Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКОГО АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА НАНОСЕНСОРАХ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ СЕРДЦА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ БЕЗ УСРЕДНЕНИЯ И ФИЛЬТРАЦИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКОМ ИССЛЕДОВАНИИ 11
1.1 Медицинское обоснование проблемы регистрации микропотенциалов при
электрокардиографическом исследовании 11
1.1.1 Механизмы ВСС 12
1.1.2 Факторы риска ВСС 14
1.1.3 Методы исследования, необходимые для стратификации риска ВСС . . 14
1.2 Обзор существующих методов для исследования низкоамплитудных
электрокардиографических сигналов 22
1.2.1 Спектральный анализ 26
1.2.2 Аналитический обзор амплитудно-временного анализа ЭКГ 28
1.2.2.1 Методы первичного анализа ЭКГ 30
1.2.2.2 Методы вторичного анализа ЭКГ 36
1.2.3 Метод дисперсионного картирования ЭКГ 40
1.3 Технические средства для исследования низкоамплитудных
электрокардиографических сигналов 42
1.4 Шумы и помехи, возникающие при съеме биоэлектрического сигнала 44
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ АПК И
НАНОСЕНСОРОВ 50
2.1 Разработка аппаратной части АПК 50
2.2 Результаты технических испытаний АПК 53
2.3 Разработка и исследование наносенсоров для съёма
электрокардиологических сигналов 55
2.3.1 Обоснование требований к техническим параметрам наносенсоров .... 55
2.3.2 Описание конструкции наносенсора 60
2.3.3 Результаты исследований различных режимов имплантации
наночастиц в поры керамической диафрагмы 62
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ ЧАСТИ АПК 75
3.1 Математическое обоснование предварительной обработки
электрокардиограммы 75
3.2 Программа предварительной обработки электрокардиограммы 82
3.3 Программа «Метод Симпсона» 102
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АПК ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПРИЗНАКОВ РАННИХ ИЗМЕНЕНИЙ В РАБОТЕ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА 121
4.1 Детектирование элементов кардиосигнала 121
4.2 Детектирование микропотенциалов 132
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ АПК НА НАНОСЕНСОРАХ ... 139
5.1 Результаты апробации программы предварительной обработки
электрокардиограммы 139
5.2 Результаты предварительного исследования программы «Метод
Симсона» 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 159
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальные схемы аппаратно-программного комплекса 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Эскизная конструкторская документация на АПК 184
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Анализ результатов электронной микроскопии 189
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Эскизная конструкторская документация на
наносенсоры 220
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акт технических испытаний экспериментальных образцов наносенсоров 226
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Программа и методика испытаний экспериментальных образцов наносенсоров 244
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ МИКРОПОТЕНЦИАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКОМ ИССЛЕДОВАНИИ 11
1.1 Медицинское обоснование проблемы регистрации микропотенциалов при
электрокардиографическом исследовании 11
1.1.1 Механизмы ВСС 12
1.1.2 Факторы риска ВСС 14
1.1.3 Методы исследования, необходимые для стратификации риска ВСС . . 14
1.2 Обзор существующих методов для исследования низкоамплитудных
электрокардиографических сигналов 22
1.2.1 Спектральный анализ 26
1.2.2 Аналитический обзор амплитудно-временного анализа ЭКГ 28
1.2.2.1 Методы первичного анализа ЭКГ 30
1.2.2.2 Методы вторичного анализа ЭКГ 36
1.2.3 Метод дисперсионного картирования ЭКГ 40
1.3 Технические средства для исследования низкоамплитудных
электрокардиографических сигналов 42
1.4 Шумы и помехи, возникающие при съеме биоэлектрического сигнала 44
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТНОЙ ЧАСТИ АПК И
НАНОСЕНСОРОВ 50
2.1 Разработка аппаратной части АПК 50
2.2 Результаты технических испытаний АПК 53
2.3 Разработка и исследование наносенсоров для съёма
электрокардиологических сигналов 55
2.3.1 Обоснование требований к техническим параметрам наносенсоров .... 55
2.3.2 Описание конструкции наносенсора 60
2.3.3 Результаты исследований различных режимов имплантации
наночастиц в поры керамической диафрагмы 62
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОЙ ЧАСТИ АПК 75
3.1 Математическое обоснование предварительной обработки
электрокардиограммы 75
