Download
1 / 36
360 likes | 817 Views
Попов Александр Игоревич, аспирант Поморский государственный университет им. М.В. Ломоносова каф. информационных технологий aippv@mail.ru. Методы сбора и обработки биомедицинских сигналов инфразвукового диапазона.
E N D
Попов Александр Игоревич, аспирант Поморский государственный университет им. М.В. Ломоносова каф. информационных технологий aippv@mail.ru Методы сбора и обработки биомедицинских сигналов инфразвукового диапазона
Рассматриваются методы компьютерной функциональной диагностики заболеваний органов брюшной полости на основе анализа электрогастрограмм и электроэнтерограмм. • Проводятся обзор и анализ медицинских информационных систем (МИС), предназначенных для периферической электрогастрографии, и алгоритмов амплитудного и спектрального анализа биомедицинских сигналов инфразвукового диапазона.
МЭФ ЖКТ • Одной из основных функций желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) является эвакуация переработанной пищи по кишечнику - моторно-эвакуаторная функция, МЭФ. Нарушения сократительной способности желудка и кишечника, либо расстройства ее координации лежат в основе или являются следствием многих патологических процессов, зачастую определяя тяжесть состояния больного и исход заболевания. • Перистальтика - волнообразное сокращение мышц полого трубчатого органа, перемещающееся по его длине и способствующее продвижению его содержимого. Волны перистальтики следуют друг за другом непрерывно с определёнными ритмом и скоростью.
ЭГГ(EGG) • Электрогастрогафия - метод исследования двигательной функции желудка, основанный на регистрации биопотенциалов желудка с поверхности тела.
ЭГЭГ(EGG) • Электрогастроэнтерография - неинвазивный метод оценки МЭФ ЖКТ (а не только желудка), основанный на регистрации и анализе изменений разности потенциалов в определенных точках поверхности тела пациента. • Прямая ЭГЭГ: при помощи рентгенографии получают контур желудка и двенадцатиперстной кишки, на который затем на накладываются электроды и осуществляется запись электрических потенциалов с передней брюшной стенки. (М.А. Собакин). • Периферическая ЭГЭГ: сигнал регистрируется с конечностей. (В.А. Ступин). • В результате записи получаются гастрограмма (желудок) и энтерограммы (кишечник).
Источник сигналов • Медленные волны (МВ) - периодические изменения трансмембранного потенциала мембран клеток гладких мышц (ГМ). • Потенциал действия (ПД) - быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении мышечных, нервных, некоторых железистых клеток, с помощью которого осуществляется передача информации в организме человека и животных. Cокращения ГМ клеток возникают только при наличии ПД. • МВ и ПД - компоненты электрической активности ГМ стенок органов ЖКТ. • ПД возникают на гребнях МВ, а МВ можно регистрировать с поверхности тела.
Доминантные частоты отделов ЖКТ • Каждый участок ЖКТ имеет характерные только для него частоты МВ, базисные ритмы. Эти частоты находятся в следующих полосах:
Digitrapper EGG • Производитель: Medtronics Inc. (США). • Портативность. • Габариты: 120х65х25. • Автономный источник питания. • Возможность применения для непрерывного мониторинга в течение 24 часов.
ЭГС-4М • Изобретатель: В.Г. Ребров. • Производитель: МПО ``ЭМА'' (г. Москва). • Упоминается в Государственном реестре медицинских изделий по состоянию на 2007 г. (а на сайте завода - нет). • Назначение: прямая (электроды на передней брюшной стенке) и периферическая (электроды на конечностях) электрогастроэнтерография. • Содержит электроды, усилитель и систему фильтров, выделяющих полезную составляющую электрического сигнала. • Критика: низкая чувствительность, плохая помехозащищенность, слабая селекция полезного сигнала, сложная конструкция системы фильтров (Красовский С.В., Белобородова Э.И.).
Селективный электроэнтерогастрограф • Изобретатели: Яковенко В.Н., Яковенко С.В (Патент РФ № 2023419, 1994 г.). • Разработан с целью повышения повышения эффективности диагностики парезов ЖКТ у постоперационных больных. • Осуществляет раздельную регистрацию биоэлектрической активности желудка, 12-перстной кишки, тощей и подвздошной кишки. • Содержит электроды, резонансные фильтры (0.05, 0.2, 0.15, 0.1 Гц). • Показатели: амплитуда биопотенциалов, их продолжительность и частота колебаний.
Универсальный энтерогастрограф • Изобретатели: Яковенко В.Н., Яковенко С.В (Патент РФ № 2088150, 1997 г.). • Осуществляет раздельную регистрацию биоэлектрической активности желудка, 12-перстной кишки, тощей и подвздошной кишки, толстой кишки и ее отделов. • Cодержит полосовой фильтр с изменяемой частотой (от 0.01 до 0.5 Гц), резонансные фильтры (0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.3 и 0.4 Гц) входы которых объединены с входом первого фильтра, а выход каждого из них подключен к соответствующему входу самописца. • Во время записи можно изменять чувствительность в каждом канале.
Гастроскан-ГЭМ • Производитель: НПП ``Исток-Система'', г.Фрязино. • Регистрирует электрический сигнал от желудка, двенадцатиперстной, тощей, подвздошной и толстой кишок при помощи трех накожных электродов, накладываемых на конечности пациента. • Обеспечивает регистрацию состояния пациента и его действий с помощью клавиатуры, расположенной на лицевой панели. • Сохраняет результаты исследования в базе данных. • Габариты: 165х115х40 мм.
