Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных биосигналов, характеризующих жизнедеятельность организма, является электро-кардиосигнал (ЭКС), который определяет все фазы сердечного цикла и поэтому привлекает столь пристальное внимание.
Извлечение максимума информации из регистрируемого ЭКС - задача врачебной и машинной диагностики, позволяющей в реальном времени анализировать отклонения формы сигнала от нормы, производить непрерывное слежение за ритмом сердцебиений и, в случае необходимости, генерировать сигнал тревоги.
Острота проблемы обработки ЭКС (особенно ЭКС плода) усиливается следующими обстоятельствами.
-
Наличие в канале регистрации ЭКС шумов и помех. Они проявляются особенно сильно в условиях длительной регистрации и двигательной активности, а также при записи абдоминального (с живота матери) электрокардиосигнала плода (ЭКСП).
-
Применение автоматизированных систем диагностики на базе персональных компьютеров (ПК) требует особо тщательной предварительной обработки ЭКС, очистки его от шумов, дрейфа изолинии, электромиограммы и других помех.
Подобная ситуация типична также для систем передачи и приема телеметрической информации, где источником сигнала является биосистема со спецификой, выражающейся, прежде всего, в априорной неопределенности параметров сигнала и помеховой ситуации. Целью решения задачи борьбы с помехами является синтез алгоритмов оптимального приема с учетом специфики канала и создания радиотехнических устройств, которые могут обеспечить высокую помехоустойчивость регистрации ЭКС в канале с помехами.
Во множестве работ, посвященных методам обработки ЭКС, основным средством борьбы с помехами считаются согласованные фильтры. Бесспорно, если идет речь только о выделении МО-
мента появления R-импульса ЭКС при наличии достаточно гладких, нормальных шумов, такой фильтр является наилучшим. Однако, во-первых, такая "идеализация" помех в реальном тракте приема не всегда оправдана, во-вторых, если требуется измерение нескольких параметров ЭКС или сохранение формы сигнала, необходимы фильтры с другими характеристиками.
Все это делает актуальным проведение теоретических и практических исследований методов обработки ЭКС, предложен-. ных в диссертационной работе. . .
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы являются разработка помехоустойчивых методов ре-I истрацик слабого ЭКС на фоне сильных помех и конструирование соответствующего устройства приема и обработки сигнала. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: '.'-'''..'.
1! Исследование ЭКС с учетом фиксации диагностически ценных признаков. Изучение и классификация помех и способов их устранения при приеме данного конкретного сигнала. Это проводится на основе литературно-патентных исследований, собственных экспериментов и должно отражать современное состояние вопроса обработки ЭКС (ЭКСП).
2. Сравнительным анализ эффективности эвристически:-, алгоритмов обнаружения ЭКС, работающих в реальном времени, которые часто применяются в клинической практике. Для этого анализа должна использоваться модель ЭКС, которая формируется на основе изучения характеристик сигнала и помех.
3.'Разработка алгоритмов цифровой фильтрации ЭКС. базирующихся на статистических свойствах сигнала и помех с учетом формы сигнала, применение коюрых обеспечивает увеличение отношения с/п.
.4. Теоретическое обоснование и практическая реализация в : виде программы для микроконтроллера или ОЭВМ метода повы-
шения достоверности измерения частоты сердечных сокращении (ЧСС), основанного на статистических свойствах ЧСС и помех.
5. Создание специализированного высокочувствительною кардномоннтора матери и плода (КМП), сопряженного с персональным компьютером (ПК).
Методы исследования. При работе над диссертацией были использованы теория обнаружения сигналов, метод фильтрации случайных процессов по Калману-Быосси и метод математической морфологии. При моделировании использовались язык высокого уровня Turbo Pascal, объектно-ориентированная библиотека Turbo Vision, а также специальное приложение Turbo -_ Professional.
Научная новизна диссертации определяется решением по-' ставлеиноГ научно-технической задачи, заключающимся в разработке алгоритмов цифрової! фильтрации ЭКС с учетом статисти- . :<н сигнала и помех и формы ЭКС. разработкой адаптивных фильтров ЭКС и методики их оптимизации по критерию максимума с/п при допустимой ве шчине искажений cm н.па. разраГнн-кой логической системы повышении достоверности измерения па- . раметро» ЭКС.
Новыми наушыми результатами являются:
уточненная модель ЭКС и сопутствующих помех путем vie1 . та ЭКС матери при регистрации ЭКС плода;
предложенная методика сравнения и оценки фильтрующих-' свойств алгоритмов обнаружения ЭКС. применяемых а'к'лимпче--січ'ой практике:
алгоритмы и проірамми, реализующие. ' фильтр/Кал- ' мана-Быосси (ФКБ) и морфотої пческий фильтр (МФ) для:'обра-' богки ЭКС. и процедура отими «ший парамеїров фильтров (работоспособность данных алгоршмов была проверенл па pi.-., алыюм ЭКС): ,-..-.
теоретическое обоснование метода повышения дрстовер-юсти измерения частоты сердечных сокращений и разработка соответствующих программ;
экспериментальная проверка сделанных теоретических предположений и целесообразности применения предложенных методов обработки ЭКС.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что полученные результаты позволяют проектировать и реализовывать ФКБ и МФ, ориентируясь на пределы изменения исходных параметров данных фильтров, что сокращает процедуру оптимизации их параметров.
Предложенные методы целесообразно применять для фильтрации ЭКС и других аналоговых сигналов с ограниченным спектром.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в НИР и ОКР, что удостоверяется актом о внедрении. В результате был разработан КМП, представляющий собой защищенный от помех тракт приема, обработки ЭКС и вывода частоты сердечных сокращений (рнтмограммы) на экран ПК. КМП прошел лабораторную и клиническую проверку.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 47 (янв. 1994 г.), 48 (февр. 1995 г.) и 49 (янв. 19*6 г.) НТК просреесор-ско-лреподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.
Основные положения, выносимые на зашиту:
- сформированная модель сигнала и помех адекватна реаль
ной помехозон ситуации при регистрации ЭКС;
- наіі.ісіі наилучший алгоритм цифрового обнаружения ЭКС
.пч числа лірпсгичеіких по критерию максимального отношения
с/ш: ....
примененные алгоритмы цифровой фильтрации ЭКС, основанные на использовании ФКБ и МФ, позволяют получить существенное снижение помех и адаптировать параметры указанных фильтров к условиям приема;
предложенная методика оптимизации параметров ФКБ и МФ позволяет осуществить поиск наилучшего фильтра по критерию миннм\ма среднеквадратичной ошибки;
теоретически обоснованный метод логического анализа ре-«ульгатов обнаружен!..- повышает достоверность измерения час-готы сердечных сокращений;
скопе груироваи КМП, включающий в себя тракт предварительной обработки ЭКС и устройство цифровой обработки ЭКС на основе ПК с соответствующим программным обеспечением, о глпчаюшнйся повышенной помехоустойчивостью.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состо-:і; їп изеления. пяти разделов, заключения списка литературы и двенадцати приложений. Работа содержит 113 страниц машинописного, текста. 118 рисунков и 16 таблиц, список литературы -158 наименований. Общий .объем диссертационной работы - 236 страниц/.
