Системный анализ и обработка электрокардиографической информации Кузнецов Артемий Артемьевич

Введение к работе

Актуальность темы. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) смертность от сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) составляет 30% в мире и 42% в Европе. Официальная статистика смертности в России свидетельствует, что ежегодно от ССЗ умирает более 1,2 миллиона человек. Основной причиной ССЗ является постоянное перевозбуждение нервной системы, нарастающее в результате стрессов и порождающее постоянный спазм микро-сосудов. Следствием этого является нарушение нормального кровоснабжения мозга, сердца, печени и других органов, что свидетельствует о развившемся необратимом процессе изменения той или иной функции организма (Н. А. Агаджанян).

В условиях непрерывного роста плотности и интенсивности стрессовых ситуаций современная система здравоохранения не обладает средствами дальнего прогноза предупреждения развития заболеваний. Клиническая медицина, основанная на учении о болезни (нозологии), пассивна для условно здоровых людей и не всесильна для больных. Объектом медицины является человек с необратимо потерянным здоровьем. С позиций наблюдающего лечащего врача задача установления общего состояния организма без симптомов выглядит принципиально не выполнимой при отсутствии стандартов и рекомендаций об алгоритме лечения. Поэтому чрезвычайно важно создание чувствительных методов распознавания тех стадий состояний, при которых отсутствуют симптомы заболеваний.

При огромном количестве записей электрокардиограмм (ЭКГ) больных людей, количество записей ЭКГ здоровых людей ничтожно мало. В стандартах норм вариабельности сердечного ритма (ВСР) это названо основной причиной их рекомендательного характера. Требуется создание теории и стандартов донозологиче- ской диагностики на основе данных совместных исследований ритмов сердца и головного мозга для создания автоматизированных комплексов экспресс-анализа общего функционального состояния организма (ФСО) и системы непрерывных профилактических обследований сердечнососудистой системы (ССС).

Основным содержанием работы являются теоретические и прикладные исследования системных связей и закономерностей функционирования системы ритма сердца вблизи состояния физиологической нормы, причин обратимых изменений ритма, качественных и количественных адекватных показателей обратимых и необратимых изменений ритма и переходных процессов на основе новых информационных технологий и методов обработки и анализа электрокардиографической информации. Разработка информационных проблемно- ориентированных систем получения, обработки и анализа биомедицинских сигналов, основанных на известных и новых методах автоматизированной обработки информации и ориентированных на повышение эффективности до-нозологической диагностики, чрезвычайно актуальна для практической медицины.

Цель диссертационной работы: разработка теоретических основ поиска параметрического состояния физиологической нормы организма человека и исследование закономерностей функционирования системы сердца вблизи этого состояния на основе новых и совершенствовании существующих методов, средств анализа и обработки электрокардиографической информации, обеспечивающих повышение уровня диагностической и прогностической информативности и достоверности результатов электрокардиографических обследований.

Для достижения цели должны быть решены следующие задачи :

1. Выбор и оптимизация объектов и направлений исследования на основе анализа характерных свойств организма человека как физиологической системы;

2. Совершенствование методов и средств анализа и обработки информации ВСР на основе данных больших серий регистраций ЭКГ условно здоровых людей;

3. Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа и обработки ЭКГ информации;

4. Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, параметрической оптимизации и обработки ЭКГ информации при поиске новых чувствительных критериев ФСО;

5. Разработка методов и алгоритмов структурно-топологического анализа диаграмм ритма сердца и критериев их идентификации по признаку уровня неупорядоченности, формализация структурно-топологического анализа и обработки диаграмм ритма сердца с возможностью минимизации количества адекватных критериев ФСО;

6. Теоретико-информационный анализ системы ритма сердца с поиском скрытых статистических и нелинейных закономерностей в динамике ритма;

7. Разработка специального математического и программного обеспечения систем анализа и обработки электрокардиографической информации для автоматизации предложенных методов, научных исследований и практического применения при принятии эффективных профилактических и клинических решений;

8. Создание процедур и форм визуализации, трансформации и анализа ЭКГ информации на основе компьютерных методов ее обработки;

9. Получение и анализ экспертной информации в формах виртуальных диаграмм ритма сердца, сопоставительный анализ виртуальных и реальных диаграмм ритма сердца с созданием методов и алгоритмов прогнозирования и оценки качества ритма сердца;

10. На основе текущей и экспертной ЭКГ информации введение понятия состояния физиологической нормы и определение управляющего параметра ритма сердца вблизи этого состояния с созданием «шкалы ФСО» с идентификацией систем управления ритмом сердца.

