Удосконалені методи та засоби економного кодування електрокардіосигналів для моніторних телемедичних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 004.627+616.12-073.7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕНІ МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ЕКОНОМНОГО КОДУВАННЯ ЕЛЕКТРОКАРДІОСИГНАЛІВ ДЛЯ МОНІТОРНИХ ТЕЛЕМЕДИЧНИХ СИСТЕМ

05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

НАСЕДКІН КОСТЯНТИН ВОЛОДИМИРОВИЧ

ХАРКІВ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Шульгін В'ячеслав Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, доцент кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Злепко Сергій Макарович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри проектування медико-біологічної апаратури;

кандидат технічних наук, доцент Філатова Ганна Євгенівна, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, доцент кафедри обчислювальної техніки та програмування.

Захист відбудеться “12” лютого 2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “26” грудня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розробка телемедичних моніторних систем є одним з пріоритетних напрямів розвитку медичної техніки у всьому світі. Актуальність розвитку даної галузі медицини в Україні обумовлена великою територією країни, відсутністю висококваліфікованих лікарів та апаратури в сільській місцевості. Крім того, застосування телемедичних моніторних систем для контролю над станом пацієнтів дозволить знизити навантаження на лікарняні стаціонари, оскільки постійне або періодичне спостереження за життєво важливими параметрами пацієнта може виконуватися поза спеціалізованими установами, і у разі виникнення критичних ситуацій дозволяє миттєво реагувати на них.

Однією з проблем у телемедичних системах є передача великої кількості даних по каналах зв'язку. Якщо для систем із періодичним (фрагментарним) контролем передача даних може бути виконана у відкладеному часі, то для систем з безперервним контролем передача даних має здійснюватися в реальному часі. Ця проблема може бути вирішена двома способами: збільшенням пропускної здатності каналів зв'язку або стиском даних. Застосування першого способу призводить до необхідності використання дорожчого устаткування і в деяких випадках просто є неможливим.

Стиск даних дозволяє знизити обсяг інформації, що передається. Крім того, стиск дає можливість істотно знизити вартість використання каналів зв'язку і вартість зберігання даних. Для ефективного стиску сигналів необхідно створювати спеціалізовані методи, які призначені для стиску саме цього типу сигналів. Універсальні методи мають істотно нижчу ефективність, оскільки в них не враховані апріорні дані про сигнал. Найбільша кількість даних у моніторних телемедичних системах припадає на ЕКГ сигнали. Створення високоефективних методів стиску ЕКГ сигналу дозволить знизити вимоги до необхідної швидкості каналів передачі даних і вартість передачі даних.

Таким чином, удосконалення та розробка методів економного кодування даних, що мають високу ефективність стиску і дають можливість знизити витрати на зберігання і передачу біомедичних сигналів, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи отримані автором у період з 1997 по 2007 рр. у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського на кафедрі проектування радіоелектронних систем літальних апаратів і Науково-технічному центрі радіоелектронних приладів і технологій відповідно до плану щодо держбюджетної теми №Г-504-38/00 (державний реєстраційний номер 0100U003447) “Дослідження нових методів математичної обробки, аналізу і інтерпретації зображень при багатоканальному дистанційному зондуванні з аерокосмічних носіїв, систем спеціального призначення, включаючи медичні діагностичні системи і комплекси”, згідно з планом госпдоговірних тем НТЦ-110/99, НТЦ-23/01 і НТЦ-51/01 та контрактом з Інститутом комп'ютерної техніки ETH (Цюрих, Швейцарія).

Мета і задачі дисертаційного дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення та розробка методів і засобів економного кодування електрокардіосигналів для моніторних телемедичних систем. Для виконання поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз методів стиску ЕКГ сигналів;

- розробити параметричну модель ЕКГ сигналу;

- розробити метод стиску одноканального ЕКГ сигналу на основі критеріїв ефективності й якості відновлення;

- розробити метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу на основі просторової моделі ЕКГ сигналу;

- провести експериментальне дослідження залежності якості відновлення ЕКГ сигналу від ефективності стиску розроблених методів.

Об'єкт дослідження - процес зберігання та передачі цифрових біомедичних сигналів у телемедичних моніторних системах.

