Помощь студентам в учебе
Распределительная компьютерная система сбора и математической обработки электрофизиологических сигналов
|
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 12
1.1. БИОМЕДИЦИНСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 12
1.1.1 Понятие о биомедицинских системах регистрации и математической обработки физиологических сигналов 12
1.1.2 Основные направления стандартизации в области аппаратно-программных систем регистрации и обработки биологических сигналов 17
1.1.3 Расширенные требования, предъявляемые к компьютерным биомедицинским системам....22
1.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 24
1.2.1 Основные понятия и общая терминология 24
1.2.2 Разработка биомедицинских программных систем на основе компонентной программной архитектуры 26
1.2.3 Применение архитектур промежуточного ПО при проектировании программных биомедицинских систем 31
ГЛАВА 2. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ КОМПОНЕНТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ПРОГРАММНАЯ АРХИТЕКТУРА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 35
2.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 35
2.2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 38
2.2.1 Структуризация биомедицинских систем регистрации электрофизиологической информации 38
2.2.2 Показатели и критерии эффективности 41
ф 2.3. Разработка основных моделей компонентной архитектуры БМС 42
2.3.1 Модель организации вычислительных процессов 42
2.3.2 Структурная модель данных 50
2.3.3 Имитационная модель подсистемы распределения и обработки данных 53
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ “1NTELLICARD” 62
3.1. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА 62
3.1.1 Краткая характеристика и назначение компьютерной БМС “IntelliCard" 62
3.1.2 Состав и структура программного комплекса 68
3.2. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ “INTELLICARD” 73
3.2.1 Подсистема записи данных с устройств регистрации электрофизиологических сигналов и распределения данных 73
3.2.2 Подсистема визуализации и печати биомедицинских данных 80
3.2.3 Подсистема хранения и накопления биомедицинских данных 83
3.2.4 Подсистема внешних коммуникационных интерфейсов 84
3.3. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ 92
3.3.1 Планирование внутренних задач системы 92
3.3.2 Исследование производительности программной реализации на основе СОМ+ 94
3.3.3 Оценка затрат на реализацию дополнительных требований программной архитектуры ...95
ГЛАВА 4. ПРИКЛАДНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ БИОМЕДИЦИНСКОЙ СИСТЕМЫ “INTELLICARD” 96
4.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ЭКГ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 97
4.1.1 Характеристики и классификация шумов, присутствующих в электрокардиограмме 97
4.1.2 Методы подавления ряда инструментальных шумов 101
ш 4.1.3 Реализация подсистемы подавления шумов ЭКГ методами цифровой фильтрации 104
4.2. ВЫДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ QRS-КОМПЛЕКСОВ В ЭКГ-СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 112
2
4.2.1 Классификация методик выделения QRS-комплексов ИЗ
4.2.2 Алгоритм детектирования QRS-комплексов 116
4.2.3 Определение параметров Q-волны 122
Щ 4.2.4 Коррекция дрейфа изолинии 126
4.2.5 Определение параметров S-волны и окончания QRS-комплекса 127
4.2.6 Особенности реализации QRS-детектора 128
4.2.7 Реализация алгоритма детектирования QRS- комплексов на базе микроконтроллера 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
ЛИТЕРАТУРА 135
ПРИЛОЖЕНИЯ 141
П. 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТНОЙ АРХИТЕКТУРЫ СОМ+ 141
П. 2. ОБЗОР ХАРАКТЕРИСТИК НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ МЕТОДОВ СЖАТИЯ ЭКГ 146
П. 3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ QRS-ДЕТЕКТОРА 148
П. 4. IDL-СПЕЦИФИКАЦИИ ОСНОВНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ПРОГРАММНОЙ АРХИТЕКТУРЫ 152
П. 5. ПОКОМПОНЕНТНАЯ СТРУКТУРА РАЗРАБОТАННОГО ПО 156
П. 6. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 12
1.1. БИОМЕДИЦИНСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 12
1.1.1 Понятие о биомедицинских системах регистрации и математической обработки физиологических сигналов 12
1.1.2 Основные направления стандартизации в области аппаратно-программных систем регистрации и обработки биологических сигналов 17
1.1.3 Расширенные требования, предъявляемые к компьютерным биомедицинским системам....22
1.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 24
1.2.1 Основные понятия и общая терминология 24
1.2.2 Разработка биомедицинских программных систем на основе компонентной программной архитектуры 26
