Радиофизические исследования пульсовых сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ.

1.1. биомедицинские сигналы и методы их предварительной обработки.

1.2. Диагностические признаки биосигналов.

1.3. Обзор методов анализа пульсовой волны.

1.4. Выводы.

2. СПЛАЙН-ФУНКЦИИ В АМПЛИТУДНО-ВРЕМЕННОМ АНАЛИЗЕ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ, АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА.

2.1. Интерполирующие сплайны в амплитудно-временном анализе пульсовой волны.

2.2. Методика и аппаратура многоканальных измерений пульса человека.

2.3. Программное обеспечение.

2.4. Выводы.

3. МЕТОД ВЫДЕЛЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ.

3.1. Основные подходы к автоматизации пульсовой диагностики.

3.2. Диагностические параметры пульсовой волны.

3.3. Оценка корректности определения фаз кардиоцикла.

3.4. Выводы.юз

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПУЛЬСОВОЙ ВОЛНЫ.

4.1. Исследование диагностической значимости амплитудно-временных параметров пульсовой волны.

4.2. Исследование динамики пульсов жара и холода.

4.3. Система поддержки принятия решений автоматизированного пульсодиагностического комплекса.

4.4. Выводы.

Радиофизика как область физики, в которой изучаются процессы, связанные с колебаниями и волнами, достигла огромных успехов в дистанционном изучении космоса, земли и океана. Эта информация является интегральной, отражающей основные системные закономерности в структуре и функционировании исследуемых объектов [1-4]. Радиофизические методы исследования стали одними из основных в современных прикладных отраслях, таких как метеорология и геофизика, изучение лесов и водоемов, экологический мониторинг. Перспективной областью использования радиофизических подходов является медицина, в которой достижения физики находят свое наиболее концентрированное, близкое самым насущным нуждам человека применение.

Радиоэлектронные технологии на протяжении длительного времени служат основой для создания совершенной медицинской аппаратуры. Без использования таких диагностических и лечебных средств, как УЗИ-сканирование, рентгеновская и магнитно-резонансная томография, лазерная терапия и хирургия и др., невозможно представить ни одно современное медицинское учреждение. Однако научная идеология и подходы радиофизики могут существенным образом дополнить, а зачастую и радикально изменить представления о функционировании организма человека, открыть принципиально новые возможности в медицине [4].

Бурно развивающаяся область науки - биомедицинская радиофизика -основана на тесном взаимодействии радиофизиков, биофизиков, математиков, физиологов и инженеров. Биомедицинская радиофизика является междисциплинарной областью, в которой получили успешное развитие фундаментальная наука и инженерная практика.

Радиофизические методы находят свое применение в изучении влияния природных и техногенных излучений на организм человека, в исследовании собственных физических полей и излучений организма, разнообразных биологических колебательных систем [5-11]. Наработанные в радиофизике решения многих проблем, таких как эффективная фильтрация сигнала, повышение отношения сигнал/шум, определение и отслеживание динамических параметров процесса, статистическое моделирование, оценка характера процесса, анализ гармонических составляющих и т.д., широко применяются при исследовании биомедицинских сигналов, при создании новых диагностических и терапевтических инструментов [5, 6].

Дальнейшее развитие средств медицинской диагностики связано с созданием интеллектуальных устройств, интегрирующих совершенную приборную основу и компьютеризированные методы обработки и анализа биосигналов и принятия решений [12-19]. Они существенно облегчают труд врачей, способствуют повышению точности и эффективности диагностики.

Несмотря на разнообразие направлений в области компьютерного анализа сигналов, методы и техника их обработки во многих случаях являются сходными. Их можно использовать при изучении сигналов различной физической природы, имеющих разные среды распространения.

В этой связи несомненный интерес представляет изучение радиофизическими методами диагностической значимости пульсовых колебаний. Пульс в организме человека является интегральным процессом, отражающим состояние многих органов и функциональных систем. В физиологии принято связывать пульсовые колебания в основном с процессами, протекающими в сердечно-сосудистой системе. Вместе с тем, в практике многих традиционных медицинских систем, в том числе тибетской, накоплены обширные знания по распознаванию различных психосоматических нарушений в организме человека по пульсу.

