22495

ОБРАБОТКА, ХРАНЕНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ЗАДАЧ КАРДИОМОНИТОРИНГА

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

В данной работе изучается задача кардиомониторинга; рассматриваются основные понятия, связанные с построением электрокардиограммы; вводится понятие кардиорегистратора, описываются виды регистрации показаний. Ставится задача о разработке программного обеспечения, которое будет принимать поток данных, разбивать его на отведения

Русский

2015-01-19

1.92 MB

6 чел.

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт математики и компьютерных наук

Кафедра высокопроизводительных компьютерных технологий

ОБРАБОТКА, ХРАНЕНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ЗАДАЧ КАРДИОМОНИТОРИНГА

"Допущена к защите"
зав. кафедрой__к.т.н.

А.В. Созыкин
"__"____________2013 г.

 

Квалификационная работа на степень бакалавра наук по направлению "Математика, прикладная математика"

студентки группы Мт - 408
Липиной Ирины Сергеевны

Научный руководитель
Авербух В.Л.
доцент КИПУ, к.т.н.

Екатеринбург

2013


Реферат

Липина И.С. ОБРАБОТКА, ХРАНЕНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ЗАДАЧ КАРДИОМОНИТОРИНГА, бакалаврская работа.

Ключевые слова: ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММА, ХОЛТЕР, КАРДИОРЕГИСТРАТОР, КАРДИОМОНИТОРИНГ, ЗУБЦЫ ЭКГ, ИНТЕРВАЛЫ ЭКГ, ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКИЕ ОТВЕДЕНИЯ, ТЕЛЕМЕДИЦИНА.

В данной работе изучается задача кардиомониторинга; рассматриваются основные понятия, связанные с построением электрокардиограммы; вводится понятие кардиорегистратора, описываются виды регистрации показаний. Ставится задача о разработке программного обеспечения, которое будет принимать поток данных, разбивать его на отведения, отображать полученные данные на экране, будет иметь возможность делать записи по событию и визуалирировать полученные данные. Для решения поставленной задачи используется кроссплатформенная интегрированная среда разработки Lazarus, использующая в качестве компилятора Free Pascal.


Содержание

Введение 4Задача кардиомониторинга и ее информационное обеспечение 6Постановка задачи 18Описание структурных элементов системы 19Реализация 26Заключение 36Список литературы 37


Введение

Болезни сердечно-сосудистой системы являются крайне важной проблемой, имеющей как демографические, так и социально-экономические последствия. В течение всего ХХ века смертность от сердечно-сосудистых заболеваний возрастала, и на сегодняшний день они являются основной причиной смертности как в России (более 50% всех случаев), так и в мире.

По этой причине крайне остро стоит проблема профилактики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Лечение кардиозаболеваний является достаточно сложным, дорогостоящим процессом и влечёт за собой множество рисков, а также зачастую ограничено во времени, поскольку неоказание своевременной кардиологической помощи во многих случаях ведёт к летальному исходу. Именно поэтому крайне важно уделять внимание не только лечению уже выявленных заболеваний, но и их заблаговременному обнаружению, диагностике и мониторингу с целью предотвратить их возникновение и развитие.

Сдерживающими факторами для развития ранней диагностики и выявления сердечно-сосудистых заболеваний является нехватка аппаратного обеспечения, направленного именно на амбулаторную диагностику. В то время как в стационарных условиях могут быть развёрнуты достаточно сложные и эффективные аппаратно-программные комплексы, их применимость как правило достаточно ограничена. В результате полноценная диагностика происходит уже после возникновения проблемы или даже после неблагоприятных кардиологических событий.

Основным способом выявления кардиологических проблем на сегодняшний день остаётся изучение электрокардиограммы (ЭКГ). С помощью регистрации электрического потенциала в различных точках тела становится возможным изучить работу сердечной мышцы и выявить различные нормальные и аномальные состояния. Исторически для этого использовались приборы, изначально аналоговые, затем цифровые с выводом результата на бумагу. В современных приборах данные собираются и хранятся в цифровом виде, что позволяет использовать различные программные средства для обработки и визуализации собранных данных. Однако, полноценные комплексы для обработки кардиологических данных имеют высокую стоимость и\или поставляются со сложными и дорогостоящими аппаратами.

