CC BY
40
Радіоелектроніка біомедичних технологій
РАДІОЕЛЕКТРОНІКА БІОМЕДИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
УДК: 615.47
АНАЛІЗ РЕОГРАМ ЗА МЕТОДОМ ФАЗОВОЇ ПЛОЩИНИ
Манойлов В. П. , д.т.н., проф.; Мосійчук В. С. , к.т.н.;
Мужицька Н. В. 1, к.т.н.; доц., Нікітчук Т. М.1;
Тимчик Г. С. , д.т.н., проф.
1 Житомирський державний технологічний університет,
Житомир, Україна
2
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, Україна
RHEOGRAM ANALYSE BY PHASE PLANE METHOD Manoylov V. P. 1, Doc. Of Sci (Technics), Prof.;
Mosiychuk V. S. , Cand. Of Sci (Technics);
Muzhitska N. V.1, Cand. Of Sci (Technics), associate prof.;
Nikitchuk T. M.1; Timchyk G.S. 2, Doc. Of Sci (Technics), Prof.
1 Zhytomyr State Technological University, Zhytomyr, Ukraine
2 National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute ”, Kyiv, Ukraine
Вступ
Одним з найбільш інформативних методів діагностики, що прийшли до нас з глибокої давнини, є пульсова діагностика. Характер пульсу відображає стан окремих органів і організму в цілому, характеризує фізичний і психічний стан людини. Порушення рівноваги у роботі організму, що здатні призвести до захворювання, проявляються у зміні пульсу ще на ранніх стадіях, або в стані «передхвороби» [1].
Форму та характеристики пульсової хвилі можна досліджувати з використанням відносно простих та поширених методик, які загалом полягають в накладанні на шкіру сенсорів, що реєструють зміни тиску (сфігмограма, флебограма), об’єму (плетизмограма), або повного електричного опору тканин (реограма).
Як відомо, реографія — це метод дослідження пульсових коливань кровонаповнення судин різних органів і тканин, що грунтується на графічній реєстрації коливань значення величини електричного опору живих тканин, органів та ділянок тіла при пропусканні через них змінного електричного струму. Найчастіше для обробки реограм обирають контурний аналіз форми сигналу [2], який полягає в пошуку і виділенні крайніх (екстремальних) точок однієї хвилі. Так, для реографічних кривих, зареєстрованих з різних ділянок тіла, однозначно виділяють такі елементи хвилі:
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 111
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
початок, вершину і кінець. У більшості ситуацій ці точки визначаються легко, однак при деяких видах судинної патології форма реографічних хвиль настільки значно і своєрідно змінюється, що знаходження цих точок стає навіть неможливим. У таких ситуаціях вдаються до синхронного запису електрокардіограми і першої похідної реограми, що збільшує тривалість процедури і вимагає наявності ряду технічних засобів.
Проте, у сучасній медичній інженерії поширеними стали методи додаткової обробки та аналізу біомедичних сигналів. Зважаючи на наявність технічних засобів для реєстрації реограм, актуальною є проблема створення програмного забезпечення, що полегшать постановку медичного заклю-чення і популяризують реографію, як метод діагностики за пульсограмами. В основу такого програмного забезпечення пропонується покласти дослідження реограм методом фазової площини.
Аналіз останніх досліджень і публікацій, у яких започатковано вирішення даної проблеми
У роботах [3-6] проведено дослідження використання методу фазової площини для побудови фазових портретів фотоплетизмографічних пульсо-грам та подальшого їх аналізу.
Автори роботи [7] реалізують процедуру медичної діагностики за вимірюванням показників фрактальності для фазових портретів кардіограм. Так, в наведеній роботі вдалось встановити, що базові показники фазових траєкторій ЕКГ значно відрізняються для категорій норма-патологія.
В роботі [8] запропоновано новий підхід до методу фазової площини, що реалізується в приладі ФАЗАГРАФ, а саме, проводиться визначення функціонального стану людини за параметрами Т-зубця електрокардіосиг-налу.
Однак, в наведених наукових працях недостатньо вивчені критерії оцінювання ефективності діагностичних показників фазових портретів біоме-дичних сигналів та їх окремих ознак.
Формулювання цілей статті
Підсумовуючи викладені вище аспекти діагностики за реограмами, метою статті є оцінювання діагностичної значимості методу фазової площини відносно обробки та аналізу реографічних пульсових сигналів.
