Введение к работе
Актуальность работы. Важным направлением в совершенствовании систем управления состоянием организма человека является разработка измерительных преобразователей (ИП) физиологической информации, позволяющих получить оперативную информацию о текущем состоянии как всего организма в целом, так и его отдельных систем и органов. При построении ИП физиологической информации широко используются параметры сердечного ритма человека для оценки состояния организма и формирования управляющих воздействий, направленных на коррекцию состояния. Рассмотрению данных вопросов посвящены работы P.M. Баевского, В.М. Хаютина, Л.И. Калакутского, S. Akselrod, М. Pomeranz, J. Allen, M.F. O'Rourke, R.P. Kelly в которых показаны основные направления развития ИП для получения диагностической информации о структуре сердечного ритма и диагностических показателях состояния сердечно-сосудистой системы. Показатели сердечного ритма человека отражают активность процессов регуляции сосудистого тонуса и могут быть использованы для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.
Определение показателя эластичности артериальных сосудов человека требует построения ИП биосигналов сердечного ритма для неинвазивной диагностики патологии на ранней стадии развития. Существующая аппаратура, применяемая в системах управления эластичностью артериальных сосудов человека, основанная на ультразвуковых или рентгенографических методах, является дорогостоящей, не обеспечивает оперативность диагностической процедуры, предъявляет высокие требования к квалификации врача-оператора, зачастую требует инвазивного вмешательства в организм и не является полностью безопасной для здоровья человека.
Разработка и внедрение ИП биосигналов сердечного ритма для определения показателя эластичности артериальных сосудов человека сдерживается отсутствием анализа параметров, методик разработки и проектирования ИП подобного типа. Необходимо исследование закономерностей формирования диагностических показателей эластичности артериальных сосудов и структурного построения ИП биосигналов сердечного ритма. Кроме того, необходимо снижение погрешности определения параметров сердечного ритма в условиях регистрации биосигналов, когда присутствуют помехи, обусловленные движениями или дыханием обследуемого.
В этом плане разработка и исследование характеристик ИП биосигналов сердечного ритма, позволяющего повысить эффективность определения показателя эластичности артериальных сосудов в системе управления эластичностью артериальных сосудов человека за счет сокращения времени диагностической процедуры и уменьшения погрешности определения диагностического показателя, является актуальной задачей.
Работа была выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследо-
ваний целевыми аспирантами (Государственный контракт № 14.740.11.0459 от 01 октября 2010 г, номер государственной регистрации 01201062872).
Цели и задачи работы. Целью данной работы является создание измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и новых методик обработки биосигналов, обеспечивающих повышение эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов человека.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ известных методов и технических средств построения измерительных преобразователей биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов.
Разработать математическую модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма.
На основе полученной модели установить взаимосвязь между параметрами сердечного ритма и показателем эластичности артериальных сосудов.
Разработать методику комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма с целью получения диагностических показателей эластичности артериальных сосудов.
Исследовать погрешности измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма.
Разработать измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, удовлетворяющий критериям эффективности определения показателя эластичности артериальных сосудов.
Провести клинические исследования экспериментального образца измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов.
Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.
Разработана методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим показателем эластичности артериальных сосудов.
Разработана методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.
Практическая ценность результатов диссертации заключается в следующем: 1. Предложено серийно пригодное схемотехническое построение измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов;
Обоснован выбор параметров измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма систем управления эластичностью артериальных сосудов человека, обеспечивающих расширение динамического диапазона амплитуд регистрируемых биосигналов до 40 дБ;
Разработан амплитудно-временной обнаружитель опорных точек сигнала артериальной пульсации крови, позволивший снизить погрешность измерения длительностей межпульсовых интервалов;
Разработан измерительный преобразователь биосигналов сердечного ритма, позволивший снизить погрешность определения показателя эластичности артериальных сосудов до 6%;
Создано программное обеспечение обработки данных измерительного преобразователя биосигналов сердечного ритма и интерфейс пользователя в составе системы управления эластичностью артериальных сосудов человека.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчисления, элементы теории погрешностей и методы статистической обработки экспериментальных данных, применялось имитационное моделирование на ЭВМ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Всероссийской НТК "Медприбор-2009" (Таганрог, 2009); XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2009); IX Международной НТК "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии" (Владимир, 2010); международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2010); Всероссийской НТК "Медицинские информационные системы - 2010" (Таганрог, 2010), Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомед-системы-2010" (Рязань, 2010), V Европейской конференции Биомедицинской инженерии ЕМВЕС2011 (Будапешт, 2011), Международной молодежной конференции "Королевские чтения" (Самара, 2011).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель процессов формирования сигнала артериальной пуль
сации крови в измерительном преобразователе биосигналов сердечного ритма,
устанавливающая взаимосвязь между показателем эластичности артериальных
сосудов и параметрами сердечного ритма.
2. Методика комплексной обработки сигналов биоэлектрической активности
сердца и артериальной пульсации крови в измерительном преобразователе био
сигналов сердечного ритма, заключающаяся в оценке разности спектральных
показателей сердечного и пульсового ритмов, являющейся диагностическим по
казателем эластичности артериальных сосудов.
3. Методика оценки погрешностей измерительного преобразователя биосигналов
сердечного ритма, использующая взаимосвязь между показателем эластичности
артериальных сосудов и параметрами сердечного ритма.
Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты внедрены на предприятии Инженерно-медицинский центр «Новые приборы» (г. Самара), в учебный процесс в Самарском государственном аэрокосмическом университете при подготовке магистров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии», а также в клиническую практику Областной клинической больницы имени Калинина (г. Самара).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 4 статьи - в ведущих научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований, трех приложений. Текст диссертации изложен на 153 страницах, содержит 72 рисунка, 1 таблицу.
