Методы обработки и регистрации биосигналов для задач медицинской диагностики
Ключевые слова:
биосигналы, электрический генератор сердца, неоднородная модель торса, выделение биоритмов, уровень стресса, датчик температуры
Аннотация
В радиотехнике широко используются методы обработки сигналов, включая спектральный, корреляционный, вейвлет-анализы и др. Они эффективно применяются при обработке биосигналов человеческого организма в случае медицинской диагностики. Помимо этого, распространены методы анализа и формирования электромагнитного и акустического полей в различных средах и системах. Данные методы перспективны и полезны, в том числе и при исследовании человеческого организма. Представлены основные результаты научных работ сотрудников кафедры основ радиотехники «НИУ «МЭИ» в направлении развития и использования методов радиотехники в области обработки и регистрации биосигналов для задач медицинской диагностики. Показаны работы по исследованию электрического поля сердца в электрокардиологии, посвященные реконструкции эквивалентного электрического генератора сердца на основании записей сигналов многоканальных электрокардиографических отведений и координат электродов, размещенных на поверхности торса человека. Даны результаты исследования неоднородной модели торса человека с точки зрения влияния внутренних неоднородностей грудной клетки на распределение поверхностных потенциалов. Проанализированы вопросы выделения сигналов биоритмов в условиях, когда реально сигналы жизнедеятельности организма порождаются сразу несколькими квазипериодическими процессами, причем сигнал, представляющий интерес, может быть слабо выраженным. Описана методика оценки уровня развития эмоционального стресса путем проведения кросс- корреляционного анализа ритмов сердца и дыхания. Рассмотрены вопросы построения и анализа характеристик имплантируемых в организм датчиков температуры с использованием поверхностных акустических волн.
Литература
1. Титомир Л.И., Трунов В.Г., Айду Э.А.И. Неинвазивная электрокардиотопография. М.: Наука, 2003.
2. Macfarlane P.W. e. a. Comprehensive Electrocardiology. London: Springer-Verlag, 2011.
3. Жихарева Г., Крамм М. Реконструкция токовых источников сердца в обратной задаче ЭКГ. Алгоритмы и их анализ. Saarbrücken: Lap Lambert, Academic Publ. GmbH & Co. KG, 2012.
4. Potyagaylo D., Cortes E.G., Schulze W.H.W., Dössel O. Binary Optimization for Source Localization in the Inverse Problem of ECG // Medical & Biological Eng. & Comp. 2014. V. 52. Рp. 717—728.
5. Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Filonov D.V., Zhuravleva N.A. Reconstruction of Equivalent Current Sources on Quasi-Epicardium // Proc. Russian-German Conf. Biomedical Eng. Hanover, 2013. P. 77.
6. Титомир Л.И., Кнеппо П. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца. М.: Наука, Физматлит, 1999.
7. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография. М.: МедПресс-Информ, 2016.
8. Лебедев В.В. и др. Система электродных отведений для измерения координат источников в области миокарда // Медицинская техника. 2006. № 4. С. 7—9.
9. Klepfer R.N., Johnson C.R., MacLeod R.S. The Effects of Inhomogeneities and Anisotropies on Electrocardiographic Fields: A Three-Dimensional Finite Element Study // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997. V. 44. No. 8. Pp. 706—719.
10. Стрелков Н.О., Крамм М.Н., Жихарева Г.В. Неоднородная электродинамическая модель грудной клетки человека в форме эллиптического цилиндра // Журнал радиоэлектроники. 2011. № 7 [Электрон. ресурс] http://jre.cplire.ru/koi/jul11/4/text.pdf (дата обращения 10.03.2018).
11. Судаков К.В., Петров В.И., Симонов П.В., Юматов Е.А. Эмоциональный стресс: теоретические и клинические аспекты. Волгоград: Комитет по печати и информации, 1997.
12. Юматов Е.А. «Информационная медицина» — охрана жизни и здоровья людей в повседневных условиях // Биомедицинская радиоэлектроника. 2016. № 5. С. 72—79.
13. Yumatov E.A., Pertsov S.S. System Organization of the Relationship of Emotional Stress and Sleep // J. Neurology & Neuroscience. 2016. V. 7. No. 5. Pp. 145 — 153.
14. Ben-Tal A. Computational Models for the Study of Heart-Lung Interactions in Mammals // Wiley Interdisciplinary Rev.: Systems Biology and Medicine. 2012. V. 4 (2). Рp. 163—170.
15. Судаков К.В., Юматов Е.А., Тараканов О.П. Кросс-корреляционный вегетативный критерий эмоционального стресса // Физиология человека. 1995. Т. 23. № 3. С. 87—95.
16. Glazachev O.S. e. a. Microprocessor Device to Monitor the Level of Emotional Stress in Humans // International J. Biosensors & Bioelectronics. 2017. V. 2 (4). Рp. 1—4.
17. Malik M. Heart Rate Variability // Curr Оpin Cardiol. 1998. V. 13 (1). Pp. 36—44.
18. Каменская В.Г. и др. Показатели флюктуаций кардиоинтервалов при различных функциональных состояниях дошкольников // Физиология человека. 2001. Т. 27. № 3. С. 89—94.
19. Балакин Д.А., Штыков В.В. Построение ортогонального банка фильтров на основе преобразований Эрмита для обработки сигналов // Журнал радиоэлектроники. 2014. № 9 [Электрон. ресурс] http://jre.cplire. ru/alt/sep14/1/text.pdf (дата обращения 10.03.2018).
20. Абрамов А.В. и др. Биорадиолокация. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
21. Балакин Д.А., Штыков В.В., Чуркин С.С. Использование фазометрического комплекса диапазона КВЧ для диагностики жизнедеятельности человека // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2017. Т. 1. № 1 (1). С. 127—132.
22. Zhgoon S. e. a. SAW Temperature Sensor on Quartz // IEEE Trans. UFFC. 2015. V. 62. No. 6. Рp. 1066—1075.
23. Antcev I. e. a. Comparative Analysis of the Experience Obtained from the Use of SAW and BAW Wireless Resonator Temperature Sensors for Surgery // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. Proc. 2015. Pp 1—4.
---
Для цитирования: Крамм М.Н., Жихарева Г.В., Жгун С.А., Стрелков Н.О., Штыков В.В., Юматов Е.А., Куприянова Я.А., Палютина Ю.А., Черников А.И. Методы обработки и регистрации биосигналов для задач медицинской диагностики // Вестник МЭИ. 2018. № 5. С. 128—138. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-128-138.
#
1. Titomir L.I., Trunov V.G., Aydu E.A.I. Neinvazivnaya Elektrokardiotopografiya. M.: Nauka, 2003. (in Russian).
2. Macfarlane P.W. e. a. Comprehensive Electrocardiology. London: Springer-Verlag, 2011.
3. Zhikhareva G., Kramm M. Rekonstruktsiya Tokovykh Istochnikov Serdtsa v Obratnoy Zadache EKG. Algoritmy i ikh Analiz. Saarbrücken: Lap Lambert, Academic Publ. GmbH & Co. KG, 2012. (in Russian).
4. Potyagaylo D., Cortes E.G., Schulze W.H.W., Dössel O. Binary Optimization for Source Localization in the Inverse Problem of ECG. Medical & Biological Eng. & Comp. 2014;52:717—728.
5. Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Filonov D.V., Zhuravleva N.A. Reconstruction of Equivalent Current Sources on Quasi-Epicardium. Proc. Russian-German Conf. Biomedical Eng. Hanover, 2013:77.
6. Titomir L.I., Kneppo P. Matematicheskoe Modelirovanie Bioelektricheskogo Generatora Serdtsa. M.: Nauka, Fizmatlit, 1999. (in Russian).
7. Murashko V.V., Strutynskiy A.V. Elektrokardiografiya. M.: MedPress-Inform, 2016. (in Russian).
8. Lebedev V.V. i dr. Sistema Elektrodnykh Otvedeniy dlya Izmereniya Koordinat Istochnikov v Oblasti Miokarda. Meditsinskaya Tekhnika. 2006;4:7—9. (in Russian).
9. Klepfer R.N., Johnson C.R., MacLeod R.S. The Effects of Inhomogeneities and Anisotropies on Electrocardiographic Fields: A Three-Dimensional Finite Element Study. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997;44; 8:706—719.
10. Strelkov N.O., Kramm M.N., Zhikhareva G.V. Neodnorodnaya Elektrodinamicheskaya Model' Grudnoy Kletki Cheloveka v Forme Ellipticheskogo Tsilindra. Zhurnal Radioelektroniki. 2011;7 [Elektron. Resurs] http://jre.cplire.ru/koi/jul11/4/text.pdf (Data Obrashcheniya 10.03.2018). (in Russian).
11. Sudakov K.V., Petrov V.I., Simonov P.V., Yumatov E.A. Emotsional'nyy Stress: Teoreticheskie I Klinicheskie Aspekty. Volgograd: Komitet po Pechati I Informatsii, 1997. (in Russian).
12. Yumatov E.A. «Informatsionnaya Meditsina» — Okhrana Zhizni i Zdorov'ya Lyudey v Povsednevnykh Usloviyakh. Biomeditsinskaya Radioelektronika. 2016;5: 72—79. (in Russian).
13. Yumatov E.A., Pertsov S.S. System Organization of the Relationship of Emotional Stress and Sleep. J. Neurology & Neuroscience. 2016;7;5:145 — 153.
14. Ben-Tal A. Computational Models for the Study of Heart-Lung Interactions in Mammals. Wiley Interdisciplinary Rev.: Systems Biology and Medicine. 2012;4 (2):163—170.
15. Sudakov K.V., Yumatov E.A., Tarakanov O.P. Kross-korrelyatsionnyy Vegetativnyy Kriteriy Emotsional'nogo Stressa. Fiziologiya Cheloveka. 1995;23;3:87—95. (in Russian).
16. Glazachev O.S. e. a. Microprocessor Device to Monitor the Level of Emotional Stress in Humans. International J. Biosensors & Bioelectronics. 2017;2(4):1—4. 17. Malik M. Heart Rate Variability. Curr Opin Cardiol. 1998;13 (1):36—44.
18. Kamenskaya V.G. i dr. Pokazateli Flyuktuatsiy Kardiointervalov pri Razlichnykh Funktsional'nykh Sostoyaniyakh Doshkol'nikov. Fiziologiya Cheloveka. 2001; 27;3:89—94. (in Russian).
19. Balakin D.A., Shtykov V.V. Postroenie Ortogonal'nogo Banka Fil'trov na Osnove Preobrazovaniy Ermita dlya Obrabotki Signalov. Zhurnal Radioelektroniki. 2014;9 [Elektron. Resurs] http://jre.cplire.ru/alt/sep14/1/text.pdf (Data Obrashcheniya 10.03.2018). (in Russian).
20. Abramov A.V. i dr. Bioradiolokatsiya. M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2010. (in Russian).
21. Balakin D.A., Shtykov V.V., Churkin S.S. Ispol'zovanie Fazometricheskogo Kompleksa Diapazona Kvch dlya Diagnostiki Zhiznedeyatel'nosti Cheloveka. Elektronika i Mikroelektronika SVCH. 2017;1;1 (1): 127—132. (in Russian).
22. Zhgoon S. e. a. SAW Temperature Sensor on Quartz. IEEE Trans. UFFC. 2015;62;6:1066—1075.
23. Antcev I. e. a. Comparative Analysis of the Experience Obtained from the Use of SAW and BAW Wireless Resonator Temperature Sensors for Surgery. IEEE Intern. Ultrasonics Symp. Proc. 2015:1—4.
---
For citation: Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Zhgoon S.A., Strelkov N.O., Shtykov V.V., Yumatov E.A., Kupriyanova Ya.A., Palyutina Yu.A., Chernikov A.I. Methods for Processing and Recording Biosignals for Medical Diagnostics. MPEI Vestnik. 2018;5:128—138. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-128-138.
2. Macfarlane P.W. e. a. Comprehensive Electrocardiology. London: Springer-Verlag, 2011.
3. Жихарева Г., Крамм М. Реконструкция токовых источников сердца в обратной задаче ЭКГ. Алгоритмы и их анализ. Saarbrücken: Lap Lambert, Academic Publ. GmbH & Co. KG, 2012.
4. Potyagaylo D., Cortes E.G., Schulze W.H.W., Dössel O. Binary Optimization for Source Localization in the Inverse Problem of ECG // Medical & Biological Eng. & Comp. 2014. V. 52. Рp. 717—728.
5. Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Filonov D.V., Zhuravleva N.A. Reconstruction of Equivalent Current Sources on Quasi-Epicardium // Proc. Russian-German Conf. Biomedical Eng. Hanover, 2013. P. 77.
6. Титомир Л.И., Кнеппо П. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца. М.: Наука, Физматлит, 1999.
7. Мурашко В.В., Струтынский А.В. Электрокардиография. М.: МедПресс-Информ, 2016.
8. Лебедев В.В. и др. Система электродных отведений для измерения координат источников в области миокарда // Медицинская техника. 2006. № 4. С. 7—9.
9. Klepfer R.N., Johnson C.R., MacLeod R.S. The Effects of Inhomogeneities and Anisotropies on Electrocardiographic Fields: A Three-Dimensional Finite Element Study // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997. V. 44. No. 8. Pp. 706—719.
10. Стрелков Н.О., Крамм М.Н., Жихарева Г.В. Неоднородная электродинамическая модель грудной клетки человека в форме эллиптического цилиндра // Журнал радиоэлектроники. 2011. № 7 [Электрон. ресурс] http://jre.cplire.ru/koi/jul11/4/text.pdf (дата обращения 10.03.2018).
11. Судаков К.В., Петров В.И., Симонов П.В., Юматов Е.А. Эмоциональный стресс: теоретические и клинические аспекты. Волгоград: Комитет по печати и информации, 1997.
12. Юматов Е.А. «Информационная медицина» — охрана жизни и здоровья людей в повседневных условиях // Биомедицинская радиоэлектроника. 2016. № 5. С. 72—79.
13. Yumatov E.A., Pertsov S.S. System Organization of the Relationship of Emotional Stress and Sleep // J. Neurology & Neuroscience. 2016. V. 7. No. 5. Pp. 145 — 153.
14. Ben-Tal A. Computational Models for the Study of Heart-Lung Interactions in Mammals // Wiley Interdisciplinary Rev.: Systems Biology and Medicine. 2012. V. 4 (2). Рp. 163—170.
15. Судаков К.В., Юматов Е.А., Тараканов О.П. Кросс-корреляционный вегетативный критерий эмоционального стресса // Физиология человека. 1995. Т. 23. № 3. С. 87—95.
16. Glazachev O.S. e. a. Microprocessor Device to Monitor the Level of Emotional Stress in Humans // International J. Biosensors & Bioelectronics. 2017. V. 2 (4). Рp. 1—4.
17. Malik M. Heart Rate Variability // Curr Оpin Cardiol. 1998. V. 13 (1). Pp. 36—44.
18. Каменская В.Г. и др. Показатели флюктуаций кардиоинтервалов при различных функциональных состояниях дошкольников // Физиология человека. 2001. Т. 27. № 3. С. 89—94.
19. Балакин Д.А., Штыков В.В. Построение ортогонального банка фильтров на основе преобразований Эрмита для обработки сигналов // Журнал радиоэлектроники. 2014. № 9 [Электрон. ресурс] http://jre.cplire. ru/alt/sep14/1/text.pdf (дата обращения 10.03.2018).
20. Абрамов А.В. и др. Биорадиолокация. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
21. Балакин Д.А., Штыков В.В., Чуркин С.С. Использование фазометрического комплекса диапазона КВЧ для диагностики жизнедеятельности человека // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2017. Т. 1. № 1 (1). С. 127—132.
22. Zhgoon S. e. a. SAW Temperature Sensor on Quartz // IEEE Trans. UFFC. 2015. V. 62. No. 6. Рp. 1066—1075.
23. Antcev I. e. a. Comparative Analysis of the Experience Obtained from the Use of SAW and BAW Wireless Resonator Temperature Sensors for Surgery // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. Proc. 2015. Pp 1—4.
---
Для цитирования: Крамм М.Н., Жихарева Г.В., Жгун С.А., Стрелков Н.О., Штыков В.В., Юматов Е.А., Куприянова Я.А., Палютина Ю.А., Черников А.И. Методы обработки и регистрации биосигналов для задач медицинской диагностики // Вестник МЭИ. 2018. № 5. С. 128—138. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-128-138.
#
1. Titomir L.I., Trunov V.G., Aydu E.A.I. Neinvazivnaya Elektrokardiotopografiya. M.: Nauka, 2003. (in Russian).
2. Macfarlane P.W. e. a. Comprehensive Electrocardiology. London: Springer-Verlag, 2011.
3. Zhikhareva G., Kramm M. Rekonstruktsiya Tokovykh Istochnikov Serdtsa v Obratnoy Zadache EKG. Algoritmy i ikh Analiz. Saarbrücken: Lap Lambert, Academic Publ. GmbH & Co. KG, 2012. (in Russian).
4. Potyagaylo D., Cortes E.G., Schulze W.H.W., Dössel O. Binary Optimization for Source Localization in the Inverse Problem of ECG. Medical & Biological Eng. & Comp. 2014;52:717—728.
5. Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Filonov D.V., Zhuravleva N.A. Reconstruction of Equivalent Current Sources on Quasi-Epicardium. Proc. Russian-German Conf. Biomedical Eng. Hanover, 2013:77.
6. Titomir L.I., Kneppo P. Matematicheskoe Modelirovanie Bioelektricheskogo Generatora Serdtsa. M.: Nauka, Fizmatlit, 1999. (in Russian).
7. Murashko V.V., Strutynskiy A.V. Elektrokardiografiya. M.: MedPress-Inform, 2016. (in Russian).
8. Lebedev V.V. i dr. Sistema Elektrodnykh Otvedeniy dlya Izmereniya Koordinat Istochnikov v Oblasti Miokarda. Meditsinskaya Tekhnika. 2006;4:7—9. (in Russian).
9. Klepfer R.N., Johnson C.R., MacLeod R.S. The Effects of Inhomogeneities and Anisotropies on Electrocardiographic Fields: A Three-Dimensional Finite Element Study. IEEE Trans. Biomed. Eng. 1997;44; 8:706—719.
10. Strelkov N.O., Kramm M.N., Zhikhareva G.V. Neodnorodnaya Elektrodinamicheskaya Model' Grudnoy Kletki Cheloveka v Forme Ellipticheskogo Tsilindra. Zhurnal Radioelektroniki. 2011;7 [Elektron. Resurs] http://jre.cplire.ru/koi/jul11/4/text.pdf (Data Obrashcheniya 10.03.2018). (in Russian).
11. Sudakov K.V., Petrov V.I., Simonov P.V., Yumatov E.A. Emotsional'nyy Stress: Teoreticheskie I Klinicheskie Aspekty. Volgograd: Komitet po Pechati I Informatsii, 1997. (in Russian).
12. Yumatov E.A. «Informatsionnaya Meditsina» — Okhrana Zhizni i Zdorov'ya Lyudey v Povsednevnykh Usloviyakh. Biomeditsinskaya Radioelektronika. 2016;5: 72—79. (in Russian).
13. Yumatov E.A., Pertsov S.S. System Organization of the Relationship of Emotional Stress and Sleep. J. Neurology & Neuroscience. 2016;7;5:145 — 153.
14. Ben-Tal A. Computational Models for the Study of Heart-Lung Interactions in Mammals. Wiley Interdisciplinary Rev.: Systems Biology and Medicine. 2012;4 (2):163—170.
15. Sudakov K.V., Yumatov E.A., Tarakanov O.P. Kross-korrelyatsionnyy Vegetativnyy Kriteriy Emotsional'nogo Stressa. Fiziologiya Cheloveka. 1995;23;3:87—95. (in Russian).
16. Glazachev O.S. e. a. Microprocessor Device to Monitor the Level of Emotional Stress in Humans. International J. Biosensors & Bioelectronics. 2017;2(4):1—4. 17. Malik M. Heart Rate Variability. Curr Opin Cardiol. 1998;13 (1):36—44.
18. Kamenskaya V.G. i dr. Pokazateli Flyuktuatsiy Kardiointervalov pri Razlichnykh Funktsional'nykh Sostoyaniyakh Doshkol'nikov. Fiziologiya Cheloveka. 2001; 27;3:89—94. (in Russian).
19. Balakin D.A., Shtykov V.V. Postroenie Ortogonal'nogo Banka Fil'trov na Osnove Preobrazovaniy Ermita dlya Obrabotki Signalov. Zhurnal Radioelektroniki. 2014;9 [Elektron. Resurs] http://jre.cplire.ru/alt/sep14/1/text.pdf (Data Obrashcheniya 10.03.2018). (in Russian).
20. Abramov A.V. i dr. Bioradiolokatsiya. M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2010. (in Russian).
21. Balakin D.A., Shtykov V.V., Churkin S.S. Ispol'zovanie Fazometricheskogo Kompleksa Diapazona Kvch dlya Diagnostiki Zhiznedeyatel'nosti Cheloveka. Elektronika i Mikroelektronika SVCH. 2017;1;1 (1): 127—132. (in Russian).
22. Zhgoon S. e. a. SAW Temperature Sensor on Quartz. IEEE Trans. UFFC. 2015;62;6:1066—1075.
23. Antcev I. e. a. Comparative Analysis of the Experience Obtained from the Use of SAW and BAW Wireless Resonator Temperature Sensors for Surgery. IEEE Intern. Ultrasonics Symp. Proc. 2015:1—4.
---
For citation: Kramm M.N., Zhikhareva G.V., Zhgoon S.A., Strelkov N.O., Shtykov V.V., Yumatov E.A., Kupriyanova Ya.A., Palyutina Yu.A., Chernikov A.I. Methods for Processing and Recording Biosignals for Medical Diagnostics. MPEI Vestnik. 2018;5:128—138. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-128-138.