3.2 Программа предварительной обработки электрокардиограммы 82
3.3 Программа «Метод Симпсона» 102
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АПК ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПРИЗНАКОВ РАННИХ ИЗМЕНЕНИЙ В РАБОТЕ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА 121
4.1 Детектирование элементов кардиосигнала 121
4.2 Детектирование микропотенциалов 132
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ДОБРОВОЛЬЦАХ АПК НА НАНОСЕНСОРАХ ... 139
5.1 Результаты апробации программы предварительной обработки
электрокардиограммы 139
5.2 Результаты предварительного исследования программы «Метод
Симсона» 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 159
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Принципиальные схемы аппаратно-программного комплекса 175
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Эскизная конструкторская документация на АПК 184
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Анализ результатов электронной микроскопии 189
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Эскизная конструкторская документация на
наносенсоры 220
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акт технических испытаний экспериментальных образцов наносенсоров 226
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Программа и методика испытаний экспериментальных образцов наносенсоров 244
Актуальность работы
По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), сердечнососудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире: ни по какой другой причине ежегодно не умирает столько людей, сколько от ССЗ. По данным ВОЗ [9], в 2012 году от ССЗ умерло 17,5 миллионов человек, что составило 31% всех случаев смерти в мире. Из этого числа 7,4 миллиона человек умерли от ишемической болезни сердца и 6,7 миллиона человек - в результате инсульта. Более 75% случаев смерти от ССЗ происходят в странах с низким и средним уровнем дохода.
Особо трудно диагностируемыми являются ранние стадии ишемической болезни сердца, проявляющие себя в незначительных отклонениях по уровню и времени ST-комплекса кардиограммы, регистрация поздних потенциалов желудочков и предсердий (1111Ж и ППП) в реальном масштабе времени.
Все это обозначило современные пути развития электрокардиографии - ЭКГ высокого разрешения (ЭКГ ВР), ЭКГ - картирование, теле - ЭКГ и др. Так или иначе, точность диагноза напрямую зависит от качества и количества исходной информации. Повышение этих параметров является главной целью всех современных направлений электрокардиографии.
Современные методы зачастую «выигрывают» на количестве информации - производится большое число измерений и их различное комбинирование в процессе сложной обработки.
Качество же информации, в основном, определяется отношением сигнал/шум и повысить его можно за счет совершенствования аппаратной части и, прежде всего, самих медицинских электродов. В свое время хорошим решением стало применение хлор-серебряных электродов, но и они уже не удовлетворяют возрастающим требованиям.
Развитие тематики требует накопления результатов измерений в автоматизированной базе данных и разработки методов автоматического выявления ранних признаков сердечно - сосудистых заболеваний.
Особо важной задачей является разработка программной части, которая позволит реализовать высокий технический потенциал и преимущества аппаратной части и в совокупности с ней образовать единый аппаратно-программный комплекс.
Главное - выявить ранние отклонения в работе сердца данного исследуемого при динамическом наблюдении за сердечно - сосудистой системой в течение жизни человека. Диагностика только по частоте ритма сердца недостаточна для ранней диагностики, необходимо измерение низкоамплитудных зубцов ЭКГ, малых ранних сдвигов S-T комплекса, необходима разработка новых технологий измерения слабых сигналов в любом исследуемом частотном диапазоне, измерение постоянных потенциалов сердца.
Электрокардиографы, применяемые в настоящее время в широкой практике, имеют грубую шкалу, чувствительность большинства электрокардиографов с регистрацией данных на тепловой бумаге равна 10мм/1мВ. Такая грубая шкала измерений не позволяет выявить ранние изменения в функционировании сердца, проявляющиеся в малых сдвигах электрокардиосигнала микровольтового и нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот. Однако именно данный вид электрокардиографов с регистрацией ЭКГ на тепловой бумаге получил наиболее широкое применение в первичном медицинском звене - амбулаториях, поликлиниках, где исследуется наиболее широкий поток пациентов.