Виклад основного матеріалу дослідження
Як відомо з теорії коливань, динаміку системи відображають або в площині, або в просторі станів, які ще називають фазовими [9-11]. Наприклад, можна досліджувати фазовий портрет окремого фізіологічного параметра або усієї системи. Аналіз фазового портрета (атрактора) дозволяє визначити тип або характерні особливості динаміки системи, пов’язані з фізіологічними особливостями пацієнта. Методи теорії нелінійної динаміки дають можливість отримати і кількісні параметри, що описують досліджувану систему.
112
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
Важливою перевагою аналізу системи у фазовій площині є те, що фазовий портрет містить в собі інформацію про поведінку об’єкта протягом усієї діагностичної процедури і не потребує пошуку патологічних ділянок пульсограм. Усі відхилення патологія-норма зображенні в фазовій площині і доступні для візуальної оцінки лікарем-діагностом, навіть без чисельного розрахунку діагностичних показників досліджуваної системи.
Реєстрація та обробка реографічних кривих В дослідженнях використано реограф-поліаналізатор Реан-Полі 1. Під час проведення експерименту було зареєстровано реограми у 20 пацієнтів без попередньої інформації про їх стан здоров’я. В результаті отримано реографічні пульсограми для чотирьох категорій осіб: пацієнтів без пато-логій серцево-судинної системи та пацієнтів при поширених хворобах кровоносної системи — вегетосудинній та нейроциркуляторній дистоніях (ВСД, НЦД) і гіпертонічній хворобі (ГХ). Усі діагностичні висновки отримані автоматично і підтверджені лікарем-діагностом Обласного медичного консультативно-діагностичного центру Житомирської обласної ради.
Таблиця. 1
Коефіцієнти Хьорста для сигналів, оброблених з використанням різних методів по-
рогової обробки
№ сигналу Метод
rigrsure heursure sqtwolog minimaxi
1 0, 8294 0,8195 0,9125 0,8926
2 0, 8236 0,8180 0,9113 0,8912
3 0, 8264 0,8178 0,9118 0,8918
4 0, 8294 0, 8254 0,9124 0,8923
5 0, 8224 0,8168 0,9108 0,8911
6 0, 8272 0, 8203 0,9111 0,8915
7 0, 8198 0, 8256 0,9120 0,8925
8 0, 8198 0, 8256 0,9120 0,8925
9 0, 8226 0, 8296 0,9126 0,8939
10 0, 8238 0, 8206 0,9112 0,8914
11 0, 8264 0, 8201 0,9111 0,8915
12 0, 8290 0, 8199 0,9125 0,8927
13 0, 8257 0, 8176 0,9118 0,8917
14 0, 8223 0, 8190 0,9115 0,8914
15 0, 8226 0, 8173 0,9120 0,8923
16 0, 8238 0, 8207 0,9123 0,8933
17 0, 8292 0, 8196 0,9125 0,8926
18 0, 8262 0, 8173 0,9127 0,8931
19 0, 8269 0, 8203 0,9111 0,8913
20 0, 8263 0, 8174 0,9118 0,8917
Для попередньої обробки реограм застосовуємо дискретний вейвлет-аналіз з пороговою обробкою вейвлетом Добеші db7, кількість рівнів розкладу — 5. Доцільність використання саме такої цифрової обробки доведено в роботі [12]. В дослідженні перевірено ефективність різних методів об-
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 113
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
робки коефіцієнтів вейвлет-розкладу для вибраного методу цифрової обробки [13]. Критерії обробки сигналів з м’яким порогом обробки, що були застосовані в експерименті, наступні:
- критерій незміщенної оцінки Штайна (rigrsure);
- модифікований критерій Штайна (heursure);
- універсальний критерій Донохо-Джонстона (sqtwolog);
- мінімаксний критерій (minimaxi).
Оцінку ефективності методів порогової обробки проведено з використанням RS-аналізу, доцільність якого при виборі методу цифрової фільтрації доведено в роботі [14].
Аналізуючи дані таблиці, можна зробити висновок, що для даного типу вейвлету при обраному рівні розкладу найефективнішим є метод обробки коефіцієнтів вейвлет-розкладу за критерієм Донохо-Джонстона. Даний метод використано з метою виділення інформативної частини сигналу на фоні шумів та завад.
Оцінку реографічних сигналів у фазовій площині виконано за наступним алгоритмом.
1. Виділення центральний фрагменту реограми тривалістю 3 хв, що не містить моментів початку і закінчення діагностичної процедури.
2. Дискретна вейвлет-фільтрація.
3. Сегментація сигналу на часові періоди;
4. Виділення еталонного періоду реограми;
5. Побудова фазового портрету (рис. 1).
