Способ хранения медико-биологической информации и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области обработки медико-биологических сигналов, в частности ЭКГ-записей большой длины, может быть использовано в радиолокации и системах связи. Сущность: способ позволяет восстанавливать исходную последовательность импульсов с достаточной степенью достоверности. Созданные шаблоны отражают индивидуальные особенности конкретного больного, что очень важно для диагностики. При обработке электрокардиоимпульсов способ может использоваться с целью информационного сжатия ЭКГ для архивации. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области обработки медико-биологических сигналов, в частности ЭКГ-записей большой длины, и может быть также использовано в радиолокации и системах связи.

В кардиологии существует способ кардиологического контроля пациента, проводящегося в режимах сна и бодрствования в течение суток или 12 ч, так называемое мониторирование по Холтеру (см. Ржечицкая М. Я. и др. Автоматизация кардиологических исследований в клинической практике. с. 70). При этом ЭКГ-данные регистрируются на магнитную ленту портативного магнитофона, который пациент постоянно носит с собой. Получаемая ЭКГ-запись большой длины в дальнейшем расшифровывается и анализируется врачом. Представляет практический интерес разработка способов и портативных устройств, позволяющих хранить получаемую при мониторинге информацию на иных носителях, чем магнитная лента.

К сожалению, большой объем получаемой информации не позволяет использовать для этой цели устройства с памятью на твердых кристаллах, так как потребный объем памяти для записи ЭКГ-данных при мониторинге по Холтеру составляет десятки МБайт. Поэтому решение задачи по созданию портативных устройств для автоматической обработки и хранения ЭКГ-данных тесно связано с проблемой информационного сжатия, обеспечивающего последующего восстановление информации. Кроме того, так как ЭКГ-данные обычно регистрируются на бумажную ленту, сжатие информации, обеспечивающее ее последующее восстановление, позволило бы также решить проблему хранения (архивации) и, при необходимости, вызова ЭКГ-записей, получаемых, например, при массовых обследованиях населения.

Положительный эффект сжатие информации даст и в случае, когда больному по состоянию здоровья необходимо часто снимать ЭКГ. В этом случае большое количество ЭКГ-записей даже короткой длины (порядка нескольких десятков импульсов) затрудняет их сопоставление и анализ. Сжатие информации и в этом случае также позволило бы решить проблему как архивации ЭКГ-записей больного, так и автоматизации процессов их расшифровки, восстановления и сравнения, что значительно облегчило бы работу врача.

Известен способ информационного сжатия ЭКГ-данных, изложенный в заявке N 2137758, Великобритания, 1985 г. (Схема для анализа волновых форм), основанный на выделении ЭКГ-сигналов на фоне помех, их амплитудно-временном квантовании и определении степени совпадения формы текущего ЭКГ-сигнала с рядом заранее заданных шаблонных форм, сравнении величины, характеризующей степень сходства, с заданным значением.

Сравнение формы текущего ЭКГ-сигнала с М заданными шаблонными формами происходит последовательно до достижения определенной степени сходства.

Устройство, реализующее данный способ, включает блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), вычислительное устройство, устройство сравнения, устройство коммутации, процессор, М счетных устройств (Сч1 - СчМ), М запоминающих устройств (ЗУ1 - ЗУМ).

Очищенный от шумовой составляющей сигнал оцифровывается по времени и амплитуде, запоминается в ОЗУ, в вычислительном устройстве последовательно вычисляются коэффициенты корреляции формы текущего импульса с хранящимися в ЗУ1 - ЗУМ заданными шаблонными формами импульсов, вычисленные значения сравниваются с заданной пороговой величиной коэффициента корреляции. Если вычисленная величина больше или равной пороговой, устройство сравнения выдает через устройство коммутации сигнал, счетные устройства Сч1 - СчМ подсчитывают количество импульсов, формы которых с достаточной степенью точности совпадают с шаблонными формами импульсов. Подсчитываемое количество совпадающих импульсов записывается в соответствующих запоминающих устройствах ЗУ1 - ЗУМ.

К числу недостатков данного способа можно отнести то, что шаблонные формы, с которыми сравниваются текущие ЭКГ-импульсы, задаются заранее, что может привести к значительной потере информации, при этом никак не учитываются особенности ЭКГ конкретного больного. Способ не предполагает запоминания времени прихода сигналов, что также делает невозможным восстановление исходной ЭКГ-записи.

