Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Кривоногов Леонид Юрьевич. Методы и алгоритмы помехоустойчивой обработки электрокардиографической информации : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.01 : Пенза, 2003 231 c. РГБ ОД, 61:04-5/693-8

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Помехоустойчивые методы обработки

электрокардиографической информации 11

1.1. Биоэлектрические сигналы, их структура и

информативные параметры 12

  1. Структура, особенности, статистические и спектральные характеристики ЭКС 15

  2. Анализ и систематизация помех, возникающих при получении и обработке ЭКГ информации 21

  3. Анализ методов повышения помехозащищенности

САОЭКС 30

1.5. Обзор методов распознавания ЭКС 33

Основные результаты и выводы 48

Глава 2. Разработка структурно-интегрального метода

распознавания ЭКС и реализующих его алгоритмов 49

  1. Обоснование целесообразности применения укрупненного структурного подхода к распознаванию ЭКС 50

  2. Разработка формального описания ИКИ в рамках укрупненного структурного подхода к распознаванию ЭКС ...53

  3. Разработка методики и критериев для исследования алгоритмов обнаружения и распознавания ИКИ 58

  4. Разработка структурно-интегрального метода распознавания ЭКС 65

2.5. Разработка и исследование алгоритмов, реализующих

структурно-интегральный метод распознавания ЭКС 75

Основные результаты и выводы 91

Глава 3. Разработка структурно-рангового метода

распознавания ЭКС и реализующих его алгоритмов 93

  1. Обоснование и разработка структурно-рангового метода распознавания ЭКС 93

  2. Разработка и исследование структурного корреляционно-рангового алгоритма распознавания ЭКС 111

  3. Разработка и исследование алгоритма распознавания ЭКС

на основе бинарного квантования дискретных разностей 126

3.4. Сравнительный анализ алгоритмов обнаружения

элементов ИКИ 131

3.5. Перспективы дальнейшего совершенствования

ранговых алгоритмов обнаружения и распознавания ЭКС 133

Основные результаты и выводы 137

Глава 4. Практическая реализация разработанных методов и

алгоритмов автоматической обработки ЭКС 138

  1. Систематизация САО ЭКС 139

  2. Разработка и анализ обобщённых структурных схем

САО ЭКС для работы в реальном времени 143

  1. Схемотехнические решения узлов кардиомониторов, защищенные авторскими свидетельствами и патентами 149

  2. Разработка и внедрение САО ЭКС, работающих в

реальном времени 161

4.5. Разработка портативных САО ЭКС 176

Основные результаты и выводы 184

Заключение 186

Перечень сокращений 188

Список использованных источников 190

Приложение А. (Листинги разработанных программ) 205

Приложение Б. (Документы, подтверждающие внедрения) 220

Введение к работе:

1^ Актуальность работы. Борьба с заболеваниями сердечно-сосудистрй

системы, занимающими первое место по числу смертельных исходов, явля-. ется одной из наиболее важных задач современной медицины. Прогресс в этом направлении может быть достигнут за счет привлечения в медицину новых диагностических средств, созданных на основе применения теории информации и анализа биотехнических систем, цифровой обработки сигналов, измерительной техники, а также последних достижений микрокомпьютерных и информационных технологий. Для своевременного выявления, предупреждения и лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы широко

v используется информация, полученная в результате автоматической обработ-

ки ее физического носителя — электрокардиосигнала (ЭКС).

Основными этапами получения и обработки электрокардиографиче
ской (ЭКГ) информации являются: обнаружение и распознавание информа
тивных кардиоимпульсов (ИКИ), измерение амплитудно-временных пара
метров (АВП) сигнала, принятие диагностических решений. Выполнение пе
речисленных операций обеспечивается средствами автоматической обработ
ки электрокардиосигнала (кардиомониторами), которые в комплексе с био-
^ объектом образуют биотехническую систему (БТС). Отдельные элементы

этой системы обладают разнообразными взаимными связями, поэтому ее исследование необходимо проводить на базе системного анализа сложных прикладных объектов.

Основой современных методов автоматической обработки электрокар
диосигнала является обнаружение информативных кардиоимпульсов на фоне
помех, то есть определение их временного положения. Информация, полу
ченная при этом, используется для дальнейшей обработки и измерения пара-
4й метров электрокардиосигнала с целью принятия диагностических решений, а

также для решения задач биоуправления (синхронизации кардиоуправляемых приборов).

5
Для принятия диагностических решений при автоматической обработке
электрокардиосигнала (в том числе, при анализе сердечных аритмий) необ-
^ ходима информация не только о длительностях кардиоциклов (R-R интер-

валов), но и о форме кардиоимпульсов, при этом наиболее важно определить, является ли очередной импульс нормальным (типичным) или патологическим.

