Автореферат (Методы и алгоритмы обработки, анализа и визуализации данных ультразвукового доплеровского измерителя скорости кровотока)

На правах рукописиКоннова Наталья СергеевнаМЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ, АНАЛИЗА И ВИЗУАЛИЗАЦИИДАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯСКОРОСТИ КРОВОТОКАСпециальность05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации(в технических системах)05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работавыполненаобразовательномвфедеральномучреждениигосударственномвысшегообразованиябюджетном«Московскийгосударственный технический университет им.

Н.Э. Баумана (национальныйисследовательский университет)» – МГТУ им. Н.Э. Баумана.НаучныйБасараб Михаил Алексеевич, д.ф.-м.н., профессорруководитель:МГТУ им. Н.Э. БауманаОфициальныеБольшаковоппоненты:профессор, профессор кафедры «Телематика», Санкт-АлександрАфанасьевич,д.т.н.,Петербургский политехнический университет ПетраВеликогоБалякин Артем Александрович, к.ф.-м.н., начальникотдела научно-технических программ и проектовуправления научно-аналитической информации,НИЦ «Курчатовский институт»Ведущая организация:АО НПФ «БИОСС», г.

Москва, ЗеленоградЗащита диссертации состоится «20» июня 2017 г. в 1430 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.02 при «Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана» в ауд. 613м по адресу: 105005,г. Москва, Госпитальный переулок, д. 10.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана ина сайте: http://bmstu.ru/.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенныепечатью, просьба высылать по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5,стр.

1, на имя ученого секретаря диссертационного совета.Автореферат разослан «»_____________2017 г.Ученый секретарь диссертационного совета,к.т.н., доц.Муратов И.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияПроблема исследования кровообращения человека как сложной биомеханической системы до конца не решена. В первую очередь, это связано с отсутствием качественных моделей для прогнозирования заболеваний сердечнососудистой системы (ССС) и наличием ряда сложностей и ограничений при диагностике болезней сердца и сосудов. Кроме того, специфика соответствующейаппаратуры не позволяет адекватно оценить особенности кровообращения вхирургии открытого сердца. Создание миниатюрных ультразвуковых (УЗ) измерителей скорости кровотока (СК), а также оптимизация электронных системдетектирования, расшифровки и обработки сигнала прибора обеспечивают возможность выявить особенности центральной и регионарной гемодинамики, вт.

ч. интраоперационно осуществлять поддержку принятия решений в кардиохирургии. Исследование и применение новых математических методов и алгоритмов оценки основных количественных и качественных показателей такихфизиологических сигналов (флоуметрия), анализ их внутренней организации иструктуры имеют большой практический и теоретический интерес. В связи сэтим становятся актуальными задачи анализа рассматриваемых сложных биологических систем с учетом особенностей, обусловленных, в т. ч., наличиемнелинейных компонент и множества циклов в динамике их флуктуаций.Степень разработанности темыФундаментальные исследования коронарного кровообращения привели ксозданию ультразвуковой аппаратуры для регистрации кровотока в сосудахсердца, а также линейной и объемной СК по коронарным шунтам и триплексного сканирования поверхностных артерий сердца (фирмы Transonic, США;Medistim, Норвегия, и др.).

В РФ с целью создания аппаратуры такого уровняведутся активные разработки фирмами Минимакс (г. Санкт-Петербург) и НПФБИОСС (г. Москва, Зеленоград). Несмотря на решение ряда вопросов исследования коронарного кровотока в эксперименте и первые успешные шаги в клинике, проблема теоретического исследования патофизиологии коронарногокровообращения остается открытой: требуется построение моделей болезнейССС, выявление закономерностей влияния заболеваний на различные показатели кровотока и последующее существенное развитие доступной аппаратуры. Всвязи с этим необходим системный подход при исследовании сигнала СК человека, основанный на применении как традиционных для данной сферы методови средств цифровой обработки сигнала (ЦОС), так и новых методов нелинейной динамики, фрактального анализа, вейвлет-анализа и др.

Все это даст возможность количественно выразить системные свойства физиологических систем, визуализировать эти данные, оценить их соответствие теоретическим положениям о нормальном кровообращении и найти общие закономерности. Этопозволит предложить более широкие возможности для специалистов при диагностике патологий у пациентов, а также выработать рекомендации по оптимизации элементов конструкции приборов, используемых в ультразвуковой доп1леровской флоуметрии. Изложенное образует идеи, составляющие основупредмета и цели настоящего исследования.Постановка задачиОбъект исследования – сердечно-сосудистая система, состоящая из сердца – бионасоса и кровеносных сосудов – полых трубок различного калибра.

