ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

Литвиненко Ярослав Володимирович

УДК 681.518.3+519.218.8

Моделювання та методи визначення зонної часової структури
електрокардіосигналу в автоматизованих діагностичних системах

01.05.02 — Математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Тернопіль – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному
університеті

імені Івана Пулюя

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, лауреат
державної премії

в галузі науки і техніки,

Щербак Леонід Миколайович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри інформаційно-вимірювальних систем,

м. Київ

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Яворський Ігор Миколайович,

Фізико-механічний інститут

імені Г.В. Карпенка НАН України,

завідуючий відділом відбору та обробки

стохастичних сигналів,

м. Львів

доктор технічних наук, професор,

Євтух Петро Сільвестерович,

Тернопільський державний технічний університет

імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри систем електроспоживання та

комп’ютерних технологій в електроенергетиці,

м. Тернопіль

Провідна установа Інститут проблем моделювання в енергетиці

імені Г.Є. Пухова НАН України, відділ теорії моделювання,

м. Київ

Захист відбудеться “10” лютого 2006 р. о “13.00” годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради К 58.052.01 в Тернопільському державному
технічному університеті імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул.
Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці
Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя,
46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “4” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради
Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення нових та вдосконалення існуючих
кардіодіагностичних систем є важливою і актуальною науково-технічною
діяльністю не тільки на Україні, але й у всьому світі. Діагностика та
лікування серцевих захворювань становить один із найбільш поширених
напрямків досліджень сучасної медицини. Особливо гостро стоять задачі
діагностики серцево-судинних захворювань, які неможливо ефективно
розв’язати без використання відповідних автоматизованих діагностичних
систем, в тому числі і електрокардіодіагностичних систем. Застосування
сучасних засобів обчислювальної техніки в системах діагностики значно
розширило потенційні можливості останніх, і дозволило проводити
об’єктивну та швидку діагностику.

Відомо, що робота серця супроводжується генеруванням електричних,
магнітних та акустичних полів, що у своїй просторово-часовій структурі
відображають функціональний стан серцево-судинної системи організму
людини. Реєстрація електрокардіосигналів (ЕКС) та їх аналіз дозволяє
проводити функціональну діагностику стану серця. На сьогодні актуальним
є створення ефективних комп’ютерних діагностичних систем, які проводять
автоматизовану обробку електрокардіосигналів і формують адекватний
попередній діагностичний висновок про стан серця. Ряд задач, які
виникають при цьому, полягають в розробці спеціалізованого програмного
забезпечення для ЕОМ, яке повинно проводити автоматизовану, швидку
обробку ЕКС та формувати достовірний результат діагностики. Програмне
забезпечення будується на відповідних методах обробки, які в свою чергу,
ґрунтуються на математичних моделях досліджуваних електрокардіосигналів.

У напрямку створення автоматизованих діагностичних систем в наш час
працює велика кількість зарубіжних та вітчизняних дослідників. Значний
вклад в розвиток автоматизованих діагностичних систем стану серця
внесли: Х. Піпбергер, Ц. Касерес, Л. Дрейфус, И. Пинскер, В. Шакин, М.
Примин, Н. Амосов та багато-багато інших. З проведеного огляду
літературних джерел встановлено, що не всі задачі автоматизованої
обробки ЕКС розв’язані в повному обсязі. Так, в ряді випадків практична
автоматизована комп’ютерна діагностика стану серця дає результати, які
не відповідають дійсності. Така невідповідність ряду результатів
автоматизованої обробки електричних сигналів серця обумовлена:

1. Використанням емпіричних, евристичних підходів в методах їх обробки,
які ґрунтуються на детермінованих математичних моделях, а ЕКС, як і
більшість сигналів біологічного походження, має випадковий характер.

2. Неврахуванням в більшості існуючих стохастичних математичних моделях
зонної часової структури реалізацій електрокардіосигналу, яка відображає
фазову роботу серця і є важливою та необхідною для задачі
автоматизованої діагностики.

3. Відсутністю можливості врахування зонної часової структури в
статистичних методах обробки ЕКС, оскільки її не відображають
стохастичні математичні моделі.