Для решения задач ранней диагностики и мониторинга кардиобольных компанией ООО “ЭКО” был разработан кардиорегистратор “КаРе”. Он является более экономичным аналогом уже применяемых кардиорегистраторов и так называемых холтеров и позволяет снимать ЭКГ в реальном времени, а также записывать короткие фрагменты во встроенную память, что, с учётом его низкой стоимости, позволяет использовать его не только в крупных больницах и кардиоцентрах, но и в различных медицинских пунктах, в каретах скорой помощи, а также персонально в домашних условиях.

Аппаратная часть прибора позволяет снимать три канала информации, а затем либо сохранять их во встроенную флеш-память, либо передавать напрямую на COM-порт, через который осуществляется передача данных на компьютер. В случае прямого вывода данных необходимо программное обеспечение, которое могло бы получить поток данных, разбить его на несколько каналов, отобразить их в реальном времени и, в случае необходимости, записать данные и поместить их в локальную базу записей для последующего анализа и сопоставления.

В рамках проекта “Каре” был разработан требуемый программный комплекс, реализующий предложенные возможности. В настоящей работе сделан обзор требований к программному комплексу и наиболее актуальных задач в области кардиомониторинга, исследованы возможные схемы работы подобных систем, приведены результаты реализации одной из таких схем, а также намечены дальнейшие пути развития проекта.


Задача кардиомониторинга и ее информационное обеспечение

Кардиомониторинг - это наблюдение за состоянием сердца пациента. Это процесс отслеживания и анализа показателей сердечной деятельности, таких как частота сердечных сокращений и электрический потенциал. На основании этих данных можно судить о работе миокарда (сердечной мышцы), выявлять аномалии и критические ситуации, требующие срочного вмешательства. Благодаря этому мы можем заблаговременно обнаруживать состояния, опасные для пациента и предотвращать их еще до того,  как они создадут какую-либо угрозу для жизни.

Сердечная мышца, как и все другие мышцы нашего организма, осуществляет свою работу под воздействием приходящих на нее электрических импульсов. Этот процесс происходит за счет собственного водителя ритма, находящегося в синусовом узле (рис 1), который и  вырабатывает необходимые электрические импульсы и направляет их в проводящую систему.

Рис. 1. Синусовый узел.

Следуя по ней, эти импульсы охватывают возбуждением прилегающие к проводящим путям отделы миокарда и могут быть зарегистрированы при помощи измерения электрического потенциала в разных точках тела. В процессе измерений мы получаем электрокардиограмму, т.е. графическое отображение прохождения электрического импульса по проводящей системе сердца. Любые нарушения сердечной деятельности так или иначе будут сказываться либо на процессе генерации сигналов в водителе ритма, либо на процессе прохождения сигнала через миокард. Как следствие, это отразится на регистрируемой ЭКГ, например, в форме характерных изменений на кривой, либо аномальных показателей сердечной активности.

В силу характера распространения электрического импульса по сердцу всякая электрокардиограмма будет изображаться в виде пиков - подъемов и спадов кривой линии, которые обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S, T и называются зубцами. Под интервалом понимается время, в течение которого импульс проходит по определенным отделам сердца. (рис. 2)

Рис. 2. Лента ЭКГ: зубцы и интервалы.

Зубец Р представляет собой суммационное отображение прохождения синусового импульса по проводящей системе предсердий и поочередное возбуждение сначала правого (восходящее колено зубца Р), а затем левого (нисходящее колено зубца Р) предсердий. (рис. 3)

Рис. 3. Зубец Р.

Проходя по предсердно-желудочковому соединению, электрический импульс не вызывает возбуждения прилежащих слоев, поэтому на электрокардиограмме пики возбуждения не записываются. Этот участок ЭКГ называется интервалом P-Q. (рис. 4)

Рис. 4. Интервал Р-Q.

