Разработка методики и программно-аппаратного комплекса для мониторирования и неинвазивной оценки состояния матери и плода в перинатальный период на основе анализа электрических сигналов, получаемых с абдоминальных электродов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 57.087

Е. Ю. Киселева, канд. техн. наук,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет И. В. Толмачев, ассистент кафедры, Я. С. Пеккер, канд. техн. наук, Сибирский государственный медицинский университет

Разработка методики и программно-аппаратного комплекса для мониторирования и неинвазивной оценки состояния матери и плода в перинатальный период на основе анализа электрических сигналов, получаемых с абдоминальных электродов

Ключевые слова: фетальный монитор, мониторирование, гипоксия, абдоминальные электроды

Разработан программно-аппаратный комплекс для оценки состояния системы мать—плод, представлена структурная схема аппаратной части комплекса для стационарного варианта прибора, рассмотрена работа программных приложений комплекса. Проведены исследования на базе НИИ акушерства, гинекологии и перинатологии СО РАМН (г. Томск), позволившие определить значимые параметры, отражающие наличие или отсутствие гипоксии плода.

Электронный мониторинг плода используется для того, чтобы оценить реакцию сердца ребенка на его собственные движения и на сокращения матки матери. Обычно сердцебиение ребенка учащается, когда он шевелится, и остается стабильным или даже слегка замедляется во время сокращения матки, но затем быстро восстанавливается, если ребенок хорошо переносит роды и получает достаточно кислорода. Дело в том, что во время схватки поступление кислорода к плоду временно снижается. Здоровая плацента обеспечивает достаточный запас кислорода, чтобы ребенок спокойно перенес схватку, и после ее окончания частота сердечных сокращений возвращается к норме. Если изменения в работе сердца плода не соответствуют норме или если частота сердечных сокращений не восстанавливается после схватки, есть причина для беспокойства. Преимущество электронного мониторинга плода состоит в возможности в течение длительного времени отслеживать подозрительные явления так, что в нужный момент врач будет

знать о том, что ребенок плохо переносит роды или получает недостаточно кислорода и необходимо вмешательство.

Для кратковременного обследования используются фетальные мониторы на основе эффекта Доплера. В тех же случаях, когда нужно обеспечить длительное наблюдение за состоянием плода, с учетом обеспечения свободы передвижения матери, существует необходимость создания компактного прибора, который бы оценивал состояние плода неинвазивно и пассивно [1].

Нами был разработан фетальный монитор, осуществляющий регистрацию электрокардиограммы (ЭКГ) плода с абдоминальных электродов.

Работа сердца как матери, так и плода вызывает появление электрических потенциалов на поверхности тела матери. Сигнал, получаемый в итоге, не является аддитивным, и разделение сигналов стандартными методиками [2] затруднено. Также необходимо отметить, что выделение сигнала плода из смешанного сигнала представляется сложным в силу его малой амплитуды и того же частотного диапазона, что и сигнал ЭКГ матери.

При разработке прибора большое внимание уделялось способу наложения электродов. Как показано на рис. 1, сигнальные электроды накладываются на переднюю абдоминальную поверхность в виде правильного треугольника вершиной вниз, в центре которого наиболее четко аускультативно прослушивается сердцебиение плода.

Данное размещение электродов обусловлено расположением плода при физиологическом типе течения беременности. При таком способе наложения электродов сердце плода всегда будет находить-

Рис. 1 Схема наложения электродов для съема сигналов сердечных активностей матери и плода:

1-3 — абдоминальные электроды; 4 — референтный электрод; 5 — выравнивающий электрод

ся внутри области треугольника, которую ограничивают электроды, а проекции ортогональных векторов электрического сигнала сердца плода и матери учитываются по трем измерениям пространства. Референтный электрод накладывается в область левого VII межреберья, а выравнивающий электрод располагается на 5-10 см выше лонного сочленения в зависимости от анатомических особенностей каждой женщины. В результате независимо от расположения электрической оси сердца плода и его прилежания надежно регистрируется электрическая активность сердца.

На рис. 2 представлена структурная схема стационарного варианта прибора [3]. Сигнал с абдоминальных электродов (Э1—Э3) обрабатывается

фильтром нижних частот (ФНЧ) и поступает на усилитель биопотенциалов (УБП). Усиленный ЭКГ-сигнал поступает на фильтр верхних частот (ФВЧ), отсекающий низкочастотную составляющую. После повторного усиления (У) и мультиплексирования (МХ) сигнал поступает на блок обработки. Качество цифровой обработки сигнала в значительной мере определяется качеством аналого-цифрового преобразования (АЦП), обеспечивающего высокую точность преобразования. После первичной обработки на микроконтроллере (МК) данные поступают на персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки и анализа полученных результатов.

Сочетание предложенной схемы расположения электродов и способа регистрации биопотенциалов позволяет качественно и надежно получать информацию о сердечной деятельности матери и плода. В отличие от существующих в настоящее время феталь-ных мониторов регистрация сигналов происходит пассивно, следовательно, возможно не ограниченное по времени мониторирование состояния матери и плода с использованием носимого прибора без оказания какого-либо влияния на исследуемую систему.

