Методы сбора и обработки биомедицинских сигналов инфразвукового диапазона Попов Александр Игоревич, аспирант Поморский государственный университет им. М.В. Ломоносова каф. информационных технологий

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 Отдел ЖКТПолоса частот Толстая кишка0,01 - 0,03 Желудок0,03 - 0,07 Подвздошная кишка0,07 - 0,13 Гц Тощая кишка0,13 - 0,18 Гц 12-перстная кишка0,18 - 0,25 Гц 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 , 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 , 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 ( 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, гг).

Образец 1

Образец 2

Функциональная схема систем образцов 1 и 2

Примеры гастрограмм

Спектры гастрограмм

Примеры гастро- и энтерограмм

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 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 ( ), 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.

Потоки данных в новой МИИС

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 подвергнут более качественной фильтрации и анализу.

Визуализация при измерениях Графики помогают эксперту делать предварительные выводы о динамике функционирования отдельных органов ЖКТ.

Вейвлет Хаара

WAVE-вейвлет

MHAT

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:

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