Предмет дослідження - високоефективні методи економного кодування одно- та багатоканальних ЕКГ сигналів для телемедичних моніторних систем.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи були використані: методи синтезу оптимальних систем за наявності й відсутності апріорної інформації для формування параметричної моделі ЕКГ сигналу; метод динамічної часової деформації (динамічного програмування) для моделювання параметрів ЕКГ сигналу; метод аналізу незалежних компонент для зниження розмірності багатоканального ЕКГ сигналу і перетворення каналів у статистично незалежні компоненти; методи комп'ютерного моделювання і обробки даних для аналізу залежності якості відновлення від ефективності стиску.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше отримано параметричну модель PQRST комплексу ЕКГ сигналу, яка основана на критеріях діагностичності, що дозволило істотно знизити похибку довготривалого передбачення ЕКГ сигналу;

- вдосконалено метод стиску одноканального ЕКГ сигналу, який оснований на довготривалому передбаченні з використанням кодової книги класів, що дозволило підвищити ефективність стиску в порівнянні з існуючими методами;

- вдосконалено метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу з використанням попереднього перетворення багатоканального сигналу в статистично незалежні компоненти, що дало можливість знизити обсяг початкових даних і використовувати незалежне поканальне кодування без втрати ефективності.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості знизити обсяг ЕКГ сигналу при його передачі та зберіганні в телемедичних моніторних системах і, отже, знизити вартість передачі та зберігання даних.

Результати роботи впроваджено:

- у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” у комплексі холтерівського моніторингу КАРДІОСЕНС, електрокардіографічному комплексі КАРДІОЛАБ і телемедичному моніторі ІМОН (акт впровадження від 18.05.2007 р.). Комплекси КАРДІОСЕНС та КАРДІОЛАБ пройшли державні випробування та дозволені для застосування в медичній практиці (свідоцтва про державну реєстрацію №6507/2007 від 31.05.2007 р. і №6037/2007 від 26.01.2007 р.). Комплекси також мають сертифікати затвердження типу засобів вимірювальної техніки (№UA-MI/1p-1203-2002 від 01.08.2002 р. і №UA-MI/1p-1168-2004 від 19.05.2004 р.) і сертифікати відповідності засобів вимірювальної техніки затвердженому типу (№UA-MI/1p-1892-2006 від 05.04.2006 р. та №UA-MI/1p-1890-2006 від 05.04.2006 р.);

- на дочірньому підприємстві ВАТ “АТ НДІ радіотехнічних вимірювань” фірми “Радмір” при атестації моніторних телемедичних систем (акт впровадження від 01.06.2007 р.);

- на кафедрі біотехнічних систем Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (акт впровадження від 31.05.2007 р.) у НДР та навчальному процесі;

- у Запорізькому державному медичному університеті (акт впровадження від 25.05.2007 р.) при виконанні НДР;

- в Інституті медицини праці АМН України при виконанні наукових тем ВК.35.04 номер держреєстрації 01.04 U 003080 та ВК.30.03 номер держреєстрації 01.03 U 000642 (акт впровадження від 29.05.2007 р.);

- на факультеті фундаментальної медицини Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна при виконанні наукової теми №0103U004222 (акт впровадження від 04.06.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі результати роботи отримані автором самостійно. Роботи [1, 3] написані самостійно. У них проведено аналіз методів стиску з втратами інформації і досліджено можливість застосування комбінованих вейвлет-перетворень для підвищення якості стиску.

У публікаціях, які були написані у співавторстві, авторові належить: дослідження впливу попередньої обробки на ефективність стиску [2]; метод стиску ЕКГ сигналу на основі параметричної моделі PQRST комплексу [4, 10, 13]; метод попередньої обробки багатоканального ЕКГ сигналу [5, 7, 14]; розробка апаратної частини та методів стиску комплексу КАРДІОСЕНС [6]; метод усунення материнської ЕКГ на основі параметричної моделі ЕКГ сигналу [8]; розробка апаратної частини системи КАРДІОЛАБ [9]; метод стиску ЕКГ сигналу без втрат [11]; розробка апаратної частини комплексу НЕЙРОЛАБ [12]; розробка апаратної частини та методів стиску інтелектуального телемедичного монітора [16].

Автором розроблені апаратні частини комплексу кардіографічного холтерівського моніторингу КАРДІОСЕНС, електрокардіографічного комплексу КАРДІОЛАБ і телемедичного монітору ІМОН, а також програмне забезпечення систем, яке пов'язане зі стиском ЕКГ сигналів для їх зберігання та передачі по каналах зв'язку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень були апробовані на таких науково-практичних конференціях: “Актуальні проблеми курортології та медичної реабілітації” (1999 р., м. Хмільник); “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні” (2001, 2002, 2004 и 2006 рр., м. Харків); “Інформаційні технології в охороні здоров'я та практичній медицині” (2001 р., м. Київ); “Electronika w sluzbie medycyny” (2001 р., м. Варшава, Польща); “Комп'ютерна медицина 2004” (2004 р., м. Харків).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 16 наукових робіт. Серед них 8 у збірниках наукових робіт (7 з них у збірниках, які входять до переліку ВАК), 8 тез і доповідей на міжнародних конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 113 найменувань на 11 сторінках і 5 додатків (на 21 сторінці). Загальний обсяг роботи - 170 сторінок, зокрема 133 сторінки тексту, 72 рисунки, 3 таблиці.