Изменить данную ситуацию возможно путем создания нового поколения высокопроизводительной компьютизированной аппаратуры высокого разрешения на базе наносенсоров с микровольтовой и нановольтовой шкалой с передачей данных по телекоммуникационным каналам и с сохранением данных в автоматизированной базе данных, цена которой будет приемлема для учреждений здравоохранения и для приобретения населением.
Приоритетными направлениями исследований являются разработка приборных комплексов, обладающих следующими техническими характеристиками: многоканальность, повышенная точность в широком частотном и динамическом диапазонах, высокая помехоустойчивость, гибкость конфигурирования и настройки структуры измерительных каналов, возможность адаптации программного обеспечения к особенностям объекта, минимальные затраты на сопровождение в течение жизненного цикла.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электрокардиографического аппаратно-программного комплекса на наносенсорах для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации для ранней диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать наносенсоры, максимальное мгновенное значение собственных шумов которых не должно превышать ± 200 нВ в полосе частот от 0 до 10000 Гц.
2) Разработать электрокардиографический аппаратно-программный комплекс высокого разрешения для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц, уровень которых составляет 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт.
3) Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для количественной оценки зарегистрированных без фильтров микропотенциалов в реальном времени.
4) Провести технические испытания разработанных наносенсоров и АПК на специальном испытательном оборудовании для оценки их технических характеристик и разрешающей способности.
5) Провести предварительные медицинские исследования разработанных аппаратурных и программных средств.
Методы исследований
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратнопрограммных средств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованных испытательных стендов, прошедших испытания в Томском центре стандартизации и метрологии, и подтверждены результатами технических испытаний и предварительных медицинских исследований на добровольцах.
Научная новизна работы:
1) Впервые разработаны наносенсоры для съёма электрокардиографических сигналов, максимальное мгновенное значение собственных шумов которых не превышает ± 200 нВ в полосе частот от 0 до 10000 Гц.
2) Наносенсоры благодаря конструктивно-технологическим параметрам обеспечивают в отличие от известных электродов многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, аккумулируют сигнал и ослабляют действие помех и шумов.
3) Разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала, что подтверждено техническими испытаниями и предварительными медицинскими исследованиями на добровольцах.
4) Разработан специальный алгоритм для анализа без усреднения зарегистрированных без фильтров электрокардиосигналов, основанный на аппроксимации электрокардиограммы кусочно-линейной функцией, вычитании аппроксимирующей кривой из электрокардиограммы, обработки полученного высокочастотного разностного сигнала путем сравнения энергий в узких частотных интервалах высокочастотного разностного сигнала и шума измерительного тракта АПК при коротком замыкании входной цепи и восстановлении электрокардиографического сигнала после вычитания шума.
5) Разработан алгоритм для количественной оценки микропотенциалов на аппроксимирующей кривой, определяющий максимальное значение микропотенциала, местоположение максимального значения на
электрокардиограмме, начало и конец микропотенциала.
Практическая ценность работы:
1) Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ
Института неразрушающего контроля ФБГОУ ВПО НИ ТПУ, по проекту РФФИ № 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0-150 Гц», 2012-2013 гг., и по проекту ФЦП «Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для неинвазивной регистрации микропотенциалов сердца в широкой полосе частот без фильтрации и усреднения в реальном времени с целью раннего выявления признаков внезапной сердечной смерти», Соглашение № 14.578.21.0032 от
05.06.2014, 2014-2016 гг.
2) Разработана конструкторская документация на наносенсоры и аппаратнопрограммный комплекс, программа и методика испытаний наносенсоров, необходимые для внедрения результатов работы в серийное производство.
3) Проведены технические испытания наносенсоров и аппаратнопрограммного комплекса и предварительные медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ кардиологии, которые подтверждают возможность регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Наносенсоры для съёма электрокардиографических сигналов с поверхности тела человека, метрологические параметры которых превышают параметры известных электродов для съёма поверхностных биопотенциалов.
2) Конструктивно-технологические параметры наносенсоров,
обеспечивающие многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, суммирование сигнала и ослабление помех и шумов.
3) Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала.
4) Алгоритм для анализа без усреднения зарегистрированных без фильтров электрокардиосигналов.
5) Алгоритм количественной оценки микропотенциалов.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, 913 апреля 2012 г.
