Принципы аппаратно-программной реализации компьютерных систем автоматической обработки медико-биологических сигналов.

В последние годы использование методов нелинейной динамики для обработки и распознавания медицинских сигналов (электрокардиограмм, энцефалограмм, электромиограмм) на выходе сложных систем рассматривается как перспективный путь создания новых средств диагностики и прогнозирования состояния медико-биологических объектов. Данный подход является существенным дополнением к традиционным спектрально-корреляционным методам, которые не дают достаточно полной информации о динамике развития исследуемых медико-биологических систем. Действительно, спектрально-корреляционные методы не дают возможности детально проследить и численно охарактеризовать динамику изменений структуры сигнала во времени, предсказать смену и продолжительность доминирующих ритмов. Таким образом, разрабатываемый подход для выявления новой информации, скрытой в динамике поведения сложных систем, позволит расширить возможности диагностических компьютерных комплексов в области медицины. В связи с этим, в рамках предлагаемого проекта предполагается решение следующих задач.

1. Определение фрактально-топологических характеристик исследуемого сигнала, а именно минимальной размерности вложения и спектра обобщенных спектральных размерностей аттрактора, восстановленного из исследуемого временного ряда.

Применение разработанного в лаборатории моделирования самоорганизующихся систем алгоритма локально-топологического анализа при определении минимальной размерности вложения позволяет на порядок уменьшить количество требуемых экспериментальных данных по сравнению с традиционными методами (например, алгоритмом Грасбергера-Прокаччиа). В результате численных экспериментов показано, что предложенный метод локально- топологического анализа фазовых траекторий аттрактора, восстановленного из электрокардиосигнала, обеспечивает достаточно высокую сходимость, что в свою очередь позволяет эффективно использовать его на практике.

Спектр обобщенных спектральных размерностей предполагается определять на основе анализа размещения точек фазовых траекторий по ячейкам, случайным образом распределенным в области аттрактора. По сравнению с наиболее распространенным методом "регулярных сеток" (Б. Мандельброт, 1980-1990), предложенный метод позволяет более чем на порядок уменьшить требуемое количество компьютерных ресурсов и тем самым обеспечить практическую реализуемость вычислительного процесса.

Разработанные методы могут быть использованы при диагностике состояния сердечно - сосудистой системы на конечных временных интервалах по измеренному сигналу.

В последние годы для обработки и распознавания биомедицинских сигналов (электрокардиограмм, энцефалограмм, электромиограмм и речевых сигналов) широко используются новые подходы на основе анализа спектров высших порядков. Предлагаемые подходы являются существенным дополнением к указанным выше традиционным методам спектрально-корреляционного анализа. Действительно, для выявления новой информации, скрытой в динамике поведения сложных систем, согласно предлагаемому подходу наряду со спектрами первого порядка, на которых основаны традиционные спектрально-корреляционные методы, используются также и спектры высших порядков (полиспектры - биспектры, триспектры и т.д.). Это позволяет расширить возможности медицинских диагностических компьютерных комплексов. В связи с этим в рамках предлагаемого проекта предполагается решение следующих задач.

1. Определение спектров высшего порядка (СВП) исследуемого сигнала и последующее использование их для идентификации состояния диагностируемой биомедицинской системы. Для нахождения полиспектров предполагается наряду с методами обычного оценивания СВП использование методов, основанных на представлении исследуемой системы рядами Вольтерра-Винера.

2. Идентификация состояния биомедицинского объекта посредством оценивания ядер Винера.

В процессе выполнения этого раздела будет разработана система моделей и программных инструментов, применяемых для повышения эффективности сбора и оценки результатов лабораторных анализов, повышения надёжности и результативности принятия диагностических решений, быстрого обнаружения и устранения ошибок диагностики.

В лаборатории теплофизики ИТМО НАНБ в течение ряда лет успешно разрабатываются методы идентификации структуры и параметров сложных динамических систем, в том числе нелинейных и хаотических. В качестве средства описания структуры идентифицируемой динамической системы был использован язык эквивалентных схем. Эквивалентные схемы - это распространённый способ описания как динамических систем и процессов в них, так средство выявления закономерностей в поведении сложных объектов, обнаруживаемых в эксперименте. Описание предмета исследований с помощью эквивалентных схем применяется в частности в биологии, медицине, цитологии, кардиологии.

Применяемые подходы, модели, алгоритмы и методики позволяют описывать объекты исследования и закономерности, наблюдаемые в их поведении, не только на языке эквивалентных схем, но и в виде структурных схем, дифференциальными уравнениями и системой метаалгоритмов.