A phonocardiosignal mathematical model for cardio-diagnostic systems improvement

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 – математичне моделювання та обчислювальні методи. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2019 р. У дисертаційній роботі розв’язано актуальне наукове завдання –удосконалення математичної моделі та методів аналізу фонокардіосиґналу одночасно зареєстрованого з електрокардіосиґналом із врахуванням механізму породження його для підвищення достовірності ранньої діагностики стану серцево-судинної системи людини в автоматизованих діагностичних системах. Обґрунтовано нове застосування періодично корельованого випадкового процесу як математичної моделі фонокардіосиґналу одночасно зареєстрованого з електрокардіосиґналом, яка, на відміну від відомих, відображає механізм породження його (генезу), що дає змогу визначення характеристик моделі за результатами експериментів і враховує поєднання стохастичності із повторністю сигналу. Базуючись на обґрунтованій математичній моделі та на концепції «шунтування», модифіковано синфазний метод статистичного опрацювання фонокардіосиґналу одночасно зареєстрованого з електрокардіосиґналом у системах автоматизованої діагностики, з урахуванням механізму ґенезу фонокардіосиґналу. У результаті опрацювання отримано значення спектральних компонент фонокардіосиґналу, які є його інформативно-інваріантними ознаками та із визначеною достовірністю характеризують функціональний стан серцево-судинної системи людини. Розроблено метод імітаційного моделювання фонокардіосиґналу на основі періодично корельованої випадкової послідовності для верифікації результатів досліджень. Створено пакет комп’ютерних програм для автоматизованого опрацювання фонокардіосиґналу та проведення імітаційних експериментів для автоматизованих діагностичних систем.Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 01.05.02 – математическое моделирование и вычислительные методы. – Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2019 г. В диссертационной работе решена актуальная научная задача – совершенствование математической модели и методов анализа фонокардиосигналапараллельно зарегистрированного с электрокардиосигналом с учетом механизма порождения его для повышения достоверности ранней диагностики состояния сердечно-сосудистой системы человека в автоматизированных диагностических системах. Обоснованно новое применение периодически коррелированного случайного процесса как математической модели фонокардиосигналапараллельно зарегистрированного в электрокардиосигналом, которая, в отличие от известных, отражает механизм порождения его (генеза), что дает возможность определения характеристик модели по результатам экспериментов и учитывает сочетание стохастичности с повторяемостью сигнала. Базируясь на обоснованной математической модели и на концепции «шунтирования», модифицировано синфазный метод статистической обработки фонокардиосигналапараллельно зарегистрированного в электрокардиосигналом в системах автоматизированной диагностики, с учетом механизма генеза фонокардиосигналу. В результате обработки получено значение спектральных компонент фонокардиосигнала, которые являются его информационно-инвариантными признаками и с определенной достоверностью характеризующих функциональное состояние сердечно-сосудистой системы человека. Разработан метод имитационного моделирования фонокардиосигнала на основе периодически коррелированных случайной последовательности для верификации результатов исследований. Создан пакет компьютерных программ для автоматизированной обработки фонокардиосигнала и проведения имитационных экспериментов для автоматизированных диагностических систем.Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 01.05.02 – mathematical design and calculable methods. – Ternopil Ivan Puluj national technical university, Ternopil, 2019. In dissertation the important scientific task is solved – the phonocardial signal synchronously registered with electrocardiosignal mathematical model and analyzing methods improvement taking into account the mechanism of its generation for the human SSS state early diagnosis in automated diagnostic systems reliability increasing. Modern diagnostic systems widely use the polycardiogram method based on the synchronously recorded electrocardio- (ECG) and phonocardiogram (PCG). Complete information about the cardiovascular system state (CVS) can be obtained only in case when several of pathologies diagnosing methods are used simultaneously. The advantages of a comprehensive approach were indicated in a number of scientific works, by: M. A. Kurshakov, P. E. Lukomsky, S. A. Lupenko, A. A. Selidovkina. The heart rate (HR) is determined by the sinus node automatism, which is modulated by feedback through the influence of vegetative, humoral, and local factors. Therefore, the heart work can be described as «modulation»– each of the action potential impulses sequence causes the response in the form of series of consecutive time-varying heart contractions/relaxation. The shape, duration and phase shifts of these impulses may vary, depending on the physical loadings, the emotional state and a whole set of other exogenous and endogenous influences. The responses wouldn’t have constant parameters depend on the factors such as: the conducting system state: the Gis beam right leg blockade, the effort of the blood flow through the heart structures (prolapse, stenosis, aneurysms), postinfarctional scarring, and many other factors, which has a great diagnostic value. Based on the considerations set in R. M. Baevsky, A. A. Talakov «Balistocardiography» work, the person`s cardiovascular system should be regarded as a closed hemodynamic one, where the primary information carrier about it is, among other things, is a phonocardiosignal generated by mechanical and acoustic processes in the system. It is used for obtaining additional (often critical) data to increase the researched object`s evaluation parameters reliability and the bimedia principle as the separation of the signal energy generated by one source, in space-time into two «flows» of different physical nature and (electric and mechanical) introduced the concept of «shunting». By shunting we understand the principle of obtaining complementary information about the object through «bypass»«short» way, in particular, getting of the certain informative parameters from the signal of another physical process nature (electrical, in contrast to the acoustic) of the same genesis in terms of the signal-system concept. Preprocessing was carried out according to the algorithm: signal detrending, smoothing, finding the repeatability period for the P-wave interval. A new application of the periodically correlated random process as a mathematical model of a phonocardiosignal synchronously registered with electrocardiosignal is obtained, which, unlike known ones, represents the mechanism of its genesis. Based on a previously grounded mathematical model and on the concept of «shunting», the synphase method of statistical processing of a phonocardiosignal synchronously registered with an electrocardiosignal in automated diagnostic systems was modified, taking into account a phonocardiosignal genesis mechanism. As the processing result, the value of the phonocardiosignal spectral components were obtained, which are its information-invariant features and with certain certainty characterizing the functional state of the human SSS. Since the synphase method is insensitive to the coherent components presented in the signal, therefore no need to use alien crosstalk effects minimization procedure. Since the developed algorithm is focused on its application in the patient’s СVS state remote monitoring systems, so in order to trend minimization, it is proposed to use the hardware implementation the high-pass Bessel filter (Sallen-Key topology) implementation, which has uniform (flat) amplitude–frequency response characteristics (AFR) (minimal equiripple in passband), linear phase-frequency characteristic (PFR), and the constant group delay, parameter variation resistance. Bessel Discrete Filters do not have this property. Therefore, to process the signal at the software level, the FIR-filtering (which provides linearity of the PFR) is applied by the overlap-add method (OLA), which gives significant advantage in using hardware and software resources, in comparison with time-domain filtering (convolution) As a result of processing, the phonocardiosignal spectral components, which are its informatively invariant features and with definite reliability characterize the functional state of the human cardiovascular system, is obtained.A method for simulating a phonocardiac signal based on periodically correlated random sequences has been developed to verify the results of studies. A package of computer programs has been created for the automated processing of phonocardiac signals and for carrying out simulation experiments for automated diagnostic systems.Key words: phonocardio-signal, electrocardiogram, genesis of phonocardial signal, periodically correlated random process, spectral components, reliability, verification, computer simulation.ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ …22 ВСТУП…24 РОЗДІЛ 1. СПЕЦИФІКА ЗАДАЧІ ТА СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ДІАГНОСТИКИ СЕРЦЕВО-СУДИННОЇ СИСТЕМИ ЛЮДИНИ ЗА ДОПОМОГОЮ ФОНОКАРДІОГРАФІЇ...29 1.1. Сучасний стан проблеми та захворюваність серцевими недугами. Динаміка ситуації…29 1.2. Механізм породження серцевих скорочень…32 1.3. Способи реєстрації акустичних показників роботи серця…34 1.4. Обґрунтування необхідності використання фонокардіосиґналу з врахуванням механізму породження серцевих скорочень для своєчасного виявлення патологій…43 1.5. Висновки до розділу 1...46 РОЗДІЛ 2. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ФОНОКАРДІОСИҐНАЛУ …48 2.1. Принципи ґенезу фонокардіосиґналу. Принципи бімедійності та шунтування…48 2.2. Методи аналізу фонокардіосигналу…61 2.3. Енергетична теорія стохастичних сиґналів та її засоби опрацювання кардіосигналів…64 2.4. Статистичне оцінювання станів серцево-судинної системи як стохастичної вібраційної системи. Принципи бімедійності та шунтування …75 2.5. Висновки до розділу 2...83 РОЗДІЛ 3. ОБҐРУНТУВАННЯ МЕТОДУ АНАЛІЗУ ФОНОКАРДІОСИҐНАЛУ …85 3.1. Обґрунтування способу виділення моментів прояву дії водія ритму для визначення інтервалу повторюваності фонокардіосиґналу …85 3.2. Опрацювання фонокардіосиґналу синфазним методом…99 3.3. Обгрунтування структури системи відбору фонокардіосигналу...102 3.4. Висновки до розділу 3...106 РОЗДІЛ 4. ВЕРИФІКАЦІЯ МОДЕЛІ ФОНОКАРДІОСИГНАЛУ У ВИГЛЯДІ ПЕРІОДИЧНО КОРЕЛЬОВАНОГО ВИПАДКОВОГО ПРОЦЕСУ ТА КОМП’ЮТЕРНЕ ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ …107 4.1. Програмна реалізація алгоритму опрацювання фонокардіосигналу…107 4.2 Комп’ютерне імітаційне моделювання фонокардіосиґналу…111 4.3 Експериментальна верифікація математичної моделі фонокарідосиґналу …127 4.4. Розроблення програмного забезпечення опрацювання фонокардіосигналу…135 4.5. Висновки до розділу 4...137 ВИСНОВКИ…138 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…140 ДОДАТКИ…15