Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время возрастает роль информационного обеспечения в задачах автоматической обработки данных медико-диагностических исследований и принятия решений на основе их результатов с помощью медицинских информационных систем.
Целью создания информационных систем в медицине является повышение эффективности принятия диагностических решений в условиях воздействия неинформативных влияющих факторов. Эта цель достигается путем широкого применения в системах диалогового режима, позволяющего обеспечить общение врача с компьютером во время проведения диагностики. Однако особенности получения информации о состоянии биологических объектов сопряжены со значительными трудностями выделения информативной составляющей (ИС) на фоне интенсивных помех различного типа, перекрывающих спектр ИС.
Одной из актуальных задач современной медицины является ранняя диагностика новообразований. Особую тревогу вызывает смертность от рака молочной железы (МЖ). Согласно данным статистических исследований, в США каждая 8-я женщина в течение своей жизни заболевает раком молочной железы, а в России - каждая 10-я. В течение многих лет основным методом диагностики новообразований являлась маммография - рентгенологическое исследование МЖ. Данная методика связана с лучевой нагрузкой, требует наличия высококвалифицированного специалиста-рентгенолога для правильной интерпретации снимков и недостаточно информативна при диагностике МЖ женщин молодого возраста. В последние годы у женщин моложе 35 лет в качестве метода исследования используется ультразвуковая диагностика. Эта абсолютно безвредная методика обладает высокой информативностью и точностью. Однако тщательное исследование занимает много времени, и должно проводиться высококвалифицированным специалистом, при этом трактовка полученных результатов часто носит субъективный характер. Одним из наиболее точных методов диагностики новообразований на сегодняшний день является МРТ - магнитно-резонансная томография, но сложность и высокая стоимость обследования делают невозможным его массовое применение.
С середины 90-х годов онкологами используется метод радиотермометрии (РТМ), основанный на измерении интенсивности электромагнитного излучения внутренних тканей, которая пропорциональна их температуре. Известно, что клетки новообразований выделяют большее количество тепла по сравнению со здоровыми клетками, что обусловливает повышение температуры в зоне поражения и изменение электромагнитного излучения, которое может быть зарегистрировано при помощи специального датчика. Микроволновая РТМ используется для ранней комплексной диагностики патологии в онкологических учреждениях. Теоретические основы использования РТМ-метода базируются на исследованиях А. Баррета, М. Готерье, B.C. Троицкого. В 1997 году во Всероссийском институте радиотехники был разработан компьютеризированный радиотермометр РТМ-01-РЭС, позволяющий измерять тепловую активность глубинных тканей исследуемого органа.
Острой проблемой РТМ-диагностики является обеспечение помехозащищенности, т.к. плотность мощности излучения тканей человека не превышает 10-14 Вт/м2, что соизмеримо с фоновым шумом. Основными источниками помех являются персональные компьютеры, сотовые телефоны и другое электронное оборудование.
Проблема традиционно решается проведением измерения собственного излучения тканей в специальных экранированных помещениях, что обеспечивает выделение очень слабого сигнала, излучаемого тканями человека на фоне сильных внешних электромагнитных помех. Снижению остроты проблемы способствует применение помехозащищенных радиометров, обеспечивающих проведение измерения собственного излучения без специального экранирования помещений и открывающих возможности для практического использования микроволновой РТМ в медицинской практике. Несмотря на значительные успехи в области создания помехозащищенных радиометров, остаются нерешенными многие вопросы, требующие дополнительной проработки. К таким вопросам относится существенное влияние ряда внешних факторов на РТМ-информацию.
Основной проблемой в информационных системах принятия диагностических решений является низкая точность измерений из-за воздействия на ИС сигнала неинформативной составляющей (НИС) в виде шумов и помех различного происхождения. В настоящее время отсутствуют эффективные алгоритмы выделения ИС РТМ на фоне НИС и универсальные показатели оценки степени помехоподавления, разработка которых необходима для повышения качества диагностики.
В настоящее время в России и за рубежом активно развивается направление по созданию алгоритмов помехоустойчивой обработки информации. Большой вклад в развитие теории помехозащищенности информационных систем внесли российские ученые В.А. Котельников, Э.К. Шахов, Е.В. Михайлов. Многие исследователи привлекают к решению данной задачи относительно новый аппарат вейвлет-преобразования (ВП), основным достоинством которого является возможность исследования особенностей сигнала как в частотной, так и во временной областях. Однако вопросы применения ВП для выделения ИС на фоне интенсивных помех проработаны недостаточно, т.к. отсутствуют четкие правила для выбора сочетания вейвлет-параметров для выделения ИС. Поэтому в данном направлении необходимы дальнейшие исследования.