1.2.3 Применение архитектур промежуточного ПО при проектировании программных биомедицинских систем 31
ГЛАВА 2. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ КОМПОНЕНТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ПРОГРАММНАЯ АРХИТЕКТУРА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 35
2.1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 35
2.2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 38
2.2.1 Структуризация биомедицинских систем регистрации электрофизиологической информации 38
2.2.2 Показатели и критерии эффективности 41
ф 2.3. Разработка основных моделей компонентной архитектуры БМС 42
2.3.1 Модель организации вычислительных процессов 42
2.3.2 Структурная модель данных 50
2.3.3 Имитационная модель подсистемы распределения и обработки данных 53
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ “1NTELLICARD” 62
3.1. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА 62
3.1.1 Краткая характеристика и назначение компьютерной БМС “IntelliCard" 62
3.1.2 Состав и структура программного комплекса 68
3.2. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ “INTELLICARD” 73
3.2.1 Подсистема записи данных с устройств регистрации электрофизиологических сигналов и распределения данных 73
3.2.2 Подсистема визуализации и печати биомедицинских данных 80
3.2.3 Подсистема хранения и накопления биомедицинских данных 83
3.2.4 Подсистема внешних коммуникационных интерфейсов 84
3.3. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ 92
3.3.1 Планирование внутренних задач системы 92
3.3.2 Исследование производительности программной реализации на основе СОМ+ 94
3.3.3 Оценка затрат на реализацию дополнительных требований программной архитектуры ...95
ГЛАВА 4. ПРИКЛАДНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ БИОМЕДИЦИНСКОЙ СИСТЕМЫ “INTELLICARD” 96
4.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ЭКГ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 97
4.1.1 Характеристики и классификация шумов, присутствующих в электрокардиограмме 97
4.1.2 Методы подавления ряда инструментальных шумов 101
ш 4.1.3 Реализация подсистемы подавления шумов ЭКГ методами цифровой фильтрации 104
4.2. ВЫДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ QRS-КОМПЛЕКСОВ В ЭКГ-СИСТЕМАХ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 112
2
4.2.1 Классификация методик выделения QRS-комплексов ИЗ
4.2.2 Алгоритм детектирования QRS-комплексов 116
4.2.3 Определение параметров Q-волны 122
Щ 4.2.4 Коррекция дрейфа изолинии 126
4.2.5 Определение параметров S-волны и окончания QRS-комплекса 127
4.2.6 Особенности реализации QRS-детектора 128
4.2.7 Реализация алгоритма детектирования QRS- комплексов на базе микроконтроллера 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
ЛИТЕРАТУРА 135
ПРИЛОЖЕНИЯ 141
П. 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТНОЙ АРХИТЕКТУРЫ СОМ+ 141
П. 2. ОБЗОР ХАРАКТЕРИСТИК НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫХ МЕТОДОВ СЖАТИЯ ЭКГ 146
П. 3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ QRS-ДЕТЕКТОРА 148
П. 4. IDL-СПЕЦИФИКАЦИИ ОСНОВНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ПРОГРАММНОЙ АРХИТЕКТУРЫ 152
П. 5. ПОКОМПОНЕНТНАЯ СТРУКТУРА РАЗРАБОТАННОГО ПО 156
П. 6. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
Сбор, обработка и автоматизированный анализ физиологической информации человека являются важнейшей составной частью многих диагностических методов современной медицины. Компьютерные системы сбора и математической обработки электрофизиологических сигналов являются сложными аппаратно-программными комплексами, состоящими из множества программных компонент, выполняющих функции регистрации биомедицинской информации (БМИ), ее обработки и системного анализа, а также диагностические и сервисные операции. Основным подходом к проектированию подобных комплексных систем долгое время была реализация монолитной программной архитектуры с заранее определенной функциональностью, обеспечиваемой жестко связанными друг с другом программными компонентами. Функциональные свойства подобных систем практически невозможно было расширить, так как они были способны выполнять лишь те функции, которые были заложены на этапе проектирования. Однако современные требования, предъявляемые к данным системам, в значительной мере, связаны с возможностями постоянного расширения и наращивания их функциональных свойств. Важными проблемами являются также универсализация биомедицинского программного обеспечения, под которой, прежде всего, понимается проблема повторного использования кода, и преодоление имеющихся препятствий на пути интеграции разнородных компьютерных биомедицинских систем (БМС).
