Разработка и исследование алгоритмов и технических средств обработки электрокардиосигнала для управления имплантированными кардиостимуляторами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Можакова, Ольга Александровна

• Можакова, Ольга Александровна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Можакова, Ольга Александровна

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ СЕРДЦА.

1.1. Вводные замечания.

1.2. Основная задача и принципы ЭСС.

1.3. Анализ современных методов ЭСС.

1.4. Систематизация функционирования режимов КС.

1.5. Анализ средств ЭСС.

1.5.1. Систематизация средств ЭСС.

1.5.2. Анализ структурных схем кардиостимуляторов.

1.5.3. Основные преимущества имплантируемых КС.

1.6. Анализ основных программируемых параметров КС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование алгоритмов и технических средств обработки электрокардиосигнала для управления имплантированными кардиостимуляторами»

Актуальность темы. Наиболее важными проблемами медицины являются своевременная диагностика, предупреждение и лечение сердечно - сосудистых заболеваний, решение которых невозможно без разработки и исследования алгоритмов и технических средств обработки электрокар-диосигнала для управления имплантированными кардиостимуляторами (ИКС).

В настоящее время значительное количество сердечно — сосудистых больных имеют ИКС, которые позволяют им вести активную жизнь, несмотря на серьезные заболевания. Процесс взаимодействия кардиостимулятора (КС) с сердцем сложен и неадекватен, что вызывает необходимость проведения контрольно - диагностических мероприятий, призванных обеспечить адекватный подбор и длительную эффективную эксплуатацию стимуляторов. Накопленный опыт применения различных типов КС, говорит о том, что они, в основном, обеспечивают возложенные на них функции. Однако многие известные конструкции не решают задачи оптимального регулирования системы ни с технической, ни с медицинской точек зрения. Поэтому современная медицина нуждается в специальной аппаратуре для управления ИКС, основанной на обработке электрокардиосигнала (ЭКС).

Практика показывает, что только для единиц пациентов подходит электрическая стимуляция сердца (ЭСС) в стандартном режиме, т.к. необходимо учитывать возраст, физическую активность и другие факторы. Кроме того, неоднократное перепрограммирование амплитудных параметров ИКС обязательно после операции вследствие снижения порога стимуляции в процессе заживления миокарда, а также в 80% случаев требуется перепрограммирование ИКС по частоте стимуляции. Медицинскими методиками рекомендовано производить корректировку параметров ИКС сначала один раз в квартал, затем один раз в полгода, а по истечении гарантийного срока эксплуатации снова 4 раза в год. Такой подход является безопасным в технической части и обычно не вызывает дискомфорта при непрерывном контроле по электрокардиограмме (ЭКГ), однако в настоящее время не существует четких рекомендаций и критериев определения амплитудно-временных параметров ИКС, обеспечивающих безопасные режимы ЭСС с учетом индивидуальных особенностей пациентов.

В связи с этим необходима разработка алгоритмов и технических средств, которые позволят уменьшить риск от некорректного подбора ИКС и их параметров за счет компьютерного прогнозирования возникновения угрожающих состояний у широкого спектра кардиологических больных и обеспечивать принятие адекватных решений о необходимости изменения управляющих воздействий.

Динамика сердечного ритма, несомненно, является чрезвычайно сложной и в настоящее время не поддается формализованному описанию. Однако быстрое развитие новых математических подходов позволяет подойти к установлению закономерностей в сердечных аритмиях с нетрадиционной для медицины точки зрения — на основе исследования их хаотической динамики. Поэтому необходимо повысить эффективность процесса управления КС на основе правильного подбора перепрограммируемых параметров стимулирующих импульсов (СИ).

Процесс управления КС должен осуществляться с учетом зон безопасности хаотических срывов, на основе обработки и математического моделирования хаотических процессов в миокарде и исследования условий их возникновения, развития и прекращения, что является актуальной задачей развития в этой области знаний. Работа выполнена в соответствии с научно - технической программой «Новая медицинская техника».

