Диссертация (Методы и алгоритмы обработки, анализа и визуализации данных ультразвукового доплеровского измерителя скорости кровотока), страница 2

С этой целью в настоящей работе предлагается использованиедля представления ССС модели временных рядов (ВР), построенных по даннымультразвуковых (УЗ) доплеровских датчиков скорости кровотока различнойприроды (периферического кровотока, коронарного кровотока и т.д.).В настоящее время признанным является наличие нелинейной компоненты имножества циклов в динамике исследуемой сложной системы, вызванныхизгибамииветвлениямисосудов,колебаниямикровяногодавления,флуктуациями диаметров сосудов, набеганием потока крови на вогнутые частисосудов с возникновением тенденций к винтообразному течению массы крови, атакже др. факторами.Предмет исследования – выявление целесообразности применения цифровойобработки сигналов кровотока, включая методы нелинейной динамики и вейвлетанализа, при диагностике состояния ССС.Целью диссертационной работы является создание методики и алгоритмовдля идентификации состояний сложной физиологической системы с нелинейнойдинамикой на примере обработки данных УЗ доплеровских измерителей СК сиспользованием методов нелинейной ЦОС и вейвлет-анализа.

Осуществлятьидентификацию состояний системы для диагностики патологий предполагаетсяпо количественным показателям (скоростных характеристик потока, уровнейпериферического сопротивления и кинематики и др.), для которых существуютэкспертные оценки референсных интервалов и качественным показателям(waveform analysis – анализ формы волны результатов обработки ВР,представляющих исследуемую систему).Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, спискасокращений и условных обозначений, словаря терминов и списка использованной7литературы. Работа изложена на 203 страницах и содержит 61 рисунок.

Списоклитературы включает 120 наименований.Вовведенииданаобщаяхарактеристикадиссертационнойработы.Обоснована актуальность темы, раскрыты научная новизна и практическаязначимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.Описана структура диссертации, приведено ее краткое содержание.В первой главе обсуждается актуальность исследований, рассмотреносовременное состояние разработок в данном направлении, как в РФ, так и зарубежом.Центральноеместозанимаетподробныйобзорлитературы,посвященной исследованиям в этой области.

Описаны достижения в областиразработки оборудования и методик снятия показаний для исследований, а такжевобластиобработкиданныхианализаполученныхрезультатов.Взаключительной части главы сформулированы основные цели и определенызадачи исследования.Во второй главе приводится описание исследуемых исходных данных,обсуждаетсяметодикаэкспериментальногоисследования,включаясхемупроведения эксперимента по снятию, оцифровке и сохранению показаний, атакже дальнейшей их визуализации и обработке.

Также в главе обсуждаютсясуществующиеметодыисследованиякривыхкровотока,основныерассчитываемые количественные показатели кровотока, особенности коронарногоотносительно периферического и микро кровотока. Приводится обзор методоврегистрации сердечной деятельности и их место в исследованиях кровотока, впервую очередь – при фазовом анализе.

Описаны основные элементыэлектрокардиограмм (ЭКГ), фонокардиограмм (ФКГ), данных артериальногодавления (АД) и т.п.деятельности,Также обсуждается фазовый анализ кривых сердечнойзанимающийСформулированыосновныеважноепроблемыместовисследованияхисследованийсССС.использованиемсуществующих методик регистрации сердечной деятельности.В третьей главе приведен подробный обзор используемых в исследованииметодов цифровой обработки сигнала (далее – ЦОС), применяемых как для8первичной обработки сигнала, так и для последующего анализа. При этомприведено описание модификаций используемых в исследовании алгоритмов, атакже адаптации с учетом особенностей изучаемых данных.