Пульсовая диагностика заболеваний в тибетской медицине является диагностическим методом, с помощью которого исследуются 12 основных функциональных систем организма человека. При этом возможна как интегральная оценка функционального состояния организма, так и дифференциальная диагностика по системам внутренних органов [20, 21, 22]. Исследования показали, что знания в пульсовой диагностике заболеваний в тибетской медицине организованы таким образом, что в значительной степени поддаются формализации и последующей компьютеризации [23-26]. Использование методов обработки сигналов и принятия решений создает объективную основу для внедрения пульсовой диагностики в современную клиническую практику. Простота реализации и эксплуатации приборной части пульсодиагностического комплекса позволяет широко применять его в сферах, где необходима оперативность получения диагноза или оценки функционального состояния организма, для организации длительного медицинского мониторинга с многопараметрическим контролем при интенсивной терапии и т.д.

Характеристики пульсовых сигналов тесным образом связаны с теми или иными свойствами организма человека и исследуются при помощи радиоэлектронных устройств, преобразующих волну давления кровотока, распространяющуюся по кровеносным сосудам, в сигналы измерительной информации, которые подвергаются компьютерной обработке. Пульс можно рассматривать как низкочастотный процесс [27], во многом схожий с акустическими и сейсмическими колебаниями, при этом ярко выражены нелинейные свойства пульсовых колебаний, что является следствием многофакторного генезиса пульсовой волны и сложной среды ее распространения.

Работы в области изучения и создания радиоэлектронных средств регистрации и анализа пульса человека ведутся достаточно давно [28-37], однако в рамках превалировавших до настоящего времени подходов пульс обычно рассматривается как сигнал, несущий информацию в основном о работе сердца и сосудистой системы. Обширная система знаний по распознаванию заболеваний по пульсу, созданная и активно практикуемая в традиционной тибетской медицине, позволяет рассмотреть эту проблему в ином плане - для оценки состояния и диагностики функциональных систем организма человека. Поэтому актуальной является задача приложения радиофизической методологии в изучении пульсовых колебаний.

Необходимо отметить, что рассмотрение подходов, используемых в современных прикладных отраслях радиофизики, в том числе и в биомедицинской радиофизике, необходимо вести с позиций интердисциплинарности с привлечением теоретических положений и прикладных аспектов общей физики, радиофизики, физиологии, радиотехники и электроники, теории сигналов, прикладной математики, вычислительной и компьютерной техники [38].

Исследования, проводимые в лаборатории радиобиофизики Отдела физических проблем Бурятского научного центра СО РАН (БНЦ СО РАН), строятся на основании именно такого подхода к проблеме изучения пульса человека.

В основу настоящей работы легла радиофизическая методология исследования, основанная на использовании радиоэлектронных устройств для многоканального, многопараметрического приема информации о состоянии динамического объекта, изучении процессов изменения наблюдаемых параметров последнего во времени и адекватном моделировании собственных характерных свойств исследуемой системы Я

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование динамических, в том числе амплитудно-временных, свойств пульсовых сигналов человека, определение на этой основе диагностически значимых параметров пульса.

В ходе выполнения работы решались следующие основные задачи.

• создание и экспериментальное исследование комплекса компьютеризированных методов обработки пульсовых сигналов, позволяющих изучать динамические свойства пульсовых колебаний, определять в автоматизированном режиме амплитудно-временные параметры пульсовых сигналов, анализировать и интерпретировать пульсограммы, записанные с лучевых артерий человека.

• исследование диагностической значимости динамических, в том числе амплитудно-временных, параметров пульсовой волны;

• создание информационной модели для представления пульсовых сигналов и сопутствующих данных в памяти ЭВМ и на долговременных носителях информации; создание программного обеспечения автоматизированного пульсодиагностического комплекса (АПДК);

Научную новизну характеризуют следующие полученные впервые результаты:

1. Создан аппарат динамического моделирования амплитудно-временной структуры пульса человека, предназначенный для обработки длинных реализаций пульсовых сигналов в автоматизированном режиме. Используемые для описания контура пульсового сигнала параметры связаны с временной структурой кардиоцикла и имеют выраженное физиологическое значение.