Объекты исследования:

9. 1. Проблемно-ориентированная система стандартов норм ВСР и возможности известных информационных технологий в применении к до-нозологической диагностике и контролю;

   2. Экспериментальные данные регистрации работы электропроводящей системы сердца (ЭПСС) человека в формах ЭКГ, ритмограмм, S_r- интервалограмм, R- интервалограмм, параметрических оконных выборок, а также в форме электроэнцефалограммы (ЭЭГ) как объектов исследования;

   3. Методы и алгоритмы решения задач системного анализа экспериментальных данных регистраций и критерии и модели оценки эффективности этих задач.

   Область исследования:

   9. 3. 1. Теоретические основы, постановка задач, формализация и методы системного анализа и обработки ЭКГ информации;

         2. Разработка методов и алгоритмов системного анализа, критериев, моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа;

         3. Разработка методов получения, анализа и обработки экспертной информации и проблемно-ориентированных систем принятия решений и оптимизации биологических и медицинских объектов, математического и программного обеспечения систем анализа и методов идентификации систем управления ритмом сердца на основе текущей и экспертной информации.

         Методы исследования. Теоретическая часть диссертационной работы построена на базе аппарата математического анализа, математической статистики, теории спектрального анализа, теории связи, методов нелинейной динамики, цифровой обработки сигналов. При анализе и обработке ЭКГ и диаграмм ритма использовались как известные методы: оценки ВСР, w-преобразования, «скользящих средних», анализа фазовых портретов, статистического, спектрального и фрактального анализа, так и новые методы и методики:

         9. 3. 3. 1. Метод интегрального анализа ЭКГ;

                  2. Комбинированный интерквантильный метод анализа;

                  3. Структурно-топологический метод анализа диаграмм ритма сердца;

                  4. Метод оценки хаотической составляющей в ритме сердца;

                  5. Метод анализа динамики неупорядоченности ритма сердца;

                  6. Метод прогнозной оценки уровня ФСО по «шкале ФСО»;

                  7. Методика оценки стандартов нормы ВСР для разных длин записи ЭКГ;

                  8. Методика выделения периодических сигналов процессов из диапазона ультранизких частот (ULF) для исследования эндогенных и экзогенных ритмов;

                  9. Методика идентификация систем управления ритмом сердца.

                  Научная новизна работы заключается в следующем:

                  9. 3. 3. 9. 1. Обнаруженные функциональные связи между параметрами ВСР, предопределяют системность ритма сердца, а их параметрические функции, в отличие от параметров ВСР, являются адекватными показателями режима изменчивости;

                              2. Разработанная энергетическая модель работы ЭПСС, представляет новые информационные объекты исследования в формах S_r - и R-ритмограмм, несущие интегральную и амплитудную информацию о работе сердца, соответственно;

                              3. Предложенная модель ярусной диаграммы ритма сердца (ДРС) включает в себя новые методы, алгоритмы обработки и анализа топологической структуры точечной реализации ритма от шаговых переходов и межъярусных расстояний до интегральных макроструктур низкочастотных сигналов;

                              4. Разработанные теоретические основы энтропийного анализа ярусной диаграммы ритма, представляют ритм сердца человека системным динамическим процессом, линейно аккумулирующим количество информации, недостающее для полного описания на собственной временной шкале и позволяют сформировать функциональную модель режима ВСР на основе одного аргумента - информационной энтропии ярусной ДРС;

                              5. Предложенные формы экспертной информации в виде моделей «эталонного» и идеализированного ритма сердца, позволяют проводить адекватные сравнения и аналогии с реальным ритмом по признаку нормального закона распределения с определением границ норм ВСР для разных длин записей ЭКГ;

                              6. Созданная диаграмма распределения функциональных состояний организма человека представляет «шкалу ФСО» по критерию избытка продукции информационной энтропии в границах - 0,5^6 бит и позволяет проводить идентификацию влияний на ритм сердца по системным составляющим системы управления с подразделением на: контроль, регуляцию, управление и адаптацию;

                              7. Полученные формулы ФСО и сетка параметрических ячеек в форме матрицы общего ФСО, позволяет идентифицировать вариабельность физического, психического и эмоционального состояний.