Двигаясь далее по проводящей системе сердца, электрический импульс вызывает возбуждение миокарда желудочков, что регистрируется на кардиограмме в виде так называемого желудочкового комплекса QRS.

Следует отметить, что желудочки сердца возбуждаются в определенной последовательности. Сначала возбуждается межжелудочковая перегородка. Процесс ее возбуждения приводит к формированию на кривой ЭКГ зубца Q. (рис.5)


Рис. 5. Возбуждение межжелудочковой перегородки

(зубец Q).

Затем возбуждается верхушка сердца и прилегающие к ней области. В следствие этого на ЭКГ появляется зубец R. (рис. 6).


Рис. 6. Возбуждение верхушки сердца (зубец R).

И в последнюю очередь возбуждается основание сердца. Результатом этого процесса является регистрация на ЭКГ зубца S. (рис. 7)

Рис. 7. Возбуждение основания сердца (зубец S).

Вслед за процессами возбуждения в миокарде начинаются процессы реполяризации (восстановления исходного состояния мышечных клеток сердца). Графическое отображение процессов реполяризации приводит к формированию на ЭКГ интервала S—Т и зубца Т. (рис. 8)



Рис. 8. Процессы возбуждения и реполяризации миокарда.

Как было указано выше, сердце вырабатывает электрический импульс, который имеет вокруг себя электрическое поле. Это поле распространяется по телу концентрическими окружностями, которые называют эквипотенциальными, так как они имеют одинаковый электрический потенциал в любой точке. Если измерить потенциал в разных точках одной окружности, то измерительный прибор покажет одинаковые значения. Регистрировать электрический импульс можно с кистей рук и стоп ног, так как они лежат на одной эквипотенциальной окружности, электрокардиограмму также записывают с поверхности грудной клетки (уже другая эквипотенциальная окружность) и, если это необходимо (например, при операции на открытом сердце), напрямую с поверхности сердца. Таким образом, регистрирующие электроды, присоединенные к различным участкам тела, будут давать разные показания, т.е. в каждом конкретном случае расположения этих электродов будет получаться электрокардиограмма, записанная в определенном отведении. Электрокардиографическое отведение - это система расположения регистрирующих электродов на теле пациента для записи ЭКГ.

Существует три вида отведений:

  •  стандартные (двухполюсные) отведения;
  •  однополюсные отведения;
  •  грудные отведения.

Стандартные отведения получаются путем сопоставления потенциалов двух точек электрического поля, то есть определяется разность потенциалов между этими точками. Записывая разность потенциалов между левой и правой рукой, получается первое стандартное отведение, которое обозначается римской цифрой I, между правой рукой и левой ногой - второе стандартное отведение (II), между левой рукой и левой ногой - третье стандартное отведение (III). Их также называют двухполюсными, так как регистрируется разность потенциалов между двумя точками электрического поля.  

При однополюсном отведении регистрирующий электрод определяет разность между конкретной точкой электрического поля и гипотетическим электрическим нулем. В однополюсном отведении регистрирующий электрод обозначается буквой V. То есть, устанавлявая его в позицию на правую руку, получаем обозначение VR (Right), на левую - VL (Left), на ногу - VF (Foot). На электрокардиограмме они отображаются довольно маленькими зубцами (так как разность потенциалов невелика), поэтому для удобства расшифровки их усиливают (обозначается буквой a - augmented).

При записи ЭКГ грудных отведений электрод прикрепляют непосредственно к грудной клетке. Места прикрепления электродов сторого оговорены: V1 - в четвертом межреберье у правого края грудины, V2 - в четвертом межреберье у левого края грудины, V3 - на середине расстояния между V1 и V4, V4 - в пятом межреберье на срединно-ключичной линии, V5 - на пересечении горизонтального уровня пятого межреберья и передней подмышечной линии, V6 - на пересечении горизонтального уровня пятого межреберья и средней подмышечной линии, V7 - на пересечении горизонтального уровня пятого межреберья и задней подмышечной линии, V8 - на пересечении горизонтального уровня пятого межреберья и срединно-лопаточной линии, V9 - на пересечении горизонтального уровня пятого межреберья и паравертебральной линии. Последние три отведения не нашли широкого применения в клинической практике и поэтому практически не используются. Первые шесть грудных отведений наряду с тремя стандартыми и тремя усиленными однополюсными составляют двенадцать общепринятых отведений.

