к обработке случайных процессов; методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов; методы моделирования; методы линейной алгебры. Математическое моделирование алгоритмов цифровой обработки сигналов выполнялось в программной среде Mathcad PLUS для Windows. Программные средства, реализующие ключевые процедуры обработки ЭКГ, разработаны/8, 9/ в среде Borland Pascal.
Научной новизной обладают следующие результаты работы:
методика обнаружения и оценивания параметров микропотенциалов электрокардиосигнала, основанная на применении методов и средств статистической теории обработки случайных процессов;
результаты теоретического анализа показателей помехоустойчивости алгоритмов, разработанных для решения задач обнаружения и оценивания параметров микропотенциалов ЭКС.
Практическую ценность работы составляют:
специализированные алгоритмы обработки электрокардиограмм, реализованные в виде программных модулей/8, 91;
результаты полунатурного моделирования алгоритмов, подтверждающие их работоспособность в условиях воздействия реальных помех;
требования к техническим характеристикам аппаратной части системы для исследований в области электрокардиографии высокого разрешения.
Научные положения, выносимые на защиту:
методика обработки электрокардиографической информации;
алгоритм компенсации дыхательных искажений ЭКС;
алгоритм обнаружения сигнала априорно неизвестной формы на основе адаптивной авторегрессионной модели;
оценки показателей качества обнаружения микропотенциалов ЭКС;
требования к значению частоты дискретизации процессов в аппаратной части системы для электрокардиографии высокого разрешения.
Внедрение результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре моделирования вычислительных и электронных систем ГУАП. В соавторстве составлено методическое пособие "Съем и обработка биоэлектрических сигналов", объемом 7.9 п.л., предназначенное для подготовки студентов по специальности 2016 "Радиоэлектронные системы" в рамках специализации
"Медико-биологические электронные компьютеризированные системы".
Автор участвовал в выполнении 3-х госбюджетных НИР в период с 1997 по 1999 годы, в рамках которых получены некоторые результаты диссертационной работы, отраженные в научных отчетах:
НИР №53-00-417-4 (№ГР 01980002027) "Разработка новых информационных технологий для медико-биологических электронных систем" (закл. отчет; инв.№ 02980004006 /ГААП, 1997);
НИР №53-00-428-4 (№ГР 01980002760) "Разработка новых информационных технологий для медико-биологических электронных систем" (закл. отчет; инв.№ 02990003369/ГУАП, 1998).
НИР №53-00-500-4 (№ГР 01990003803) "Разработка теории и методов исследования тонкой структуры информационных процессов в медико-биологических электронных системах" (закл. отчет; инв.№ 02200004449 /ГУАП, 1999).
Результаты диссертационной работы используются в клинических исследованиях в лаборатории гемодинамики Санкт-Петербургского НИИ Кардиологии Минздрава РФ им. акад. В.А. Алмазова. В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между ГУАП и НИИ Кардиологии от 10.01.97 автор участвовал в выполнении работ по госбюджетной НИР №609/036/001 (№ГР 01950007625) "Изучить возможности регистрации микропотенциалов сердца с помощью ЭКГ высокого разрешения и их связь с патологией сердца" (закл. отчет, НИИК, 1998). Алгоритмы анализа тонкой структуры электрокар-диосигнала применены при разработке электрокардиографа в Санкт-Петербургском институте кардиологической техники (АОЗТ «ИНКАРТ»).
Исследования автора по теме диссертационной работы в 2000 г. поддержаны персональным грантом №М00-3.5К-265 (форма гранта: кандидатский проект; тема работы: "Разработка методов исследования потенциалов замедленной деполяризации желудочков сердца человека для ранней диагностики патологий"; диплом АСП№300205), полученным по результатам открытого конкурса научных работ студенто^аспирантов, молодых ученых и специалистов, организованного Министерством Образования РФ, Российской Академией наук и Комитетом по науке и высшей школы Администрации Санкт-Петербурга на базе Конкурсного центра фундаментального естествознания в рамках Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки".
Программные средства, реализующие основные процедуры обработки ЭКГ, зарегистрированы в Информационно-библиотечном фонде и Отраслевом фонде алгоритмов и программ Министерства Образования РФ:
"Программный модуль алгоритмической поддержки решения задачи сегментации авторегрессионных дискретных последовательностей в реальном масштабе времени"; ИБФ per.№50200300257; авт. свид. ОФАП №2466,2003 г.
"Программа исследования на ЭВМ корреляционно-экстремального алгоритма обнаружения QRS-комплексов электрокардиограммы"; ИБФ per. № 50200300623; авт. свид. ОФАП №2753,2003 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-х международных симпозиумах "Электроника в медицине. Мониторинг. Диагностика. Терапия", (СПб, 1998, 2000, 2002 годы) /2, 5, 6/; международной конференции по медико-биологическому приборостроению (ЕМВЕС99, Вена, Австрия, 1999 г.)/1/; международной конференции "Мехатроника и робототехника" (СПб, 2000 г.)/3/, конференциях аспирантов ГУАП в период с 1998 по 2001 годы и семинарах кафедры моделирования вычислительных и электронных систем ГУАП в 1999, 2002 и 2003 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 1 учебное пособие, 4 научные статьи и 8 тезисов докладов на конференциях и симпозиумах международного уровня.
Структура и объем работы. Общий объем диссертационной работы составляет 168 стр. Основное содержание работы изложено на 100 стр. машинописного текста. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников (137 наименований) и 5-й приложений. Иллюстративный материал включает 27 рисунков и 7 таблиц.