• Международный симпозиум «Информационно-коммуникационные технологии в индустрии, образовании и науке». - Караганда, 22-23 ноября 2012 г.
• Международная научно-практическая конференция «Информационноизмерительная техника и технологии». Томск, 16-23 мая 2014 г.
• Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». - Томск, 26-30 мая 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе - 1 в изданиях из списка ВАК, 1 в зарубежных изданиях. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, подана заявка на патентование изобретения. Результаты исследований изложены в 1 отчете по НИР и в 2-ух отчетах о ПНИ, зарегистрированных в ЦИТИС.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Общий объем 258 страниц, в т.ч. рисунков - 97, таблиц - 6, библиография содержит 141 наименований. Общий объём приложений составляет 84 страницы.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), сердечнососудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире: ни по какой другой причине ежегодно не умирает столько людей, сколько от ССЗ. По данным ВОЗ [9], в 2012 году от ССЗ умерло 17,5 миллионов человек, что составило 31% всех случаев смерти в мире. Из этого числа 7,4 миллиона человек умерли от ишемической болезни сердца и 6,7 миллиона человек - в результате инсульта. Более 75% случаев смерти от ССЗ происходят в странах с низким и средним уровнем дохода.
Особо трудно диагностируемыми являются ранние стадии ишемической болезни сердца, проявляющие себя в незначительных отклонениях по уровню и времени ST-комплекса кардиограммы, регистрация поздних потенциалов желудочков и предсердий (1111Ж и ППП) в реальном масштабе времени.
Все это обозначило современные пути развития электрокардиографии - ЭКГ высокого разрешения (ЭКГ ВР), ЭКГ - картирование, теле - ЭКГ и др. Так или иначе, точность диагноза напрямую зависит от качества и количества исходной информации. Повышение этих параметров является главной целью всех современных направлений электрокардиографии.
Современные методы зачастую «выигрывают» на количестве информации - производится большое число измерений и их различное комбинирование в процессе сложной обработки.
Качество же информации, в основном, определяется отношением сигнал/шум и повысить его можно за счет совершенствования аппаратной части и, прежде всего, самих медицинских электродов. В свое время хорошим решением стало применение хлор-серебряных электродов, но и они уже не удовлетворяют возрастающим требованиям.
Развитие тематики требует накопления результатов измерений в автоматизированной базе данных и разработки методов автоматического выявления ранних признаков сердечно - сосудистых заболеваний.
Особо важной задачей является разработка программной части, которая позволит реализовать высокий технический потенциал и преимущества аппаратной части и в совокупности с ней образовать единый аппаратно-программный комплекс.
Главное - выявить ранние отклонения в работе сердца данного исследуемого при динамическом наблюдении за сердечно - сосудистой системой в течение жизни человека. Диагностика только по частоте ритма сердца недостаточна для ранней диагностики, необходимо измерение низкоамплитудных зубцов ЭКГ, малых ранних сдвигов S-T комплекса, необходима разработка новых технологий измерения слабых сигналов в любом исследуемом частотном диапазоне, измерение постоянных потенциалов сердца.
Электрокардиографы, применяемые в настоящее время в широкой практике, имеют грубую шкалу, чувствительность большинства электрокардиографов с регистрацией данных на тепловой бумаге равна 10мм/1мВ. Такая грубая шкала измерений не позволяет выявить ранние изменения в функционировании сердца, проявляющиеся в малых сдвигах электрокардиосигнала микровольтового и нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот. Однако именно данный вид электрокардиографов с регистрацией ЭКГ на тепловой бумаге получил наиболее широкое применение в первичном медицинском звене - амбулаториях, поликлиниках, где исследуется наиболее широкий поток пациентов.
Изменить данную ситуацию возможно путем создания нового поколения высокопроизводительной компьютизированной аппаратуры высокого разрешения на базе наносенсоров с микровольтовой и нановольтовой шкалой с передачей данных по телекоммуникационным каналам и с сохранением данных в автоматизированной базе данных, цена которой будет приемлема для учреждений здравоохранения и для приобретения населением.