6. Визначення діагностичних показників на фазовому портреті реогра-ми.
Рис. 1. Обробка та аналіз реограм у фазовій площині
114
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
Таблиця 2
Основні діагностичні показники фазових портретів реограм
Сигнал, № Діагноз лікаря-діагноста Відведення Показник D Показник S
1 ГХ FMs 2152 835600
FMd 2170 839000
2 ГХ FMs 2168 838270
FMd 2181 870010
6 ГХ FMs 2156 836780
FMd 2166 837620
7 ГХ FMs 2155 836510
FMd 2169 839080
14 ГХ FMs 2150 829520
FMd 2161 835020
16 ГХ FMs 2202 835080
FMd 2216 841930
4 Норма FMs 1912 742800
FMd 1915 748610
5 Норма FMs 1846 784751
FMd 1849 786800
8 Норма FMs 1870 757715
FMd 1873 756140
9 Норма FMs 1910 756610
FMd 1915 757120
11 Норма FMs 1890 785390
FMd 1894 787610
3 ВСД FMs 1479 671160
FMd 1482 693150
10 ВСД FMs 1514 697320
FMd 1520 701580
12 ВСД FMs 1473 673210
FMd 1481 675420
17 ВСД FMs 1597 698160
FMd 1601 701850
18 ВСД FMs 1592 700715
FMd 1599 701050
19 ВСД FMs 1491 670280
FMd 1503 698100
13 НЦД FMs 1670 738590
FMd 1680 740040
15 НЦД FMs 1631 721164
FMd 1643 727170
20 НЦД FMs 1631 721160
FMd 1638 728210
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
115
Радіоелектроніка біомедичних технологій
Аналіз таблиці показує, що для категорії досліджуваних осіб спостерігаються наступні тенденції. У разі відсутності патологій кровоносної системи фазові портрети характеризуються найменшою площею та діаметром в межах між гіпертонічною та дистонічною хворобами. До того ж, у них спостерігаються мінімальні відхилення для реограм, знятих для двох відведень (FMs та FMd) (рис. 2 та 3 відповідно). У разі гіпертонічної хвороби дещо зростає площа фазових портретів і екстремально зростає діаметр, що свідчить про спотворення форми фазового портрету (рис. 4 та 5). Вегето-судинна дистонія та нейросудинна дистонія характеризуються площею, співрозмірною із реограмами типу «норма», проте діаметр їх фазових портретів значно менший, ніж у пацієнтів без патологій. Внаслідок малої експериментальної вибірки, встановити чіткої різниці між пацієнтами з веге-тосудинною та нейросудинною дистоніями не вдалося.
Рис. 2. Гістограма розподілу діаметрів фазового портрету реограм з різними патологіями (відведення FMs)
Рис. 3. Гістограма розподілу діаметрів фазового портрету реограм з різними патологіями (відведення FMd)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Рис. 4. Гістограма розподілу площі фазових портретів реограм з різними па-тологіями (відведення FMs)
Рис. 5. Гістограма розподілу площі фазових портретів реограм з різними па-тологіями (відведення FMd)
Отримані результати дають підстави стверджувати, що перехід до аналізу реограм у фазовій площині значно розширює діагностичні можливості методу, служить на користь його популяризації.
Кількісні результати для досліджуваних категорій є попередніми і потребують підтвердження на значно ширшій вибірці пацієнтів. Проте вони
116
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
ілюструють чітку залежність для описаних функціональних станів, а значить діагностичні критерії, використані в дослідженні, мають достатню інформаційну цінність.
Висновки
Оброблення та аналіз реограм у фазовій площині розширює діагностичні можливості реографії. Використання методу фазової площини для циклового аналізу реографічних сигналів дозволяє оцінити варіабельність параметрів пульсограми протягом усієї діагностичної процедури. Діагностичні показники, розроблені для кількісної оцінки фазових портретів реог-рам, виявили високу діагностичну цінність для окремих патологічних станів кровоносної системи та для ситуацій типу «норма».
Література
1. Десова А. А. Компьютерная система диагностики на базе анализа ритмической структуры пульсового сигнала лучевой артерии /А. А. Десова, Ю. С. Легович,
О. С. Разин // Медицинская техника. — 1999. — № 2. — С. 3—5.
2. Фролов Д. Н. Разработка структурных методов и системы автоматизированного анализа реограмм: автореф. дис.канд.техн.наук. — Томск, 1980.