Такі аргументи вказують на необхідність та актуальність створення нових
математичних моделей та методів обробки електрокардіосигналів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне
дослідження виконувалося в рамках держбюджетної наукової теми: ДІ 94-02
“Інформаційні технології статистичного аналізу і прогнозу ритмічних
сигналів, їх застосування для оптимізації управління
енергонавантаженями”, номер держреєстрації № 0102U002297, що
виконувалася на кафедрі комп’ютерних наук Тернопільського державного
технічного університету імені Івана Пулюя.

Вклад автора в держбюджетну наукову тему полягає в створенні програмного
забезпечення для статистичної обробки ритмічних сигналів та проведенні
серії статистичних експериментів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розробка
на основі стохастичного підходу математичної моделі електрокардіосигналу
для задачі визначення зонної часової структури сигналу, методу виділення
діагностичних зон та підходу до їх розпізнавання для потреб
функціональної діагностики стану серця за допомогою автоматизованих
комп’ютерних діагностичних систем. Для досягнення поставленої мети
необхідно розв’язати наступні задачі:

Провести порівняльний аналіз математичних моделей та методів обробки
електрокардіосигналів в автоматизованих комп’ютерних діагностичних
системах стану серця.

Розробити математичну модель електрокардіосигналу, яка враховує його
стохастичну природу для задачі визначення зонної часової структури
сигналу .

Базуючись на новій математичній моделі, розробити метод виділення
діагностичних зон зареєстрованих електрокардіосигналів та запропонувати
підхід до їх розпізнавання.

Обґрунтувати вибір діагностичних ознак для розпізнавання виділених
діагностичних зон, виходячи з критерію мінімізації їх кількості при
однаковій інформаційній цінності.

Розробити метод комп’ютерного імітаційного моделювання
електрокардіосигналів для задач тестування відомих та створеного методів
виділення діагностичних зон та навчання систем розпізнавання біомедичних
образів.

Створити пакет комп’ютерних програм для автоматизованої обробки
електрокардіосигналів та проведення імітаційних експериментів для
електрокардіодіагностичної системи на базі ЕОМ.

В рамках наукової теми провести серію експериментів по обробці реальних
та змодельованих електрокардіосигналів у нормі та з різними видами
патологій з метою апробації розроблених у роботі математичної моделі,
методу виділення та підходу до розпізнавання діагностичних зон, а також
методу імітаційного моделювання електрокардіосигналів.

Об’єкт дослідження: електрокардіосигнал.

Предмет дослідження: математична модель електрокардіосигналу, яка
враховує його зонну часову структуру, методи визначення зонної часової
структури та комп’ютерного імітаційного моделювання
електрокардіосигналів.

Методи дослідження: теорія випадкових процесів та полів, методи
математичної статистики, теорія статистичного оцінювання, методи
розкладу функцій в ряди по ортогональних базисах, методи імітаційного
моделювання сигналів та систем.

Наукова новизна одержаних результатів.

Побудовано нову стохастичну, параметричну, конструктивну математичну
модель електрокардіосигналу для задачі визначення зонної часової
структури сигналу у вигляді циклічного з періодичними ймовірнісними
характеристиками випадкового процесу.

На основі математичної моделі, розроблено новий метод виділення
діагностичних зон електрокардіосигналу та запропоновано підхід до їх
розпізнавання.

Запропоновано нові класи діагностичних ознак у вигляді коефіцієнтів
розкладу виділених діагностичних зон у ряд по ортогональних поліномах
Чебишева для їх розпізнавання.

Розроблено метод імітаційного моделювання електрокардіосигналів, який
враховує зонну часову структуру для потреб тестування алгоритмів обробки
та навчання систем розпізнавання біомедичних образів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи та створений
пакет комп’ютерних програм, що ґрунтуються на новій математичній моделі,
призначені для визначення зонної часової структури ЕКС і можуть
застосуватись як складова частина спеціалізованого програмного
забезпечення автоматизованих комп’ютерних діагностичних систем стану
серця, в клініках, з метою проведення функціональної діагностики та
науково-експериментальних лабораторіях медичного та фізіологічного
напрямку для проведення дослідницької роботи.