Основний зміст роботи

цифровий сигнал телемедичний канал

Вступ до дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дисертаційного дослідження; наукову новизну отриманих результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень, методів і рекомендацій; практичне значення отриманих результатів; особистий внесок здобувача; інформація про апробації та публікації.

У першому розділі проведено огляд телемедичних моніторних систем, показано необхідність і доцільність використання стиску ЕКГ сигналу для зниження вимог до пропускної здатності каналів зв'язку і зниження вартості передачі та зберігання даних.

Проведено аналіз критеріїв ефективності стиску: коефіцієнта стиску, швидкості стислого сигналу та швидкості потоку даних за секунду і визначено, що мірою ефективності стиску, не залежної від початкових характеристик сигналу (частоти дискретизації й кількості рівнів квантування), є швидкість потоку даних стислого сигналу за секунду. Оскільки при стиску цифрових сигналів найбільшої ефективності можна досягти тільки при стиску з втратами даних, зроблено огляд мір якості відновлення початкового сигналу.

Було проаналізовано існуючі методи стиску ЕКГ сигналу та визначено три основні категорії методів: методи прямого стиску, методи стиску перетворень і методи, що основані на моделюванні ЕКГ сигналу.

Проведений аналіз методів економного кодування ЕКГ сигналу показав, що існуючі методи стиску не мають достатню ефективність при низькій похибці відновлення початкового сигналу. Крім того, всі методи стиску багатоканального ЕКГ сигналу працюють як сукупність методів стиску одноканального ЕКГ сигналу.

Усе перераховане вище визначило напрямок досліджень - удосконалення та розробка високоефективних методів і засобів стиску одно- та багатоканальних ЕКГ сигналів, основаних на всіх апріорних відомостях про сигнал.

У другому розділі дисертаційної роботи розроблено метод стиску ЕКГ сигналу, що оснований на критеріях ефективності й якості відновлення. Для методу стиску було розроблено параметричну модель ЕКГ сигналу, яка базується на критеріях “діагностичності”.

Було визначено модель ЕКГ сигналу як “квазіперіодичного” сигналу, що складається з послідовностей PQRST комплексів з відстанню між комплексами та параметрами PQRST комплексу, які змінюються при кожному серцевому скороченні. Висока кореляція між сусідніми відліками PQRST комплексу дозволяє використовувати для його стиску лінійне передбачення (1), а високі значення кореляції між PQRST комплексами ЕКГ сигналу дозволяють використовувати для його стиску довготривале передбачення (2).

,(1)

де - передбачений відлік сигналу;

a = ( a₁, a₂, ..., a_M ) - коефіцієнти лінійного передбачення;

M - порядок передбачення;

,(2)

деб = ( б₁, б₂, ..., б_M ) - затримки довготривалого передбачення.

При стиску сигналу із застосуванням лінійного або довготривалого передбачення проводиться стиск сигналу похибки між реальними і передбаченими відліками . Оскільки ентропія похибки набагато менше ентропії сигналу, то для її уявлення може бути використана менша кількість бітів.

Другою властивістю ЕКГ сигналу є наявність у сигналі декількох типів як нормальних, так і аномальних PQRST комплексів. Наявність різних видів PQRST комплексів збільшує похибку довготривалого передбачення і знижує ефективність стиску.

Для довготривалого передбачення ЕКГ сигналу, що містить декілька типів PQRST комплексів, було прийнято рішення використовувати довготривале передбачення на основі кодової книги класів, при якому кожен PQRST комплекс передбачається на основі зваженої суми “схожих” комплексів.

Розкид параметрів PQRST комплексів щодо представника кодової книги класів впливає на точність передбачення ЕКГ сигналу і, отже, на ефективність стиску.

Для мінімізації похибки передбачення була розроблена параметрична модель ЕКГ сигналу

,(3)

деPM(...)- параметрична модель; C_k - представник кодової книги класів;

p_i - параметри моделі.

Було визначено набір параметрів p параметричної моделі PQRST комплексу на основі зваженої діагностичної похибки (4) і аналізу розкиду параметрів PQRST комплексів щодо представника кодової книги класів: часове положення R піку; тривалість QRS комплексу; амплітуда R, S, Q, P і T піків; часовий зсув P і T піків.

,(4)

дев = ( в₁, в₂, ..., в_p ) - набір діагностичних критеріїв ЕКГ сигналу;

- набір відновлених діагностичних критеріїв;

в_i - діагностичний критерій ЕКГ сигналу;

?в = ( ?в₁, ?в₂, ..., ?в_p ) - нормалізований вектор відмінностей діагностичних критеріїв;

Л - діагональна матриця ваг.