Поскольку ЭКГ достаточно точно характеризует процесс прохождения электрического импульса по миокарду и позволяет по форме и характеристикам зубцов и интервалов выявлять аномалии в работе отдельных участков сердца, регистрация ЭКГ является ключевым элементом в диагностике болезней сердца и уже в течение продолжительного периода времени используется в кардиологии. Ранее существовал лишь один способ записи ЭКГ, который предполагал использование аналогового электрокардиографа с выводом информации на бумажную ленту. На сегодняшний день развитие электроники и цифровых технологий предоставляет широкие возможности в области регистрации ЭКГ в различных режимах, условиях и отрезках времени.

Существует три основных режима регистрации показаний. Во-первых это непрерывный мониторинг, когда наблюдение ведется постоянно. В этом режиме запись не производится, так как не ставится задачи зафиксировать какое-либо событие, а требуется следить за состоянием пациента в реальном времени. Во-вторых, это запись по событию. Когда пациент почувствовал недомогание, он нажимает на кнопку и в течение непродолжительного периода времени производится запись. Плюсом такого подхода является то, что в записи такого события находится только то кардиологическое событие, которое и нужно проанализировать. И, в-третьих, непрерывная запись длительного периода времени. Например, в течение суток. Приборы такого типа называются холтерами. Они ведут непрерывную регистрацию электрокардиограммы в течение двадцати четырех часов и более, после чего полученная ЭКГ анализируется врачом. Хотя недостатком такого подхода является то, что он фиксирует всю информацию без исключения, большая часть которой отражает обычное или нормальное состояние пациента, не дающее никаких полезных сведений для выявления признаков заболевания. Существует специальное программное обеспечение, которое позволяет анализировать собранные данные и выделять отдельные “подозрительные” участки для изучения самим врачом. Таким образом, несмотря на растущую эффективность подобного рода программ, основная работа по анализу все равно проводится врачом и занимает достаточно много времени.

Приведенные выше режимы для полноценной работы могут потребовать помимо аппаратных средств еще и специальное программное обеспечение. Например, уже упомянутые выше холтеры крайне неэффективны без программ для анализа записей. Помимо этого, в силу технических ограничений нет возможности хранить все сделанные записи в течение продолжительного периода времени. Поэтому возникает потребность их скачивать на компьютер, а также необходимо и целесообразно хранить скачанную информацию в упорядоченном виде с возможностью каталогизациии. В дополнение к задаче хранения часто используется функция просмотра для более детального изучения этих записей. Для повышения эффективности работы врача имеет смысл предоставить специальный инструментарий, включающий в себя возможности измерения, выделения отдельных участков, комментирования, сопоставления с характерными профилями различных заболеваний сердечно-сосудистой системы. Также требуется обеспечить различные способы вывода информации на печать в бумажной форме или в электронный документ одного из распространенных форматов, например PDF. Кроме вывода на печать, может понабиться механизм для передачи этих данных по сети, например в случае удаленного общения с лечащим врачом в системах телемедицины или для добавления этих данных в другую базу для хранения медицинской информации, например в систему электронных историй болезни. Дополнительным инструментом может являться визуализация, позволяющая представить данные в удобном для восприятия виде.  

В рамках проекта по созданию кардиорегистратора “КаРе” было принято решение реализовать два из трех возможных режима регистрации показаний, а именно: режим мониторинга и режим записи по событию. Это реализуется с помощью отдельного программного обеспечения. Режим записи по событию реализован полностью аппаратными средствами (тревожная кнопка на панели прибора и флеш-память для 10-секундных отрезков записи). В этом режиме программное обеспечение используется только для загрузки и просмотра записей и дальнейшего их анализа. В режиме мониторинга прибор отправляет информацию в обход флеш-памяти напрямую на COM-порт. Существенным достоинством кардиорегистратора “КаРе” является сочетание таких технических характеристик, как одновременная поддержка трех каналов, высокое разрешение, с простотой использования, удобным интерфейсом и низкой стоимостью, которая обеспечивает доступность прибора не только для медицинских учреждений, но и для персонального применения. В свою очередь, программное обеспечение не должно значительно увеличивать стоимость такой системы, чтобы сохранить ее конкурентное преимущество, а также быть адаптированным к прибору, чтобы максимально эффективно использовать его аппаратные возможности.