Сигнал с абдоминальных электродов после усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования аппаратной частью комплекса поступает через ЦБВ-порт на персональный компьютер с установленным программным обеспечением.

Разработанную программную часть комплекса можно представить в виде функциональной схемы (рис. 3), которая включает в себя три программных продукта:

1) базу данных (БД) для хранения информации о пациентках: структура БД соответствует стандартной истории беременности и включает общие данные, анамнез, диагноз и исследования (программное приложение PregnancyDВ);

2) программу регистрации, накопления и обработки сигналов, полученных с абдоминальных элек-

Рис. 2

Структурная схема стационарного варианта прибора для неинвазивной оценки состояния системы мать—плод

Рис. 3 Функциональная схема программной части разработанного комплекса

Изучаемая система

Информационная система

База данных

Набор интерфейсов, соответствующих стандартной истории беременности

ш

СППР

Система

поддержки

принятия

решении

Набор файлов

Содержат информацию о времени, дате исследования, а также сам сигнал =1

тродов (программное приложение FetalECG);

3) систему поддержки принятия решений (СППР), которая на основе набора любых параметров, записанных в БД, строит решающие правила, используя алгоритмы классификации: пер-цептрона, минимума геометрического расстояния и байесовского классификатора (программное приложение Recognition).

Приложение PregnancyDB позволяет пользователю медицинской информационной системы (МИС) осуществить весь комплекс мероприятий, связанных с ведением беременных. Для этой цели был разработан удобный интерфейс, позволяющий осуществить быстрый ввод информации, а также отследить полноту проведения обследований и мероприятий, касающихся пациента. Основными требованиями, предъявляемыми к программе, являлись: совместимость с операционной системой MS Windows и интуитивно понятный интерфейс, не требующий глубоких навыков работы с компьютером.

БД PregnancyDB выполняет следующие функции:

• хранение данных о пациентах;

• хранение данных анамнеза, инструментальных и лабораторных исследований;

• учет посещений врачей пациентами;

• поиск пациентов по фамилии;

• предоставление по запросу пользователя интересующей информации о пациенте;

• формирование отчетов, выписок и тематических карт.

База данных разработана на основе реляционной модели, поскольку отличительной чертой реляционной модели БД является взаимосвязь нескольких таблиц данных по определенным полям-индексам (первичные и внешние ключи). Установленные таким образом связи дают возможность судить о сложности базы данных, не уточняя подробностей структурных построений и свойств полей таблицы.

Для разработки интерфейса пользователя БД

использовался стандартный пакет Borland Delphi 7. SQL-запросы осуществляются с помощью сервера баз данных Interbase Server.

Разработанная БД PregnancyDB осуществляет хранение не только информации, полученной от стандартных методов исследований, но также данных об интервальных характеристиках сердечного ритма плода [3], выделенного с помощью метода слепого разделения сигналов программным приложением FetalECG.

Для расчета вышеуказанных интервальных характеристик сердечного ритма плода разработано программное приложение FetalECG.

Для того чтобы произвести обработку, а главное, выделить сердечный ритм плода, был выбран метод «слепого разделения сигналов» (анализ независимых компонент) [4].

Был разработан алгоритм программного приложения (рис. 4) с заданным условием, что данные на персональный компьютер поступают через USB-порт. На основе алгоритма, представленного на рис. 4, в среде Borland Delphi 7 было разработано программное приложение FetalECG.

Интерфейс пользователя (рис. 5) позволяет проводить обработку заранее записанных либо поступающих с прибора в реальном времени сигналов.

Выполняемые задачи программного приложения FetalECG:

• обеспечение связи посредством интерфейса USB между прибором и компьютером;

• фильтрация сигналов, полученных с абдоминальных электродов от сетевой и мышечной помех;

• разделение сигналов в реальном времени на «материнский» сигнал и сигнал плода;

• поиск интервальных характеристик ритма матери и ритма плода;

• после обследования на основе решающего правила вывод информации о состоянии плода.

Следующим шагом была разработка программы «Recognition», позволяющая пользователю выво-

Начало

Чтение USB-порта (1000 точек)

правильно?

Фильтрация

сетевой и

мышечной

помех

1 Г

Поиск

ковариационной

W матрицы

(3x1000)

У Г

Поиск де-

ковариационной

матрицы

1 Г

Умножение

общей матрицы

на дековариацон-

ную

Нет Сигналы

выделены

Поиск кардиоинтервалов матери

Поиск кардиоинтервалов плода

I

Статическая оценка сердечных ритмов

Визуальное отображение

Конец

Рис. 4

Блок-схема алгоритма программы обработки сигналов

дить решающие правила для классификации новых пациенток на основе накопленной в БД информации, используя алгоритмы классификации: перцептрона, минимума геометрического расстояния и байесовского классификатора [2, 5].