Регулирование кровообращения в ССС имеет сложный характер, а поведениеданной системы плохо поддается формализации. Тем не менее, требуется осуществлять идентификацию состояний ССС по доступным исследователю параметрам системы. С этой целью в настоящей работе предлагается использованиедля представления ССС модели временных рядов (ВР), построенных по даннымУЗ доплеровских датчиков скорости кровотока различной природы (периферического кровотока, коронарного кровотока и т.д.).В настоящее время признанным является наличие нелинейной компонентыи множества циклов в динамике исследуемой сложной системы, вызванных изгибами и ветвлениями сосудов, колебаниями кровяного давления, флуктуациями диаметров сосудов, набеганием потока крови на вогнутые части сосудов свозникновением тенденций к винтообразному течению массы крови, а такжедр.

факторами.Предмет исследования – выявление целесообразности применения цифровой обработки сигналов кровотока, включая методы нелинейной динамики ивейвлет-анализа, при диагностике состояния ССС.Цель и задачи диссертацииЦелью диссертационной работы является создание методики и алгоритмовдля идентификации состояний сложной физиологической системы с нелинейной динамикой на примере обработки данных УЗ доплеровских измерителейСК с использованием методов нелинейной ЦОС и вейвлет-анализа.

Осуществлять идентификацию состояний системы для диагностики патологий предполагается по количественным показателям (скоростных характеристик потока,уровней периферического сопротивления и кинематики и др.), для которых существуют экспертные оценки референсных интервалов и качественным показателям (waveform analysis – анализ формы волны результатов обработки ВР,представляющих исследуемую систему).Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:1) Разработка, модификация и сравнительный анализ методов первичной и вторичной обработки сигналов СК с учетом их особенностей и физической природы: фильтрация, сглаживание, определение шумовых компонент и параметров нелинейной динамики, спектральный анализ, анализ квазипериодической природы сигналов, пространственно-временной (вейвлет-) анализ и др.2) Разработка методики и алгоритмов фазового анализа, качественного анализаформы кривой СК и определения количественных параметров кровотока поданным УЗ (8 и 16 МГц) доплеровских датчиков линейной СК в условиях отсутствия дополнительных синхронизирующих данных.3) Разработка алгоритмов визуализации кривой СК и поля скоростей внутри со2суда по данным одноэлементных УЗ датчиков скорости кровотока с узкимлучом.4) Полунатурное моделирование и реализация разработанных алгоритмов дляустановления возможности их использования в процессе работы прибора врежиме реального времени.

Разработка программно-математического обеспечения для расчета диагностических показателей и параметров кровотока.Работа соответствует паспортам научных специальностей:05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)»: пункт 4 «Разработка методов и алгоритмов решения задачсистемного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработкиинформации»; пункт 5 «Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятиярешений и обработки информации»; пункт 12 «Визуализация, трансформация ианализ информации на основе компьютерных методов обработки информации».05.11.17 «Приборы, системы и изделия медицинского назначения»: пункты1 и 2 (см.

паспорт).Методология и методы исследованияВ работе использованы теоретические и экспериментальные методы математического моделирования, нелинейной (хаотической) динамики, фрактального анализа, вейвлет-анализа, математического анализа, вычислительной томографии, математической статистики и вычислительной математики.Достоверность и обоснованность результатов обусловлены корректнымиспользованием существующего и разработанного математического аппарата,обеспечиваются апробацией результатов исследований на российских и международных научных конференциях, публикацией в печати и подтверждаются соответствием полученных в диссертационной работе результатов экспериментальных исследований теоретическим положениям.Научная новизна результатов1) Предложена новая методика обобщения информации о результатах, полученных при помощи разработанных и модифицированных алгоритмов цифровой обработки ВР, представляющих сигналы СК (первичная обработка, исследование внутренней организации рядов, спектральных и частотновременных характеристик сигналов, фазовые портреты по Паккарду–Такенсу), расчета скоростных характеристик потока, уровней периферического сопротивления и показателей кинематики, для идентификации состояний системы и выявления направления формирования системы поддержкипринятия решений в диагностике патологий ССС и кардиохирургии.2) Для идентификации шумовой и хаотической составляющих системы предложена комплексная методика исследования флуктуирующего кровотока методами нелинейной динамики, включающая модификацию и адаптацию алгоритма вычисления показателя Ляпунова для исследуемых данных.