Для розрахунку параметрів моделі та мінімізації похибки довготривалого передбачення необхідно вирішити систему рівнянь

,(5)

деE - похибка довготривалого передбачення між X_i (сегмент початкового сигналу) та (сегмент передбаченого сигналу з використанням параметричної моделі (3)). На основі аналізу фізіології ЕКГ сигналу було зроблено припущення про статистичну незалежність параметрів моделі. Аналіз ЕКГ сигналу методом аналізу незалежних компонент (АНК) підтверджує статистичну незалежність хвиль PQRST комплексу. Це дозволяє вирішити систему рівнянь (5) непрямим методом, не виконавши мінімізацію похибки в цілому, а мінімізувавши її за кожним параметром моделі незалежно один від одного. Для запропонованої параметричної моделі ЕКГ сигналу були розроблені функції моделювання параметрів моделі та спосіб розрахунку параметрів.

Моделювання часових параметрів моделі PQRST комплексу здійснюється методом динамічної часової деформації. Оскільки для досягнення максимальної ефективності стиску необхідно, щоб модель описувалася мінімальною кількістю бітів, був визначений набір функцій, що описуються всього однією змінною для кожного параметра моделі.

Моделювання часового положення, ширини і амплітуди QRS комплексу здійснюється згідно з виразами (6), (7) і (8) відповідно:

,(6)

деC_k - початковий представник кодової книги класів (PQRST комплекс);

- модельований за параметром PQRST комплекс;

,(7)

деt_QRS (m) = t-_QRS (m) для QRS комплексу зліва від R піка;

t_QRS (m) = t⁺_QRS (m) для QRS комплексу справа від R піка;

(8)

Параметр у виразі (6) визначає часовий зсув QRS комплексу. Функції t-_QRS (m) і t⁺_QRS (m) у виразі (7) - це кусково-ламані функції, що моделюють ширину QRS комплексу зліва і справа від R піка і описуються параметрами та відповідно. Моделювання амплітуди QRS комплексу описується параметрами та (8), для позитивних і негативних піків QRS комплексу.

Моделювання часового зсуву і амплітуди P піка уявляється виразами (9) та (10):

,(9)

(10)

Функція моделювання ширини P піка t_P (m) описується параметром , а моделювання амплітуди - параметром .

Моделювання ширини і амплітуди T піка відбувається аналогічно P піку за виразами (11) і (12). Функція t_T (m) (11) описується параметром .

,(11)

(12)

Було виконано дослідження запропонованої параметричної моделі PQRST комплексу і порівняння її зі звичайним методом довготривалого передбачення. При параметричному моделюванні PQRST комплексу похибка передбачення зменшується в 5-10 разів у порівнянні з існуючими методами, що дозволяє використовувати для її кодування меншу кількість бітів.

Було визначено метод розрахунку параметрів моделі PQRST комплексу. На підставі аналізу залежності похибки передбачення від значення параметра моделі було визначено, що дана залежність має майже постійну другу похідну. Це дозволило апроксимувати її поліномом з кінцевим числом членів:

.(13)

Для визначення оцінки параметра , для якого похибка передбачення набуває мінімального значення, необхідно знайти нульове значення першої похідної виразу (13):

.(14)

Для розрахунку параметра необхідно розрахувати значення похибки передбачення тільки в трьох точках: p₀, ( p₀ + ? ) та ( p₀ - ? ):

.(15)

З використанням розробленої моделі PQRST комплексу було запропоновано модифікований метод стиску одноканального ЕКГ сигналу, а також спосіб кодування похибки передбачення методом аналізу через синтез.

Використання методу аналізу через синтез дозволяє відновлювати ЕКГ сигнал зі заздалегідь заданою похибкою відновлення, а у разі достатнього точного передбачення зменшити кількість бітів, необхідних для уявлення похибки передбачення. Крім того, у разі невідповідності сигналу параметричної моделі відбудеться тільки зниження ефективності стиску, а не втрата діагностичних даних. Кодер похибки включає в себе фільтрацію ФНЧ зі змінною частотою зрізу залежно від сегмента сигналу, проріджування, скалярне квантування та ДКІМ. Зміною частот зрізу фільтра і рівнем квантування можна змінювати кількість бітів для уявлення похибки передбачення і, отже, впливати на ефективність стиску і точність відновлення початкового сигналу.

Для розробленого методу стиску було визначено кількість бітів (табл. 1) для уявлення параметрів моделі ЕКГ сигналу та похибки передбачення.