2. Обосновано применение методов сплайн-интерполяции в задаче определения информационных параметров пульсовых сигналов, разработана схема предварительной обработки пульсовых сигналов с использованием низкочастотной фильтрации.

3. С помощью математического моделирования впервые проведены детальные исследования динамических рядов амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов различных нозологических форм, определены наиболее вариабельные параметры. С использованием экспериментальных данных, полученных в ходе клинических исследований, проведено численное моделирование формы и амплитуды пульсовых сигналов и показана возможность их дифференциации в зависимости от нозологической формы по амплитудно-временным характеристикам.

4. Создана методическая основа для определения гемодинамических показателей сердечно-сосудистой системы с использованием данных полисфигмографического исследования.

5. Предложен метод оценки интенсивности кровенаполнения по пульсу и установлены количественные критерии связи этого показателя с основными нозологическими формами тибетской медицины.

6. Обоснован и развит подход к анализу динамики пульсовых колебаний, связанный с изучением фазовых диаграмм пульсовых сигналов. Определены наиболее характерные типы диаграмм для пульсов разных нозологических форм.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что, во-первых, результаты проведенных исследований показали важность и значимость радиофизического подхода к изучению пульса человека. С помощью разработанных методов и подходов, в частности, метода автоматизированного анализа амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов, молено получить новые важные сведения о динамических свойствах пульсовых колебаний, деятельности сердечнососудистой системы и механизмов регуляции в организме человека. Эти методы можно применять как для углубленного изучения деятельности функциональных систем организма человека, так и в клинической практике европейской и тибетской медицинских систем.

Во-вторых, разработанные и адаптированные в ходе выполнения настоящей работы методы обработки пульсовых сигналов, результаты проведенных исследований динамических свойств пульсовых колебаний легли в основу новой версии программного обеспечения автоматизированного пульсодиагностического комплекса (АПДК), вошедшего в перечень важнейших законченных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ институтов Сибирского отделения РАН [39]. Они в значительной степени расширили функциональные возможности АПДК. АПДК сертифицирован Министерством здравоохранения Республики Бурятия (МЗ РБ) для использования в учреждениях здравоохранения, в настоящее время он внедрен в клиническую практику в Республиканском госпитале инвалидов войн МЗ РБ (Улан-Удэ), Дворце здоровья МЗ РФ (Ростов-на-Дону), Санатории-профилактории Госуниверситета "Львовская политехника" (Львов), НПО "Центр восточной медицины" (Улан-Удэ). Неинвазивный метод оценки гемодинамических показателей сердечной деятельности, адаптированный к использованию пульсовых сигналов, предназначен для широкого использования в системах клинического мониторинга.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработанный физико-математический аппарат моделирования контура пульсовых сигналов на основе методов сплайн-интерполяции позволяет детально описать амплитудно-временную структуру пульса человека и отслеживать динамику ее изменения во времени. Применение низкочастотной фильтрации пульсовых сигналов улучшает отношение сигнал/шум и существенно повышает качество обработки; количественные оценки для второй производной показывают повышение характеристик метода восстановления производных с помощью сплайн-интерполяции почти на два порядка.

2. Проведенное экспериментальное исследование пульсовых сигналов различных нозологических форм показало, что амплитудно-временные параметры играют определяющую роль в дифференциации пульсов различных нозологических форм. Наибольшая вариабельность амплитудно-временных параметров пульсовых сигналов характерна для диастолической части кардиоцикла. В то же время различия пульсов нормы и функциональных нарушений проявляются как в диастолической, так и в систолической части кардиоцикла.

3. Созданный комплекс методов анализа пульсовых сигналов позволяет проводить расширенные исследования деятельности сердечно-сосудистой системы (определение гемодинамических показателей), используя пульсовые сигналы, не прибегая при этом к данным поликардиографического исследования (ЭКГ, ФКГ, ККГ).