Приоритетными направлениями исследований являются разработка приборных комплексов, обладающих следующими техническими характеристиками: многоканальность, повышенная точность в широком частотном и динамическом диапазонах, высокая помехоустойчивость, гибкость конфигурирования и настройки структуры измерительных каналов, возможность адаптации программного обеспечения к особенностям объекта, минимальные затраты на сопровождение в течение жизненного цикла.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электрокардиографического аппаратно-программного комплекса на наносенсорах для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации для ранней диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать наносенсоры, максимальное мгновенное значение собственных шумов которых не должно превышать ± 200 нВ в полосе частот от 0 до 10000 Гц.
2) Разработать электрокардиографический аппаратно-программный комплекс высокого разрешения для регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без усреднения и фильтрации в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц, уровень которых составляет 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт.
3) Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для количественной оценки зарегистрированных без фильтров микропотенциалов в реальном времени.
4) Провести технические испытания разработанных наносенсоров и АПК на специальном испытательном оборудовании для оценки их технических характеристик и разрешающей способности.
5) Провести предварительные медицинские исследования разработанных аппаратурных и программных средств.
Методы исследований
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратнопрограммных средств.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждаются использованием аттестованных испытательных стендов, прошедших испытания в Томском центре стандартизации и метрологии, и подтверждены результатами технических испытаний и предварительных медицинских исследований на добровольцах.
Научная новизна работы:
1) Впервые разработаны наносенсоры для съёма электрокардиографических сигналов, максимальное мгновенное значение собственных шумов которых не превышает ± 200 нВ в полосе частот от 0 до 10000 Гц.
2) Наносенсоры благодаря конструктивно-технологическим параметрам обеспечивают в отличие от известных электродов многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, аккумулируют сигнал и ослабляют действие помех и шумов.
3) Разработан электрокардиографический аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала, что подтверждено техническими испытаниями и предварительными медицинскими исследованиями на добровольцах.
4) Разработан специальный алгоритм для анализа без усреднения зарегистрированных без фильтров электрокардиосигналов, основанный на аппроксимации электрокардиограммы кусочно-линейной функцией, вычитании аппроксимирующей кривой из электрокардиограммы, обработки полученного высокочастотного разностного сигнала путем сравнения энергий в узких частотных интервалах высокочастотного разностного сигнала и шума измерительного тракта АПК при коротком замыкании входной цепи и восстановлении электрокардиографического сигнала после вычитания шума.
5) Разработан алгоритм для количественной оценки микропотенциалов на аппроксимирующей кривой, определяющий максимальное значение микропотенциала, местоположение максимального значения на
электрокардиограмме, начало и конец микропотенциала.
Практическая ценность работы:
1) Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ
Института неразрушающего контроля ФБГОУ ВПО НИ ТПУ, по проекту РФФИ № 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0-150 Гц», 2012-2013 гг., и по проекту ФЦП «Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для неинвазивной регистрации микропотенциалов сердца в широкой полосе частот без фильтрации и усреднения в реальном времени с целью раннего выявления признаков внезапной сердечной смерти», Соглашение № 14.578.21.0032 от
05.06.2014, 2014-2016 гг.
2) Разработана конструкторская документация на наносенсоры и аппаратнопрограммный комплекс, программа и методика испытаний наносенсоров, необходимые для внедрения результатов работы в серийное производство.
3) Проведены технические испытания наносенсоров и аппаратнопрограммного комплекса и предварительные медицинские исследования на добровольцах в Томском НИИ кардиологии, которые подтверждают возможность регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц.
Личный вклад автора
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Наносенсоры для съёма электрокардиографических сигналов с поверхности тела человека, метрологические параметры которых превышают параметры известных электродов для съёма поверхностных биопотенциалов.
2) Конструктивно-технологические параметры наносенсоров,
обеспечивающие многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, суммирование сигнала и ослабление помех и шумов.
3) Аппаратно-программный комплекс на наносенсорах, способный регистрировать микропотенциалы уровнем 1 мкВ, единицы мкВ, десятки и сотни микровольт в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц в реальном времени без фильтрации в измерительном канале и последующего усреднения при обработке электрокардиосигнала.
4) Алгоритм для анализа без усреднения зарегистрированных без фильтров электрокардиосигналов.
5) Алгоритм количественной оценки микропотенциалов.
Апробация работы
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, 913 апреля 2012 г.