Таким образом, разработка алгоритмов помехоустойчивой обработки радиотермометрической информации, выбор системы показателей качества выделения ИС на фоне НИС и информационных моделей сигнала и помех являются актуальными задачами.
Объектом научного исследования является информация о состоянии биообъекта; предметом исследования - модели информативной и неинформативной составляющих радиотермометрической информации и алгоритмы шумоподавления, повышающие эффективность технических средств РТМ-диагностики.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов помехоустойчивой обработки радиотермометрической информации и системы
показателей качества выделения её информативной составляющей, обеспечивающих повышение точности измерения внутренней температуры биообъекта в условиях интенсивных помех различного вида.
Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования.
Анализ помех, возникающих в процессе получения радиотермометрической информации и разработка моделей информативной и неинформативной составляющих сигналов датчиков РТМ.
Обоснование и разработка алгоритма помехоустойчивой обработки радиотермометрической информации и системы показателей качества выделения информативной составляющей радиотермометрических изображений на фоне помех различного вида.
Разработка алгоритма выбора оптимального сочетания вейвлет-параметров для помехоустойчивой обработки радиотермометрических изображений.
Разработка методики проведения радиотермометрической диагностики в условиях интенсивных помех, анализ результатов исследования и совершенствование программного обеспечения комплекса "РТМ-Диагностика".
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы цифровой обработки сигналов и изображений, теоретические основы радиотермометрии, вейвлет-преобразование, а также методы имитационного и математического моделирования в среде MatLab.
Научная новизна работы.
Разработан алгоритм обработки радиотермометрической информации на основе вейвлет-преобразования, отличающийся функционированием одновременно в частотной и временной областях и позволяющий повысить помехоустойчивость при измерении температуры биообъекта.
Синтезирована система показателей качества выделения информативной составляющей радиотермометрической информации на фоне неинформативной в виде шумов различного вида, отличающаяся наличием в своем составе как субъективных, так и объективных показателей и позволяющая проводить сравнительный анализ эффективности работы различных вариантов алгоритма.
Разработан алгоритм выбора оптимального сочетания вейвлет-парамет-ров на основе предложенной системы показателей качества выделения информативной составляющей радиотермометрической информации.
Разработана методика проведения радиотермометрической диагностики в условиях интенсивных помех, позволяющая повысить точность измерения внутренней температуры биообъекта в условиях интенсивных помех с помощью разработанных алгоритмов на основе вейвлет-преобразования.
Практическая значимость работы.
Созданы адекватные информационные модели радиотермометрических изображений для разработки средств уменьшения влияния помех различного вида на информативную составляющую.
Разработаны новые модули программного обеспечения, повышающие эффективность работы аппаратно-программных комплексов РТМ в условиях интенсивных помех.
Внедрение результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ООО "Фирма РЭС" при разработке комплекса РТМ-диагностики, а также внедрены в учебный процесс кафедр "Информационные технологии и системы" и "Информационные технологии и менеджмент в медицинских и биотехнических системах" Пензенской государственной технологической академии.
Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивается аргументированным применением математического аппарата, основных допущений и ограничений, положительными результатами испытаний и внедрением, подтвержденным соответствующим актом.
Основные положения, выносимые на защиту.
Алгоритм помехоустойчивой обработки радиотермометрической информации на основе вейвлет-преобразования в базисе Добеши.
Система показателей качества выделения информативной составляющей радиотермометрической информации на фоне шумов различного вида, включающая объективные и субъективные оценочные показатели.
Алгоритм выбора оптимального сочетания вейвлет-параметров, основанный на применении предложенной системы показателей качества, и полученная система параметров: базисный вейвлет Добеши, третий уровень разложения, мягкая пороговая обработка, функция расчета пороговой обработки Донохо-Джонстона.
Методика проведения радиотермометрической диагностики в условиях интенсивных помех, включающая административный и алгоритмический методы уменьшения помех и позволяющая уменьшить погрешность измерения внутренней температуры биообъекта.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждены на следующих научно-технических конференциях: межрегиональной научно-практической конференции студентов и аспирантов "Инновационные технологии в экономике, информатике, медицине и образовании" (г. Пенза, 2009 - 2010 гг.); научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (г. Пенза, 2009 г.); международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (г. Пенза, 2009 - 2010 гг.); Международной научно-практической конференции "Современные проблемы отечественной медико-биологической и фармацевтической промышленности. Развитие инновационного и кадрового потенциала Пензенской области" (г. Пенза, 2011 г.); VIII Международном симпозиуме "Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия" (г. Санкт-Петербург, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 102 наименований. Диссертация изложена на 151 листах машинописного текста и содержит 83 рисунка, 9 таблиц.