                              Практическая значимость работы заключается в следующем:

                              9. 3. 3. 9. 7. 1. При анализе системной изменчивости ритма сердца предлагается применять функциональные зависимости параметров ВСР, которые не зависят от размеров ритмограмм и в отличие от параметров ВСР являются адекватными показателями режима ВСР;

                                             2. Разработанные модели и методы обработки и анализа амплитудных уровней, параллельного и комбинированного интерквантильного анализа и созданное программное обеспечение, позволяют проводить статистический, частотный и не линейный анализы диаграмм ритма и собственных выборок гистограмм ДРС;

                                             3. Созданный комплекс автоматизированных систем анализа динамики ритма сердца, позволяет производить цифровую обработку первичных данных и аналитическую обработку конечных результатов в графическом формате;

                                             4. Разработанный интегральный метод обработки и анализа ЭКГ информации, позволяет проводить совместный анализ ортогональных функций удельной энергии кардиоцикла и ритма сердца при поиске их системных взаимосвязей;

                                             5. Разработанный структурно-топологический метод ярусов, позволяет анализировать переходные процессы в ритме сердца. Для визуализации и сравнительного анализа электрокардиографической информации на основе компьютерных методов ее обработки разработано специальное программное обеспечение для сбора и анализа данных ЭКГ с интегральной шкалой режимов работы сердца;

                                             6. Разработанные методики аналитического и клинического мониторинга в формах «шкалы ФСО», карт соответствия, энтропийных карт и векторных диаграмм, позволяют в цифровой и графической форме отслеживать динамику величины информационной энтропии в сравнении с ее эталонными значениями;

                                             7. Предложенная методика исследования диапазона ULF по комбинированному цифровому ряду выборочных параметров коротких записей и сертификация периодических компонент ритма сердца, позволяют определить частотные характеристики внешнего стимула, захваченного ритмом сердца, с созданием условий классификации эндогенных и экзогенных ритмов и соответствия источникам;

                                             8. Проведенная оптимизация параметров ритма и формализация их связей «формулой ФСО» позволяют создать «шкалу ФСО» по критерию избытка продукции информационной энтропии с оценкой границ и определения нормы ФСО, как экспертной информации при оценке норм ВСР и уровней ФСО;

                                             9. Разработанный алгоритм структурно-параметрического синтеза ЭКГ информации в форме диаграммы распределения позволяет проводить анализ и идентификацию систем управления и регуляции ритма сердца;

                                             Достоверность полученных в работе результатов подтверждается использованием апробированного математического аппарата в теоретической части исследований, моделированием на ЭВМ, данными сравнительной оценки общего функционального состояния организма предложенными методами и стандартным методом оценки ВСР, подтверждением выводов данными анамнеза и практическими результатами наблюдений в амбулаторных и клинических условиях.

                                             Основные положения, выносимые на защиту

                                             9. 3. 3. 9. 7. 9. 1. Теоретические основы, модели, методы и алгоритмы системного анализа и обработки ЭКГ информации: интегральный, амплитудный и параллельного анализа, комбинированный интерквантильный, структурно-топологический метод ярусов, методы анализа неупорядоченности ярусной диаграммы ритма;

                                                               2. Комплекс автоматизированных систем анализа ритма сердца, включающий в себя основную программу «Системного анализа ритма сердца» (САДР) и совокупность расчетных модулей программного обеспечения для обработки и анализа ЭКГ информации о функциональном состоянии системы сердца;

                                                               3. Результаты сравнительного анализа предложенных методов и сопоставительного анализа их эффективности с данными и нормами метода ВСР;

                                                               4. Модель дискретной диаграммы ритма сердца и энтропийная модель, включающие совместно с интегральным методом результаты структурно- топологического анализа точечной ярусной диаграммы ритма от шаговых переходов и межъярусных расстояний до интегральных макроструктур;

                                                               5. Функциональная параметрическая модель ритма сердца в форме системы функциональных зависимостей параметров ритма от информационной энтропии;

                                                               6. Методика и результаты исследования диапазона ULF по комбинированному цифровому ряду выборочных параметров ритма коротких записей;

                                                               7. Экспертная информация в форме виртуальных моделей «эталонного» и идеализированного ритма сердца;

                                                               8. Диаграмма распределения функциональных состояний организма человека, представляющая «шкалу ФСО» с характеристиками границ и идентификацией системы управления ритмом сердца;

                                                               9. Формулы ФСО и сетка параметрических ячеек в форме матрицы общего ФСО, включающего физическое, психическое и эмоциональное состояние.

                                                               Реализация результатов работы. Результаты теоретических и прикладных исследований, полученные в диссертационной работе предложены автором в качестве научного руководителя в ходе выполнения НИР № 355/99 «Диагностика сердечно-сосудистой системы методами математической физики» (2000 - 2010), а также № ГБ-573 «Разработка, апробация и внедрение эффективных экспресс- методов и средств диагностики и прогноза состояния физического и социально- психологического здоровья студентов» (2009 - 2010) в рамках проекта АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы». Выносимые на защиту методы предложены автором в качестве научного консультанта (соруководитель) при подготовке к защите кандидатских диссертаций (2 защиты в 2006 г.) при кафедре «Биомедицинской инженерии» ВлГУ.