• Международный симпозиум «Информационно-коммуникационные технологии в индустрии, образовании и науке». - Караганда, 22-23 ноября 2012 г.
• Международная научно-практическая конференция «Информационноизмерительная техника и технологии». Томск, 16-23 мая 2014 г.
• Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность». - Томск, 26-30 мая 2014 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе - 1 в изданиях из списка ВАК, 1 в зарубежных изданиях. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 1 патент на полезную модель, подана заявка на патентование изобретения. Результаты исследований изложены в 1 отчете по НИР и в 2-ух отчетах о ПНИ, зарегистрированных в ЦИТИС.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Общий объем 258 страниц, в т.ч. рисунков - 97, таблиц - 6, библиография содержит 141 наименований. Общий объём приложений составляет 84 страницы.
В результате проведенных предварительных медицинских исследований можно сделать следующие выводы:
1) Показана возможность регистрации микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации.
2) Информация о микропотенциалах присутствует в аппроксимирующей кривой.
3) Для ранней диагностики сердечно-сосудистой системы по микропотенциалам необходимо провести полномасштабные медицинские исследования на разработанном АПК высокого разрешения.
4) Разработанный АПК обнаруживает ППЖ как на усредненном кардиоцикле за 30 с, так и на одиночном кардиоцикле.
5) Данная аппаратура высокого разрешения на наносенсорах позволит обеспечить высокую пропускную способность диагностических ЭКГ-кабинетов в первичном медицинском звене, через который проходит основной контингент пациентов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе представлен аналитический обзор методов и технических средств для регистрации и обработки микропотенциалов при электрокардиографическом исследовании. Сделано медицинское обоснование проблемы регистрации микропотенциалов при электрокардиографическом исследовании, обзор существующих методов для исследования низкоамплитудных электрокардиографических сигналов, дано описание технических средств для исследования низкоамплитудных электрокардиографических сигналов, выполнен анализ шумов и помех при регистрации электрокардиосигнала.
Разработан аппаратно-программный комплекс и наносенсоры для регистрации микропотенциалов в реальном времени без фильтрации и усреднения кардиоциклов. Разработан алгоритм и программа предварительной обработки электрокардиосигнала и программа «Метод Симсона». Для количественной оценки признаков ранних изменений в работе сердечно-сосудистой системы человека разработан алгоритм и программа детектирования элементов кардиосигнала и детектирования микропотенциалов.
Проведены технические испытания наносенсоров и аппаратно-программного комплекса на аттестованных испытательных стендах.
Предварительные медицинские исследования подтвердили возможность регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения.
Основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, следующие:
1 Регистрация электрокардиографических микропотенциалов регулярных и нерегулярных в реальном времени без фильтрации и накопления является актуальной задачей для ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.
2 Частотный диапазон микропотенциалов достигает (1000-2000) Гц.
3 Амплитуда микропотенциалов составляет единицы и десятки микровольт.
4 Для расширения частотного диапазона и повышения разрешающей способности электрографической медицинской диагностической аппаратуры необходима разработка электродов с более высокими метрологическими характеристиками.
5 В настоящее время отсутствуют аппаратно-программные комплексы, позволяющие регистрировать микропотенциалы сердца в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц уровнем единицы и десятки микровольт в реальном времени без накопления и фильтрации.
6 Разработан АПК, способный регистрировать сигналы от 300 нВ и выше в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц.
7 Наносенсоры имеют дрейф на постоянном токе, не превышающий 5 нВ/с.
8 Уровень собственного шума наносенсоров минимальный для
экспериментальных образцов, изготовленных из 3-ей партии керамических диафрагм с полным заполнением микропор пористой керамической диафрагмы наночастицами серебра, диаметр диафрагмы 16 мм и 20 мм, количество диафрагм 9-10 шт.
9 Максимальное мгновенное значение собственного щума разработанных экспериментальных образцов наносенсоров не превышает ± 200 нВ в полосе от 0 до 10000 Гц, что позволяет создавать измерительную аппаратуру от 300 нВ.
10 Сопротивление наносенсоров в диапазоне частот от 1 Гц до 10000 Гц составляет десятки и единицы Ом.
11 При токе 100 нА наносенсоры практически не поляризуются.