Таблиця 1 Розподіл бітів при кодуванні одноканального ЕКГ сигналу

Позначення	Найменування	Кількість бітів
TQRS	Часове положення QRS комплексу	9
k	Номер представника кодової книги класів	3
	Часовий зсув R піка	4
	Часовий масштаб QRS комплексу	4
	Часовий масштаб QRS комплексу	4
	Амплітудний масштаб позитивних піків QRS комплексу	4
	Амплітудний масштаб негативних піків QRS комплексу	4
	Часовий зсув P піка	3
	Амплітудний масштаб P піка	3
	Часовий зсув T піка	3
	Амплітудний масштаб T піка	3
bpPQRST	Кількість бітів для уявлення PQRST комплексу	44
CRi	Кількість бітів для кодування похибки на інтервалі між двома R піками	1…500
BR	Кількість бітів для уявлення 1с ЕКГ	30…632

Розглянуто методи кодування нерегулярного сигналу. Наведено схему декодування початкового сигналу.

У третьому розділі дисертаційної роботи запропоновано метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу, оснований на попередньому перетворенні сигналу в статистично незалежні компоненти зі зниженням розмірності.

Була обґрунтована можливість зниження розмірності багатоканальною ЕКГ на основі дипольно-векторної моделі серця, згідно з якою біоелектричну активність серця на деякому віддаленні від нього можна уявити як тривимірний диполь із фіксованим просторовим положенням і з амплітудою й орієнтацією, що змінюються у часі.

На основі експериментального дослідження залежності похибки відновлення багатоканального ЕКГ сигналу, взаємної інформації та сумісної ентропії від кількості компонент було визначено оптимальну кількість компонент уявлення багатоканального ЕКГ сигналу. При виборі трьох компонент уявлення багатоканального ЕКГ сигналу похибка відновлення початкової багатоканальної ЕКГ не перевищує 6-8%, що знаходиться на рівні втрати діагностичності ЕКГ сигналу.

Для зниження розмірності початкових даних використано перетворення, що декорелює:

,(16)

деE - ортогональна матриця власних векторів E{ x, x^T };

D - діагональна матриця власних значень (D = diag( d₁, d₂, ..., d_n )). Матриця D-^Ѕ обчислюється простими операціями над компонентами матриці (D-^Ѕ = diag( d₁-^Ѕ, d₂-^Ѕ, ..., d_n-^Ѕ ));

E·D-^Ѕ·E^T - матриця, що вибілює (декорелює) W.

При виконанні вибілюючого перетворення із зниженням розмірності матрицю W розраховують за виразом

,(17)

деk - розмірність вектора z (k ? n); W^(k) - вибілююча матриця розмірністю n Ч k;

D^(k)-Ѕ - діагональна матриця розмірністю k Ч k, що складається з k власних значень у ступені -Ѕ матриці E{ x, x^T }, розташованих у порядку зменшення - D^(k)-Ѕ = diag( d₁-^Ѕ, d₂-^Ѕ, ..., d_k-^Ѕ ), d₁ ? d₂ ? ... ? d_k ? d_k+1 ? ... ? d_n ;

E^(k) - матриця, що складається з k власних векторів E{ x, x^T }, розташованих у порядку зменшення власних значень.

Після перетворення, що вибілює, ЕКГ сигнал піддається обробці методом аналізу незалежних компонент (АНК). Після АНК компоненти багатоканального ЕКГ сигналу є статистично незалежними, що дозволяє кодувати їх поканально, без втрати ефективності.

Для стиску компонент багатоканального ЕКГ сигналу використовується розроблений метод стику одноканального ЕКГ сигналу.

Структурну схему алгоритму, що реалізує запропонований метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу з перетворенням у статистично незалежні компоненти.

Було визначено метод стиску похибки - відновлення початкового багатоканального сигналу після довготривалого передбачення і кодування похибки відновлення. Даний метод дозволяє усунути вплив точності перетворення сигналу на незалежні компоненти.

Було визначено кількість бітів для уявлення стислого ЕКГ сигналу (табл. 2) і структурна схема декодера багатоканального ЕКГ сигналу.

Таблиця 2 Кількість бітів для уявлення багатоканального ЕКГ сигналу

Позначення	Найменування	Кількість бітів
	Матриця декомпозиції багатоканального ЕКГ сигналу	296
C	Кодова книга класів незалежних компонент (на один клас)	4000
CDi	Параметри моделювання представника кодової книги класів (на один PQRST комплекс)	72
WR(l)	Матриця вибілювання похибки	384
	Кількість бітів для уявлення секунди похибки	1…400

У четвертому розділі роботи наведені результати експериментального дослідження запропонованих методів стиску одно- та багатоканального ЕКГ сигналу та розроблена автором апаратура для телемедичних систем, в якій використані запропоновані методи стиску ЕКГ сигналу.

Дослідження методу стиску одноканального ЕКГ сигналу на основі параметричного моделювання представника кодової книги класів проводилося на ЕКГ сигналах з медичної бази даних аритмій (MIT-BIH arrhythmia database), що спеціально призначені для тестування методів класифікації та стиску ЕКГ сигналів, і сигналах, записаних на системі холтерівського моніторингу КАРДІОСЕНС. Дослідження методу стиску багатоканального ЕКГ сигналу на основі попереднього перетворення в статистично незалежні компоненти зі зниженням розмірності виконувалося на ЕКГ сигналах, записаних на кардіографічній системі КАРДІОЛАБ.