3. Манойлов В. Ф. Возможность диагностики сердечно-сосудистой системы с помощью представления пульсовой волны в фазовой плоскости / В. Ф. Манойлов, Т. Н. Никитчук — СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Материалы XX Международной Крымской конференции КрыМиКо'2010. — Севастополь: Крымиус, 2011. — С. 1169—1170.
4. Нікітчук Т. М. Використання методу фазової площини для дослідження пульсової хвилі / Т. М. Нікітчук, Ю. А. Поліщук // Вісник ЖДТУ. Тенічні науки. — 2011. — №2 (57). — С. 80—87.
5. Нікітчук Т. М. Метод фазової площини як спосіб дослідження стану рцево-судинної системи на основі аналізу пульсової хвилі/ Т. М. Нікітчук // Вісник Національного технічного університету України «КПІ»: Радіотехніка. Радіоапаратобудування.
— 2012. — № 48. — C. 179—185.
6. Мужицька Н. В. Експрес-діагностика за пульсограмами з використанням методу фазової площини / Н. В. Мужицька, Т. М. Нікітчук, Г. С. Тимчик // Вісник ЖДТУ: технічні науки. — 2011. — № 4 (59). — С. 66—70.
7. Волошина О. А. Метод ЕКГ диагностики функционального состояния человека на основе фрактального анализа и вейвлет-преобразования / О. А. Волошина, В. П. Олейник, С. Н. Кулиш, Аль Отти Сами // Радіоелектронні і комп’ютерні системи.
— 2010. — №4 (45). — С. 29—34.
8. Файнзильберг Л. С. Диагностическая ценность электрокардиограммы в фазовом пространстве для скрининга ишемическаой болезни сердца / Л. С. Файнзильберг // Український кардіологічний журнал. — 2007. — №6. — С. 13—18.
9. Страхов В. П. Метод фазовой плоскости в теории цифрових следящих систем / В. П. Страхов — М. : «Энергия», 1967. — 96 с.
10. Васильев Д. В. Радиотехнические цепи и сигналы / Д. В. Васильев, М. Р. Витоль, Ю. Р. Горщенко и др.; Под ред. К. А. Самойло. — [Учеб. пособие для вузов]. — М. : Радио и связь, 1982. — 528 с.
11. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. / И. С. Гоноровский. — [Учебник для вузов. Изд. 2-ое, переработанное и дополненное]. — М. : "Советское радио", 1971. — 672 с.
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 117
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
12. Мужицька Н. В. Експрес-діагностика на основі дискретного вейвлет-аналізу пульсограм: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : спец. 05.11.17 "Біологічні та медичні прилади і системи" / Мужицька Наталія Віталіївна ; Національний технічний університет "КПІ". — Київ, 2012. — 26 с.
13. Тимчик Г. С. Обробка пульсового сигналу в фазовій площині з використанням методів R/S статистики / Г. С. Тимчик, Н. В. Мужицька, Т. М. Нікітчук // Тези Третьої Міжнародної науково-практичної конференції «Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія» 29-31 травня 2012, ВНТУ, Вінниця.
14. Обработка сигналов и зображений [Електронний ресурс]. Режим доступу — http://matlab.exponenta.ru/wavelet/book1/10/thselect.php
References
1. Desova A. A., Legovich Yu. S., Razin O. S. Komputernaya sistema diagnostiki na baze analiza ritmicheskoy strukturi pulsovogo signala luchevoy arterii, Medicinskaya tehnika, 1999, № 2, p. 3-5.
2. Frolov D.N. Razrabotka strukturnih metodov i sistem avtomatizirovannogo analiza re-ogramm: avtoref. dis. kand. tehn.nauk., Tomsk, 1980.
3.. Manoylov V. F., Nikitchuk T. N. The technique of pulse signals processing in a phase plane, 21st Int. Crimean Conference “Microwave Telecommunication Technology”
(CriMiCo’2011), 2011, p. 1169-1170.
4. Mkhchuk T. N., Pohschuk Yu. A. Vykoristannya metodu fazovoi ploschiny dlya doshdzhennya pul'sovoi hvyh, Vіsnik ZHDTU. Ternchrn nauki, 2011, №2 (57), p.80-87.
5. Mkhchuk T. N. Metod fazovoi ploschini yak sposft doshdzhennya stanu sercevo-sudinoi systemy na osnovі anahzu pul'sovoi hvyh, Bulletin of National Technical University of Ukraine. Series Radiotechnique. Radioapparatus building, 2012, № 48, p. 179 - 185.