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной конференции "Метромед-95" (Санкт-Петербург, 1995), Российской научно-технической конференции "Дифракция и распространение волн" (Улан-Удэ, 1996), Международной научно-практической конференции "Тибетская медицина: традиции, перспективы, интеграция" (Улан-Удэ, 1997), Международной конференции "Биосигнал-98" (Брно, Чехия, 1998), Конференции Консорциума тихоокеанского сотрудничества (Тайбэй, Тайвань, 1998), 1-ой и П-ой Конференций по фундаментальным и прикладным проблемам физики (Улан-Удэ, 1999, 2000). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе в рецензируемых научных изданиях.

Поскольку работы по теме диссертации выполнены в коллективе, в диссертации использованы только те результаты и выводы, в получении которых участие автора было определяющим. Личный вклад диссертанта в выполнение работы заключался в алгоритмической и программной реализации методов, подготовке и проведении вычислительных экспериментов, обработке и анализе результатов, подготовке публикаций и докладов на конференциях.

Выражаю глубокую признательность научному руководителю к.ф.-м.н. В.В. Бороноеву за постоянное внимание и всестороннюю помощь в работе; врачу высшей категории Л.Н. Азаргаеву, без чьего деятельного участия было бы невозможным выполнение этой работы; к.ф.-м.н. Э.А. Трубачееву, к.филос.н. Н.Ц. Жамбалдагбаеву, к.ф.-.м.н. Г.И. Зандановой, н.с. В.Н. Поплаухину, н.с. A.A. Кособурову - за научные и методические советы при выполнении работы. Выражаю самую искреннюю благодарность сотрудникам Отдела физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН - за оказанные содействие и моральную поддержку.

4.4. Выводы

1. В результате исследований диагностической информативности предложенных динамических параметров пульсовой волны выяснено, что дифференциация пульсов различных нозологий возможна в первую очередь на основе амплитудно-временных параметров. Близость амплитудно-временных параметров, характеризующих контуры пульсовых сигналов, снятых с шести отведений, свидетельствует о нормальном функционировании организма человека и его внутренних органов; функциональное состояние организма в этом случае можно интерпретировать как нормальное. Отличие пульсовых сигналов между собой по форме и амплитуде при практически равных временных (фазовых) интервалах свидетельствуют об отклонении от нормы; дифференциация их по нозологическим нормам возможно в основном по амплитудным характеристикам. Это согласуется с тибетской традицией врачевания, в которой временные параметры, в основном, служат для временной привязки процессов и установления взаимного соответствия пульсов, а по амплитудным - производится их дифференциация.

2. Исследован количественный показатель интенсивности фазы быстрого изгнания кардиоцикла, который можно использовать для классификации пульсовых сигналов, относящихся к нозологическим формам жара и холода, при этом наблюдается высокая степень соответствия данного показателя и наблюдаемого функционального состояния пациента.

3. Важные результаты были получены в исследовании фазовых диаграмм пульсовых сигналов отведений цон, кап и чаг обеих рук. Показано, что фазовые портреты пульсовых сигналов позволяют осуществлять качественную оценку деятельности органов и функциональных систем организма человека. Введение количественных параметров описания фазовых диаграмм пульсовых сигналов способствует разработке критериев классификации пульсов, относящихся к разным нозологическим формам европейской и тибетской медицины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие научные результаты.

1. Создан автоматизированный метод моделирования динамической амплитудно-временной структуры пульсовых сигналов человека, отражающей физиологическую структуру кардиоцикла, и расчета обобщенных гемодинамических показателей. Исследования качественных показателей метода показали, что при анализе временной структуры кардиоцикла он дает результаты, сопоставимые с результатами известных методов функциональной диагностики.

2. Экспериментально изучены динамические свойства пульсовых сигналов разных типов, выявлены наиболее вариабельные амплитудно-временные параметры.

3. На основе интерпретации и статистической обработки данных клинического эксперимента показана возможность дифференциации пульсовых сигналов, относящихся к разным функциональным состояниям либо заболеваниям на основе амплитудно-временных характеристик.

4. Разработан метод оценки интенсивности фазы быстрого изгнания кардиоцикла по пульсограмме. По результатам экспериментального исследования этого метода установлены количественные критерии связи показателя интенсивности с некоторыми базовыми классами тибетской медицины.