ElectroGastroGraphy system • Производитель: Synectics Medical, Швеция (www.synecticmedical.com). • Состав: ElectroGastroGraphy Application, Polygraf ID 8-channel, Polygraf ID 8-channel • Polygraf ID (Upgrade), кабели, электроды, токопроводящий гель. • Многоканальный анализ,позволяющий изучить распределение и взаимосвязь медленных волн. Отображаются только отсчеты, выбираемые через минуту. • Отображение результатов на экране монитора в режиме реального времени. • Возможность ведения «дневника симптомов пациента» (User-Configured Patient Symptom Diary). • Интуитивный интерфейс, встроенное руководство пользователя. • Система портативна.
Проводимые исследования В течение нескольких лет (начиная с 2005 г.) проводятся работы по созданию аппаратных и программных средств диагностики методами селективной ЭГГ в: • Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования (МАПО); • Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН (СПИИРАН) (Проект 2006 президиума РАН); В настоящее время ведутся совместные исследования по созданию нового образца системы в СПИИРАН и Поморском государственном университете им. М.В. Ломоносова (ПГУ, Архангельск) (Региональный проект РФФИ_а, 2008-2009 гг).
Функциональная схема систем образцов 1 и 2
Показатели состояния Информация поступает для интерпретации гастроэнтерологам-клиницистам в виде графиков (качественная информация) и рассчитываемых параметров (количественная): • Первичные параметры: • Доминантная частота (ДЧ); • Максимумы амплитуд колебаний; • Скорость затухания сигналов после атаки. • Статистические параметры: • Распределение величин периодов затуханий; • Распределение пиков колебаний.
Аналого-цифровое преобразование • Основные характеристики модуля Е24 (LCard): • 8 каналов, микросхема AD-7714. Одновременно работают 4 канала АЦП. • Диапазон при усилении 1: ±2.5 В (биполярный) • Разрядность АЦП: 24-битный со смещенным кодом (нулевому напряжению соответствует код 0x800000) • Различные режимы калибровки • Программируемое усиление до 128 • Разночастотный ввод от 4.8 Гц до 1000 Гц • FIFO буфер на 40 байт
Аналого-цифровое преобразование • Основные характеристики модуля Е270 (LCard): • Число каналов: до 16 • Частота дискретизации: от 7,6 до 100 Гц. • Разрядность: от 15 до 11 (в зависимости от частоты) • Интерфейсы: USB 1.1, USB 2.0, RS-485, RS-232 • Питание: от USB или внешнего источника • Память программ (Flash): 64 кБ • Память данных: 3 кБ • Габариты: 129x95x26 мм
Недостатки • Вносимые гастрографом: • Некачественная аналоговая фильтрация. • Индивидуальная разработка в виде отдельных образцов (1994-1997), не ориентированных на сопряжение с компьютером. • Высокая стоимость гастрографа. • Недостатки ПО: • Программа, осуществляющая ввод данных написана на коммерческом C++ Builder. • Данные обследований хранятся только в текстовых файлах. Специализированная БД отсутствует. • Фурье-анализ может быть использован только для коротких сегментов сигналов, ввиду их нестационарности.
Результаты Фурье-анализа гастрограммы Полоса пропускания регулируется в пределах от 0,01 до 0,5 Гц.
Особенности нового образца МИИС • Исключение аналогового гастрографа (усиление способен выполнять E24, фильтрация более качественно реализуется программно). • Цифровая фильтрация (нерекурсивная, полосовая). • Применение вейвлет-анализа (процесс нестационарный). • Хранение информации в специализированной базе данных. • Открытые технологии, кроссплатформенность.
Подсистема сбора данных • Подсистема сбора данных - приложение с открытым исходным кодом, написанное на C++ на базе QT4. • Программа обеспечивает ввод и фильтрацию сигнала, визуализацию, сохранение записей в базе данных. • Для управления модулем Е24 в Windows используется библиотека e24api.dll, поставляемая вместе с модулем. • Для взаимодействия с базой данных пациентов и обследований используется SQLite3. • Программа может быть откомпилирована для запуска в разных операционных системах.
Цифровая фильтрация • Входной сигнал подвергается усилению, оцифровке и фильтрации. Усиление и оцифровка выполняются модулем E24. Цифровая фильтрация реализована программно. • Для ускорения фильтрации в режиме реального времени могут применяться фильтры с небольшой длиной оператора. Возникающий эффект Гиббса подавляется окном Хеннинга. Такая фильтрация, однако, используется только для визуализации во время сеанса. Исходный временной ряд сохраняется в базе данных и в последствии может быть подвергнутболее качественной фильтрации и анализу.
Визуализация при измерениях • Графики помогают эксперту делать предварительные выводы о динамике функционирования отдельных органов ЖКТ.
Вейвлет-анализ Вейвлет-функции были использованы для определения: • Моментов времени, в которые имеет место пиковое значение сигнала или модуля вейвлет-коэффициента • Точного значения масштаба (величины, обратной доминантной частоте)
Вейвлет-анализ • Графики зависимости модулей коэффициентов в базисе Хаара от вариаций масштаба вейвлет-функций:
