Анализ и разработка методов и алгоритмов эффективной обработки ультразвуковой доплерографической информации, содержащей периодические структуры

Актуальность проблемы. С появлением технических средств, позволяющих излучать и принимать ультразвуковые сигналы узкой направленности, в науке и технике началась эра ультразвуковой диагностики. Особое применение ультразвуковые сигналы нашли в медицине. Методы позволяли наблюдать состояние внутренних органов человека в функциональном режиме с возможностью визуального определения подвижных участков. Применение эффекта Доплера позволило измерять количественные характеристики перемещения тканей, давая значительно больше информации о состоянии человека. Такие методы получили название ультразвуковой доплерографии. Широкое применение ультразвуковая доплерография нашла в медицине (мониторинг сердечной деятельности плода, измерение скорости кровотока и т. п.), технической дефектоскопии и других научных и практических областях.

При ультразвуковом доплерографическом мониторинге наблюдается сигнал с амплитудной модуляцией, в котором периодические структуры представляют собой фрагменты высокочастотного сигнала с пиками, ограниченными низкочастотной огибающей. Применительно к медицине, периодические структуры в сигнале могут вызываться движением тканей сердца, перемещением тканей легкого при дыхании, пульсациями скорости кровотока в сосудах и т. п. Определяя периоды следования таких структур в доплерографическом сигнале, можно с высокой точностью определить периодичность самого исследуемого процесса.

Вопросами анализа периодических структур в доплерографическом сигнале занимались многие ученые, и исследованиям в этой области посвящен ряд работ зарубежных специалистов (Жемайтите Д., Challis R., Kitney R., De Boer R., Iwata A., Mintchev M.), а также отечественных ученых (Рябыкина Г. В., Савельева Г. М. и др). Однако, несмотря на широко проводимые исследования до сих пор нет единых общепринятых методов, позволяющих определить период исследуемого процесса по результатам ультразвуковой доплерографии.

Общеизвестные алгоритмы обладают высокой вычислительной сложностью, что делает невозможным их применение для построения портативных мобильных приборов. Кроме того, проведение сравнительных исследований затрудняется отсутствием данных о методах и алгоритмах, применяемых в конкретных ультразвуковых приборах.

Таким образом, актуальной является задача создания новых методов и алгоритмов обработки ультразвуковой доплерографической информации, которые пригодны для создания портативных приборов относительно небольшой вычислительной мощности при сохранении требуемой скорости и точности обработки доплерографических сигналов. Огромную роль в разработке подобных методов и алгоритмов играют методы моделирования, поскольку они позволяют получить неоспоримые доказательства эффективности предложенных подходов, а также позволяют верифицировать полученные результаты.

Целью диссертации является разработка алгоритма измерения периодов повторения определенных структур в доплерографическом сигнале, обеспечивающего высокую точность и быстродействие и позволяющего создать портативный мобильный прибор для эффективного решения задач ультразвуковой доплерографии.

В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

• анализ существующих методов определения периодов повторяющихся структур в доплерографическом сигнале;

• разработка новых методов определения периодов в доплерографическом сигнале;

• разработка алгоритма определения периодов во временной области;

• разработка имитационной модели, позволяющей произвести оценку качества алгоритма по различным критериям;

• исследование точности, быстродействия, вычислительной сложности и помехоустойчивости разработанного алгоритма;

• программная реализация разработанного алгоритма.

Методы исследования. Теоретической и методологической базой исследования является системный подход к моделированию сложных систем и построению алгоритмов. При решении конкретных задач использовались методы математического моделирования, теории вероятностей и цифровой фильтрации сигналов.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научных исследований и технических разработок, направленных на создание портативных мобильных приборов, позволяющих эффективно решать задачи ультразвуковой диагностики.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

• Оценены характеристики доплерографических сигналов и предложен метод выбора параметров шумоподавляющего фильтра на основе энергетических соотношений сигнала.

• Предложены и исследованы новые подходы для определения периода структур в доплерографическом сигнале на основе анализа его фрагментов.

• Разработан новый метод определения периода следования структур (метод «эталонного удара»), позволяющий измерять периоды структур в доплерографическом сигнале с погрешностью, не превышающей 1,5%.

• Разработан алгоритм определения периодов структур в: доплерографическом сигнале на: примере задачи определения сердечного ритма плода, позволяющий определять частоту сердечных сокращений (ЧСС) с точностью до 2 ударов в минуту.

• Разработана имитационная модель в среде Ма11аЬ,. подтверждающая работоспособность алгоритма и его эффективность для решения задачи определения периодов структур в доплерографическом сигнале.

• Выполнена программная реализация алгоритма для метода «эталонного удара» .

Результаты работы подтверждены свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 006 613 540 «Программа обнаружения сердечного ритма плода в доплеровском сигнале, отличающаяся способностью быстрого захвата сигнала после его кратковременных пропаданий» (зарегистрировано в РОСПАТЕНТ 12 октября 2006 г., заявка № 2 006 612 766).

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов теоретического анализа и проведенных экспериментов, в сочетании с корректным применением методов математического моделирования и цифровой обработки сигналов, а также соответствием результатов практического применения алгоритма с результатами работы образцового фетального монитора фирмы «Сономед».