Цель работы. Разработка и исследование алгоритмов и технических средств обработки электрокардиосигнала, позволяющих уменьшить риск от некорректного подбора ИКС и их параметров и обеспечить принятие адекватных решений о необходимости изменения управляющих воздействий.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: систематизация возможных путей перехода к хаотической динамике для ЭКС при ЭСС и условий возникновения кризисов; разработка алгоритма исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающего результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС; формулировка рекомендаций для подбора безопасных параметров стимулирующих импульсов на основе исследования и прогнозирования развития хаотической динамики ЭКС с помощью математического моделирования процесса ЭСС; разработка алгоритма обработки ЭКС, основанного на обнаружении и распознавании спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ; разработка и клиническая апробация алгоритма и методики автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции с учетом индивидуальных особенностей ЭКС пациентов; разработка универсального измерительно - вычислительного комплекса, обеспечивающего уменьшение риска от некорректного подбора ИКС и их параметров.

Методы исследований. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена на основе применения системного подхода к анализу биоэлектрической информации, теории вероятностей, методов автоматического управления, обработки информации, исследования хаотической динамики и компьютерного моделирования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: алгоритм исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающий результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС, основанный на предложенной систематизации путей перехода из нормального состояния в хаотическое и позволяющий выявлять и прогнозировать опасные состояния и интервалы изменения влияющих параметров сигнала. математические модели динамики сердечного ритма учитывающие влияние дыхательной синусовой аритмии, что позволило скорректировать границы зон интервалов стимуляции и сформулировать рекомендации для подбора параметров стимуляции, принадлежащих выявленным безопасным зонам. способ формирования графических отображений в виде ритмо-грамм стимулированной активности миокарда, фазовых портретов и бифуркационных диаграмм, позволяющих определять динамику ЭКС и безопасные интервалы при стимуляции; алгоритм обработки ЭКС на основе обнаружения и распознавания спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС, позволяющий обеспечить надежное параллельное детектирование информативных элементов ЭКС за счет операций децимации дискретных значений входного сигнала, автоматической настройки абсолютных и относительных амплитудно-временных порогов и комплекса физиологически обоснованных зон нечувствительности. алгоритм и методика автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции, обеспечивающие предоставление специалистам дополнительной информации с целью снижения вероятности появления отрицательных эффектов при предсердной стимуляции миокарда. измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий уменьшить риск от некорректного подбора КС и их параметров за счет компьютерного прогнозирования вероятности возникновения угрожающих состояний у широкого спектра кардиологических больных.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм исследования хаотической динамики математических моделей, учитывающий результаты обработки индивидуальных параметров ЭКС при ЭСС, основанный на предложенной систематизации путей перехода из нормального состояния в хаотическое.

2. Математические модели динамики сердечного ритмогенеза, позволяющие учитывать влияние синусовой аритмии при ЭСС, и результаты корректировки коэффициентов предложенных моделей в используемых в медицинской практике диапазонах изменения их параметров.

3. Алгоритм обработки ЭКС, основанный на обнаружении и распознавании спонтанных и вызванных импульсов ЭКС и СИ при различных режимах ЭСС.

4. Способ графического представления результатов исследований ЭКС при ЭСС в виде бидиаграмм, позволяющих произвести сопоставление временных параметров и показателей динамики сердечного ритмогенеза.

5. Алгоритм и методика автоматизированного подбора безопасных параметров стимуляции.

6. Схемотехнические и программные решения, реализующие разработанные алгоритмы и методики и имеющие высокие технические характеристики.

Практическая значимость и результаты внедрения работы. Разработанные методы и средства составили основу построения информационно - вычислительного комплекса, позволяющего выявлять и прогнозировать опасные состояния в работе КС, организовывать оптимальные управляющие воздействия с целью снижения риска от некорректного управления состоянием ССС.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в Пензенском государственном институте усовершенствования врачей, в учебном процессе Пензенского государственного университета и в медицинской компании ООО "ЭНЕЯ-МЕДИКАЛ".