Було отримано експериментальні залежності похибки відновлення від швидкості потоку даних стислого сигналу і виконано порівняння запропонованих методів стиску з існуючими методами стиску ЕКГ сигналу.

Порівняння ефективності показало, що похибка відновлення запропонованого метод стиску одноканального ЕКГ сигналу в два рази менше в порівнянні з кращим на даний момент методом стиску ЕКГ сигналу - ASEC при однакових швидкостях даних стислого сигналу. Крім того, запропонований метод дозволяє досягти в два-три рази меншої швидкості даних, ніж метод ASEC, при PRD, що не перевищує 10% (знаходиться на рівні втрати діагностичності ЕКГ сигналу).

Похибка відновлення запропонованого методу стиску багатоканального ЕКГ сигналу в три рази менше в порівнянні з існуючими методами та в 1,4 рази менше - в порівнянні з багатоканальним довготривалим передбаченням із параметричним моделюванням. Крім того, запропонований метод дозволяє досягти у п'ять разів меншої швидкості даних у порівнянні з іншими методами і в два рази - в порівнянні із запропонованим методом стиску одноканального ЕКГ сигналу.

Було проведено дослідження зниження ефективності запропонованих методів залежно від тривалості ЕКГ сигналу та кількості представників кодової книги класів. Зниження ефективності при зниженні довжини сигналу обумовлено тим, що окрім даних для уявлення самої ЕКГ необхідно також зберегти кодову книгу класів (для одно- та багатоканального ЕКГ сигналу) і матриці декомпозиції ЕКГ сигналу та вибілювання похибки (для багатоканального ЕКГ сигналу).

Запропоновані методи стиску ЕКГ сигналу були використані при розробці електрокардіографічних комплексів КАРДІОСЕНС і КАРДІОЛАБ та телемедичного монітора ІМОН у Науково-технічному центрі радіоелектронних медичних приладів і технологій Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Методи стиску використовують у програмному забезпеченні комплексів КАРДІОСЕНС і КАРДІОЛАБ для зберігання ЕКГ сигналів у базі даних і для їх передачі.

Телемедичний монітор ІМОН призначений для спостереження за станом пацієнта в реальному часі й дозволяє реєструвати та передавати в телемедичний центр через вбудований GSM/GPRS модем такі дані: дванадцяти канальну ЕКГ, канал реографії для аналізу центральної гемодинаміки та дихання, два канали теплового потоку для аналізу кровообігу, три канали прискорення для контролю рухливості пацієнта.

Висновки

У результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримані такі основні наукові та практичні результати роботи:

1. Проаналізовано методи економного кодування одно- та багатоканальних ЕКГ сигналів для моніторних телемедичних систем, що дозволило обґрунтувати актуальність і необхідність проведення досліджень у цьому напрямку з метою розробки високоефективних методів стиску ЕКГ сигналу.

2. Розроблено параметричну модель PQRST комплексу ЕКГ сигналу, що основана на критеріях “діагностичності”, яка дозволяє знизити похибку довготривалого передбачення ЕКГ сигналу в 5-10 разів у порівнянні з іншими методами. Обґрунтовано вибір і спосіб розрахунку параметрів моделі.

3. Вдосконалено метод стиску одноканального ЕКГ сигналу, що оснований на довготривалому передбаченні з використанням кодової книги класів. Використання параметричної моделі дозволило знизити похибку відновлення початкового сигналу в два рази при однаковій ефективності в порівнянні з існуючими методами або забезпечити підвищену в два-три рази ефективність стиску при однаковій похибці відновлення. Для уявлення стислого ЕКГ сигналу без втрати діагностичних властивостей потрібно від 44 бітів на один комплекс.

4. Вдосконалено метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу з використанням попереднього перетворення багатоканального сигналу в статистично незалежні компоненти зі зниженням розмірності початкових даних. Експериментальним способом визначено кількість компонент уявлення багатоканального ЕКГ сигналу. Ефективність розробленого методу в три рази вище, ніж у існуючих методів стиску, та в 1,4 рази вище відносно незалежного поканального кодування з використанням розробленого методу стиску одноканального ЕКГ сигналу.

5. Проведено експериментальне дослідження розроблених методів стиску одно- та багатоканальних ЕКГ сигналів. Отримано експериментальні залежності похибки відновлення від потоку даних стислого сигналу. Визначено вплив артефактів і частоти серцевих скорочень на ефективність стиску запропонованих методів. Теоретично визначено залежність утрати ефективності від тривалості сигналу та кількості представників кодової книги класів, обумовлену необхідністю стиску додаткових даних.