За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в области проектирования сложных программных систем, который в корне изменил подход к их разработке и моделированию. Однако отсутствие соответствующих стандартов не позволяет полностью воспользоваться преимуществом нового подхода. Успехи процесса стандартизации, в значительной степени, состоят в разработке документов рекомендательного характера, регламентирующих инфраструктуру низшего звена — протоколов обмена, форматов файлов данных, медицинских записей и сообщений, а также концептуальные модели взаимодействия систем. Вне рассмотрения остается, так называемое, промежуточное программное обеспечение (ПО) (англ. middleware), под которым понимается определенный функционально законченный набор программных средств, интегрированных в рамках выбранной операционной системы (ОС), обеспечивающий прозрачную работу программ в неоднородной среде. Неоднородными средами, с точки зрения информатики, являются системы (локальные или глобальные), состоящие из компонент, не совместимых друг с другом с точки зрения программного окружения.
б
Таким образом, для реального обеспечения взаимодействия разнородных программных и аппаратных систем необходима выработка единых спецификаций программных интерфейсов ПО промежуточного звена. В данный момент эта работа имеет высокий приоритет у ведущих мировых учреждений по стандартизации, хотя и далека до завершения.
С этой точки зрения актуальным является исследование общих свойств компьютерных биомедицинских систем и разработка с учетом требований современных стандартов единых информационных моделей их функционирования. Реализация на этой основе универсальной объектно- ориентированной инфраструктуры, под которой понимается множество программных компонент и интерфейсов с четкой регламентацией возможностей их использования, дает возможность перейти от монолитной программной архитектуры к компонентно-ориентированной распределенной, решить проблемы универсализации программного обеспечения (ПО) и значительно повысить экономическую эффективность разработок. Существенная разнородность и различная функциональная направленность биомедицинских систем делает задачу в общем смысле практически невыполнимой. Однако существует относительно широкий спектр программных биомедицинских систем, для которых подобная задача может быть успешно решена и, прежде всего, для компьютерных биомедицинской систем сбора и математической обработки электрофизиологической информации.
За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в области проектирования сложных программных систем, который в корне изменил подход к их разработке и моделированию. Однако отсутствие соответствующих стандартов не позволяет полностью воспользоваться преимуществом нового подхода. Успехи процесса стандартизации, в значительной степени, состоят в разработке документов рекомендательного характера, регламентирующих инфраструктуру низшего звена — протоколов обмена, форматов файлов данных, медицинских записей и сообщений, а также концептуальные модели взаимодействия систем. Вне рассмотрения остается, так называемое, промежуточное программное обеспечение (ПО) (англ. middleware), под которым понимается определенный функционально законченный набор программных средств, интегрированных в рамках выбранной операционной системы (ОС), обеспечивающий прозрачную работу программ в неоднородной среде. Неоднородными средами, с точки зрения информатики, являются системы (локальные или глобальные), состоящие из компонент, не совместимых друг с другом с точки зрения программного окружения.
б
Таким образом, для реального обеспечения взаимодействия разнородных программных и аппаратных систем необходима выработка единых спецификаций программных интерфейсов ПО промежуточного звена. В данный момент эта работа имеет высокий приоритет у ведущих мировых учреждений по стандартизации, хотя и далека до завершения.
С этой точки зрения актуальным является исследование общих свойств компьютерных биомедицинских систем и разработка с учетом требований современных стандартов единых информационных моделей их функционирования. Реализация на этой основе универсальной объектно- ориентированной инфраструктуры, под которой понимается множество программных компонент и интерфейсов с четкой регламентацией возможностей их использования, дает возможность перейти от монолитной программной архитектуры к компонентно-ориентированной распределенной, решить проблемы универсализации программного обеспечения (ПО) и значительно повысить экономическую эффективность разработок. Существенная разнородность и различная функциональная направленность биомедицинских систем делает задачу в общем смысле практически невыполнимой. Однако существует относительно широкий спектр программных биомедицинских систем, для которых подобная задача может быть успешно решена и, прежде всего, для компьютерных биомедицинской систем сбора и математической обработки электрофизиологической информации.
