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

Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаНа правах рукописиКоннова Наталья СергеевнаМетоды и алгоритмы обработки, анализа и визуализации данныхультразвукового доплеровского измерителя скорости кровотокаСпециальность05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации(в технических системах)05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначенияДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:д.ф.-м.н., проф.

М. А. БасарабМосква20172СодержаниеСтр.ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 5ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ...........................................................................................................................111.1. Ультразвуковая доплеровская флоуметрия ..............................................................

111.2. Существующие решения в исследованиях кровотока .......................................... 181.3. Постановка цели и задач исследования ...................................................................... 52Выводы к первой главе .................................................................................................................. 53ГЛАВА 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ДАННЫЕ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА ..542.1.

Методика экспериментального исследования......................................................... 552.2. Методы анализа кривых кровотока .............................................................................. 592.2.1.Анализ структуры сердечного цикла ............................................................................. 592.2.2.Особенности коронарного кровотока ............................................................................

602.2.3.Фазовый анализ на основе различных методов регистрации сердечнойдеятельности ........................................................................................................................................................... 622.3. Расчет количественных показателей кривой кровотока ................................... 65Выводы ко второй главе ...............................................................................................................

68ГЛАВА 3. ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА 703.1. Первичная обработка сигналов скорости кровотока............................................ 713.1.1.Определение шумовых характеристик сигнала ....................................................... 723.1.2.Фильтрация и сглаживание временных рядов скорости кровотока .............

833.1.3.Устранение тренда временного ряда ............................................................................. 873.2. Спектральный анализ данных временных рядов скорости кровотока ........ 883.2.1.Преобразование Фурье ........................................................................................................... 893.2.2.Спектральная плотность мощности сигнала ............................................................. 913Стр.3.3.

Пространственно-временной (вейвлет) анализ ...................................................... 933.3.1.Вейвлет-преобразование ...................................................................................................... 943.3.2.Скалограмма сигнала ...........................................................................................................

1033.3.3.Модифицированные вейвлеты Котельникова-Шеннона на основеатомарных функций ......................................................................................................................................... 1063.4. Методы нелинейной динамики в обработке данных временных рядов .. 1133.4.1.Расчет старшего показателя Ляпунова на основе модифицированногоалгоритма Бенеттина.......................................................................................................................................

1133.4.2.Расчет энтропии динамической системы ................................................................. 1253.4.3.Показатель Херста и R/S-анализ .................................................................................... 1263.4.4.Взаимосвязь вариации Аллана и показателя Херста при идентификациишумовых процессов .......................................................................................................................................... 1323.4.5.Фрактальный анализ временного ряда......................................................................

1353.4.6.Оценка Хилла ............................................................................................................................ 1383.5. Алгоритм фазового анализа кривой линейной скорости кровотока ......... 138Выводы к третьей главе .............................................................................................................

147ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ДИАГНОСТИКЕПАТОЛОГИЙ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ..................................................................... 1494.1. Пример исследования нормального кровотока.................................................... 1494.2. Пример исследований патологического кровотока ........................................... 156Выводы к четвертой главе ........................................................................................................ 174ГЛАВА 5. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СИГНАЛА ОДНОЭЛЕМЕНТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГОДАТЧИКА СКОРОСТИ КРОВОТОКА ....................................................................................................

1765.1. Схема измерений и математическая модель .......................................................... 1765.2. Постановка прямой задачи компьютерной томографии .................................. 1784Стр.5.3. Алгоритм визуализации поля кровотока на основе решения обратнойзадачи компьютерной томографии ................................................................................................ 180Выводы к пятой главе ................................................................................................................. 183ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ ................................................. 185СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ .................................................. 189СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ ....................................................................................................................

190СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................................. 1915ВведениеИзучение фундаментальных закономерностей функционирования сердечнососудистой системы (далее – ССС) в норме и при патологии является основой дляпоиска средств эффективной профилактики и лечения болезней системыкровообращения человека. Одной из задач в этой области является разработкапрецизионных инвазивных диагностических систем, позволяющих получатьчеткий сигнал высокого качества, с последующим фазовым анализом кровотока вконкретном сосуде. Решение научно-исследовательских задач, связанных ссозданием миниатюрных внутрисосудистых, контактных и бандажных одно- идвухэлементных ультразвуковых датчиков кровотока, а также оптимизациейэлектронныхсистемрадиотелеметрии,детектированияирасшифровкиультразвукового сигнала, дает возможность выявить особенности центральной ирегионарной гемодинамики, обеспечить прецизионную регистрацию кровотока вмикрососудах (объемный кровоток порядка нл/с), регистрацию и сравнительныйанализ коронарного кровотока в хирургии открытого сердца.

Однако для поисказакономерностей в получаемых данных регистрации кровотока необходимопривлечение и соответствующего математического аппарата с целью анализакривых кровотока, в том числе – методов цифровой обработки сигнала,математического моделирования, нелинейной (хаотической) динамики, вейвлетанализа и др. Поэтому исследование и применение новых математическихметодов оценки основных количественных и качественных показателей такихфизиологических сигналов, с анализом их внутренней организации и структуры,имеет большой практический и теоретический интерес.

В связи с этим становятсяактуальными задачи анализа рассматриваемых сложных систем с учетомособенностей, обусловленных, в том числе, наличием нелинейных компонент имножества циклов в динамике их флуктуаций.6Объект 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, требуетсяосуществлять идентификацию состояний ССС по доступным исследователюпараметрам системы.