Существует несколько различных модификаций прибора, каждая из которых была разработана с целью оптимизации под одну из приведенных выше задач.  К примеру, приведенный на рис. 9 “КаРе” первой версии оснащен кнопкой для включения записи электрокардиограммы и ориентирован на работу в оффлайн режиме и последующее подключение к компьютеру для осуществления копирования и дальнейшего анализа ЭКГ. Для упрощения схемы прибора с целью снижения его себестоимости было решено сделать данную версию прибора одноканальной. Это значит, что в каждый момент времени можно снимать только одно отведение, а для того, чтобы снять все три отведения, необходимо переставлять местами контакты электродов.

Рис. 9. «КаРе». Версия 1.0.

В “КаРе” второй версии кнопка активации записи по событию отсутствует, а вместо этого реализован функционал кардиомонитора с выводом регистрируемых данных в режиме реального времени (рис. 10). Также увеличено количество каналов до пяти, что позволяет одновременно снимать сразу все отведения без необходимости перестановки контактов. Путем замены микрокода на “КаРе” версии 1.0 можно изменять продолжительность записи после нажатия кнопки, а на “КаРе” второй версии задавать частоту регистрации сигналов 250 Гц для общего применения или 1000 Гц для задач ритмокардиографии и построения ритмокардиограммы (РКГ).

Рис. 10. «КаРе». Версия 2.0.

Основная область применения данного прибора, в силу его особенностей и позиционирования на рынке - это долговременный мониторинг амбулаторных пациентов, в том числе и тех, кто проживает в удаленных регионах, а также в спортивной медицине для наблюдения за состоянием сердечной деятельности спортсмена до, во время и после интенсивных нагрузок. При этом аппаратная часть в целях снижения себестоимости остается одинаковой для всех видов применения, а адаптация к конкретной задаче достигается за счёт установки на прибор различных программ для микропроцессора и применения дополнительного программного обеспечения.

Поскольку, кроме уже упомянутых выше требований, программное обеспечение не должно содержать ограничений на коммерческое применение, было принято решение разрабатывать свой собственный программный продукт в рамках проекта.

Таким образом, требуется программа, которая будет принимать поток данных, разбивать его на отдельные отведения, отображать их на экране, а также позволит делать запись отрезков, хранить их во встроенной базе данных и визуализировать эти данные для упрощения анализа.


Постановка задачи

В рамках проекта перед нами была поставлена следующая задача: разработать программу кардиомониторинга, которая обладает такими функциями, как считывание данных, передаваемых кардиорегистратором, с COM-порта, отображение этих данных в виде традиционных кардиограмм с их обновлением в реальном времени, запись отдельных фрагментов в файл. Данный функционал является базовым, кроме него также были поставлены дополнительные задачи:

  •  Передача по сети. Это необходимо для того, чтобы можно было реализовать удаленную работу врача в тех случаях, когда у пациента нет  возможности прийти на прием ко врачу, но при этом ему требуется консультация врача по какому-либо вопросу. В таких случаях с помощью сетевого функционала у врача появляется возможность подключиться к кардиорегистратору, находящемуся у пациента, и считывать с него данные в режиме онлайн. Параллельно с этим врач может консультировать пациента при помощи телефонной связи или системы для видеоконференций;
  •  Визуализация.

Важным критерием для оценки качества готового программного продукта является качество его интерфейса: с одной стороны он должен отображать максимально полный набор информации, актуальный для врача, а с другой стороны он не должен быть перегружен управляющими элементами, также не должен усложнять восприятие всей представленной информации.


