Комп’ютерна програма для обробки та імітаційного моделювання синхронно зареєстрованих кардіосигналів (СЗКС)

Комп’ютерна програма для обробки та імітаційного моделювання синхронно зареєстрованих кардіосигналів (СЗКС), включає результати математичного та імітаційного моделювання, а також метод сумісної статистичної обробки СЗКС, і може використовуватися як складова частина спеціалізованого програмного забезпечення в системах автоматизованої комп’ютерної діагностики стану серця. Структурна схема комплексу програм обробки СЗКС наведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема програмного комплексу для обробки та імітації СЗКС.

У блоці формування реалізацій СЗКС використовувалися експортовані синхронно зареєстровані їх значення з сучасних комп’ютерних кардіографічних комплексів “Кардіолаб СЕ” та реографічного комплексу “Реоком” виробництва НТЦ радіоелектронних медичних приладів і технологій “ХАІ-МЕДІКА” (м.Харків). Блоки попередньої обробки призначені для фільтрації та вилучення тренду із СЗКС. Блок сегментації використовується для отримання зонно-часової структури СЗКС з метою визначення їх функцій ритму. Блоки статистичної обробки призначені для нормування статистичних оцінок, аналізу досліджуваних кардіосигналів. Блок мінімізації розмірності вектора інформативних ознак необхідний для мінімізації їх кількості, що репрезентує норму або певну патологію ССС. Блок діагностики дозволяє проводити діагностику серцево-судинної системи за СЗКС.

Особлива увага в даному програмному комплексі була зосереджена на розробці блоку статистичного аналізу СЗКС та блоку імітації СЗКС з врахуванням функції ритму, які розглянемо детальніше. Програмне забезпечення для даних блоків написане мовою програмування Delphi 7 з використанням стандартних компонентів.

Блок статистичного аналізу СЗКС складається з двох модулів:

1. Модуль „Статистичної обробки кардіосигналів з врахуванням функції ритму та періоду”.

2. Модуль „Сумісної статистичної обробки СЗКС”.

Модуль „Статистичної обробки кардіосигналів з врахуванням функції ритму та періоду” призначений для статистичного опрацювання окремо кожного кардіосигналу із сукупності СЗКС, з використанням двох методів на основі моделей у вигляді вектора циклічних ритмічно пов’язаних випадкових процесів та вектора періодично пов’язаних випадкових процесів.

Модуль „Сумісної статистичної обробки СЗКС” призначений для проведення сумісної статистичної обробки досліджуваних кардіосигналів, яка полягає в знаходження оцінок взаємних кореляційних функцій СЗКС.

Блок імітації СЗКС з врахуванням функції ритму призначений для імітації СЗКС, з врахуванням відомої та сформованої дискретної функції ритму.

Структурно-функціональна схема модуля „Статистична обробка кардіосигналів з врахуванням функції ритму та періоду” наведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурно-функціональна схема модуля програми „Статистична обробка кардіосигналів з врахуванням функції ритму та періоду”.

Вказана схема працює наступним чином. Спочатку вхідні дані кардіосигналу та функції ритму відкриваються у форматі *.txt. Для контролю правильності введених даних в комп’ютерній програмі передбачена можливість візуалізації цих даних та можливість проведення прорідження сигналу з метою зменшення кількості його відліків, що впливає на час обробки сигналів в цілому. Вхідними даними для програми є кардіосигнали електричної, магнітної та акустичної природи, а також дискретна функція ритму. На рис. 3 наведений загальний вигляд інтерфейсів програми для введення даних (кардіосигналів, функцій ритму) та їх візуалізації.

а) б)

Рис. 3. Загальний вигляд інтерфейсів програми для вводу даних (а) та їх візуалізації (б).

Для проведення статистичної обробки СЗКС в програмі використано два методи: метод усереднення значень реалізації сигналу з врахуванням періоду та метод усереднення значень реалізації сигналу з врахуванням функції ритму. Приклад інтерфейсу програми для проведення статистичної обробки з врахуванням періоду наведено на рис. 4.

Під час проведення статистичної обробки з врахуванням функції ритму необхідно задати додаткові параметри, а саме: крок дискретизації сигналу і функції ритму (необхідний під час передискретизації сигналу та функції ритму), а також кількість циклів серцевого скорочення та кількість зон (на циклі) зареєстрованої реалізації сигналу. Виконуючи послідовні кроки: інтерполяції функції ритму; інтерполяції сигналу; передискретизації функції ритму; передискретизації сигналу отримаємо необхідні дані для проведення статистичної обробки з врахуванням функції ритму.

На рис. 4 видно, що в результаті статистичної обробки ми можемо отримати оцінки таких імовірнісних характеристик: математичне сподівання, дисперсія та автокореляційна функція. Всі отримані дані при необхідності можна зберегти в текстових файлах.

Загальний вигляд інтерфейсів програми для візуалізації оцінки математичного сподівання фонокардіограми (а) та інтегральної реограми (б), методом статистичної обробки з врахуванням функції ритму, приведений на рис. 5.

Для проведення сумісної статистичної обробки СЗКС (електричної, магнітної, акустичної природи) використовується модуль „Сумісна статистична обробка СЗКС”, структурно-функціональна схема якого наведена на рис. 6.

Рис. 6. Структурно-функціональна схема модуля програми „Сумісна статистична обробка СЗКС”.

Вхідними даними для сумісної статистичної обробки є передискретизовані значення сигналів та отримані їх оцінки математичного сподівання. Результатом сумісної статистичної обробки є взаємна кореляційна функція, отримана з врахуванням функції ритму.

Приклад інтерфейсу програми введення синхронно зареєстрованих даних (а) та їх сумісної обробки (б) наведено на рис. 7.

Для проведення імітації кардіосигналів розроблено блок імітації СЗКС з врахуванням функції ритму, структурно-функціональна схема якого приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структурно-функціональна схема блоку імітації СЗКС з врахуванням функції ритму.

З метою проведення імітації кардіосигналів з врахуванням функції ритму необхідно спочатку відкрити вхідні дані кардіосигналу та функції ритму, задати кількість циклів та зон сигналу, завантажити вхідний цикл. При цьому використовуються інтерфейси програми для введення вхідних даних (рис. 9. (а)) та для візуалізації вхідного циклу (рис. 9 (б)).

В розробленому програмному комплексі передбачена можливість формувати дискретну функцію ритму, залежно від кількості циклів та зон кардіосигналу, який потрібно змоделювати. Інтерфейси програми для формування функції ритму та візуалізації змодельованого кардіосигналу наведені, відповідно, на рис. 9 (а,б).

Розроблений комплекс програм дає змогу проводити статистичну обробку СЗКС різної фізичної природи і отримувати оцінки математичного сподівання, дисперсії, автокореляційної та взаємної кореляційної функцій (з врахуванням функції ритму та з врахуванням періоду). Також програмний комплекс дає змогу проводити імітацію кардіосигналів.