Обсуждаютсявозможности использования вычислительно наиболее выгодных алгоритмов иприменения программных средств высокопроизводительной реализации методовобработки. В соответствующих разделах главы описываются нюансы реализацииописанных методов в рамках разработанного программного комплекса, собсуждением основных функциональных модулей программы.В четвертой главе уделяется внимание применению предложенной методикив диагностике. Разработанные и реализованные в рамках работы методы анализасигналов кровотока апробированы и представлены не только в фундаментальныхи научно-прикладных исследованиях, но и в клинике. В главе приводится разборнекоторых результатов экспериментальных исследований, проведенных припомощи описанного выше математического аппарата.В пятой главе обсуждается возникающая при измерении линейной иобъемной скорости кровотока (далее – СК) актуальная практическая задачавизуализацииполяегоскоростивнутрисосуда.Предложеналгоритмвизуализации двумерного поля скоростей по исходным дискретным профилям,полученным путем сканирования простым одноэлементным доплеровскимдатчиком с узким лучом.Взаключениипредставленыосновныерезультатыивыводыдиссертационной работы.Новым в данной работе является исследование флуктуирующего кровотокаметодами нелинейной динамики и вейвлет-анализа, включая проведениеидентификации шумовой и хаотической составляющих, в том числе и по фазамсердечного цикла (далее – СЦ), а также автоматизация фазового анализа кривыхкровотока и модификация некоторых алгоритмов ЦОС, расчета скоростныххарактеристик потока, уровней периферического сопротивления и показателейкинематики.следующая:Такимобразом,научнаяновизнаполученныхрезультатов91.

Предложена новая методика обобщения информации о результатах,полученных при помощи разработанных и модифицированных алгоритмовцифровой обработки ВР, представляющих сигналы СК (первичная обработка,исследование внутренней организации рядов, спектральных и частотновременных характеристик сигналов, фазовые портреты по Паккарду–Такенсу),расчетапериферическогоскоростныхсопротивленияхарактеристикипоказателейпотока,уровнейкинематики,дляидентификации состояний системы и выявления направления формированиясистемы поддержки принятия решений в диагностике патологий ССС икардиохирургии.2. Для идентификации шумовой и хаотической составляющих системыпредложенакомплекснаяметодикаисследованияфлуктуирующегокровотока методами нелинейной динамики, включающая модификацию иадаптацию алгоритма вычисления показателя Ляпунова для исследуемыхданных.

Впервые предложено использование метода вариации Аллана(ADEV) при определении шумовых характеристик сигнала УЗ доплеровскогоизмерителя СК. Выявлена корреляция показателей нелинейной динамики(показатель Хёрста) и ADEV.3. Разработана модификация вейвлетов Котельникова-Шеннона на основеатомарныхфункций(АФ),позволяющаясократитьвычислительнуюресурсоемкость вейвлет-анализа сигналов биомедицинских приборов.4. Разработан алгоритм фазового анализа кривых кровотока с использованиемкластерного анализа и автокорреляционного метода, позволяющий разбитькривую СК на фазы (систола/диастола) при отсутствии синхронизирующихданных ЭКГ, ФКГ и АД.5. Разработан алгоритм восстановления двумерной картины поля СК в сечениисосуда по измеренным профилям максимального кровотока в направленииУЗ сигнала, излучаемого одноэлементным доплеровским измерителем сузким лучом.В работе использованы теоретические и экспериментальные методыматематическогомоделирования,нелинейной(хаотической)динамики,10фрактального анализа, вейвлет-анализа, математического анализа, вычислительнойтомографии, математической статистики и вычислительной математики.Использование разработанных и модифицированных методов, алгоритмов иметодик ЦОС в ультразвуковой доплеровской флоуметрии представляет большойтеоретический и практический интерес как при анализе данных послеоперирования пациента для подтверждения положительной динамики лечения,так и интраоперационно и дооперационно с целью поддержки принятия решенияо необходимости оперирования.

Результаты работы внедрены в экспериментальныеклинические исследования в НИИ общей патологии и патофизиологии (г. Москва), вЦентре сердечно-сосудистой хирургии ГУЗ «Белгородская областная клиническаябольница Св. Иоасафа», НПФ «БИОСС» (г. Москва, Зеленоград).Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:1. Модифицированный алгоритм расчета старшего показателя Ляпунова для ВРна основе алгоритма Бенеттина и новый метод идентификации шумовыххарактеристик сигналов на основе вариации Аллана, применительно ксигналу скорости кровотока, измеренного УЗ доплеровским измерителем СК.2. Алгоритмы дискретного и непрерывного вейвлет-анализа с применениеммодифицированных вейвлетов Котельникова-Шеннона на основе АФ.3.