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на международных и всероссийских научно-технических конгрессах и конференциях: на III и IY международных конгрессах "КАРДИОСТИМ" (г. Санкт-Петербург, 1998 и 2000 гг.); на III сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике "ИНПРИМ-98" (г. Новосибирск, 1998 г.); на международной телекоммуникационной конференции "Молодежь и наука - 97" (г. Москва, 1997 г.); на Научной сессии МИФИ-98 (г. Москва, 1998 г.); на XI научных чтениях памяти акад. Бурденко (г. Пенза, 1998 г.); на III и IV международных НТК "Радиоэлектроника в медицинской диагностике" (г. Москва 1999 и 2001 гг.); на Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы" (г. Рязань, 1997 и 2001гг.); на НТК "Медико-технические технологии на страже здоровья" (г. Геленджик, 1999 и 2000 гг.); на международных НТК "Биомедприбор-98 и 2000" (г. Москва, 1998 и 2000 гг.); на международной НТК "Измерения -2000" (г. Пенза).

Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа.

Структура и объем диссертации. Циссеутацш состоит из введения, четырех глав основного материала и приложений, заключения и списка литературы из 101 наименований. Общий объем работы составляет 197 страниц основного текста, в том числе 92 рисунков и 5 таблиц. Приложение содержит материалы, подтверждающие внедрение результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Можакова, Ольга Александровна

Основные результаты диссертационной работы были использованы при разработке и внедрении на предприятиях и в учебном процессе медицинских систем, методик и программных пакетов, имеющих высокие технические и эксплуатационные характеристики. Результаты, полученные в работе, могут быть адаптированы, распространены на смежные области знаний и применены для моделирования динамики различных электрических сигналов сложной формы, поэтому значимость выполненных исследований превышает границы рассмотренной темы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Можакова, Ольга Александровна, 2004 год

1. Искендеров Б.Г. Терапевтические аспекты электрокардиостимуляции. - Пенза, 2002. - 206 с.

2. Григоров С. С., Вотчал Ф. Б., Костылева О. В. Электрокардиограмма при искусственном водителе ритма сердца. М.: Медицина, 1990.

3. Белов А.Ф., Леонов А.Ф. Схемотехника радиоизотопных кардиостимуляторов.- М. Энергоатомиздат, 1987.

4. Гласс Л., Мэки М. От часов к хаосу: Ритмы жизни: Пер. с англ./ Под ред. Е. Е. Селькова. М.: Мир, 1991.

5. Мун Ф. Хаотические колебания. — М.: Мир, 1990.

6. Шустер Г. Детерминированный хаос: Пер. с англ. — М.: Мир, 1988.

7. Ливенсон А. Р. Электромедицинская аппаратура: 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1981.

8. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей / Под ред. Р.И. Утямышева u М. Вроны. — М.: Энергоатомиздат, 1983.

9. Григоров С.С., Вотчал Ф.Б., Костылева О.В. Электрокардиограмма при искусственном водителе ритма сердца. М., Медицина, 1990.

10. Физиология кровообращения. Физиология сердца. Серия: Руководство по физиологии. Л: Наука, 1980.

11. ГОСТ Р 51073-97. Электрокардиостимуляторы имплантируемые. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1997.

12. Можакова О. А. Обзор современных методов электрической стимуляции сердца // ЦИТ: Межвуз. сб. науч. тр.- Пенза: Изд-во ПГУ, №26, 2001.

13. Истомина Т.В., Можакова О.А., Кочнев П.И. Универсальная систематизация режимов электрокардиостимуляторов // Сб. тр. Всерос-сийск. конф. «Биотехнические, медицинские и экологические системы". Рязань, 2001.

14. Beyersdorf F., KreuzerJ., Нарр et al Increase in cardiac output with rate-responsive pacemaker//Anner Thorac. Surg., 1986.

15. A. hermetically seald mercury Cell pacemaker/Grunkemeier Gary L.,Jery Ph.D., Dobbs L. et al. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, №4, p. 562,1976.

16. Михайлов В. А., Хвостов JI. Я. Перспективы развития программируемых кардиостимуляторов и средств контроля. Мед. техника, 1987, N5, с. 47-50.

17. Диагностическая и терапевтическая техника. Под ред. В. С. Маята. М. Медицина, 1969.

18. Можакова О.А. Универсальная систематизация средств электрокардиостимуляции // Системный анализ, управление и обработка информации: Сб. науч. тр. университет, семинара. Пенза: Изд-во ПГУ, 2003 г, 85-91.

19. Козлов Е.В. Системы измерений электрических параметров биологических объектов при адаптивной многоканальной электростимуляции. Автореф. дис. канд. техн. наук. - СПб., 2000.