1. Распределенная компонентно-ориентированная архитектура ПО на базе принципов динамического связывания и распределения вычислений обеспечивает системы сбора и обработки электрофизиологической информации возможностями постоянного расширения и наращивания их функциональных свойств, интеграции в единую систему разнородных компьютерных биомедицинских систем. Особенно следует отметить обеспечение полной интероперабельности в рамках программной архитектуры и широкие возможности повторного использования кода уже разработанных элементов системы.
2. На основе разработанной программной архитектуры, включающей спецификации интерфейсов взаимодействия, модели организации вычислительных процессов, физическую модель данных и модель распределения БМИ, построен экспериментальный переносной электрокардиографический компьютерный комплекс «Intellicard», обеспечивающий функции регистрации и обработки данных.
3. Разработанные программные компоненты, в том числе методики предварительной обработки сигналов, сжатия и визуализации БМИ, выделения и анализа QRS-комплексов, подсистема управления устройствами регистрации, могут быть применены в качестве базового набора модулей при проектировании произвольной БМС регистрации и обработки электрофизиологических сигналов.
4. Использование современных компонентно-ориентированных систем промежуточного ПО позволяет избежать дополнительных затрат и падения производительности при переходе от монолитной к распределенной программной архитектуре. Применение компонентной архитектуры промежуточного ПО СОМ+ не приводит к сколько-нибудь заметной потере производительности и не уступает в этом параметре монолитным архитектурам. Затраты выделяемого времени ЦП на выполнение специфических процедур поддержки распределенных компонент, в частности, создание, удаление и управление объектами, не превышает нескольких процентов от общего времени, выделяемого ОС всей системе в целом.
5. Решающее значение при проектировании программных БМС сбора и математической обработки физиологических сигналов имеет ориентация на общепризнанные стандарты в данной области, в частности, IEEE 1073.
6. Выделение вычислительных задач регистрации БМИ и математической обработки данных в отдельные процессы на основе технологий промежуточного ПО позволяет организовать
распределенную схему вычислений без дополнительных затрат на синхронизацию и взаимодействие удаленных процессов.
# 7. Внедрение принципов разработки распределенных компьютерных
БМС реального времени на основе компонентных архитектур промежуточного ПО позволяет существенно сократить время проектирования, повысить их качество и эффективность, решить многие проблемы интеграции и взаимодействия БМС различных производителей.
134
2. На основе разработанной программной архитектуры, включающей спецификации интерфейсов взаимодействия, модели организации вычислительных процессов, физическую модель данных и модель распределения БМИ, построен экспериментальный переносной электрокардиографический компьютерный комплекс «Intellicard», обеспечивающий функции регистрации и обработки данных.
3. Разработанные программные компоненты, в том числе методики предварительной обработки сигналов, сжатия и визуализации БМИ, выделения и анализа QRS-комплексов, подсистема управления устройствами регистрации, могут быть применены в качестве базового набора модулей при проектировании произвольной БМС регистрации и обработки электрофизиологических сигналов.
4. Использование современных компонентно-ориентированных систем промежуточного ПО позволяет избежать дополнительных затрат и падения производительности при переходе от монолитной к распределенной программной архитектуре. Применение компонентной архитектуры промежуточного ПО СОМ+ не приводит к сколько-нибудь заметной потере производительности и не уступает в этом параметре монолитным архитектурам. Затраты выделяемого времени ЦП на выполнение специфических процедур поддержки распределенных компонент, в частности, создание, удаление и управление объектами, не превышает нескольких процентов от общего времени, выделяемого ОС всей системе в целом.
5. Решающее значение при проектировании программных БМС сбора и математической обработки физиологических сигналов имеет ориентация на общепризнанные стандарты в данной области, в частности, IEEE 1073.
6. Выделение вычислительных задач регистрации БМИ и математической обработки данных в отдельные процессы на основе технологий промежуточного ПО позволяет организовать
распределенную схему вычислений без дополнительных затрат на синхронизацию и взаимодействие удаленных процессов.
# 7. Внедрение принципов разработки распределенных компьютерных
БМС реального времени на основе компонентных архитектур промежуточного ПО позволяет существенно сократить время проектирования, повысить их качество и эффективность, решить многие проблемы интеграции и взаимодействия БМС различных производителей.
134