Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н.Э.БАУМАНА

И.К.СЕРГЕЕВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ГЕМОДИНАМИКИ МЕТОДОМ ТРАНСТОРАКАЛЬНОЙ РЕОГРАФИИ

ЧАСТЬ 1

Учебное пособие по дисциплине ”Современные методы обработки биомедицинских сигналов и данных”

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана

2007

УДК 615.84 (075.8)

ББК 30.16

М80

Рецензенты: А.В.Богомолов, В.Б.Парашин

М80 Сергеев И.К.

Определение параметров центральной гемодинамики методом трансторакальной реографии. Часть 1: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. – 35 с., ил.

ISBN 5 – 7038 - 1600 -9

Изложены теоретические основы и практические рекомендации по определению параметров центральной гемодинамики методом трансторакальной реографии. Особое внимание уделено анализу биомедицинских сигналов, автоматизированным алгоритмам обработки, которые широко применяются в системах неинвазивного импедансного мониторинга. Рассмотрены основные факторы, влияющие на точность определения гемодинамических показателей. Представлены схемотехнические решения основных узлов и блоков реографической аппаратуры, рассмотрены вопросы проектирования на основе анализа и преобразования сигналов. Показаны алгоритмические решения, направленные на минимизацию погрешностей при определении фаз сердечной деятельности, а также гемодинамических параметров.

Для студентов 4-го курса специальностей 240001 ”Биомедицинские технические системы и устройства”, 240002 ”Инженерное дело в медико-биологической практике”.

Ил. 24. Библиогр. 20 назв.

УДК 615.84 (075.8)

ББК 30.16

ISBN 5 – 7038 - 1600 -9

МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития медицинского приборостроения характеризуется возрастающим интересом к неинвазивным технологиям диагностики состояния биообъекта в мониторном режиме и усложнением алгоритмов анализа регистрируемых сигналов. Компьютерная обработка и анализ биомедицинских сигналов, расширение состава и возможностей однокристальных ЭВМ, цифровых процессоров обработки сигналов, микроэлектронных устройств с программируемой структурой во многом изменяет подход к проектированию новой медицинской техники, перемещая акцент с аппаратной реализации требуемых функций на программную, которая сегодня в основном определяет сроки, трудоёмкость и функциональные возможности разработки.

Реализация методики трансторакальной реографии (ТТРГ) для определения параметров центральной гемодинамики в современных технических средствах требует разработки надёжных автоматизированных алгоритмов с учётом передовых достижений в области цифровой обработки сигналов, статистической обработки данных, факторного анализа, распознавания образов, нечёткой логики. Проектирование программно-алгоритмического обеспечения требует внимательного изучения особенностей биомедицинских сигналов, характеризующих состояние объекта исследования в норме и патологии.

Цель учебного пособия – рассмотрение теоретических основ метода трансторакальной реографии, методических и алгоритмических подходов, для решения задачи автоматизированного определения гемодинамических параметров с применением методов Фурье - анализа и цифровой фильтрации, а также анализ основных факторов, влияющих на точность определения гемодинамических показателей, обоснование алгоритмических решений, направленных на минимизацию погрешностей.

Сигнал трансторакальной реограммы, как и большинство биомедицинских сигналов, имеет сложную структуру и отражает несколько физиологических процессов, протекающих с разными скоростями и по-разному проявляющихся в сигнале.

В структуре реографических сигналов представлено, как минимум, три типа волн:

- 1-го порядка, обусловленных сердечной деятельностью и отражающих, в основном, движение крови в артериях и артериолах;

- 2-го порядка, вызванных влиянием легочной вентиляции или дыхательной активности на венозный кровоток;

- 3-го порядка, связанных с медленно изменяющимся тонусом сосудов.

Перекрытие спектров пульсовых и медленных волн делает частотную фильтрацию малоэффективной, и регистрация пульсовых волн, как правило, требует задержки обследуемым дыхания. Однако существуют методы, позволяющие фильтровать дыхательные волны в условиях свободного дыхания (сплайн алгоритмы, адаптивные полосовые нерекурсивные цифровые фильтры). Реализация данных методов становится возможной, если для анализа сигнала дополнительно использовать электрокардиосигнал (ЭКС) [3, 14].

Наряду с простыми линейными фильтрами с постоянными коэффициентами в задачах обработки биомедицинских сигналов применяют корректирующие фильтры [1], нелинейные алгоритмы, например, медианную фильтрацию. Алгоритмы медианной фильтрации широко используются в обработке электрокардиографических сигналов для локализации и ослабления влияния импульсов электрокардиостимулятора (ЭКС).

Использование корректирующих фильтров в задачах обработки биомедицинских сигналов обусловлено необходимостью коррекции нелинейных амплитудно - фазо -частотных (АФЧ) искажений. Данные искажения возникают в сигналах из-за нелинейности аналоговых фильтрующих цепей первичных преобразователей.

Теория цифровой фильтрации и проектирования цифровых фильтров сформировалась относительно недавно, но вопросам их анализа и синтеза посвящено большое количество публикаций [5 - 13].

МЕТОДИКА ТРАНСТОРАКАЛЬНОЙ РЕОГРАФИИ

Метод реографии основан на измерении модуля полного сопротивления биологической ткани высокочастотному (30 – 300 кГц) низко интенсивному (0.1 – 5 мА действующего значения) электрическому току. При этом сопротивление сегмента биологического объекта обратно пропорционально его объёму. На формирование сигналов реограммы оказывают влияние пульсовые колебания давления в сосудистом русле, тонус сосудов, дыхание. Измеряя это сопротивление, можно получать параметры кровенаполнения исследуемого участка или органа биообъекта [6, 10].

