WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 |

«ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПОРОЖДЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММ В УСЛОВИЯХ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ Л.С. ФАЙНЗИЛЬБЕРГ Международный научно-учебный центр ...»

-- [ Страница 1 ] --

1

ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПОРОЖДЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ

ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММ В УСЛОВИЯХ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ

ВОЗМУЩЕНИЙ

Л.С. ФАЙНЗИЛЬБЕРГ

Международный научно-учебный центр информационных технологий и систем

В статье рассматриваются два подхода к построению моделей порождения искусственных электрокардиограмм реалистической формы. Первый подход основан на независимых случайных искажениях отдельных фрагментов эталонного сигнала. Второй подход основан на независимых случайных искажениях параметров несимметричных гауссовых функций, порождающих отдельные фрагменты. Предложены модификации моделей, которые обеспечивают генерацию сигналов с нетипичными циклами, а также моделирование эффекта электрической альтернации сердца. Приведены результаты модельных экспериментов, которые подтвердили адекватность предложенных моделей. Искусственные сигналы могут быть использованы для оценки метрологических характеристик цифровых электрокардиографов и эффективности новых алгоритмов компьютерной обработки электрокардиограмм. На основе предложенных моделей может быть реализован эффективный метод передачи сигналов в телемедицинских системах.

1. ВВЕДЕНИЕ Электрокардиография до сих пор остается наиболее распространенным методом функциональной диагностики в кардиологии. Последние десятилетия привнесли революционные преобразования в эту область: в медицинской практике широко используют цифровые электрокардиографы с автоматической интерпретацией электрокардиограмм (ЭКГ). В то же время, по данным клиницистов, традиционные компьютерные алгоритмы анализа и интерпретация ЭКГ не обеспечивает требуемую достоверность результатов диагностики.

Поэтому специалисты постоянно совершенствуют эти алгоритмы, привлекая новые методы извлечения диагностической информации из реальных сигналов, наблюдаемых в условиях возмущений.

Разумеется, в соответствии с современными представлениями о доказательной медицине *1+ любой нетривиальный алгоритм анализа и интерпретации ЭКГ, прежде чем он будет рекомендован для применения в медицинской практике, должен быть тщательно проверен на тестовых сигналах, в том числе на таких, которые редко встречаются в реальной жизни. Одним из известных методов такой проверки – тестирование алгоритмов с использованием искусственных сигналах, имитирующих разнообразные реальные ЭКГ нормальной и патологической формы.

Известны различные подходы к построению моделей генерации искусственных ЭКГ. Так, в работах *2-4+ предложены алгоритмы, основанные на описании элементов ЭКГ линейными и квадратичными функциями. Однако такие модели не позволяют синтезировать сигнал реалистичной формы и моделировать проявления на ЭКГ некоторых патологических состояний сердечно-сосудистой системы.

Более реалистическую форму цикла ЭКГ обеспечивают модели, в которых сигнал представлен в виде суммы гауссовых функции *5,6+. В то же время, рассмотренные в этих работах алгоритмы не предусматривают порождение последовательности сердечных циклов в условиях действия внутренних и внешних возмущений, что ограничивает их область применения.

В статье *7+ исследуется модель ЭКГ, основанная на методах математической реконструкции нелинейной динамической системы. Однако, как указывают сами авторы статьи, для моделирования различных патологий предложенная модель требует существенного усложнения за счет включения дополнительных параметров.

Получила известность также динамическая модель генерации искусственной ЭКГ, которая основана на численном решении системы из трех обыкновенных дифференциальных уравнений, порождающих траекторию в трехмерном пространстве координат ( x, y, z ) *8+. Цикличность ЭКГ моделируется движением точки в плоскости ( x, y) по траектории переменной длины, а информативные фрагменты каждого цикла моделируются движением отображающей точки в направлении z.

Следует, однако, заметить, что авторы работы *8+ предусмотрели лишь моделирование равномерных изменений продолжительностей циклов, в то время как на реальных ЭКГ при изменении частоты сердечных сокращений (ЧСС) происходят неодинаковые изменения области определения отдельных фрагментов.