Результати дисертаційного дослідження впроваджено у вигляді пакету
комп’ютерних програм для обробки та імітаційного моделювання
електрокардіосигналів у відділі кардіології Тернопільського
консультативного лікувально-діагностичного центру ТОВ „Десна” ЛТД.
Також, результати дисертаційної роботи були впровадженні у навчальний
процес, зокрема, використані при створенні методичних матеріалів на
кафедрі медичної інформатики та біофізики Тернопільської державної
медичної академії імені І.Я. Горбачевського, а також на кафедрі
комп’ютерних наук Тернопільського державного технічного університету
імені І. Пулюя.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, які становлять основний
зміст дисертації, автор отримав особисто. У наукових працях,
опублікованих із співавторами, автору дисертації належить: у [1] – опис
та проведення імітаційного моделювання циклічних сигналів серця на ЕОМ;
у [2] – визначення ядра, параметрів породжуючого процесу та проведення
імітаційного моделювання дискретних стаціонарних лінійних випадкових
процесів на ЕОМ; у [3] – опис та проведення імітаційного моделювання
кардіоінтервалограм на ЕОМ; у [4] – розробка математичної моделі ЕКС,
яка враховує зонну часову структуру сигналу; у [5] – розробка методу
визначення зонної часової структури ЕКС.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи
доповідались на п’ятій, шостій, сьомій, восьмій, дев’ятій наукових
конференціях Тернопільського державного технічного університету імені
Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 р.), міжнародній
науково-практичній конференції „Динаміка наукових досліджень” (м.
Дніпропетровськ, 2002 р.), п’ятій міжнародній науково-технічній
конференції Національного авіаційного університету
„Інформаційно-діагностичні системи” (м. Київ, 2003 р.), наукових
семінарах кафедри комп’ютерних наук Тернопільського державного
технічного університету імені Івана Пулюя та інституту проблем
моделювання в енергетиці імені Г.Є. Пухова НАН України.

Публікації. Основні результати, отримані в дисертації, опубліковано в
дванадцяти наукових журналах та збірниках наукових праць, п’ять із них у
фахових журналах (одна без співавторів), сім – тези науково-технічних
конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу,
чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 192
найменувань, містить 53 рисунка, 5 таблиць, 14 додатків. Повний обсяг
дисертації складає 210 сторінок, основний зміст викладено на 128
сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відзначено зв’язок
із науковою темою, сформульовано мету і задачі дослідження, показано
наукову новизну отриманих результатів, їх практичне значення, також
розглянуто питання апробації результатів дисертації та їх висвітлення у
друкованих працях.

У першому розділі проведено огляд та порівняльний аналіз існуючих
математичних моделей та методів обробки електрокардіосигналів, наведено
методи дослідження ЕКС та діагностичні ознаки, які використовуються в
автоматизованих системах діагностики стану серця, наведено
науково-технічні проблеми, які виникають під час автоматизованої
комп’ютерної обробки ЕКС. Враховуючи проведений огляду та аналіз,
сформульовано вимоги до нової математичної моделі електрокардіосигналу
та до методів його обробки, які і визначають напрямок дисертаційного
дослідження.

Розглянувши існуючі методи обробки електричних сигналів серця та їх
математичні моделі в автоматизованих комп’ютерних діагностичних
системах, сформульовано основні науково-технічні задачі дисертаційної
роботи. Проведено класифікацію відомих стохастичних та детермінованих
математичних моделей та методів обробки електрокардіосигналів, проведено
критичний аналіз можливості їх використання стосовно розв’язання задачі
визначення зонної часової структури ЕКС. Враховуючи факт циклічності,
стохастичності та наявності зонної часової структури
електрокардіосигналу, обґрунтовано необхідність врахування цієї
інформації для потреб його моделювання та обробки. Показано, що нова
математична модель електрокардіосигналу повинна відображати зонну часову
структуру ЕКС, враховувати його стохастичну, циклічну природу та
дозволяти проводити імітаційне моделювання його реалізацій.

Показано, що методи обробки ЕКС, які ґрунтуються на запропонованій
математичній моделі повинні проводити обробку ЕКС в часовій області, що
дозволить лікарю-діагносту оперувати ознаками захворювань, які
встановлені та досліджені в медицині. Крім цього, методи обробки повинні
адаптуватись під особливості реалізації ЕКС кожного пацієнта, що
дозволить певним чином усунути помилки в діагностиці, які обумовлені
дією завад технічного та біологічного походження на корисний сигнал.