20. Истомина Т. В., Ломтев Е. А., Скотникова О. А. Хаотическая динамика в нарушениях сердечного ритма. / Мед.техника, №1,1999.

21. Истомина Т.В., Искендеров Б.Г., Скотникова О.А. Связь параметров стимулирующих импульсов с возникновением детерминированного хаоса. / ЦИТ: Межвуз. сб. науч. тр.- Пенза: Изд-во ПТУ, вып. 25, 2000.

22. Истомина Т.В., Скотникова О.А. Измерение параметров имплантированных электрокардиостимуляторов. Рос. научно-технич. конф. «Медико-технические технологии на страже здоровья». Геленджик, 1999.

23. Семенов Н. В. Биохимические компоненты и константы жидких сред и тканей человека. М.: Медицина, 1971.ЗЪ.Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы. — М.: Наука, 1978.

24. Воробьев Е.И., Китов А.И. Медицинская кибернетика. М.: Радио и связь, 1983.

25. Биологическая и медицинская кибернетика: Справочник. — Киев: Наукова думка, 1986.3 в.Беллман Р. Математические методы в медицине. -М.: Мир, 1987

26. Истомина Т.В., Скотникова О.А. Медико-^гехнические аспекты возникновения детерминированного хаоса при электрокардиостимуляции. // Мед.техника, №2, 2000.

27. Истомина Т.В., Скотникова О.А. Риск возникновения детерминированного хаоса при электрокардиостимуляции. // Вестник аритмоло-гии, № 3,2000.

28. Истомина Т.В., Можаков Д.В., Можакова О.А. Исследование хаотической динамики ЭКС при электрокардиостимуляции // В кн. докл. IV международн. конф. «Радиоэлектроника в медицинской диагностике». М., 2001.

29. Биллингслей П. Эргодическая теория и информация. -М.: Мир, 1969.41 .Ландау Л.Д., ЛифшицЕ.М. Гидромеханика. -М.: Наука, 1986.

30. Кон П. Универсальная алгебра. М.: Мир, 1968.43 .Попечителев Е.П. Методы медико-биологических исследований. Системные аспекты. Монография. Житомир: ЖИТИ, 1997.

31. Pomeau Y., Manneville P. Intermittent Transition to Turbulence in Dissi-pative Dynamical Systems. Comm. Math. Phys., 1989.48 .libchaber A, Fauve S. Laroche C. Two Parameter Study of the Routes to Chaos. Physica 7D, 1983.

32. Бала Ю.М., Никитин А. В., Фуки В. Б. Атлас практической электрокардиографии. Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1983.

33. Орлов В.Н. Руководство по электрокардиологии. — М: Медицина, 1983.51 .Кушаковский М.С., Журавлева Н.Б. Аритмии и блокады сердца. Атлас электрокардиограмм. Ленинград: Медицина, 1981.

34. Nolle F.M., Clark K.W. Detection of premature ventricular contractions using an algorithm for cataloging QRS complexes // Proceedings of the San Diego Biomedical Symposium. San-Diego, 1991.

35. Кушаковский A. M., Журавлева И. Т. Клиническая электрокардиография. Атлас электрокардиограмм. Ленинград: Медицина, 1984.

36. Валужис А., Лосинскене Л.В. и др. Структурный анализ электрокар-диосигнала // В сб.: Математическая обработка медико-биологической информации. М.: Наука, 1976.

37. Долабчан ЗЛ. Основы клинической электрофизиологии и биофизики сердца.-М.: Медицина, 1968.5в.Чирейкин Л.В., Шурыгин Д.Я., Лабутин В.К. Автоматический анализ электрокардиограмм. Л.: Медицина, 1977.

38. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография. М.: Медицина, 1987.

39. Колтун В. Ы., Трусов Ю.С. Портативный прибор для контроля устройств и программ обнаружения трепетаний и фибрилляций желудочков сердца человека. М.: Медицинская техника, №1,1992.

40. Андреев Н.А., Пичкур К.К. Аритмии сердца. Рига: Зинатне, 1985.