Таким образом, для корректного решения задач тестирования новых алгоритмов компьютерной обработки ЭКГ актуальным является усовершенствование моделей порождения искусственных ЭКГ.

Цель статьи – разработать математические модели порождения искусственных ЭКГ, которые наиболее полно описывают реальные сигналы, наблюдаемые в условиях действия внутренних и внешних возмущений.

2. ИНТЕРПОЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПОРОЖДЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ЭКГ

ЭКГ представляет собой графическую запись изменения во времени суммарного электрического потенциала, возникающего в сердечной мышце за счет движением ионов через мышечную мембрану *9+. На каждом сердечном цикле нормальной ЭКГ различают ряд информативных фрагментов – зубцов, сегментов и интервалов (рис. 1), отражающих стадии возбуждения отдельных участков сердечной мышцы.

Рис. 1. Информативные фрагменты ЭКГ нормальной формы Органические поражения и функциональные нарушения сердечно-сосудистой системы отображаются характерными изменениями параметров и формы фрагментов ЭКГ. Поэтому сигналы, наблюдаемые в медицинской практике, весьма далеки от идеализированной ЭКГ, показанной на рис. 1.

Кроме того, в реальных условиях, ЭКГ регистрируется в условиях возмущений, которые далеко не всегда могут быть сведены лишь к аддитивной помехе. При изменении продолжительности R R интервалов чаще всего происходят неодинаковые изменения продолжительностей отдельных фрагментов на последовательности сердечных циклов, что должно учитываться при построении моделей генерации искусственных сигналов реалистической формы.



Рассмотрим один из возможных механизмов порождения таких сигналов *10, c. 49+.

Будем считать, что наблюдаемый сигнал z (t ) представляет собой результат искажения полезного сигнала z 0 (t ) об электрической активности сердца внутренними (t ) и внешними h(t ) возмущениями, где () – некоторая неизвестная функция (рис. 2).

h(t ) z (t ) z 0 (t ) [ z 0 (t ), (t )] + Рис. 2. Механизм порождения ЭКГ по эталону При этом полагаем, что внутренние возмущения (t ) вызывает сам биологический объект, в частности, система органов дыхания и вегетативная нервная система, а аддитивные возмущение h(t ) обусловлены внешней средой – сетевыми помехами, мышечным тремором в местах наложения электродов и прочее.

Представим полезный сигнал z0 (t ) в виде последовательности функций, описывающих форму отдельных зубцов P, Q, R, S, T, сегментов P Q, S T и элементов базовой линии:

z01) (t ), 0 t t P1), ( ( z0 (t )..., (1) (K ) z0 (t ), tT t T ( 2) где t P1), t P2 ), …, tT1), tT2 ) – моменты начала и окончания соответствующих зубцов.

( ( ( ( Предположим, что в процессе порождения m -го цикла реальной ЭКГ, m 1,2,...

внутреннее возмущение (t ) приводит к независимым изменениям области определения отдельных фрагментов «эталона» z0i ) (t ), i 1,..., K, а сама функция z0 (t ) линейно ( растягивается (сжимается) по амплитуде. Иными словами, представим, что процесс искажения i -го фрагмента m -го цикла осуществляется на основе операторного преобразования где m, mi ) – соответственно параметры линейного растяжения (сжатия) по амплитуде и времени, а m ) – сдвиг по времени.

Допустим далее, что для каждого m -го цикла параметр m принимает фиксированное значение где m – случайная величина, которая с нулевым математическим ожиданием распределена на интервале [ 0, 0 ], ограниченном фиксированным числом 0 [0,1), а параметр m ) принимает фиксированное значение в процессе порождения каждого i -го фрагмента m -го цикла где m ) – последовательность независимых случайных величин, которые с нулевыми маi тематическими ожиданиями 0 распределены на интервалах [(0), (0) ], ограниi i ченных фиксированными числами (0) [0,1).

Таким образом, будем считать, что наблюдаемый сигнал последовательность функций z1 (t ), z 2 (t ),…, z m (t ),…, связанных с эталоном z 0 (t ) операторным соотношением (2), в котором параметры m и m ) определяются соотi ношениями (3) и (4).