Обнаружение и распознавание формы кардиоимпульсов осложняется
их изменчивостью и многообразием (особенно при различных патологиях
сердечно-сосудистой системы), а также наличием помех, различных по сво
ему происхождению, интенсивности, спектральному составу и функциям
^, распределения. В некоторых случаях (при длительном исследовании электро-

кардиосигнала в режиме свободной двигательной активности, нагрузочных пробах, кардиостимуляции, передаче сигнала по различным каналам связи) эти помехи могут превышать уровень полезного сигнала в несколько раз. Поэтому получение достоверной диагностической информации при автоматической обработке электрокардиосигнала требует применения системного подхода, заключающегося в учете взаимного влияния функциональных подсистем общей биотехнической системы.

Большой вклад в теорию и практику автоматической обработки элек-трокардиографической информации и принятия диагностических решений, внесли российские ученые А.П. Немирко, А.И. Калиниченко, Л.А. Манило, В.М. Колтун, В.А. Калантар, СВ. Селищев, Л.И. Титомир, а также зарубежные специалисты J. Pan, W. Tompkins, Н. Wan, J.P. Cammorota, A. Akin, E. Skordalakis, P. Trahinias и другие.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые за более чем сорокалетнюю историю автоматического анализа электрокардиографической информации, остаются вопросы, требующие дополнительной проработки. К ним относятся обнаружение и распознавание кардиоимпульсов в условиях интенсивных помех и нестабильности информативного сигнала. Подавляющее большинство существующих методов и средств обработки электро-

кардиосигнала не предназначено для работы в условиях интенсивных помех
(при отношении сигнал/помеха менее 10 дБ). В таких ситуациях кардиомони-
*V' торы либо прекращают исследование и информируют пользователя о недо-

пустимом уровне помех, либо имеют низкую эффективность.

Все это дает достаточно оснований для утверждения, что разработка новых помехоустойчивых алгоритмов обнаружения и распознавания кардио-импульсов и создание систем автоматической обработки электрокардиографической информации на их основе являются актуальными задачами современной медицинской промышленности.

Цель работы - создание помехоустойчивых методов и алгоритмов об-
Ц\ работки электрокардиографической информации и разработка кардиомони-

торов, обеспечивающих принятие решений в реальном масштабе времени.

Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1) анализ и систематизация помех, возникающих при получении и обработ
ке электрокардиографической информации;

2) анализ и систематизация методов обнаружения и распознавания инфор
мативных кардиоимпульсов с точки зрения повышения помехоустойчиво
го сти кардиомониторов;

  1. разработка новых методов и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности распознавания кардиоимпульсов в условиях интенсивных помех;

  2. разработка методики и критериев для сравнительного исследования эффективности алгоритмов распознавания информативных кардиоимпульсов;

5) разработка алгоритма принятия диагностических решений, основанного
4*- на обработке информации о форме и периодичности следования кардио
импульсов;

7 6) создание на основе предложенных методов и разработанных алгоритмов технических средств для автоматической обработки электрокардиографической информации в реальном масштабе времени.

Методы исследования. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена на базе методов непараметрической статистики, теории сигналов и распознавания образов, алгебры логики. Результаты исследований получены в программных средах Microsoft Excel, Matlab-Simulink и Delphi.

Научная новизна работы

1. Систематизированы помехи, возникающие при получении и обработке электрокардиографической информации, и проведен сравнительный анализ методов распознавания информативных кардиоимпульсов, на основе чего определены пути повышения их помехоустойчивости. . 2. Предложен укрупненный структурный подход к обработке электрокардиографической информации в условиях интенсивных помех, в рамках которого разработаны структурно-интегральный и структурно-ранговый методы распознавания информативных кардиоимпульсов.

  1. На основе структурно-интегрального метода разработан и исследован помехоустойчивый структурно-интегральный скользящий алгоритм распознавания информативных кардиоимпульсов, основанный на разложении сигнала по дискретным функциям Уолша и отличающийся высокой скоростью обработки электрокардиосигнала.

  2. В рамках структурно-рангового метода распознавания информативных кардиоимпульсов разработаны и исследованы структурный корреляционно-ранговый алгоритм, отличающийся повышенной помехоустойчивостью, и алгоритм бинарного квантования дискретных разностей сигнала, имеющий простую техническую реализацию.

  3. Создан комплексный алгоритм принятия диагностических решений, основанный на обработке информации о форме и периодичности следования кардиоимпульсов и обеспечивающий обнаружение наиболее распространенных и опасных нарушений сердечного ритма.

8
6. Разработаны схемотехнические и программные решения, реализующие
предложенные методы и алгоритмы распознавания кардиоимпульсов, на
v} базе которых создан ряд помехоустойчивых средств автоматической об-

работки электрокардиографической информации, обеспечивающих работу в реальном масштабе времени.

