Введение к работе
Актуальность темы
Во многих областях науки и техники диагностика процессов осуществляется по электрическому полю, создаваемому движущимися зарядовыми пакетами или пространственно распределенными токовыми источниками. Такие вопросы возникают в метеорологии, геологии (сейсмология, разведка полезных ископаемых), медицине (электроэнцефалография, электромиография, электрокардиография). При этом ставится обратная задача - задача определения пространственно-временных характеристик токовых источников по измеренным электрическим потенциалам. Характерной особенностью таких задач является обработка зарегистрированных сигналов с учетом особенностей электромагнитного поля, создаваемого токовыми источниками.
В настоящее время подобные задачи приобрели особое значение в медицине для диагностики состояния сердечнососудистой системы. Известно, что среди диагностических методов кардиологии ведущие позиции занимает электрокардиография (ЭКГ) - метод функционального исследования сердца, основанный на графической регистрации изменений во времени разности потенциалов, создаваемых электрическим полем сердца. Электрокардиографические методы обследования больных просты, надежны и безопасны. С момента зарождения и до сегодняшнего времени методы ЭКГ исследований совершенствуются и изменяются.
Однако пока подавляющее большинство ЭКГ методик основано на эмпирическом анализе распределений потенциалов, являющихся интегральными характеристиками электрической активности сердца, поэтому используемые врачами признаки позволяют лишь косвенно привязывать отклонения в электрокардиограммах к конкретным областям миокарда.
В тоже время в современной радиотехнике широко развиты методы пространственно-временной обработки сигналов, и методы анализа полей, возбуждаемых различными распределениями токовых источников, разработаны эффективные алгоритмы обработки сигналов. Поэтому, перспективным является применение методов радиотехники к решению задач восстановления (реконструкции) характеристик токовых источников с использованием результатов измерений электрического поля, создаваемого этими источниками. Достигнутые успехи создают предпосылки для разработки и внедрения новых алгоритмов обработки сигналов ЭКГ с целью получения более полной информации об электрической ахтивности сердца, включая пространственно-временные характеристики эквивалентного генератора сердца. Решение такой задачи позволит ориентировать медицинскую диагностику на выявление ранних и поэтому малозаметных отклонений в электрической активности сердца.
Таким образом, актуальной является задача реконструкции эквивалентных электрических токовых источников по известным сигналам, создаваемым этими источниками и регистрируемым с помощью электродов на поверхности, которая ограничивает область токовых источников.
Состояние вопроса
Для решения поставленной задачи могут быть привлечены методы радиотехники:
методы обработки и фильтрации сигналов, основанные В.А.Котель-никовым и развитые в работах Л.СГуткина, В.И.Тихонова, Е.И.Куликова, О.Р.Никитина, А.И.Перова и др.;
методы анализа электромагнитного поля в различных средах, возбуждаемого токовыми источниками, развитые в трудах Г.Т.Маркова, Е.Н.Васильева, Д.И.Воскресенского, Н.Н.Федорова, В.А.Пермякова и др.
В электрокардиографии известны следующие методы, ориентированные на пространственное представление электрической активности сердца:
- методы, основанные на проектировании характеристик векторов эквива
лентных токовых источников на поверхность квазиэпикарда (методы диполь-
ной и мультипольной электрокардиотопырафии - ДЭКАРТО, МУЛЬТЭКАР-
ТО, развитые в трудах Л.И. Титомира);
- методы, основанные на численном решении задачи Коши для уравне
ния Лапласа методом конечных элементов в области, ограниченной поверхно
стями квазиэпикарда и грудной клетки, с регуляризацией по методу
А.Н.Тихонова (работы А.Ш.Ревишвили, В.В.Калинина, Ramanathan С, Ghanem,
R.N., Xin Zhang, Bin He, Guanglin Li и др.);
- методы дисперсионной ЭКГ, основанные на отображении низкоампли
тудных составляющих ЭКГ-сигналов стандартных отведений на поверхности
сердца (труды Г.В. Рябыкиной, Ф.С. Сула, Г.Г.Иванова, Rosenbaum D.S. и др.).
При этом в методах дисперсионной ЭКГ важные для диагностики низкоамплитудные компоненты отдельных участков сигнала лишь косвенно привязываются к соответствующим пространственным областям сердца. Что касается методов, развитых в трудах Л.И.Титомира, А.Ш.Ревишвили и др., то, несмотря на свою несомненную актуальность и полезность, они ориентированы на расчет и проектирование характеристик электрического поля на замкнутую поверхность, окружающую сердце (квазиэпикард). При этом не ставится вопрос об определении и последующем отображении координат и траекторий движения эквивалентных токовых источников в сердце, что может дать дополнительную информацию для диагностики. В сложившихся условиях актуальна разработка алгоритмов для обработки сигналов поверхностных потенциалов с целью решения обратной задачи расчета пространственно-временных характеристик эквивалентных токовых источников, возбуждающих эти поверхностные потенциалы.
Цель работы - разработка алгоритмов реконструкции и визуализации токовых источников по реальным многоканальным записям электрических поверхностных потенциалов для создания устройств выделения и отображения информации о пространственно-временной структуре токовых источников.
Решаемые задачи
Для достижения поставленной цели были выполнены задачи:
1.Разработка итерационного алгоритма реконструкции параметров эквивалентных токовых источников по сигналам электродных отведений.
2.Исследование характеристик алгоритма реконструкции токовых источников и анализ влияния внешних факторов на результаты реконструкции, включая такие факторы, как уровень шума, количество и расположение электродов, ошибки позиционирования электродов и др.
3.Исследование характерных (типичных) признаков пространственно-временной структуры исследуемых токовых источников, в том числе исследование пространственных дисперсионных характеристик токовых источников.