6. Muzhitska N. V., Mkhchuk T. N., Timchyk G. S EkspresMagnostika za pul'sograma-mi z vikoristannyam metodu fazovoi ploschiny, Vіsnik ZHDTU, tehrnchrn nauki, 2011, № 4 (59), p. 66 - 70.
7. Voloshina O.A., Oleynik V.P., Kulish S.N. Metod EKG diagnostiki funkcional'nogo sostoyaniya cheloveka na osnove fraktal'nogo analiza i wavelet-preobrazovaniya, Radrnel-ektronrn і komp’yuterrn sistemi, 2010, №4 (45), p. 29 - 34.
8. Fainzilberg, L. S. Diagnosticheskaya cennost elektrokardiogrammi v fazovom pros-transtve dlya skrininga ishemicheskaoy bolezni serdca, Ukrainskiy kardіologіchniy zhurnal, 2007, №6, p. 13-18.
9. Strahov V. P. Metod fazovoy ploskosti v teorii cifrovih sledyaschih system, Moskva, Energiya, 1967, 96 p.
10. Vasil'ev D.V. Radiotehnicheskie cepi i signali, Moskva, Radio i svyaz, 1982, 528 p.
11. Gonorovskiy I.S. Radiotehnicheskie cepi i signali, Moskva, Sovetskoe radio, 1971, 672 p.
12. Muzhitska N.V. Ekspres-dіagnostika na osnovі diskretnogo wavelet-anahzu pul-sogram: Avtoref. dis. kand. tehn. Nauk, - Kiev, 2012, 26 p.
13. Timchyk G.S., Muzhitska N.V., Mkhchuk T.N. Obrobka pulsovogo signalu v fazovіy ploschirn z vykorystannyam metodw R/S statistiki, Informadyrn tehnologh ta kompyuterna mzheneriya, 29-31 travnya 2012, VNTU, Vmnicya.
14. Obrabotka signalov i izobrazheniy, http://matlab.exponenta.ru/wavelet/book1/ 10/thselect.php
118
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Радіоелектроніка біомедичних технологій
Манойлов В. П., Мосійчук В. С., Мужицька Н. В., Нікітчук Т. М. Тимчик Г. С. Аналіз реограм за методом фазової площини. У статті проведено результати обробки реографічних сигналів методом фазової площини. Обґрунтовано вибір виду фільтрації та коефіцієнтів дискретного вейвлет -розкладу реографічного сигналу на основі розрахунку коефіцієнту Хьорста. Доведено діагностична цінність аналізу реограм за фазовими портретами, рекомендовано діагностичні критерії. Результати роботи приведені на основі експериментальних клінічних досліджень.
Ключові слова: пульсова хвиля, реограма, фазовий портрет, реографія, вейвлет перетворення, цифрове оброблення сигналів..
Манойлов В. Ф., Мосийчук В. С., Мужицкая Н. В., Никитчук Т. Н. Тымчик Г. С. Анализ реограмм методом фазовой плоскости. В работе приведены результаты обработки пульсовых сигналов реограмм методом фазового портрета. Обосновано выбор вида фильтрации и коэффициентов дискретного вейвлет-преобразования на основе коэффициента Хьюста. Доказано диагностическая ценность анализа реограмм по их фазовым портретам. Результаты работы основаны на экспериментальных исследованиях в клинике.
Ключевые слова: пульсовая волна, реограмма, фазовый портрет, реография, вей-лет преобразование, цифровая обработка сигналов.
Manoylov V. P., Mosiychuk V. S., Muzhitska N. V., Nikitchuk T. H., Timchyk G.S. Rheogram analyse by phase plane method. Rheography or impedance plethysmography is a non-invasive medical method of electrical resistance measurements that reflects blood volume changes of a tissue. Rheogram signals are usually processed by the form analyze where quantity assessment based on characteristic point. But rheography signal might be so specific in the case of some disease that this method is not possible to use. Therefore we research possibility of using phase plane method for rheogram analyze for more accurate diagnose. We have registered signals from four group of patient: healthy, with vascular dystonia, neurocirculatory dystonia and hypertension pathology. Different types of signal preprocessing in particular filtration with soft threshold are compared to accept appropriate result from applying phase plane method. The most appropriate result is achieved by applying discrete wavelet transform with coefficient based on Hirst ratio. Diagnostic value of rheograms analysis by their phase portraits is proved. Especially, it is possible to recognize norm and pathology by two quantitative measures of phase portrait: diameter and square.
Keywords: pulse wave, rheogram, phase plane, rheography, impedance plethysmography, wavelet, signal processing.
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
119