41. Истомина Т.В., Сидорова М.А., Скотникова О.А. Систематизация методов моделирования биоэлектрических сигналов и их практическое применение. // ЦИТ: Межвуз. сб. науч. тр. Пенза, вып.24,2000,

42. Истомина Т.В., Сидорова М.А., Скотникова О.А. Математические методы моделирования биоэлектрических сигналов и их практическое применение Сб. тезисов III Сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ- 98). Новосибирск, 1998.

43. Истомина Т. В., Можакова О. А. Математическое моделирование хаотической динамики при электрокардиостимуляции. Тр. между-народн. конф. "Биомедприбор 2000", т. 1. - М., ВНИИМП-ВИТА РАМН, 2000.

44. Х.Власов ГЛ. Лечение осложнений при электростимуляции сердца. — Кишинев, Штиинца, 1980.

45. Кулаичев А. П., Каплан А.Я. Системы компьютерного анализа биоэлектрических сигналов. М., Мир ПК, №8, 1994.1Ъ.Рейдемейстер И. Клинический опыт с электрокардиостимуляторами на ядерной энергии. Medtronic симпозиум. — М, 1975.

46. А.Истомина Т.В., Кривоногое А.Ю., Скотникова О.А. ИВК для измерения и подбора параметров электрокардиостимуляции. Сб. тезисов Всероссийск. конф. «Биотехнические, медицинские и экологические системы".- Рязань, 1997.

47. Истомина Т.В. Методы и средства медицинских измерений. Монография. Пенза: ПГУ, 1998.

48. Микрокомпьютерные медицинские системы / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера: Проектирование и применения. Пер. с анг. М: Мир, 1983.81 .Сушкова Л.Т., Бернюков А.К. Распознавание биоэлектрических сигналов//Зарубежная радиоэлектроника, № 12. 1996.

49. Нагин В.А., Потапов И.В., Селищев С.В. Выделение QRS — комплексов в компьютерных ЭКГ системах // Тр. международн. конф. "Био-медприбор 2000", т. 1. - М., ВНИИМП- ВИТА РАМН, 2000.

50. Истомина Т.В. Исследование алгоритмов секвентного анализа локальных свойств QRS-комплексов электрокардиосигнала. Пенза: Пенз. политехи, ин-т, ВИНИТИ, № 3545- В87, Деп. 1987.

51. Гукасов В.Г., Пинскер И.Ш., Цукерман Б.М. Малиновский Л.Г. Алгоритмы медицинского описания электрокардиограмм. В сб.: Опознавание и описание линий / Под ред. И.Ш. Пинскера. - М.: Наука, 1972.

52. Истомина Т.В., Можакова О.А. УИВК на основе помехоустойчивого алгоритма распознавания импульсов при электрокардиостимуляции // Системный анализ, управление и обработка информации: Сб. науч. тр. университет, семинара. Пенза: Изд-во ПГУ, 2003 г.

53. Истомина Т.В., Можакова О.А., Ду Цзе. Методика управления индивидуальным подбором безопасных параметров кардиостимуляторов. Рос. научно-технич. конф. «Медико — технические технологии на страже здоровья». — Геленджик, 2000.

54. Истомина Т.В., Можакова О.А., Кочнев П.И. Методика индивидуального предоперационного подбора безопасных параметров КС. Информ. листок № 54 240 - 00, ЦНТИ. - Пенза, 2000.

55. Ахутин В.М., Немирко А.П., Перигин Н.Н., Пожаров А.В., Попечите-лев Е.П., Романов С.В. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Учеб. пособие. — Л.: Изд-во Ленинград, ун-та, 1981.

56. Расчет систем управления. Учебное пособие. / Под ред. Ю.А. Выгоды. Пенза, 2002.

57. Алексеев К.А. Пакет Simulink: новое решение задач автоматического управления. Пенза, Информационно — издательский центр Пенз. гос. ун — та, 2001.

58. Теория систем. Математические методы и моделирование // Сб. статей.-М.: Мир, 1989.

59. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник Спб.: Питер, 2002.98Зубов В.И. Лекции по теории управления. -М.: Наука, 1975.

60. Теория автоматического управления / Под ред. Воронова А.А. т. 2 -М.: Высш. шк., 1986.

61. Потемкин В.Г. MATLAB для студентов. М.: Диалог - МИФИ, 1998.

62. Болнокин В.Е. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ: алгоритмы и программы. М.: Радио и связь, 1991.