Известен способ информационного сжатия (Портативный аппарат для записи и анализа электрокардиограммы. Патент N 89-11821, Япония, 1985 г. ), основанный на выделении ЭКГ-импульса на фоне помех, его амплитудно-временном квантовании, определении степени совпадения суммы площадей Р, Q, R, S, T и V-зубцов текущего сигнала с одной предварительно рассчитанной величиной суммы их площадей, принятой в качестве шаблонной, путем определения разницы между ними, сравнении этой разницы с заданным значением.

Способ предназначен для определения суммы площадей Р, Q, R, S, T и V-зубцов, которые превышают установленное опорное напряжение ЭКГ-волн для каждого заданного интервала времени. При превышении разницей между текущей ЭКГ-волны и ЭКГ-волны, предшествующей ей.

Устройство, реализующее данный способ, включает блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), запоминающее устройство (ЗУ), вычислительное устройство, устройство сравнения, сигнальное устройство.

После фильтрации, оцифровки по времени и амплитуде текущий кардиоимпульс запоминается в ОЗУ, в вычислительном устройстве определяется сумма площадей Р, Q, R, S, T и V-зубцов тeкущего кардиоимпульса и разница между вычисленным значением суммы и заданным. Разница сравнивается с ее заданным пороговым значением. Если вычисленная разница превышает пороговое значение, устройство сравнения выдает команду в сигнальное устройство и ОЗУ, текущий импульс запоминается в ЗУ.

Данный способ также несвободен от недостатков. Как и указанный способ не учитывает индивидуальных особенностей ЭКГ-записи конкретного больного, так как в качестве опорного сигнала, с которым сравниваются текущие суммы площадей зубцов ЭКГ, используется заранее заданная величина. Во-вторых, так как принципы, заложенные в основе данного способа, предполагают регистрацию всех ЭКГ-волн, отличных от используемого шаблона, при обработке длинных последовательностей импульсов, характеризующихся разнообразием форм, сжатие исходного объема информации будет невелико. Так, при обработке ЭКГ-записей, полученных при мониторинге по Холтеру, будут запоминаться тысячи кардиоимпульсов, что требует большого объема памяти для архивации ЭКГ-записи и затрудняет анализ записи с целью диагностики. Кроме того, поскольку сравнение ведется по признаку, лишь косвенно связанному с формой ЭКГ-волны (площадям Р, Q, R, S, T и V-зубцов), неизбежны ошибки, связанные с регистрацией импульсов, имеющих одинаковые площади при разных формах указанных зубцов. И, наконец, сравнение сигналов по площадям Р, Q, R, S, T и V-зубцов и отсутствие регистрации времени прихода каждого сигнала делают невозможным восстановление исходной последовательности сигналов.

Наиболее близким к изобретению является способ информационного сжатия (Способ слежения за электрокардиографическими сигналами и аппарат для осуществления способа. Патент N 2087568, Великобритания, 1982 г. ), основанный на выделении ЭКГ-волн на фоне помех, их амплитудно-временном квантовании, запоминании первой ЭКГ-волны в качестве шаблона, определении степени совпадения текущей ЭКГ-волны с шаблоном путем вычисления коэффициента их взаимной корреляции и сравнения его с заданным значением, корректировке шаблонной ЭКГ-волны путем ее усреднения с текущей ЭКГ-волной при коэффициенте корреляции, превышающем установленный уровень. Каждая из последующих ЭКГ-волн, имеющая коэффициент корреляции выше заданного, усредняется с ЭКГ-импульсом, хранящимся в качестве шаблона, а затем запоминается вместо волны, хранимой ранее, а также отображается на дисплее.

Устройство, реализующее этот способ, включает блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), запоминающее устройство (ЗУ), вычислительное устройство, устройство сравнения, процессор, блок усреднения, устройство отображения, причем выход блока фильтрации соединен с входом АЦП, выход АЦП соединен с входом ОЗУ, выход ОЗУ по управляющим командам процессора соединяется с входами вычислительного устройства, ЗУ, блока усреднения, дисплеем, выход ЗУ по управляющим командам процессора соединяется с входами вычислительного устройства и блока усреднения, выход вычислительного устройства соединен с входом устройства сравнения, выход устройства сравнения соединен с входом процессора, выход блока усреднения соединен с ЗУ.