6. Розроблені методи стиску використовують у комплексі холтерівського моніторингу КАРДІОСЕНС, електрокардіографічному комплексі КАРДІОЛАБ і телемедичному моніторі ІМОН. Комплекси КАРДІОСЕНС і КАРДІОЛАБ пройшли державні випробування та дозволені для застосування в медичній практиці. Комплекси мають також сертифікати затвердження типу засобів вимірювальної техніки і відповідності засобів вимірювальної техніки затвердженому типу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ за темою ДИСЕРТАЦІЇ

1. Наседкин К.В. Анализ разрушающих алгоритмов сжатия сигналов // Авиационно-космическая техника и технология. - 1999. - №12. - С. 10-14.

2. Шульгин В.И., Садовский Е.А., Наседкин К.В. Исследование систем сжатия цифровых сигналов на основе универсальных архиваторов // Авиационно-космическая техника и технология. - 1999. - №12. - С. 80-84.

3. Наседкин К.В. Сжатие изображений с использованием комбинированных Вейвлет преобразований // Авиационно-космическая техника и технология. - 2000. - №20. - С. 21-25.

4. Шульгин В.И., Наседкин К.В. Сжатие ЭКГ сигнала с использованием параметрически модифицируемого долговременного предсказания // Технология приборостроения. - 2001. - №1-2. - С. 118-123.

5. Шульгин В.И., Наседкин К.В. Алгоритм сжатия многоканальных ЭКГ сигналов // Авиационно-космическая техника и технология. - 2002. - №35. - С. 110-115.

6. Сжатие ЭКГ сигналов в системе холтеровского мониторирования CardioSens / В.И. Шульгин, К.В. Наседкин, В.В. Федотенко, А.В. Печенин // Вестник национального технического университета “ХПИ”. - 2002. - №3. - С. 16-25.

7. Зряхов М.С., Лукин В.В., Наседкин К.В. Сжатие многоканальных ЭКГ на основе предварительной обработки и применения двумерного ДКП // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2003. - Вип. 1. - С. 18-25.

8. Использование техники слепого разделения источников для выделения электрокардиограммы плода / Шульгин В.И., Печенин А.В., Федотенко В.В., Клиническая информатика и телемедицина. - 2004. - Т. 1, №2. - C. 208-212.

9. Шульгин В.И., Краснов Л.А., Наседкин К.В. Комплексный анализ сердечной деятельности на этапе медицинской реабилитации // Научно-практическая конференция “Актуальные проблемы курортологии и медицинской реабилитации”. - К., 1999. - С. 98-100.

10. Шульгин В.И., Наседкин К.В. Сжатие ЭКГ сигнала с использованием параметрически модифицируемого долговременного предсказания // Міжнародна наукова-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2001”: Тези доповідей. - Х.: Нац. аерокосм. ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2001. - С. 187.

11. Наседкин К.В., Шульгин В.И. Эффективный алгоритм неразрушающего сжатия сигналов для систем холтеровского мониторирования // Міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології в охороні здоров'я та практичній медицині”. Наукові праці. - К., 2001. - С. 131-135.

12. Florkowska-Trabinska J., Machalica P., Nasedkin K.V. System NeuroLab 2000 i jego perspektywy rozwojowe // Materialy konferencyjne. I krajova konferencija naukowo-techniczna “Electronika w sluzbie medycyny”. - Warszawa: Przemyslowy institut elektroniki, 2001. - P. 79-90.

13. Shulgin V., Nasedkin K. Effective ECG signal compression algorithm for holter monitor system // Materialy konferencyjne. I krajova konferencija naukowo-techniczna “Electronika w sluzbie medycyny”. Suplement. - Warszawa: Przemyslowy institut elektroniki, 2001. - P. 30-35.

14. Шульгин В.И., Наседкин К.В. Алгоритм сжатия многоканальных ЭКГ сигналов // Міжнародна наукова-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2002”: Тези доповідей. - Х.: Нац. аерокосм. ун-т “Харк. авіац. ін-т”, - С. 130.

15. Фетальный кардиограф на основе Кардио СЕ+ / В.И. Шульгин, А.В. Морозов, К.В. Наседкин, В.В. Федотенко // Міжнародна наукова-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2004”: Тези доповідей. - Х.: Нац. аерокосм. ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2004. - С. 314.

АНОТАЦІЇ

Наседкін Костянтин Володимирович. Удосконалені методи та засоби економного кодування електрокардіосигналів для моніторних телемедичних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки. - Харків, Україна, 2007.

Дисертаційна робота присвячена високоефективним методам стиску одно- та багатоканальних ЕКГ сигналів для моніторних телемедичних систем.