Практическое значение диссертации. В работе обобщены проведен
ные при непосредственном участии автора в Пензенском государственном
университете теоретические исследования, способствующие решению науч
но-технической проблемы создания методов и средств автоматической обра
ботки электрокардиографической информации. Практические результаты
,г диссертации получены в ходе выполнения министерской программы «Новая

медицинская техника», хоздоговорных и госбюджетных НИР и ОКР, в которых автор являлся ответственным исполнителем. На основе предложенных в диссертации алгоритмов был изготовлен и внедрен ряд средств автоматической обработки электрокардиосигнала.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использованы при создании средств автоматической обработки электрокардиосигнала и внедрены в практику и учебный процесс в Пензенском государственном университете. Ре-

-ft

зультаты диссертации в виде алгоритмов и технических средств внедрены на предприятиях городов Пензы и Кузнецка. Всего представлено 9 актов внедрения результатов работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Структурно-интегральный метод распознавания электрокардиосигнала и реализующий его структурно-интегральный скользящий алгоритм, основанный на разложении сигнала по дискретным базисным функциям Уол-ша и обеспечивающий высокую скорость обработки информации.

  2. Структурно-ранговый метод распознавания электрокардиосигнала и алгоритмы на его основе: структурный корреляционно-ранговый алгоритм, отличающийся повышенной помехоустойчивостью, и алгоритм бинарного

9 квантования дискретных разностей сигнала, имеющий простую техническую реализацию.

  1. Методика и система критериев для исследования эффективности алгоритмов автоматической распознавания и обнаружения информативных кар-диоимпульсов.

  2. Комплексный алгоритм принятия диагностических решений, основанный на обработке информации о форме и периодичности следования кардио-импульсов и позволяющий обнаружить наиболее распространенные и опасные нарушения сердечного ритма.

  3. Схемотехнические и программные решения, реализующие разработанные алгоритмы и обеспечивающие работу кардиомониторов в реальном масштабе времени.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на конгрессах и конференциях различного уровня, а именно: всесоюзной НТК «Актуальные вопросы применения радиоэлектроники в медицине» (г. Москва-Куйбышев, 1988 г.); международных НТК «Диагностика, информатика, метрология-95», «ДИМЭБ-96» (г. Санкт-Петербург, 1995, 1996 гг.); научной сессии МИФИ-98 (г. Москва, 1998 г.); международных симпозиумах «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (г. Пенза, 1997, 1998 гг.); НТК «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» (г. Барнаул, 1997 г.); IV Всесоюзном съезде кардиологов (г. Пенза, 1991 г.); II и III международных конгрессах «КАРДИОСТИМ» (г. Санкт-Петербург, 1995, 1998 гг.); XI научных чтениях памяти акад. Н.Н. Бурденко (г. Пенза, 1998 г.); НТК «Медико-технические технологии на страже здоровья» (г. Геленджик, 2000 г.); международной НТК «Биомедприбор 2000» (г. Москва, 2000 г.); международной НТК «Измерения 2000» (г. Пенза, 2000 г.); IV международном симпозиуме «Надежность и качество 2001» (г. Пенза, 2001 г.); IV международной НТК «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» (г. Москва, 2001 г.).

10 Публикации. По материалам диссертации опубликованы 54 печатные работы, в том числе 4 авторских свидетельства на изобретения, 2 патента РФ и свидетельство на полезную модель. Исследования и разработки отражены в 4 отчетах о НИР и ОКР. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 16 научно-технических и медицинских конференциях, симпозиумах, съездах и конгрессах различного ранга, в том числе на 10 международных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы из 147 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 204 страницы основного текста, включая 55 рисунков и 17 таблиц. Приложения содержат листинги программ и материалы, подтверждающие внедрение результатов работы.

Подобные работы
Котельников Борис Викторович
Методы и алгоритмы обработки информации для автоматизированных систем диагностики электрооборудования электрических станций
Авшалумов Александр Шамаилович
Методы и алгоритмы обработки информации в условиях неоднородности данных
Гайнуллин Марат Фаритович
Алгоритмы и методы обработки информации в системах контроля качества процессов крашения
Малевинский Михаил Федорович
Математические методы и алгоритмы обработки информации при идентификации динамических систем
Поленова Юлия Евгеньевна
Разработка методов и алгоритмов обработки информации на основе совместного использования пространственных, временных и частотных параметров сигналов
Штыков Роман Александрович
Методы и алгоритмы обработки информации для оперативного управления тепловыми сетями промышленных предприятий
Хураськин Игорь Анатольевич
Методы и алгоритмы обработки визуальной информации для создания виртуального окружения тренажерных комплексов
Кудряшов Максим Юрьевич
Спектрально-временные методы и алгоритмы обработки звуковой информации
Сердюков Юрий Павлович
Методы и алгоритмы обработки сигналов, повышающие скорость передачи информации
Шер Арнольд Петрович
Исследование тестовых методов диагностики и разработка на их основе алгоритмов обработки океанологической информации для задач рыбопромыслового прогнозирования

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net