МЕЛЬНИК ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА. Методы и технические средства для ранней диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы

Краткое описание

МЕЛЬНИК ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА. Методы и технические средства для ранней диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы: диссертация ... доктора технических наук: 05.11.17 / МЕЛЬНИК ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА;[Место защиты: Рязанский государственный радиотехнический университет].- Рязань, 2015.- 316 с.

ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»
На правах рукописи
МЕЛЬНИК ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА
МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ДЛЯ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ
Специальность 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия
медицинского назначения»
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Михеев А.А.
Рязань
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ НАРУШЕНИЙ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ 19
1Л. Физиологические и функциональные аспекты оценки состояния сердечно-сосудистой системы 19
1.2. Методы и средства для выявления электрофизиологических
изменений миокарда 20
1.2.1 Методы и средства предварительной обработки ЭКС 23
1.2.2 Методы раннего выявления ишемических изменений и
признаков электрической нестабильности миокарда 32
1.2.2.1 Оценка параметров ST-сегмента ЭКС 34
1.2.2.2 Оценка альтернации Т-зубца ЭКС 37
1.2.2.3 Оценка удлинения и дисперсии интервала QT 42
1.2.2.4 Оценка турбулентности сердечного ритма 43
1.2.2.5 Оценка поздних потенциалов желудочков сердца на основе
электрокардиографии высокого разрешения 45
1.2.2.6 Оценка показателей вариабельности сердечного ритма 47
1.3. Методы и средства оценки адаптационных возможностей
целостного организма на основе контроля параметров сердечно¬сосудистой системы 48
1.3.1 Физиологические аспекты использования параметров вариабельности сердечного ритма как индикатора
функционального состояния целостного организма 49
1.3.2. Методические аспекты использования параметров вариабельности сердечного ритма как индикатора функционального состояния целостного организма 56
1.4. Особенности комплексного подхода к поддержке принятия
решений в проблеме ранней диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы 62
з
1.5. Формулировка задач, подлежащих решению 68
ГЛАВА 2 ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА 69
2.1. Подходы к оценке качества предварительной обработки
электрокардиосигнала 69
2.1.1 Метрологические аспекты оценки качества предварительной
обработки ЭКС 71
2.1.2 Оценка диагностической эффективности интерпретирующей
системы на основе концепции доказательной медицины 73
2.2. Методология параллельной обработки биомедицинских сигналов.. 77
2.3 Методология предварительной параллельной обработки для устранения аддитивных помех ЭКС 85
2.4. Исследование эффективности методов устранения помех электрокардиосигнала на основе параллельной обработки 98
2.4.1. Влияние параллельной предварительной обработки на
амплитудные значения дискретных отсчетов ЭКС 99
2.4.2. Влияние параллельной предварительной обработки на
амплитудные значения информативных параметров ЭКС 101
2.4.2.1. Исследование методов на основе фильтрации 104
2.4.2.2. Исследование интерполяционных методов 105
2.4.2.3. Исследование метода устранения дрейфа изолинии,
основанного на методологии параллельной обработки 109
2.5 Выводы 117
ГЛАВА 3 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА И
ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ ЗАБОЛЕВАНИЙ 119
3.1. Выбор и обоснование информативных параметров 119
3.2. Интегральная методология. Спектральные коэффициенты как
информативные параметры 123
3.3 Исследование помехоустойчивости интегральных оценок
информативных параметров 130
3.4 Методы и алгоритмы для выявления ишемических изменений
миокарда на основе формирования интегральных информативных параметров и информативных признаков ST-сегмента ЭКС 142
3.4.1 Выделение временного интервала, принадлежащего ST-
сегменту, на основе QRS-стробирования 142
3.4.2. Алгоритм выделения ST-сегмента и экспериментальное
исследование принципа QRS-стробирования : 156
3.4.3. Наборы решающих правил, методы оценки информативных
параметров и формирования информативных признаков заболеваний 162
3.5 Методы для выявления аритмогенной готовности миокарда на
основе формирования интегральных информативных параметров и информативных признаков альтернации Т-зубца ЭКС 175
3.6 Выводы 183
ГЛАВА 4 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА НА ОСНОВЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СЕРДЕЧНОГО РИТМА И ДЫХАНИЯ 185
4.1 Модель взаимосвязи параметров сердечного ритма и дыхания 186
4.2. Исследование погрешности определения показателей
вариабельности сердечного ритма 193
4.3. Выбор и обоснование критерия оценки синхронизированности
сердечно-сосудистой и дыхательной систем 198
4.4. Оценка устойчивости критериев синхронизированности работы
сердечно-сосудистой и дыхательной систем к инструментальным факторам погрешности 214
4.4.1. Оценка устойчивости критериев к дрейфу пневматограммы... 216
4.4.2 Оценка устойчивости критериев на различных временных
интервалах 217 
4.4.3 Оценка устойчивости критериев к процедуре устранения артефактов 220
4.5. Разработка комплексного критерия оценки функционального состояния организма 222
4.6 Выводы 228
ГЛАВА 5 КОМПЛЕКСНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КЛИНИКО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ 231
5.1 Принципы построения автоматизированной системы для
комплексной ранней диагностики сердечно-сосудистых
заболеваний 231
5.2. Разработка нейросетевого модуля поддержки принятия решений в прогнозировании впервые возникшей стенокардии 238
5.2.1. Постановка задачи 238
5.2.2. Методы исследования 240
5.2.3. Подготовка данных для нейросетевой обработки 241
5.2.4. Выбор структуры ИНС и методика проведения эксперимента 247
5.3 Выводы 251
Заключение 252
Список сокращений 255
Список использованных источников 257
Приложение А. Патенты и свидетельства о регистрации программ 286
Приложение Б. Акты внедрения