У другому розділі, враховуючи факт стохастичності, циклічності та
фазової роботи серця, розроблено нову стохастичну, параметричну,
конструктивну математичну модель ЕКС у вигляді циклічного з періодичними
ймовірнісними характеристиками випадкового процесу для задачі визначення
зонної часової структури під час автоматизованої обробки
електрокардіосигналу в комп’ютерних діагностичних системах. Враховуючи
розроблену модель ЕКС, сформульовано математичну постановку задачі
визначення зонної часової структури сигналу та запропоновано підхід до
її розв’язання.

.

-й цикл серця:

. (1)

серцевих циклів.

Рис. 1. Схематичне зображення зонної часової структури реалізації ЕКС

— ої діагностичної зони для кожної зареєстрованої реалізації:

. (2)

.

)

:

. (3)

-му серцевому циклі буде визначатися:

. (4)

-му серцевому циклі буде визначатися:

. (5)

реалізації в першому серцевому циклі. Зонна часова структура
реалізації ЕКС відображає інформацію про ритм серця і використовується
лікарями-діагностами в клінічній практиці.

Оскільки кожен кардіоцикл ЕКС містить зони електричної активності (зони
P, Q, R, S, T) та зони електричного спокою, які відображає зонна часова
структура і які є важливими з точки зору діагностики, тому ця інформація
врахована в новій математичній моделі. При побудові стохастичної
математичної моделі враховано наступне:

Зонна часова структура ЕКС. Для цього в моделі використовується
детермінована індикаторна функція, оскільки на практиці проводять
обробку, лише однієї реалізації сигналу зареєстрованої в певному
відведенні (відведеннях), яку можна розглядати як детерміновану функцію.

Факт циклічності, оскільки кожна реалізація ЕКС має циклічну структуру,
тобто структуру в якій послідовність слідування діагностичних зон
зберігається та повторюється в кожному циклі серцевого скорочення,
відрізняється лише їх тривалість, амплітуда та форма, тому нова
математична модель, подана як випадковий процес з періодичними
ймовірнісними характеристиками. Таке припущення підтверджується тим
фактом, що статистична обробка реалізацій ЕКС зберігає статистичну
стійкість оцінок ймовірнісних характеристик через певний проміжок часу –
період.

Враховуючи сказане вище, стохастичну, параметричну, конструктивну
математичну модель ЕКС, яка враховує зонну часову структуру сигналу та
його стохастичну природу, в роботі подано у вигляді циклічного з
періодичними ймовірнісними характеристиками випадкового процесу:

(6)

-х діагностичних зон для кожного циклу серцевого скорочення;

, (7)

-м діагностичним зонам в кожному циклі серцевого скорочення приймають
значення рівні одиниці.

— нестаціонарні випадкові процеси:

, (8)

— стаціонарні випадкові процеси у широкому розумінні.

.

.

Для врахування циклічності (періодичності) досліджуваного випадкового
процесу в математичній моделі (6), покажемо як визначається часовий
півінтервал:

, (9)

— тривалість зони ЕКС, що відповідає цілому серцевому циклу (тривалість
кардіоциклу), тривалість якого рівна:

. (10)

найбільшої зони ЕКС, яка відповідає серцевому циклу, дорівнює
об’єднанню областей визначення дрібніших зон з яких він складається, і
які не перетинаються:

. (11)

-х циклів:

. (12)

.

У третьому розділі, враховуючи обґрунтовану математичну моделі ЕКС,
розроблено метод визначення зонної часової структури ЕКС, який
складається з методу виділення діагностичних зон та запропоновано
підходу до їх розпізнавання. Запропоновано нові класи діагностичних
ознак при проведенні розпізнавання виділених діагностичних зон.

З метою усунення завад технічного та біологічного походження, що
присутні в корисному сигналі, в роботі використано відомі методи
фільтрації сигналів (метод лінійного згладжування через три точки, метод
згладжування поліномом третього порядку через п’ять точок, метод
вилучення тренду шляхом підбору до даних полінома за методом найменших
квадратів), які проводять фільтрацію та вилучення тренду з ЕКС.

.

>

AE

O

¦ O a ?

1/4

.

0

2

4

6

8

:

< >

`

8 \ ¤ ¦ V

?

?????

A

`„

d?^„`„

d?`„

`„

*?+„-A.I/63?4-8uoooooooeaOeOeOeEEEOe3/43/43/4

b.dcccccccUUUUAAAA··UUUU

&

F

&

a$

`„?a$

j

°

Похожие записи