Введение к работе
Актуальность проблемы. Неотъемлемой частью современной медицины являются мощные программно-аппаратные комплексы, осуществляющие диагностику и функциональные исследования состояния человека. Наряду (или в сочетании) со стационарными комплексами используются носимые холтеровские регистраторы, позволяющие записывать длительные (суточные) исследования. Схема комплекса включает три основных элемента: регистратор биомедицинских сигналов, компьютер врача и канал передачи данных от регистратора к компьютеру (предполагается, что используются современные каналы связи, потери данных в которых отсутствуют). Критическими параметрами схемы являются: пропускная способность канала связи и объём внутренних блоков памяти регистратора. Повышение эффективности указанных характеристик может быть достигнуто путем внедрения программной компрессии регистрируемых биомедицинских сигналов.
В соответствии с техническими и методическими условиями использования медицинских диагностических комплексов, к алгоритму компрессии предоставляется ряд основных требований:
точность представления сигнала должна иметь гарантированное (достаточно высокое) значение;
для обеспечения в реальном масштабе времени возможности регистрации биомедицинских сигналов многоканальной телемедицинской системой и своевременного восстановления сигналов при диагностической обработке трудоёмкость компрессии и декомпрессии должна быть низкой. Использование для решения поставленной задачи известных методов
компрессии сигналов оказывается проблематичным. В частности, методы компрессии без потерь не позволяют получать высокие показатели сжатия. Известные методы компрессии с потерями либо не нацелены на решение задачи гарантированной точности, либо имеют высокую вычислительную трудоёмкость, либо не предоставляют удовлетворительных показателей сжатия. Наиболее близким для решения поставленной задачи является метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, предложенный Баем К.А. в работе «Разработка алгоритмов компрессии биомедицинских сигналов с использованием дельта-преобразований второго порядка». Данный метод характеризуется сложностью алгоритмов, высокой вычислительной трудоёмкостью (построение аппроксимирующей функции осуществляется на основе перебора), а по степени компрессии на большинстве выборок электроэнцефалографических и электрокардиографических сигналов уступает предлагаемому методу.
Цель работы состоит в разработке эффективных по уровню сжатия и вычислительной трудоёмкости метода и алгоритмов программной компрессии, позволяющих в реальном масштабе времени компрессировать с заданной точностью биомедицинские сигналы, регистрируемые многоканальной телемедицинской системой.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
Исследована возможность решения поставленной задачи с помощью известных методов компрессии;
Разработан метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью для работы в реальном масштабе времени, обеспечивающий боле высокую, чем в известных методах, эффективность по уровню сжатия и вычислительной трудоёмкости;
Синтезированы быстродействующие алгоритмы компрессии и декомпрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью;
Экспериментально исследована эффективность разработанного алгоритм компрессии в аспекте сравнения с известными методами, для чего разработано соответствующее программное обеспечение.
Объектами исследования являются метод и алгоритмы компрессии с гарантированной точностью биомедицинских сигналов, регистрируемых в реальном масштабе времени многоканальной телемедицинской системой.
Методы исследования опираются на теоретические основы информатики, методы прикладной информатики; на математический аппарат линейной алгебры, теории дельта-преобразований второго порядка, теории цифровой обработки сигналов; применяются современные информационные технологии, объектно-ориентированное программирование.
Научная новизна работы определяется следующими отличительными особенностями полученных существенных теоретических и практически результатов:
Предложен метод компрессии биомедицинских сигналов с гарантированной точностью на основе дельта-преобразований второго порядка, отличающийся сочетанием обеспечения гарантированной точности преобразования с одновременным адаптивным формированием частоты поддискретизации и вес второй производной аппроксимирующей функции дельта-преобразования второго порядка. Метод позволяет компрессировать электрокардиографические и электроэнцефалографические сигналы в 4,5+7,7 раз с гарантированной точностью 1+5 мкВ (13+10 двоичных разрядов исходного сигнала, значения отсчётов которого представлены в диапазоне ~[-4; +4] мВ) и отличается низкой вычислительной трудоёмкостью и простотой алгоритмов.
Предложено применение нормированного дерева возможны аппроксимирующих траекторий, отличающееся по построению от традиционных методов синтеза аппроксимирующей функции дельта-преобразования второго порядка. Построение дерева позволяет определять траекторию кодирования между отсчётами входного сигнала с априори заданной точностью при сравнительно низкой вычислительной трудоёмкости, а также выполнять адаптацию основных параметров аппроксимирующей функции, как при компрессии, так и при декомпрессии.