Одним из основных требований к СППР является возможность работы как с качественными (но-

минальная, порядковая шкалы), так и с количественными (интервальная, абсолютная шкалы) данными. Это требование было учтено при разработке программного приложения «Recognition».

Разработанный в среде Borland Delphi 7 интерфейс пользователя (рис. 6) позволяет проводить импорт данных из БД PregnancyDB для последующей их обработки.

СППР «Recognition» выполняет следующие функции:

• формирование на основе импортированных данных классов объектов;

• построение решающих правил на основе алгоритмов классификации: перцептрона, минимума геометрического расстояния и байесовского классификатора;

• классификацию выбранных объектов на основе выведенных решающих правил;

• расчет характеристик полученных решающих правил с последующим выбором оптимального.

В целях выявления значимых показателей интервальных характеристик сердечного ритма плода было проведено исследование на базе ГУ НИИ АГиП (г. Томск). При помощи разработанного программно-аппаратного комплекса обследовано 77 беременных, из них 42 — с наличием (опытная группа), а 35 — с отсутствием контрольная группа) гипоксии плода (по показаниям кардиотоко-графии (КТГ). По результатам исследования был проведен статистический анализ полученных данных для выявления статистически значимых характеристик сердечного ритма плода, аналогичных показателям методики Баевско-го, но применимо к плоду и беременной (табл. 1)

Исходя из представленных данных в табл. 1, был сделан вывод, что статистически не значимым для нашей выборки является только вариационный размах сердечного ритма плода, а по остальным характеристикам можно судить о наличии или

Рис. 5 Внешний вид программного приложения FetalECG

б)

^ Распознавание, объектов

Файл Выполнить

щ

Работа с массивом Обработка данных

Критерий минимума расстояния

Весов, коэф. Значение *

■щЛ ■0,1

0

■^з 1Б,8

«4 255.2

■../с ■НГ -.

Алгоритм перцегпрона

Весов, коэф. Значение -

\А/1 ¡ш

ш ■4

\А/3 2,88

2,07

....■[Г 1ПП

Качество распознавания

Минимум расстояния: 94% Алгоритм перцегттрона: 96%

Информативность признака

Байесовский классификатор

Признак ИнФорм; '

Мо 0.00237В

0,0028

Наиболее информативный п признак: ИН

Параметрь I Значение

Р(А1) 0,44

Р(А2) 0,55

Р(к/А11 2,42

Р(хУА2) 1,97

, Распознать новый объект

£4)

Сегодня: 02.11.2009

Рис. 6 Обработка параметров, импортированных из БД (а) и сравнение различных методов классификации (б)

Таблица 1

Показатели интервальных характеристик сердечного ритма плода для групп: отсутствие и наличие гипоксии по показаниям КТГ (данные представлены в виде квартилей: Ме, Q3), р)

Показатель

Группы исследования на наличие гипоксии плода по показаниям КТГ

Отсутствие (контроль п = 35)

Наличие (опыт п = 42)

Уровень значимости

Мода сердечного ритма плода (Мо)

0,45 (0,43 - 0,46)

0,38 (0,36 - 0,41)

<0,05

Вариационный размах сердечного ритма плода (йХ)

0,15 (0,13 - 0,17)

0,14 (0,12 - 0,15)

>0,05

Амплитуда моды сердечного ритма плода (АМо)

21,28 (20,61 - 22,14)

29,59 (29,09 - 30,46)

<0,05

Индекс напряжения сердечного ритма плода (ИН)

54,61 (40,78 - 72,07)

89,35 (75,1 - 98,82)

<0,05

Частота сердечных сокращений плода (ЧСС)

142 (136 - 151)

166 (161 - 173)

<0,05

ж

е отсутствии гипоксии плода. I

Л и т е р а т у р а

Пат. 2269925 РФ, МПК А61В5/0444. Устройство для регистрации биопотенциалов сердца плода / В. Л. К а-лакутский, Л. И. Калакутский, Ф. А. Б е л я н и н, Э. С. М а н е л и с. № 2004105657/ 14; заявл. 25.02.2004; опубл. 22.02.2006. Бюл. № 5. Рангайян Р. М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. М.: Физматлит, 2007. 440 с.

3. Пат. на ПМ 79768 РФ. МПК8 А61В 5/04. Устройство для регистрации сердечного ритма плода с абдоминальных электродов / Я. С. Пеккер, К. С. Бра-зовский, И. В. Толмачёв, Е. Ю. Киселев а, Л. А. А г а р к о в а, Н. А. Г а б и т о в а. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.

4. Пеккер Я. С., Киселева Е. Ю., Толмачев И. В. Программный комплекс для оценки и мониторирова-ния состояния матери и плода // Изв. Том. поли-техн. ун-та. 2009. Т. 314, № 5. С. 196-201.

5. Пеккер Я. С., Фокин В. А. Анализ и обработка медико-биологической информации. Томск: Изд-во ТПУ, 2002. 160 с.