12 Наноэлектроды в наносенсорах расположены в отдельных микропорах и обеспечивают в отличие от известных электродов многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, аккумулируют сигнал и ослабляют действие помех.
13 Сделано математическое обоснование предварительной обработки электрокардиограммы, основанное на спектральном анализе зарегистрированных электрокардиограмм и аппроксимации электрокардиограммы с помощью кусочно- линейной аппроксимации.
14 Разработана программа предварительной обработки
электрокардиограммы, которая включает блок устранения сосредоточенных помех при их наличии, блок устранения шума измерительного канала АПК из зарегистрированной электрокардиограммы путем сравнения энергий сигнала и шума измерительного канала АПК при коротком замыкании входной цепи в узких частотных диапазонах, блок оценки шума измерительного канала и его устранения с последующим восстановлением электрокардиограммы без шума измерительного канала. Разработанное программное обеспечение позволяет анализировать в реальном времени без усреднения микропотенциалы в аппроксимирующей кривой.
15 Разработана программа «Метод Симсона», которая позволяет обнаруживать ППЖ как на усредненных, так и на одиночных импульсах.
16 Разработан метод детектирования элементов кардиосигнала, на основании которого разработано программное обеспечение для определения пикового значения, начала и конца элементов кардиосигнала.
17 Разработанное программное обеспечение позволило количественно оценивать длительность интервала QT, дисперсию QT и альтернацию зубца Т, которые используются в медицинской практике для обнаружения признаков внезапной сердечной смерти.
18 Разработан метод и программное обеспечение для детектирования микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации, что позволит в дальнейшем провести полномасштабные исследования на добровольцах с целью выработки критериев для оценки состояния сердца человека.
19 В результате проведенных предварительных медицинских исследований на добровольцах можно сделать следующие выводы:
- Показана возможность регистрации микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации.
- Информация о микропотенциалах присутствует в аппроксимирующей кривой.
- Для ранней диагностики сердечно-сосудистой системы по микропотенциалам необходимо провести полномасштабные медицинские исследования на разработанном АПК высокого разрешения.
- Разработанный АПК обнаруживает ППЖ как на усредненном кардиоцикле за 30 с, так и на одиночном кардиоцикле.
- Данная аппаратура высокого разрешения на наносенсорах позволит обеспечить высокую пропускную способность диагностических ЭКГ-кабинетов в первичном медицинском звене, через который проходит основной контингент пациентов.
1) Показана возможность регистрации микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации.
2) Информация о микропотенциалах присутствует в аппроксимирующей кривой.
3) Для ранней диагностики сердечно-сосудистой системы по микропотенциалам необходимо провести полномасштабные медицинские исследования на разработанном АПК высокого разрешения.
4) Разработанный АПК обнаруживает ППЖ как на усредненном кардиоцикле за 30 с, так и на одиночном кардиоцикле.
5) Данная аппаратура высокого разрешения на наносенсорах позволит обеспечить высокую пропускную способность диагностических ЭКГ-кабинетов в первичном медицинском звене, через который проходит основной контингент пациентов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе представлен аналитический обзор методов и технических средств для регистрации и обработки микропотенциалов при электрокардиографическом исследовании. Сделано медицинское обоснование проблемы регистрации микропотенциалов при электрокардиографическом исследовании, обзор существующих методов для исследования низкоамплитудных электрокардиографических сигналов, дано описание технических средств для исследования низкоамплитудных электрокардиографических сигналов, выполнен анализ шумов и помех при регистрации электрокардиосигнала.
Разработан аппаратно-программный комплекс и наносенсоры для регистрации микропотенциалов в реальном времени без фильтрации и усреднения кардиоциклов. Разработан алгоритм и программа предварительной обработки электрокардиосигнала и программа «Метод Симсона». Для количественной оценки признаков ранних изменений в работе сердечно-сосудистой системы человека разработан алгоритм и программа детектирования элементов кардиосигнала и детектирования микропотенциалов.
Проведены технические испытания наносенсоров и аппаратно-программного комплекса на аттестованных испытательных стендах.
Предварительные медицинские исследования подтвердили возможность регистрации микропотенциалов сердца в реальном времени без фильтрации и усреднения.