К классу реографических методов относится метод трансторакальной реографии или реокардиографии (РКГ). Особенностью РКГ является исследование центрального отдела сердечно – сосудистой системы (сердце и крупные сосуды) и определение основных гемодинамических параметров сердечной деятельности: ударного и минутного объёмов кровообращения (УОК, МОК), фракции сердечного выброса (ФВ).

а) б)

Рис. 1. Схема наложения электродов: а) при классической ТТРГ, б) при РКГ

(I₁, I₂ - токовые электроды, U_1, U₂ – потенциальные электроды, l – расстояние между электродами)

Биофизические основы ТТРГ были впервые обоснованы в работах отечественных [4, 9] и зарубежных учёных [16, 18]. При определении УОК методом ТТРГ наибольшее распространение получила методика Кубичека, согласно которой верхний потенциальный (U₁) электрод накладывается на основании шеи, а нижний (U₂) - на уровне мечевидного отростка. Токовые электроды (I₁, I₂) располагаются примерно на 5 см снаружи от потенциальных. Все используемые электроды - ленточные, охватывают место наложения по периметру (см. Рис. 1 а). В настоящее время схема наложения электродов несколько модифицирована (см. Рис. 1 б) без изменения общей концепции Кубичека (1966).

Впервые обоснованные соотношения между изменениями сопротивления биологической ткани и изменениями ее объема были выведены Кедровым А.А. в ряде работ в период 1941 – 1949 годов. Позднее (1950 г.) Nyboer независимо от Кедрова вывел аналогичную формулу [18]:

(1)

где V – изменение объема сегмента биоткани, Z, Z – сопротивление и изменение сопротивления биоткани, V – объем измеряемого сегмента биоткани.

Знак минус показывает, что при увеличении объема сегмента биообъекта его сопротивление уменьшается. Обусловлено это с притекающей в сегмент кровью, обладающей более высокой по сравнению с другими тканями электропроводностью. Проводя замену Z на R, и учитывая, что (2)

была получена зависимость: (3)

где V – приращение объема (мл),  - удельное сопротивление крови (Омсм), l – расстояние между электродами (см), R – сопротивление сегмента (Ом), R – приращение сопротивления сегмента (Ом).

Рис. 2. Амплитудно-временные параметры РКГ сигнала

(S^/, Т^/ - моменты начала и окончания изгнания, Г₁, Г₂ – зоны соответствующие моментам формирования Q и S зубцов на ЭКГ, PEP – период изометрического сокращения сердца, ELVET – период изгнания крови левым желудочком сердца, A_d – амплитуда первой производной сигнала РКГ, R(B) – R(T) – разность сопротивлений между точками В и Т)

Соотношение (3), предложенное Кубичеком (1966), стало базовым для расчета объемного кровотока методом ТТРГ и в настоящее время используется в большинстве существующих мониторных реокардиографических систем.

Ударный и минутный объёмы кровообращения рассчитываются по формулам: (4)

где HR – частота сердечных сокращений (ЧСС) (уд/мин), K_Т =f(пол, вес, рост,…) - поправочный коэффициент [0.75 – 1.25], (Ht) – удельное сопротивление крови (Омсм) [ = 100 .. 200 Омсм]; Ht – гематокрит; l -межэлектродное расстояние (см), Z_Б -базовый импеданс (Ом), A_d - максимальная амплитуда дифференциальной реограммы (Ом/с), ELVET-время изгнания (с), (см. Рис. 2).

Данный метод позволяет неинвазивно получать информацию о насосной функции сердца и потенциально способен работать в режиме мониторинга.

Существуют различные модификации схемы Кубичека, отличающиеся как расположением электродов, так и различными поправочными коэффициентами в формуле расчета. В настоящий момент наиболее известны работы Гуревича, Пушкаря, Сидоренко, Хеймеца, Цветкова, Sramek, Wang [4, 6, 11, 15, 19, 20].

В работах Цветкова была разработана гетерогенная модель биообъекта. На основе этой модели были определены погрешности, возникающие при реографических измерениях из-за неоднородного распределения силовых линий тока в объекте, установлены ограничения на размеры и относительное расположение токовых и потенциальных электродов, позволяющие проводить измерения с точностью не хуже 5%, выведены формулы для расчета объемов вне- и внутриклеточной жидкости в биообъекте.

Sramek предложил несколько различных схем замещения ленточных электродов стандартными одноразовыми точечными ЭКГ электродами, однако эти схемы приводят к сильной неоднородности электрического поля в биообъекте. Им же были предложены поправочные коэффициенты к формуле Кубичека, учитывающие отличие формы грудной клетки человека от цилиндрической [19]:

(5)

где C - периметр грудной клетки на уровне мечевидного отростка (см), L - межэлектродное расстояние (см), Z_Б - базовый импеданс (Ом), LVET - время изгнания (с), Ad - амплитуда дифференциальной реограммы (Ом / с), Q - коэффициент, учитывающий отклонение конституции пациента от среднестатистической (определяется по номограмме [19]).

Используя оценку эффективного объема грудной клетки, заполненного линиями тока по формуле: , где K[1/2.9; 1/2.7], из формулы Кубичека был исключен множитель, соответствующий сопротивлению крови и зависящий от вариабельности показателя гематокрита обследуемого.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов учебной работы