Введение к работе
Актуапыюеть темы
Болезни системы кровообращения прочно занимают одно из первых мест среди хронических заболеваний Рост сердечно-сосудистых заболеваний врачи связывают с изменениями устовии жизни современного человека и причисляют к «болезням цивилизации» В связи с этим важна своевременная и достоверная диагностика состояния сердечно-сосудистой системы Одним из наиболее эффективных методов исследования сердечно-сосудистой системы является электрокардиография (ЭКГ) - метод функционального исследования, основанный на графической регистрации изменений во времени разности потенциалов, создаваемых электрическим полем сердца
ЭКГ методы исследования сердечно-сосудистой системы просты, надежны и безопасны С момента зарождения и по настоящее время данные методы совершенствуются и изменяются Сегодня в клинической практике существует более сорока систем и методик ЭКГ-обследовании Однако подавляющее большинство этих методик основано на эмпирическом анализе распределений потенциалов, являющихся интегральными характеристиками электрической активности серцца, поэтому используемые врачами признаки позволяют лишь косвенно привязывать отктонения в электрокардиограммах к конкретным об-тастям миокарда Возможен другой подход - анализ пространственных распределений эквивалентного источника биоэлектрической активности сердца, реконструированных по значениям потенциалов на поверхности грудной клетки Это позволит, имея синхронизированные записи изменения потенциалов в течение кардиоцикла перейти к отображению динамики электрической активности сердца с помощью пространственно-временного картирования распределения поверхностных биотоков Дтя реконструкции распределений эквивалентного источника предлагается применить радиотехнические методы обработки сигналов Использование такого подхода позволит детачизировать информацию об электрическом состоянии как всего сердца в целом, так и отдельных его областей, а следовательно повысить информативность диагностических медицинских устройств в области электрокардиографии Поэтому актуальной является задача реконструкции зіектрических токовых источников сердца по известным значениям потенциалов, создаваемых этими источниками и регистрируемых на поверхности грудной клетки дня последующего анализа в электрокардиографической диагностике
Состояние вопроса
Наиболее близки к решению этой задачи
методы основанные на проектировании характеристик векторов модельных дискретных токовых источников на поверхность квазиэпикарда (методы дипольной и мульхиполыюй электрокардиотопографии - ДЭКАРТО, МУЛЬ-ТЭКАР10, труды Л И Титомира),
методы, основанные на проектировании электрических потенциалов, измеренных па поверхности грудной клетки на поверхность квазиэпикарда (методы электрокардиотопографии, описанные в трудах Г И Сидоренко),
- метод отображения низкоамплитудных составляющих ЭКГ-сигналов стандартных отведений в виде потенциалов на поверхности сердца (труды Г В Рябыкиной, А С Сула и др )
В рамках данных методов проектируют потенциалы или характеристики эквивалентных токовых источников на поверхность квазиэпикарда, но не решают задачи реконструкции пространственного распределения токовых источников сердца
Таким образом, на настоящем этапе развития микроэлектроники и с учетом накопленного опыта в разработке электрокардиографической аппаратуры стало реальным получение ЭКГ-сигналов в многоэлектродных системах при малом уровне шумов Разработан аппарат математического моделирования биоэтектрических процессов в сердце и создаваемого ими электромагнитного поля в рамках электродинамики квазистационарных токов (труды Л И Титоми-ра) Существенно выросли возможности вычислительных средств В сложившихся условиях актуальна разработка новых методик не только для анализа распределения электрических потенциалов в многоэлектродчых ЭКГ-системах, но и для решения обратной зада«и -обработки распределений потенциалов с целью извлечения информации о пространственно-временной структуре токовых источников сердца, в том «исте и при наличии помех (развитие трудов В В Лебедева) Данная обработка позволит более полно использовать информацию сигналов многоэлек гродных ЭКГ-систем и способствовать повышению эффективности ЭКГ-обследований
Цель работы - разработка алгоритмов реконструкции токовых источников по измеренным значениям электрических потенциалов для создания устройств выделения информации о пространственно-временной структуре квазистационарных сторонних токовых источников по измеряемым потенциалам электрического поля, создаваемого этими источниками
Решаемые задачи
Достижение поставленной цели потребовато решения следующих задач ! Анализ связи пространственных спектров токовых источников и электрических потенциалов, создаваемых этими источниками, разработка и программная реализация спектрального аліоритма реконструкции пространс і венного распределения токовых источников по измеренным значениям потенциалов
-
Анализ связи отсчетных значений распределения токовых источников и электрических потенциалов, создаваемых этими источниками, разработка и программная реализация алгебраического алгоритма реконструкции пространственного распределения токовых источников по измеренным значениям потенциалов
-
Анализ связи характеристик точечного токового дипопьного источника и значений потенциалов, создаваемых этим источником, разработка и программная рерлшация алгоритма реконструкции характеристик эквиватентного дипопьного источника по известным значениям потенциала
-
Разработка меюдики оценки парциальной чувствительности отдельных электродов и объемной чувствитетьности системы электродных отведений к
изменению положения в пространстве точечного токового диполя для выбора системы электродов при реконструкции характеристик эквивалентного дипольного источника
-
Создание объемной динамической модели электрического генератора сердца, которая отражает геометрию сердца и электрофизиологическке процессы, протекающие в возбужденном миокарде, с целью апробации алгоритмов реконструкции пп 1-3
-
Применение алгоритмов реконструкции пп 1-3 к восс гановлению характеристик динамической модели электрического генератора сердца с целями оценки погрешности алгоритмов исследования помехоустойчивости их работы и проверки возможности их применения в электрокардиографии
Методы исследования