Основные результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, следующие:
1 Регистрация электрокардиографических микропотенциалов регулярных и нерегулярных в реальном времени без фильтрации и накопления является актуальной задачей для ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.
2 Частотный диапазон микропотенциалов достигает (1000-2000) Гц.
3 Амплитуда микропотенциалов составляет единицы и десятки микровольт.
4 Для расширения частотного диапазона и повышения разрешающей способности электрографической медицинской диагностической аппаратуры необходима разработка электродов с более высокими метрологическими характеристиками.
5 В настоящее время отсутствуют аппаратно-программные комплексы, позволяющие регистрировать микропотенциалы сердца в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц уровнем единицы и десятки микровольт в реальном времени без накопления и фильтрации.
6 Разработан АПК, способный регистрировать сигналы от 300 нВ и выше в диапазоне частот от 0 до 3500 Гц.
7 Наносенсоры имеют дрейф на постоянном токе, не превышающий 5 нВ/с.
8 Уровень собственного шума наносенсоров минимальный для
экспериментальных образцов, изготовленных из 3-ей партии керамических диафрагм с полным заполнением микропор пористой керамической диафрагмы наночастицами серебра, диаметр диафрагмы 16 мм и 20 мм, количество диафрагм 9-10 шт.
9 Максимальное мгновенное значение собственного щума разработанных экспериментальных образцов наносенсоров не превышает ± 200 нВ в полосе от 0 до 10000 Гц, что позволяет создавать измерительную аппаратуру от 300 нВ.
10 Сопротивление наносенсоров в диапазоне частот от 1 Гц до 10000 Гц составляет десятки и единицы Ом.
11 При токе 100 нА наносенсоры практически не поляризуются.
12 Наноэлектроды в наносенсорах расположены в отдельных микропорах и обеспечивают в отличие от известных электродов многоканальный съём биопотенциалов сердца с наноразмерных участков поверхности тела человека, аккумулируют сигнал и ослабляют действие помех.
13 Сделано математическое обоснование предварительной обработки электрокардиограммы, основанное на спектральном анализе зарегистрированных электрокардиограмм и аппроксимации электрокардиограммы с помощью кусочно- линейной аппроксимации.
14 Разработана программа предварительной обработки
электрокардиограммы, которая включает блок устранения сосредоточенных помех при их наличии, блок устранения шума измерительного канала АПК из зарегистрированной электрокардиограммы путем сравнения энергий сигнала и шума измерительного канала АПК при коротком замыкании входной цепи в узких частотных диапазонах, блок оценки шума измерительного канала и его устранения с последующим восстановлением электрокардиограммы без шума измерительного канала. Разработанное программное обеспечение позволяет анализировать в реальном времени без усреднения микропотенциалы в аппроксимирующей кривой.
15 Разработана программа «Метод Симсона», которая позволяет обнаруживать ППЖ как на усредненных, так и на одиночных импульсах.
16 Разработан метод детектирования элементов кардиосигнала, на основании которого разработано программное обеспечение для определения пикового значения, начала и конца элементов кардиосигнала.
17 Разработанное программное обеспечение позволило количественно оценивать длительность интервала QT, дисперсию QT и альтернацию зубца Т, которые используются в медицинской практике для обнаружения признаков внезапной сердечной смерти.
18 Разработан метод и программное обеспечение для детектирования микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации, что позволит в дальнейшем провести полномасштабные исследования на добровольцах с целью выработки критериев для оценки состояния сердца человека.
19 В результате проведенных предварительных медицинских исследований на добровольцах можно сделать следующие выводы:
- Показана возможность регистрации микропотенциалов в реальном времени без усреднения и фильтрации.
- Информация о микропотенциалах присутствует в аппроксимирующей кривой.
- Для ранней диагностики сердечно-сосудистой системы по микропотенциалам необходимо провести полномасштабные медицинские исследования на разработанном АПК высокого разрешения.
- Разработанный АПК обнаруживает ППЖ как на усредненном кардиоцикле за 30 с, так и на одиночном кардиоцикле.
- Данная аппаратура высокого разрешения на наносенсорах позволит обеспечить высокую пропускную способность диагностических ЭКГ-кабинетов в первичном медицинском звене, через который проходит основной контингент пациентов.