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на создание программно-аппаратного обеспечения для портативного прибора ультразвуковой диагностики. Проведенные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу моделирования и построения программных комплексов ультразвукового доплерографического мониторирования. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств.

Самостоятельное практическое значение имеют:

• метод выбора параметров и определения качества цифрового фильтра, применяемого для выделения полезного доплерографического сигнала, обеспечивающий работоспособность алгоритма без значительной потери точности на сигналах, для которых отношение сигнал-шум (ОСШ) составляет 7дБ, что позволяет обрабатывать все целевые сигналы;

• алгоритм определения периодов повторяющихся структур, обеспечивающий точность вычисления с погрешностью не более 1,5%, что является достаточной точностью для задач ультразвуковой доплерографии;

• имитационная модель, позволяющая исследовать влияние различных характеристик сигнала и параметров алгоритма на его точность и быстродействие;

• программная реализация алгоритма, позволяющая анализировать вариабельность сердечного ритма в звуковых кардиосонографических записях с точностью до 2 ударов в минуту, что соответствует требованиям точности, предъявляемым в акушерской практике. Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии. Главными из них являются:

1. Результаты исследования современных методов анализа доплерографических сигналов с периодическими структурами.

2. Предложенный метод выбора параметров цифровых фильтров, применяемых для подавления шумов в доплерографических сигналах.

3. Разработанный метод определения периода структур в доплерографическом сигнале по его фрагменту.

4. Разработанный алгоритм определения периода структур в доплерографическом сигнале на примере задачи определения ЧСС плода.

5. Имитационная модель алгоритма в среде Ма11аЬ.

6. Оценки точности, вычислительной сложности и помехоустойчивости разработанного алгоритма, полученные с помощью имитационной модели.

Реализация полученных результатов. Результаты диссертационной работы использованы в научно-технических исследованиях ООО «Бипульс» и представляют собой составную часть исследовательских мероприятий в рамках

НИОКР по проекту № 6819 «Разработка и изготовление прототипа фетального кардиотокографа», являющейся результатом государственного контракта, заключенного фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (фонд Бортника) и ООО «Бипульс».

Все работы по программной реализации алгоритма определения периодов структур в доплерографическом сигнале проводились при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе МГИЭТ на кафедре ИПОВС и в разработках ООО «Бипульс», что подтверждается актами о внедрении и свидетельством о регистрации программного продукта.

На основе проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

1. Метод определения значения временных интервалов периодических структур в доплерографическом сигнале.

2. Формализованное представление предложенного метода.

3. Алгоритм определения периодов в доплерографическом сигнале (на примере обработки сигналов ультразвуковой доплерографии сердцебиения плода).

4. Результаты экспериментальных исследований, моделирования и апробации материалов диссертационной работы.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2007» (Зеленоград, МИЭТ 18−20 апреля 2007 г.), доклад награжден дипломом за 1 -е место в конкурсе работ аспирантов по секции «Биомедицинская электроника» ;

• Всероссийская молодежная конференция «Электроника — 2007» (Зеленоград, МИЭТ 5−7 сентября 2007 г.);

• 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2008» (Зеленоград, МИЭТ 23−25 апреля 2008 г.);

• III международная научно-техническая конференция «Инфо-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании (Инфоком — 3)» (Кисловодск, 1−5 мая 2008 г.).

По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 9 без соавторов. Одна работа опубликована в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 88 наименований и приложения, состоящего из 3 частей. Работа изложена на 131 странице и содержит 18 таблиц и 25 рисунков.

9. Результаты работы внедрены в учебный процесс МИЭТ и на ООО «Бипульс», в рамках проекта «Разработка и изготовление прототипа фетального кардиотокографа» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были проведены разработка и исследование методов и алгоритмов обработки доплерографической информации, содержащей периодические структуры с целью определения периодов их следования в сигнале. В результате исследований был предложен метод эталонного удара и разработан и исследован соответствующий алгоритм на имитационной модели. Проведенные исследования подтвердили работоспособность алгоритма, его высокую точность, помехоустойчивость и приемлемую вычислительную сложность.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Оценены характеристики доплерографических сигналов и предложен метод выбора параметров шумоподавляющего фильтра на основании энергетических соотношений сигнала.

2. Предложены и исследованы новые подходы для определения периода в доплерографическом сигнале на основе анализа его фрагментов.

3. Разработан метод «эталонного удара», позволяющий определять периоды структур в доплерографическом сигнале с погрешностью, не превышающей 1,5%.

4. Разработан алгоритм определения периодов структур в доплерографическом сигнале, позволяющий вычислять ЧСС с точностью до 2 ударов в минуту на примере задачи определения сердечного ритма плода.

5. Разработана имитационная модель с использованием пакета Ма1:1аЬ, подтверждающая работоспособность алгоритма и его эффективность для решения задачи определения периодов структур в доплерографическом сигнале.

6. Исследована помехоустойчивость алгоритма и обоснована его работоспособность на сигналах с минимальным ОСШ 7дБ.

7. Оценена теоретическая вычислительная сложность алгоритма и обоснована возможность его реализации в портативном мобильном приборе.

8. Создана программа, реализующая разработанный алгоритм на языке С. Программа зарегистрирована в патентном ведомстве РФ и предназначена для применения в портативных фетальных мониторах.