Разработан алгоритм адаптации частоты поддискретизации на основе анализа значимости интенсивности накопления предшествующих дельта-бит производных второго порядка аппроксимирующей функции, отличающийся направленностью на
анализ изменения крутизны исходного сигнала и малыми вычислительными затратами.
Разработан алгоритм формирования веса второй производной аппроксимирующей функции на основе частоты поддискретизации, обеспечивающий гарантированную точность преобразования и отличающийся малыми вычислительными затратами.
Разработан алгоритм определения траектории кодирования на основе использования нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий, отличающийся обеспечением гарантированной точности аппроксимируемого отсчёта и малыми вычислительными затратами.
6. Синтезированы быстродействующие табличные алгоритмы компрессии и
екомпрессии, отличающиеся сочетанием одновременного адаптивного
формирования оценок частоты поддискретизации и веса второй производной аппроксимирующей функции с выполнением требования гарантированной точности ля всех аппроксимируемых отсчётов, а так же малыми, в сравнении с известными методами, вычислительными затратами.
Достоверность результатов базируется на математическом обосновании предлагаемого метода компрессии, подтверждается апробацией на научных семинарах; публикацией результатов работ, внедрением полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод компрессии биомедицинских сигналов на основе адаптивных дельта-преобразований второго порядка с гарантированной точностью.
Модель нормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий, методика нормирования аппроксимирующих траекторий, отсчётов исходного
игнала и значения гарантированной точности.
3. Алгоритм адаптации частоты поддискретизации на основе анализа значимости
интенсивности накопления предшествующих дельта-бит производных второго
орядка аппроксимирующей функции.
Алгоритм формирования веса второй производной аппроксимирующей ункции на основе частоты поддискретизации, обеспечивающий гарантированную очность преобразования.
Алгоритм определения траектории кодирования на основе использования ормированного дерева возможных аппроксимирующих траекторий.
Быстродействующие табличные алгоритмы компрессии и декомпрессии, беспечивающие сочетание одновременного адаптивного формирования оценок астоты поддискретизации и веса второй производной аппроксимирующей функции выполнением требования гарантированной точности для всех аппроксимируемых
тсчётов.
7. Результаты экспериментальных исследований эффективности разработанного
горитма компрессии.
Практическая ценность данного исследования состоит в применимости редложенного метода и алгоритмов в рамках многоканальных медицинских рограммно-аппаратных диагностических комплексов, в том числе, работающих в еальном масштабе времени. Рассмотренные в данной работе методические и
алгоритмические особенности компрессии биомедицинских сигналов позволяют обеспечивать гарантированную высокую точность, сравнительно высокий уровень компрессии и характеризуются низкой вычислительной трудоемкостью. Указанные особенности представляют возможность решать актуальные в современной телемедицине проблемы эффективного хранения и передачи по низкоскоростным каналам связи биомедицинских сигналов, обеспечения одновременной регистрации сигналов в многоканальных системах, повышения частоты дискретизации регистрируемых сигналов, построения мобильных систем дистанционной электрокардиографии и электроэнцефалографии.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты, полученные в рамках выполнения данной работы, были использованы в разработанном в ООО НПКФ «Медиком МТД» программном обеспечении семейства приборов электроэнцефалографов-регистраторов «Энцефалан ЭЭГР-19/26» в вариантах поставки: «AT», «АТ-ПСГ», «АТ-Сомно», «АТ-ПСГ-Видео», что подтверждено актом об использовании.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: Всероссийской научно-практической научно-технической конференции «Медицинские информационные системы-МИС-2004» (Таганрог, 2004 г.); Всероссийской научно-практической научно-технической конференции «Медицинские информационные системы-МИС-2006» (Таганрог, 2006 г.); Четвертой и пятой ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Таганрог, Ростов-на-Дону, 2008-2009 г.г.); Шестой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь XXI века - будущее Российской науки 2008" (Ростов-на-Дону, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Медицинские информационные системы-МИС-2008» (Таганрог, 2008 г.); Международной молодежной научно-технической конференции «Высокопроизводительные вычислительные системы ВПВС-2008» (Таганрог, 2008 г.); IX всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления КРЭС-2008» (Таганрог, 2008 г.); Научно-технических студенческих конференциях ТРТУ и ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2004-2009 г.г.).
Публикации. Основные результаты работы были представлены в 9 публикациях общим объёмом около 38 печатных листов, из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ, 3 статьи в прочих изданиях, тезисы 5 докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав основного раздела, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание работы изложен на 133 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 42 рисунка, 60 наименования библиографических источников, 7 страниц приложений и 1 акт о внедрении.