4.Разработка и реализация способов визуализации пространственно-временной структуры эквивалентных токовых источников.
Анализ характеристик сигналов электродных отведений, разработка и реализация алгоритмов первичной цифровой обработки записей электрических потенциалов, позволяющих привести сигналы к виду, удобному для реконструкции токовых источников.
Реализация программно-аппаратного комплекса для регистрации сигна-
„ ~ ., .4 ЪТГТ^ „ ~~, ~~~. .,-.. .,.
7. Анализ особенностей реконструкции токовых источников для диагно
стики электрической активности сердца.
Методы исследования
Математическим аппаратом при решении вышеперечисленных задач служат уравнения электродинамики квазистационарных токов в электропроводящей среде. При разработке алгоритма решения обратной задачи использовались методы нелинейной оптимизации для целевых функций нескольких переменных. Первичная обработка сигналов проводилась с привлечением методов цифровой фильтрации и накопления, методов детектирования для выделения информационных признаков в записанных сигналах. Основные результаты получены на примере обработки сигналов многоэлектродной ЭКГ.
Научная новизна
Предложен алгоритм реконструкции пространственно-временных характеристик дипольных токовых источников (ТИ) в проводящей среде по записям сигналов электродных отведений, регистрируемых на поверхности, которая ограничивает область, содержащую данные источники.
Исследованы характеристики алгоритма реконструкции параметров токовых источников и проанализировано влияние внешних факторов (условий эксперимента) на устойчивость результатов реконструкции и погрешность аппроксимации поверхностных потенциалов.
Предложены методики оценки характерных признаков пространственно-временной структуры, а также пространственных дисперсионных характеристик исследуемых токовых источников.
Разработаны способы визуализации пространственно-временной структуры токовых источников, включая треки электрического центра, годографы вектора момента и зоны электрической активности источника. Предложенные в пп.З и 4 методики могут быть применены для сравнения различных записей сигналов отведений и для диагностики состояния источника.
Достоверность результатов. Правильность работы алгоритма реконструкции токовых источников и алгоритма предварительной обработки сигналов электродных отведений была подтверждена путем анализа устойчивости ре-
зультатов реконструкции и погрешности восстановления поверхностных потенциалов при изменении внешних факторов (условий эксперимента). Достоверность также подтверждается сравнением годографов реконструированного вектора момента с векторкардиограммами по Франку.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ(ТУ), 2006,2007,2008гг.); дистанционной международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии», (Пенза, 2007, 2008, 2009гг.); международной научно-технической конференции к 100-летию со дня рождения В.А.Котельникова. (Москва,2008г.); международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии" (Владимир, 2008г.); научных семинарах кафедры Основ радиотехники МЭИ(ТУ) (2006,2007,2008,2009гг.).
ІїракТКЧССКай ПОЛЕЗНОСТЬ рйиОТЫ СОСТОИТ В TOIVij ч ЇО:
Разработанные алгоритмы обработки многоканальных записей электрических поверхностных потенциалов позволяют получать более детальную пространственную информацию о токовых источниках, чем дают поверхностные потенциалы, включая локализацию, интенсивность и ориентацию токового источника и изменение этих параметров с течением времени.
Получаемые параметры токовых источников позволяют определять вторичные характеристики источников - размер и ориентацию зоны электрической активности источника в сердце, скорость перемещения электрического центра источника, дисперсионные пространственные характеристики источников и т.д. Получаемая информация может использоваться для ранней диагностики патологического состояния токового источника по измеренным поверхностным потенциалам.
3. Разработанные методики визуализации пространственно-временной
структуры токовых источников повышают наглядность и удобство восприятия
пространственных характеристик и особенностей электрической активности
источников.
4. Разработанное алгоритмо-программное обеспечение используется в ла
бораторном образце аппаратно-программного комплекса на базе 16-канального
электрокардиографа для регистрации и обработки реальных ЭКГ.
Реализация основных результатов. Результаты диссертационной работы отражены в отчетах кафедры Основ радиотехники по НИР, а также использованы в учебном процессе в рамках научно-исследовательской работы студентов и аспирантов, в том числе преддипломного курсового проектирования, проведения магистерских, бакалаврских и дипломных выпускных работ. Результаты работы используются в научно-исследовательской работе кафедры по разработке 16-канального электрокардиографа с визуализацией токовых источников миокарда.
Публикации. По результатам работы опубликовано 12 работ в научных сборниках и сборниках тезисов докладов, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах «Медицинская техника» и «Измерительная техника», опреде-
ленных в перечне Высшей аттестационной комиссии в качестве ведущих рецензируемых научных журналов.
Положения, выносимые на зашиту
На защиту выносятся:
Алгоритм реконструкции пространственно-временных характеристик дипольных токовых источников (ТИ) в проводящей среде по записям сигналов электродных отведений, регистрируемых на поверхности, которая ограничивает область, содержащую данные источники.
Алгоритм первичной цифровой обработки записей электрических потенциалов, позволяющий выделить информационную составляющую сигналов, требуемую для реконструкции токовых источников.
Результаты анализа характеристик алгоритма реконструкции и погрешностей восстановления поверхностных потенциалов.
Методика визуализации пространственно-временной структуры токовых
Методика оценки характерных признаков пространственно-временной структуры, а также пространственных дисперсионных характеристик исследуемых токовых источников.
Результаты тестирования разработанного программного обеспечения в 16-канальном электрокардиографе и рекомендации по применению полученных результатов в электрокардиографии.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований. Основная часть работы изложена на 217 страницах, включая 15 таблиц и 158 рисунков.