После фильтрации, оцифровки по времени и амплитуде кардиоимпульс запоминается в ЗУ в качестве первоначальной формы шаблона, каждый последующий импульс после фильтрации и оцифровки запоминается в ОЗУ, по управляющим командам процессора вычислительное устройство подсчитывает коэффициент корреляции формы текущего импульса и шаблона. При равенстве или превышении найденной величины коэффициента корреляции заданного порогового значения по команде процессора происходит усреднение формы шаблона и текущего импульса, скорректированный шаблон запоминается в ЗУ.

Рассмотренные способ и устройство позволяют отселектировать из всей ЭКГ-записи лишь ЭКГ-волны, практически совпадающие с одним конкретным видом ЭКГ-волны. Это дает возможность определить небольшие быстрые изменения, отражающие нарушения сердечной деятельности. Но способ сопровождается потерей информации обо всех ЭКГ-волнах, имеющих незначительное сходство с опорной. Кроме того, не предусматривается измерение времени прихода импульсов, не обеспечивается восстановление исходной ЭКГ-записи, что является основным недостатком способа.

Свободен от изложенных недостатков, предлагаемый способ информационного сжатия и восстановления последовательности импульсов случайной формы и устройство для его реализации. Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого способа, заключается в том, что способ обеспечивает значительно большую по сравнению с рассмотренными способами степень сжатия информации путем усреднения похожих по форме импульсов и их классификации по шаблонам форм, а также, при необходимости, восстановление первоначальной последовательности импульсов с достаточной степенью точности.

Способ включает выделение импульсов на фоне помех, их амплитудно-временное квантование, запоминание формы первого импульса в качестве первого шаблона формы импульса, определение степени совпадения формы текущего импульса с первым шаблоном формы по заданному критерию сходства, сравнение величины, характеризующей степень сходства, с заданным значением, корректировку первого шаблона формы путем его усреднения с формой текущего импульса при степени сходства, превышающей заданное значение. От прототипа отличается тем, что после определения величины, характеризующей степень сходства каждого i-го текущего импульса с j шаблонами форм, созданными ранее, при степени сходства, меньшей заданного значения, форму текущего импульса запоминают в качестве следующего шаблона формы, а при степени сходства, превышающей заданное значение, производят усреднение формы текущего импульса с соответствующим шаблоном, распределяя таким образом N импульсов последовательности по М созданным шаблонам.

Одновременно регистрируют число импульсов, усреднявшихся в каждом шаблоне, а также время прихода каждого импульса. При создании шаблонов форм в качестве критерия степени сходства определяют коэффициент взаимной корреляции форм текущего импульса и шаблона.

Сущность объекта изобретения - устройства, заключается в следующем. Устройство содержит последовательно соединенные блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), включает запоминающее устройство для хранения формы первого импульса в качестве первого шаблона формы, вычислительное устройство, устройство сравнения, процессор, блок усреднения, причем выход блока фильтрации соединен с входом АЦП, первый выход АЦП соединен с входом ОЗУ, выход вычислительного устройства соединен с входом устройства сравнения, выход устройства сравнения соединен с входом процессора. От прототипа отличается тем, что в устройство дополнительно вводятся измеритель времени прихода каждого импульса, М-1 запоминающих устройств ЗУ2 - ЗУМ для хранения шаблонов форм, устройство коммутации, пульт управления, причем второй выход АЦП соединен с входом измерителя времени, выход измерителя времени соединен с вторым входом ОЗУ, выход ОЗУ по управляющим командам процессора соединяется через устройство коммутации с входами ЗУ1 - ЗУМ по управляющим командам процессора соединяются через устройство коммутации с входами вычислительного устройства, блока усреднения, выход блока усреднения по управляющим командам процессора через устройство коммутации соединяется с входами ЗУ1 - ЗУМ, выходы ЗУ1 - ЗУМ по управляющим командам с пульта управления, подключаются через устройство коммутации к входу устройства отображения.

Последовательное распределение N импульсов последовательности по М созданным шаблонам, отражающим наиболее характерные формы импульсов последовательности, позволяет решить задачу информационного сжатия.

Регистрация же числа импульсов в каждом шаблоне и времени их прихода позволяет, вызывая в зарегистрированном порядке и количестве созданные шаблоны, при необходимости, восстановить исходную последовательность импульсов с определенной степенью доверительной вероятности.