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе представлен комплекс методов и средств для ранней диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы. В ходе проведенных исследований и решения поставленных задач были получены следующие результаты.
1. Предложена методология параллельной обработки биомедицинских сигналов, позволяющая минимизировать искажения амплитудно-временных информативных признаков сигнала в процессе устранения помех. Разработаны структуры и методы предварительной обработки электрокардиосигнала, уменьшающие искажения диагностически значимых информативных параметров ЭКС в 1,2-9 раз по сравнению со стандартными методами.
2. Предложена методология формирования интегральных информативных параметров формы элементов электрокардиосигнала на основе вычисления спектральных коэффициентов в специализированном базисе, позволяющая в 5-8 раз увеличить устойчивость информативных параметров к воздействию случайных помех. Сформулированы требования к базисным функциям, которые позволяют обосновать выбор базиса, обеспечивающего выявление информативных параметров с учетом особенностей формы исследуемого сигнала. Произведен выбор систем базисных функций, в которых в наиболее явном виде прослеживается взаимосвязь между параметрами формы, выраженными в виде набора коэффициентов сигналов-примитивов, и спектральным составом исследуемого участка сигнала.
3. Предложены и исследованы методы и алгоритмы формирования интегральных информативных параметров для выявления ранних
ишемических изменении и предикторов аритмогеннои готовности
миокарда на основе контроля параметров формы ST-сегмента и Т- зубца ЭКС в спектральном составе в базисе полиномов Лежандра и функций Уолша, повышающие чувствительность
электрокардиографического исследования.
4. Разработаны наборы решающих правил и алгоритмов для формирования признаков ишемических изменений и предикторов аритмогенной готовности миокарда на основе количественной оценки интегральных информативных параметров ЭКС.
5. Предложены и исследованы методы оценки функционального состояния организма на основе обработки сигналов сердечного ритма и дыхания, расширяющие диапазон возможностей выявления адаптационных резервов в рамках методологии контроля вариабельности параметров организма и повышающие диагностическую достоверность оценки характера регуляторных процессов. Оценена эффективность использования различных механизмов вычисления критерия синхронизированности сердечно¬сосудистой и дыхательной систем. Предложен интегральный коэффициент оценки функционального состояния целостного организма на основе стресс-индекса и критерия синхронизированности - скорректированный стресс-индекс SIK и разработана шкала оценки функционального состояния на его основе.
6. Предложен комплексный подход к интерпретации совокупности
' клинико-инструментальных факторов риска нарушений в
деятельности сердечно-сосудистой системы на основе искусственных нейронных сетей. Разработаны структуры систем поддержки принятия решений для ранней диагностики и прогнозирования миокардиальных заболеваний. Разработан нейросетевой модуль поддержки принятия диагностических и прогностических решений для пациентов с впервые возникшей стенокардией, который позволяет решать проблему разделения пациентов по классам прогноза с вероятностью 100% для класса прогноза КПЗ, 76% для класса прогноза КП1 и 85% для класса прогноза КП2.
Результаты изложенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований проанализированы и обобщены в [151, 257, 258, 259]. Таким образом, предложенные методологии параллельной обработки и формирования интегральных информативных параметров дают возможность повысить чувствительность
электрокардиографического исследования и выявлять низкоамплитудные изменения элементов ЭКС на ранней стадии развития патологии. Оценка адаптационных резервов организма на основе контроля параметров вариабельности сердечного ритма и дыхания позволяет выявлять признаки угрозы срыва адаптации до появления электрофизиологических нарушений в деятельности миокарда. Совместное рассмотрение медико¬измерительной информации разной природы дает возможность комплексно и всесторонне оценить состояние организма и повысить диагностическую и прогностическую значимость получаемых результатов.
Совокупность предлагаемых в диссертационной работе методологий, методов, алгоритмов и технических средств создает предпосылки для разработки широкого класса как портативных, так и стационарных систем для ранней диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы.