Methods for Processing and Recording Biosignals for Medical Diagnostics
Keywords:
biosignals, electric heart generator, inhomogeneous human trunk model, separation of biorhythms, stress level, temperature sensor
Abstract
In radio engineering signal processing methods are widely used including spectral, correlation, wavelet analyses, etc. These methods are effectively used in processing the biosignals of a human organism for medical diagnostic purposes. Methods for analyzing and producing electromagnetic and acoustic fields in various media and systems are also commonly used. These methods are promising and useful also in studying a human organism. The article presents the main results from the research work carried out by the staff of the MPEI National Research University’s Chair of Radio Engineering Fundamentals aimed at development and use of radio engineering methods in the field of processing and recording biosignals for medical diagnostic purposes. The article outlines the works on studying the heart electric field in electrocardiology devoted to reconstructing an equivalent electric heart generator from the signals recorded by multichannel electrocardiographic leads and coordinates of electrodes placed on the human trunk surface. The results from studying the human trunk inhomogeneous model in terms of the effect the chest internal inhomogeneities have on the distribution of surface potentials are presented. Matters concerned with separation of biorhythm signals are considered under the conditions when the organism vital activity signals are simultaneously generated by several quasi-periodic processes, with the signal of interest weakly manifesting itself. A methodology for assessing the level of emotional stress by conducting a cross-correlation analysis of heart and respiration rhythms is described. Matters concerned with constructing and analyzing the characteristics of temperature sensors implanted in the body with the use of surface acoustic waves are discussed.
References
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.
Published
2018-10-01
Issue
Section
Radio Engineering and Communications (05.12.00)