5. Проведено исследование фазовых диаграмм пульсовых сигналов. Выявлены основные качественные закономерности пульсовых сигналов различных типов. Введен и экспериментально исследован количественный показатель, характеризующий геометрию фазовой диаграммы и позволяющий дифференцировать пульсы базовых классов тибетской медицины.

6. На основе разработанных методов и алгоритмов, результатов экспериментальных исследований, разработано интегрированное программное обеспечение автоматизированного пульсодиагностического комплекса тибетской медицины (АПДК).

1. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. - М.: Советское радио, 1957. - 496 с.

2. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. М.: Наука, 1976. - 494 с.

3. Годик Э.Э. Гуляев Ю.В. Человек «глазами радиофизики» // Биомедицинская радиоэлектроника. 1991. -№ 1. - С. 51-62.

4. Годик Э.Э., Гуляев Ю.В. Физические поля человека и животных // В мире науки. -1990. -№ 5. С. 75-83.

5. Афромеев В. И., Загуральский Н. Ф., Кругликов И. Т. Опыт разработки и клиническая апробация высококогерентного аппарата КВЧ терапии, работающего в диапазоне 100. 160 ГГц // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. 1997. - 5, № 4. - С. 22-25.

6. Беляков С. В., Бецкий О. В., Ярёменко Ю. Г. Состояние и тенденции развития аппаратуры для КВЧ-терапии // Биомедицинская радиоэлектроника. 1998. - № 3. - С. 50-66.

7. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Кислов В.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии // Биомедицинская радиоэлектроника. -1998. -№ 4. С. 13-29.

8. Бецкий О.В. Законы радиотехники в биологии и КВЧ-терапии // Радио. 1999. -№ 10. - С. 47-48.

9. Петросян В. И., Гуляев Ю. В., Житенева Э. А., Синицын Н. И. Резонанс молекулярной системы как термодинамическое фазовое состояние // Радиотехника и электроника (Москва). 1998. - 43, № 7. - С. 868-871.

10. Птицына Н. Г., Виллорези Дж., Дорман JI. И., Юччи Н., Тясто М. И. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // Успехи физических наук. 1998. - 168, № 7. - С. 767-791.

11. Автоматизация научных исследований в медицине / Под ред. А.И. Рубан, Е.И. Прахина. Новосибирск: Наука, 1996. - 270 с.

12. Александр В.В., Шеповальников А.Н., Шнейдеров B.C. Машинная графика физиологических данных. JL: Наука, 1981. - 111 с.

13. Болотинский Е.А. Автоматика в медицине и физиологии. JL: Медицина, 1971. -168 с.

14. Шакин В.В. Вычислительная электрокардиография. М.: Наука, 1981. - 168 с.

15. Шиллер Н., Осипов М.А. Клиническая эхокардиография. М., 1993. - 347 с.

16. Эвентов А.З., Литвинов М.М., Куликов JI.M. ЭВМ и сердце: микропроцессоры в лучевой диагностике. М.: Наука, 1989. - 152 с.

17. Комков М.М. Практическое применение метода морфологического анализа сигналов // Науч. сес. МИФИ 1999, Москва, 1999: Сб. науч. тр. - Т. 6. Автоматика. Электроника. Микроэлектроника. Измерительные системы. - М., 1999. - С. 200-201.

18. Dokur Z., Ólmez Т., Yazgan Е. Comparison of discrete wavelet and Fourie transforms for ECG beat classification // Electron. Lett. 1999. - 35, No 18. - P. 1502-1504.

19. Цыдыпов Ч.Ц. Каноны восточной пульсодиагностики и проблемы ее объективизации // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988.-С. 7-18.

20. Цыдыпов Ч.Ц. Пульсовая диагностика в тибетской медицине (Проблемы автоматизации). Улан-Удэ, 1985. - 47 с. (Препр. / Ин-т естественных наук БФ СО АН СССР; № 4).

21. Жамбалдагбаев Н.Ц. Тексты и понятийные системы тибетской медицины // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988. - С. 109-133.

22. Пупышев В.Н. Пульсо диагностика как концентрированное выражение теоретических основ тибетской медицины // Пульсовая диагностика тибетской медицины. Новосибирск: Наука, 1988. - С. 41-57.26