                                                               Результаты исследования внедрены в организациях (акты внедрения прилагаются): Муниципальном предприятии «Топливные Сети» г. Владимира, Государственном учреждении здравоохранения Владимирской области «Центр лечебной физкультуры и спортивной медицины», Центре содействия укреплению здоровья студентов ВлГУ, учебно-научном медицинском центре ВлГУ, в учебный и научно-исследовательский процессы на кафедрах «Общей и прикладной физики» и «Биомедицинской инженерии» ВлГУ.

                                                               Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались в период 1998 - 2010 гг. на:

                                                               9. 3. 3. 9. 7. 9. 8. 1. Международных конгрессах, симпозиумах и съездах: «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине. Форум идей», С.-Петербург, 2000 г., «Новые медицинские технологии», С.- Петербург, 2001 г., «Кардиостим», С.-Петербург, 2002 - 2010 гг., Pulmonology, Moscow, 2004 г., «Анналы аритмоло- гии», Москва, 2009 г., «Медицинская физика - 2010», Москва, 2010 г.

                                                                                    2. Международных конференциях: «Радиоэлектроника в медицине» Москва, 2005 г., «Перспективные технологии в средствах передачи информации» Владимир, 2005 г., «Здоровье и образование в XXI веке» Москва, 2004, 2005 гг., «Новые медицинские технологии и квантовая медицина» Москва, 2005 г., «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», Владимир - Суздаль, 2000 - 2010 гг., «BIOSIGNAL 2008» Brno, «Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы» Москва, 2006-2010 гг., «ICMIBE 2009» Paris, 2009 г.

                                                                                    3. Всероссийских конференциях и симпозиумах.

                                                                                    Работа сопровождалась текущей апробацией методов в учебных центрах ВлГУ и в клинических условиях: в отделениях реанимации и кардиореанимации ВОКБ, городской клинической больницы № 2 г. Владимира и главного военного клинического госпиталя им. Н. Ф. Бурденко, г. Москва. Работа, как отдельных модулей, так и программного комплекса автоматизированного анализа ритма сердца в целом демонстрировалась на выставках медицинской техники.

                                                                                    Личное участие. Выносимые на защиту идеи, информационные технологии, методы и методики предложены автором в качестве научного руководителя в ходе выполнения г/б НИР на кафедре Общей и прикладной физики ВлГУ, в качестве научного консультанта - соруководителя при подготовке к защите двух кандидатских диссертаций при кафедре «Биомедицинской инженерии». Экспериментальные исследования и практическая реализация методов проводились коллективом специалистов, врачей и аспирантов при личном участии автора.

                                                                                    Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 203 научные работы: 4 монографии, 4 учебных пособия, 42 статьи в журналах перечня ВАК, 10 публикаций в зарубежных изданиях (в том числе переводные), 148 публикаций в сборниках статей, трудах, материалах и докладах международных и всероссийских конгрессов, симпозиумов и конференций.

                                                                                    Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, заключения, списка литературы из 254 наименования, списка условных обозначений и аббревиатур и 14-ти приложений. Основная часть работы изложена на 244 страницах машинописного текста. Работа содержит 103 рисунка и 23 таблицы. Общий объем составляет 297 страниц.

                                                                                    Похожие диссертации на Системный анализ и обработка электрокардиографической информации

                                                                                    

                                                                                    Системный анализ и обработка информации при использовании метода нейтронного радиационного анализаВишневкин Андрей Борисович

                                                                                    

                                                                                    Анализ и обработка информации по распространению декаметровых радиоволн в АрктикеКалишин, Алексей Сергеевич

                                                                                    Модели и алгоритмы обработки информации для анализа изображения массива горных пород при ведении буровзрывных работИванов, Лев Викторович

                                                                                    

                                                                                    Анализ и обработка информации для управления конструкторско-технологической подготовкой производства сложных промышленных изделий Тюрина Лилия Александровна

                                                                                    

                                                                                    Системный анализ и обработка информации медицинских регистров в регионахХромушин Виктор Александрович

                                                                                    

                                                                                    Разработка системы анализа и обработки информации по техногенным циклам промышленного предприятияСоколов Андрей Андреевич

                                                                                    

                                                                                    Формирование, обработка и анализ информации проекционного сканирования для послойной и пространственной визуализации характеристик биомедицинской средыГубарьков Олег Владимирович

                                                                                    

                                                                                    Анализ и обработка информации информационно-вычислительной инфраструктуры нефтегазовых предприятийХартьян Денис Юрьевич

                                                                                    

                                                                                    Анализ и обработка информации о химических структурах для предпроектной экологической экспертизы веществКолесникова Елена Алексеевна

                                                                                    

                                                                                    Методика обработки и анализа информации при экспертной оценке проектов резервуаров для нефти и нефтепродуктовМороз Наталья Александровна