Таким образом, заложенные в предлагаемом способе и устройстве принципы являются причинно-следственной связью для достижения необходимого технического результата.

Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена с помощью устройства, блок-схема которого изображена на фиг. 1.

Устройство включает блок фильтрации 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, таймер 3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, процессор 5, устройство коммутации 6, М запоминающих устройств (ЗУ1 - ЗУМ) 7, вычислительное устройство 8, устройство сравнения 9, блок усреднения 10, пульт управления 11, устройство отображения 12.

Функционирование устройства происходит следующим образом. В блоке 1 происходит фильтрация текущего импульса последовательности, в частности при обработке ЭКГ-записей выделяется низкочастотная составляющая, несущая информацию об ЭКГ-сигнале. После фильтрации импульс подвергают квантованию по времени и амплитуде в блоке 2. Оцифрованный сигнал поступает в блок 3, где измеряется время прихода текущего сигнала. Измеренное время прихода сигнала с выхода блока 3 поступает на вход блока 4, куда также поступает последовательность амплитуд, характеризующих его форму. Эта информация записывается в блоке 4. Информация о первом сигнале через переключатель блока 6 считывается в ЗУ1 блока 7, где запоминается в качестве первого шаблона формы импульса. Управление работой устройства осуществляется процессором (блок 5). С приходом в блок 4 второго импульса информация о его форме, а также информация о созданном шаблоне формы через переключатель блока 6 считывается в блок 8, где вычисляется величина, характеризующая степень сходства импульсов, например коэффициент их взаимной корреляции. Вычисленный коэффициент корреляции сравнивается в блоке 9 с заданным опорным значением. При превышении коэффициентом корреляции опорного значения текущей импульс и шаблон по команде блока 5 поступают в блок 10, где усредняются, а затем скорректированная форма шаблона через переключатель блока 6 записывается в ЗУ1 на место первого шаблона. Одновременно в ЗУ1 подсчитывается и запоминается число импульсов, усреднявшихся с данным шаблоном, и время прихода каждого импульса. Если коэффициент корреляции оказывается меньше опорного, текущий импульс и время его прихода по команде блока 5 через переключатель блока 6 записываются в ЗУ2 блока 7 в качестве второго шаблона формы. Каждый последующий текущий i-й импульс после фильтрации, квантования и измерения времени его прихода сравнивается аналогичным образом поочередно со всеми созданными к моменту его прихода j шаблонами, считываемыми с помощью блока 6 и либо записывается в качестве нового шаблона, либо усредняется по описанному выше правилу с тем из созданных шаблонов, коэффициент корреляции с которым у него больше опорного.

По команде с пульта управления можно, воспользовавшись записанной в ЗУ1 - ЗУМ информацией о шаблонных формах, времени поступления каждого импульса и числе импульсов, усреднявшихся с каждым шаблоном, восстановить первоначальную последовательность и вывести ее на устройство отображения 12.

Можно оценить технический результат, достигаемый при сжатии кардиоинформации по предлагаемому способу. Из практики хранения в ПЭВМ оцифрованного с частотой 200 Гц отдельного комплекса QRS известно, что его объем составляет около 1,5 кБайт.

Кроме того, из медицинской практики обработки ЭКГ-информации, зафиксированной при мониторировании по Холтеру, известно, что всю последовательность ЭКГ-импульсов можно рассортировать на 50-60 типов, отличающихся по форме.

Таким образом, поскольку изобретение обеспечивает возможность "сортировки" исходной ЭКГ-информации по шаблонам формы, максимальный объем сжатой кардиограммы можно оценить как V_сж ≅ N_ш х V1, где N_ш - количество шаблонов, занятое кардиограммой; V1 - объем, занимаемый одним ЭКГ-импульсом. Отсюда V_сж ≅ 60 х 1,5 = 90 кБайт.

Объем информации, записываемой на магнитную ленту при суточном мониторинге при оцифровке с частотой 200 Гц, занимает около 100 МБайт.

Отсюда коэффициент сжатия, обеспечиваемый предполагаемым изобретением, оценивается как К_сж ≥ = 1000.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство обладает несомненными преимуществами по сравнению с существующими способами и устройствами сжатия инфоpмации, обеспечивая гораздо большую степень сжатия.