Розроблено метод стиску одноканального ЕКГ сигналу на основі критеріїв ефективності й якості. Запропоновано параметричну модель ЕКГ сигналу, основану на критеріях “діагностичності” сигналу. З використанням запропонованої моделі удосконалено метод довготривалого передбачення ЕКГ сигналу на основі кодової книги класів.

Запропоновано метод стиску багатоканального ЕКГ сигналу з попереднім перетворенням його в статистично незалежні компоненти зі зниженням розмірності початкових даних. Визначено кількість компонент розкладення багатоканального ЕКГ сигналу.

Виконано експериментальне дослідження запропонованих методів і побудовано експериментальні залежності похибки відновлення від ефективності стиску запропонованих методів.

Ключові слова: стиск сигналів, електрокардіограма, параметрична модель, довготривале передбачення, кодова книга класів, аналіз незалежних компонент.

Наседкин Константин Владимирович. Усовершенствованные методы и средства экономного кодирования электрокардиосигналов для мониторных телемедицинских систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские приборы и системы. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники. - Харьков, Украина, 2007.

Диссертационная работа посвящена высокоэффективным методам сжатия одно- и многоканальных ЭКГ сигналов для мониторных телемедицинских систем.

Обоснована необходимость экономного кодирования ЭКГ сигнала в мониторных телемедицинских системах и проведен анализ методов ЭКГ сигналов.

На основе критериев эффективности сжатия и качества восстановления исходного сигнала разработан метод сжатия одноканального ЭКГ сигнала.

Предложена параметрическая модель PQRST комплекса ЭКГ сигнала, основанная на критериях “диагностичности” сигнала. С использованием предложенной модели усовершенствован метод долговременного предсказания ЭКГ сигнала на основе кодовой книги классов.

Для предложенной параметрической модели были определен способ расчета коэффициентов и выбрано количество бит для представления каждого параметра модели для достижения максимальной эффективности сжатия при ошибке восстановления, находящейся на уровне потери диагностичности ЭКГ сигнала. Обоснован способ расчета параметров модели.

Разработан метод сжатия многоканального ЭКГ сигнала с предварительным преобразованием его в статистически независимые компоненты со снижением размерности исходных данных. Определено количество компонент разложения на основании анализа зависимости ошибки восстановления многоканального сигнала от количества компонент и зависимостей взаимной информации многоканального сигнала и совместной энтропии.

Определены способ кодирования ошибки восстановления многоканального ЭКГ сигнала и количество бит для представления сжатого сигнала.

Выполнено экспериментальное исследование предложенных методов и построены экспериментальные зависимости ошибки восстановления от эффективности сжатия предложенных методов. Исследования проведены на сигналах из медицинской базы данных аритмий и записях систем КАРДИОСЕНС и КАРДИОЛАБ. Для предложенных методов сжатия были экспериментально получены графики зависимости ошибки восстановления от потока данных сжатого сигнала. Были определено влияние артефактов и ЧСС на эффективность предложенных методов.

Проведено сравнение предложенных методов с существующими методами экономного кодирования одно- и многоканального сигнала.

Для предложенных методов сжатия были теоретически определены зависимости потери эффективности от длительности сигнала, обусловленные необходимостью сохранения дополнительных данных: кодовой книги классов (для одно- и многоканального сигналов) и матриц АНК декомпозиции и выбеливания ошибки восстановления (для многоканального ЭКГ сигнала).

Ключевые слова: сжатие сигналов, электрокардиограмма, параметрическая модель, долговременное предсказание, кодовая книга классов, анализ независимых компонент.

Nasedkin Kostyantyn Volodimirovich. - The advanced methods and means of economical coding electrocardiogram signals for monitor telemedical systems. - Manuscript.

Dissertation for competition of scientific degree of candidate of technical science in speciality 05.11.17 - biological and medical devices and systems. - Kharkiv national university of radio electronics - Kharkiv, Ukraine, 2007.

The thesis is devoted to highly effective methods of compression of single and multichannel electrocardiograms signals for monitor telemedical systems

The method of single channel electrocardiogram signal compression based on efficiency and quality criterions is developed in the work. The parametrical model of the electrocardiogram signal, based on “diagnostability” criterions of the signal is offered. With use of the offered model the method of a long term prediction of the electrocardiogram signal based on the beat codebook is advanced.

The method of compression of a multichannel electrocardiogram signal with its preliminary transformation to statistically independent components with dimension reduction of initial data is offered. The number of a decomposition component of a multichannel electrocardiogram signal is determined.

The experimental research of the offered methods is executed and experimental dependences of a restoring distortion from compression efficiency of the offered methods are constructed.

Keyword: signal compression, electrocardiogram, parametrical model, long term prediction, beat codebook, independent component analysis.

Размещено на Allbest.ru

...