Математическим аппаратом при решении вышеперечисленных задач служат уравнения электродинамики квазистационарных гоков При разработке алгоритмов решения ооратных задач использовалась теория решения некорректных задач (работы А Н Тихонова) Исстедование характеристик ачгоритмов осуществлялось методами имитационного моделирования на ПК
Научная новизна
-
Предложен спектральный алгоритм реконструкции токовых источников по значениям потенциалов, регистрируемых на поверхности, которая ограничивает обтасть, содержащую данные источники Предложенный алгоритм может быть применен как при решении обратных задач электродинамики квазистационарных токов, так и дія решения аналогичных задач электростатики
-
Предложен алгебраический алгоритм реконструкции токовых источников по значениям потенциалов, регистрируемых на поверхности, которая ограничивает область, содержащую данные источники
-
Предложен алгоритм реконструкции характеристик токового дипольного источника по значениям потенциалов, регистрируемых на поверхности, которая ограничивает область, содержащую данный источник Предложенные в пп 2-3 алгоритмы также могут быть применены для решения аналогичных задач электростатики
-
Разработана методика оценки чувствительности датчиков электрического потенциала (электродов), позволяющая анализировать эффективность расстановки электродов при реконструкции токовых дипольных источников Подход, примененный в данной методике, может быть использован и для оценки чувствительности электродов при реконструкции источников других типов, в частности двойного слоя токовых источников
5 Создана динамическая модель объемного электрического іенератора
сердца, с помощью которой можно имитировать электрическое поте сердца в
любой точке пространства вне области генератора и в любой момент времени
одиночного кардиоцикла Также данная модель позволяет моделировать элек
трическое поле при патологических изменениях миокарда, связанных с умень
шением проводимости возбуждения (при ишемической болезни сердца, некро
зе, инфаркте)
Достоверность результатов
Правильность работы алгоритмов реконструкции токовых источников была подтверждена путем применения данных алгоритмов к восстановлению характеристик модели электрического генерагора сердца Достоверность модели генератора сердца подтверждается совпадением амплитудных и временных характеристик сигналов, рассчитанных с помощью данной модели, и аналогичных типичных характеристик реальных ЭКГ-сигналов
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались на 59-ой Научной сессии РНТО радиотехники, электроники и связи им А С Попова, посвященной Дню радио (Москва, 2004 г), дистанционной Международной научной конференции «Анализ и синтез как методы научної о познания» (1 аганрог, ТРТУ, 2004 г ), IX Международной НТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, -электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2004 г), V Международном симпозиуме «Электро-
TiTjvn п хл^ттъттттлр^ N/frmw-rnrvwur nuoTunpTrjvq х>г\я ггтгаїч fl~1'auv'T-_TTpxf*nfwnr 900^
г ), XII и XIII Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» в секции «Инженерные технологии в медицине» (Москва МАИ, 2006, 2007 і г), VII Международной НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии - ФРЭМЭ 2006» (Суздаль, 2006 г), XXXIII Международной конференции «Информационные технологии в науке, социологии экономике и бизнесе IT+SE'06» (Гурзуф, 2006 г), научных семинарах кафедры Основ радиотехники МЭИ (ТУ) (2005, 2007 гг)
Практическая ценность работы
-
Разработанные алгоритмы позволяют получать более детальную информацию о пространственной структуре токовых источников, чем дают поверхностные распределения потенциалов Проведенные исследования алгоритмов показали, что незначительные изменения в пространственной структуре генератора, слабо отражающиеся на поверхностных распределениях потенциалов, четко проявляются при реконстр>кции токовых источников Это обстоятельство позволяет сделать вывод о возможности применения предлагаемых алгоритмов при разработке устройств ранней диагностики патологического состояния источника по поверхностным распределениям потенциалов
-
Методика оценки парциальной и интегральной чувствитечьности электродов позволяет предложить систему электродов для реконструкции характеристик токового дипольного источника, т е определить необходимое число датчиков электрического типа и уточнить координаты их размещения
-
Объемная динамическая модель электрического генератора сердца позволяет проводить апробацию алгоритмов реконсірукции токовых источников по измеренным электрическим потенциалам в эле> трокардиографии Модель применима для пространственно-временного картирования электрического ноля сердца в электрокардиологических задачах
Реализация результатов
Результаты диссертационной работы отражены в отчетах кафедры Основ радиотехники по НИР, а также использованы в учебном процессе в рамках научно-исследовательской рабо/ы 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, проводимой совместно с ООО НПП «Монитор»
Публикации
По результатам работы опубликованы 2 статьи в журнале «Медицинская техника», переводы данных статей на английский язык опубликованы в журнале «Biomedical Engineering», 2 статьи в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление», 1 статья в журнале «Технологии живых систем» 4 доклада и 5 тезисов докладов в трудах конференций (Журналы «Медицинская техника» и «Мехатроника, автоматизация, управление» входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук )
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся
-
Спектральный и алгебраический алгоритмы реконструкции распредете-ния плотности токовых источников по значениям потенциалов, измеренным на поверхности, ограничивающей область расположения источников
-
Алгоритм реконструкции параметров точечного токового дипольного источника по значениям потенциалов, измеренным на поверхности, ограничивающей область расположения источников
-
Методика оценки чувствительности к пространственному положению токового дипольного источника отдельных электродов и объемной чувствительности системы электродов
-
Объемная динамическая модель электрического генератора сердца в виде суперпозиции двойных слоев токовых источников, которые перемещаются по сферической поверхности, имитирующей поверхность миокарда и по поверхности диска, имитирующей межпредсердную и межжелудочковую перегородки
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, бибчиографиче-ского списка из 37 наименований и 9 приложений Основная часть работы изложена на 173 страницах, включая 34 таблицы и 91 рисунок