Предлагаемый способ позволяет восстанавливать исходную последовательность импульсов с достаточной степенью достоверности, что является одним из основных достоинств способа.

Кроме того, процесс создания шаблонов предлагаемым способом в отличие от существующих, таков, что созданные шаблоны отражают индивидуальные особенности конкретного больного, что очень важно с точки зрения диагностики.

К достоинствам предлагаемого способа относится и то, что в частном случае, например при обработке электрокардиоимпульсов, данный способ может использоваться с целью информационного сжатия ЭКГ для их архивации, избавляя, таким образом, от необходимости хранения большого объема ЭКГ-записей на бумажных лентах.

Может использоваться данный способ и при разработке портативных устройств автоматизированной обработки ЭКГ-записей большой длины, получаемых, например, при мониторировании по Холтеру.

Реализация изложенных принципов компрессии ЭКГ-информации не требует создания новой элементной базы. Действительно, из рассмотрения блок-схемы заявляемого устройства можно сделать заключение, что входящие в его состав отдельные узлы (например, такие как ОЗУ объемом в несколько сотен кБайт, микропроцессор, реализованы на основе серийно выпускаемых узлов и элементов, широко используемых в настоящее время в вычислительной технике, в частности при создании ПЭВМ.

Для экспериментальной проверки предложенного способа была разработана программа для ПЭВМ, обосновывающая возможность сравнения двух ЭКГ-импульсов. В качестве критерия сходства вычислялся коэффициент их взаимной корреляции. Возможность сравнения ЭКГ-сигналов с помощью такого подхода иллюстрируется фиг. 2-5, на которых приведены два сигнала, форма одного из которых изменяется от рисунка к рисунку. Из приведенного материала видно, что при значениях коэффициента взаимной корреляции > 0,95 (фиг. 2) оба импульса практически одинаковы и отличаются незначительными деталями, несущественными для дальнейшего анализа с целью диагностики. Эти импульсы могут быть записаны в один шаблон формы. Все прочие должны размещаться по другим шаблонам. (56) Заявка Великобритании N 2087568, кл. А 61 В 5/04, 1982.

Формула изобретения

1. Способ хранения медико-биологической информации, состоящий в выделении импульсных сигналов на фоне помех, их амплитудно-временном квантовании, записи первого импульса в качестве первого шаблона формы импульса, определении степени сходства формы текущего импульса с первым шаблоном формы по заданному критерию сходства, сравнении величины, характеризующей степень сходства с заданным значением, корректировке первого шаблона формы путем его усреднения с формой текущего импульса при степени сходства, превышающей заданное значение, отличающийся тем, что при степени сходств, меньшей заданного значения, форму текущего i-го импульса в последовательности N импульсов запоминают в качестве следующего шаблона формы, после определения величины, характеризующей степень сходства каждого i-го текущего импульса с j-ми шаблонами форм, при каждой последующей степени сходства, превышающей заданное значение, периодически распределяют, усредняя, i импульсов последовательности по j шаблонам формы, получая информацию, сжатую в M шаблонов формы последовательности N импульсов, одновременно регистрируют число импульсов, усредненных в каждом шаблоне формы, и их время прихода и синтезируют временную последовательность импульсов по зарегистрированным M шаблонов формы.

2. Устройство хранения медико-биологической информации, содержащее блок усреднения, устройство отображения, последовательно соединенные блок фильтрации, аналого-цифровой преобразователь и оперативное запоминающее устройство, также последовательно соединенные вычислительное устройство, устройство сравнения и процессор, кроме того, первое запоминающее устройство для хранения шаблона формы первого импульса, отличающееся тем, что в него введены измеритель времени, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход - к второму входу оперативного запоминающего устройства, пульт управления, соединенный с процессором, блок коммутации и M - 1 запоминающих устройств, при этом выход оперативного запоминающего устройства по управляющим командам процессора соединен через блок коммутации с входами M запоминающих устройств, входом вычислительного устройства, входом блока усреднения, выходы M запоминающих устройств по управляющим командам процессора соединены через блок коммутации с входами вычислительного устройства и блока усреднения, выход которого по управляющим командам процессора через блок коммутации соединен с входами M запоминающих устройств, выходы которых по управляющим командам с пульта управления соединены через блок коммутации с входом блока отображения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5