Для обеспечения непрерывности сигнала потребуем дополнительно, чтобы z0 (0) 0. Последнее требование всегда можно обеспечить, выполнив предварительное центрирование эталона z 0 (t ) z 0 (t ) z 0 (0).

При таких предположениях продолжительность i -го фрагмента m -го цикла связана с продолжительностью t 0i ) ti( 2) ti(1) соответствующего фрагмента эталона (1) соотношением а началу i -го фрагмента m -го цикла наблюдаемой ЭКГ будет соответствовать момент времени Следовательно, общая продолжительность m -го цикла порождаемого сигнала z (t ) равна началу m -го цикла соответствует момент времени а началу i -го фрагмента m -го цикла – момент времени Если теперь применить к i -му фрагменту эталона z 0 (t ) операторное преобразование (2), положив параметр сдвига то в силу (1) с учетом (2) (7) процесс порождения i -го фрагмента m -го цикла наблюдаемой ЭКГ в конечном счете можно представить функцией аргумент которой нелинейно зависит от времени и определяется выражением Тем самым обеспечивается моделирование неравномерных по времени изменений продолжительностей отдельных фрагментов эталона z 0 (t ) на циклах порождаемой ЭКГ (рис. 3).

Рассмотренная модель более пригодна для описания реальных ЭКГ, чем ее упрощенный вариант полученный из (9) и (10) в предположении, что случайный параметр, фигурирующий в (10) зависит только от номера m цикла, но не зависит от номера i фрагмента.

Рис. 3. Последовательность искаженных циклов, порожденных эталоном z 0 () Нетрудно показать, что стохастическая модель (9), (10) является прямым обобщением известных моделей строго периодического и почти периодического процессов.

Действительно, если положить в (10) то модель (10) можно представить в виде соотношения которое описывает почти периодический процесс, а при дополнительном условии 0 0 модель сводится к строго периодической функции С другой стороны, предложенная модель легко может быть обобщена для описания процесса порождения ЭКГ с изменяющейся морфологией отдельных циклов, например, с экстрасистолами. Для этого достаточно ввести в рассмотрение не один, а G эталонов z01 (t ),..., z0G (t ), и предположить, что каждый m -й цикл порождается путем аналогичных искажений одного из этих эталонов, выбираемых случайным образом в соответствии с вероятностями Pg, Pg 1 (рис. 4).

Рис. 4. Механизм порождения ЭКГ по нескольким эталонам Для имитации внешних возмущений h(t ) 0 достаточно к каждому дискретному значению z[k ], k 1,2,..., генерируемой последовательности добавить дискретное значение h[k ], вычисленное в соответствии с той или иной моделью аддитивной помехи.

Хотя рассмотренный подход позволяет синтезировать последовательность искаженных циклов ЭКГ реалистической формы, предложенную модель нельзя в полной мере отнести к генеративным моделям, поскольку модель предполагает известной функцию (1), в качестве которой приходится использовать цикл реальной ЭКГ. К тому же данная модель не позволяет имитировать такой важный диагностический предиктор внезапной сердечной смерти как альтернацию зубца T *11+, поскольку из-за нарушений непрерывности принципиально не допускает независимых искажений амплитуды отдельных фрагментов эталона.

Поэтому рассмотрим другой подход к генерации искусственных ЭКГ реалистической формы.

3. ГЕНЕРАТИВНАЯ МОДЕЛЬ ПОРОЖДЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ЭКГ



Pages:     || 2 | 3 |
 



Похожие работы:

«ПОСВЯЩАЕТСЯ 150-ЛЕТИЮ К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО, СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ 100-ЛЕТИЮ С. П. КОРОЛЁВА СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ 50-ЛЕТИЮ ЗЕМЛИ И ЗАПУСКА ПЕРВОГО В МИРЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЧЕРЕЗ ТЕРНИИ К ЗВЕЗДАМ ПОД Ю.Ю. КОМАРОВА В.П. МАХРОВА РЕДАКЦИЕЙ ПРОФ. И ПРОФ. Москва 2007 УДК 629.735.33 Через тернии к звездам / Под ред. проф. Ю. Ю. Комарова и проф. В. П. Махрова. – М.: Изд-во МАИ, 2007. – 520 с. В сборнике содержатся статьи научно-исследовательских, проектноконструкторских и технологических работ студентов,...»

«МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ, СОЗВАННЫЙ ФАКУЛЬТЕТОМ СЛОВЕСНОСТИ ЖЕНЕВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА И ШВЕЙЦАРСКОЙ АКАДЕМИЕЙ СЛАВИСТИКИ Женева, 1 3 - 1 4 - 1 5 а п р е л я 1 9 7 8 L'AGE D'HOMME Ответственный редактор — профессор ЖОРЖ НИВА (Женева) AVERTISSEMENT Cet ouvrage rassemble toutes les communications et une version abrge des discussions du Colloque Une ou deux littratures russes qui s'est tenu Genve les 13, 14 et 15 avril 1978. Le Colloque s'est tenu l'initiative de la Facult des Lettres de l'Universit...»

«Джон Баскервиль 1 В наборе использован ITC New Baskerville,/1 pt Джон Кваранта и др., 1 Кириллическая версия: Тагир Сафаев, 1 Антиква переходного типа Шрифт для набора сплошного текста В A 2006 Г О Д У исполнилось 300 лет со дня рождения Джона Баскервиля. Английский каллиграф, резчик по камню, издатель, изобретатель и дизайнер шрифта Джон БасB кервиль [1] всю жизнь стремился к совершенству во всех своих занятиях. Но его главной целью было обновить английское печатное искусство. В XVIII веке...»

«Общие вопросы науки и культуры. Пропедевтика..2 Информационные технологии. Вычислительная техника. Обработка данных.3 Управление. Менеджмент..3 Философия. Психология. Логика. Этика..5 Религия. Богословие..6 Демография. Социология. Статистика. Политика..7 Экономика...10 Право. Юридические науки..13 Государственно-административное управление. Военное искусство. Военные науки.15 Социальное обеспечение. Воспитание. Обучение. Образование.16 Этнография. Обычаи. Нравы. Традиции. Образ жизни....»

«Лечение и профилактика гинекологических заболеваний у коров Игорь Рубинский 2 Книга Игорь Рубинский. Лечение и профилактика гинекологических заболеваний у коров скачана с jokibook.ru заходите, у нас всегда много свежих книг! 3 Книга Игорь Рубинский. Лечение и профилактика гинекологических заболеваний у коров скачана с jokibook.ru заходите, у нас всегда много свежих книг! И.А. Рубинский Лечение и профилактика гинекологических заболеваний у коров 4 Книга Игорь Рубинский. Лечение и профилактика...»

«Провела: педагог – психолог МДОУ д/с № 91 Матвеева И.В. 13.09.2011г. 1 Ни для кого не секрет, что современная Россия давно уже перестала быть самой читающей страной в мире. И доля читающего населения резко сокращается в нашей стране с каждым годом: книгу из нашей жизни активно вытесняют телевидение, радио, Интернет, обучающие и развлекательные компьютерные программы. В результате свыше трети взрослого населения страны не читает книг по пять и более лет подряд. Зачем читать книги? Что дает...»

«1 класс (33 часа) Ты изображаешь, украшаешь и строишь Три вида художественной деятельности, определяющие все многообразие визуальных пространственных искусств, положены в основу первого, вступительного класса. На помощь детям (и учителю) приходит игровая, образная форма приобщения: Три брата-мастера – Мастер Изображения, Мастер Украшения и Мастер Постройки. Открытием для детей должно стать, что многие их повседневные бытовые игры являются художественной деятельностью – тем же, чем занимаются...»

«Утверждаю: Директор Рязанцев С.И. 1.09.2013 Дополнительная общеобразовательная программа Учебный предмет БЕСЕДЫ ОБ ИСКУССТВЕ. Москва – 2012 Содержание № Наименование раздела № ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 1. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН 2. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО ПРЕДМЕТА 3. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ 4. ОБУЧАЮЩИХСЯ ФОРМЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ, СИСТЕМА ОЦЕНОК 5. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА 6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 7. 2 I. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ХАРАКТЕРИСТИКА УЧЕБНОГО ПРЕДМЕТА, ЕГО МЕСТО И РОЛЬ В...»






 
© 2013 www.knigi.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.