Описание структурных элементов системы

Проект “КаРе” направлен на решение задач кардиологии в таких областях, как наблюдение и консультирование амбулаторных пациентов, спортивная медицина и телемедицина для удаленных регионов. Сложность поставленной задачи требует привлечения к ее решению различных специалистов: врачей-кардиологов и спортивных тренеров, инженеров, разработчиков. Поскольку было принято решение сделать эту систему модульной для решения поставленных подзадач, для их реализации   создаются отдельные программы, выполняющие каждая свою функцию, однако все они так или иначе взаимодействуют между собой и являются элементами общей системы.

Разработка системы кардиомониторинга осуществляется поэтапно, на каждом этапе добавляется новый функционал и новые элементы системы. В то же время организация процесса разработки и внедрения такова, что уже созданные элементы системы не теряют своей актуальности при появлении новых модулей и подсистем, даже если их функционал частично пересекается. Это является прямым следствием разнородности решаемых задач и возможных применений.

Самая элементарная с точки зрения сложности и количества структурных единиц схема применения представлена на рисунке 11. Данный сценарий возникает в ситуации, когда врач имеет возможность проводить наблюдения непосредственно во время консультирования пациента, а также во время тренировки у спортсменов. При этом специалист может подключать прибор напрямую к своему персональному компьютеру и посредством программного обеспечения осуществлять снятие электрокардиограммы, а также анализировать ее в режиме реального времени. Первостепенная задача в данном сценарии - это отобразить получаемые с кардиорегистратора данные, предоставить специалисту возможность записывать вызывающие особый интерес фрагменты и удобный интерфейс с достаточной, но не излишней степенью информативности. Эта задача решается с помощью разработанного нами программного обеспечения для мониторинга, что и было отражено в техническом задании для данной работы.


Рис. 11.

Следующий сценарий используется в том случае, если у пациента нет возможности лично проконсультироваться со своим лечащим врачом. Примерами могут послужить ситуации, когда пациент не может получить квалифицированную медицинскую помощь по месту проживания в силу географического положения, и он вынужден обращаться за консультацией к врачу-кардиологу, находящемуся в другом городе, либо если врач или пациент находятся в отъезде, однако имеют доступ к сети интернет. Еще одним эффективным и востребованным способом применения системы является наблюдение амбулаторных пациентов, в особенности кардиологических больных с выявленными заболеваниями сердца и/или перенесших оперативное вмешательство, поскольку, с одной стороны, им требуется проходить регулярное обследование с целью обнаружения изменений и каких-либо неблагоприятных тенденций, а с другой стороны, стационарное лечение уже завершено или в настоящий момент не является целесообразным. Для этого пациент самостоятельно, либо при помощи медицинского работника делает запись кардиограммы. Запись может производиться как с помощью автономного прибора с последующим его подключением к компьютеру для копирования записей, так и из программы “Монитор”. Полученные файлы затем могут быть отправлены врачу как из встроенного программного обеспечения, так и из любого почтового клиента. Врач может просмотреть эти файлы и по уникальному идентификатору прибора автоматически определить, какому пациенту принадлежит данная кардиограмма, провести ее анализ и выдать заключение.

Рис. 12.

В том случае, если пациенту требуется консультация в режиме онлайн, необходимо обеспечить режим работы по сети с передачей данных в реальном времени с последующим их отображением на компьютере врача. Для этого используется механизм виртуальных COM-портов: на компьютере пациента запускается отправляющая часть, а на компьютере врача - принимающая часть специального программного обеспечения. Таким образом данные от прибора КаРе, собираемые на COM-порте, по протоколу TCP отправляются на удалённый компьютер, где они попадают в буфер виртуального COM-порта и затем считываются и отображаются программой “Монитор”, как если бы кардиорегистратор был подключен напрямую. (рис. 13)

Рис. 13.

Часто возникает необходимость при онлайн-консультировании не только видеть кардиограмму пациента, но и иметь возможность общаться с ним с помощью голоса или в режиме видеоконференций. Для этой цели в сети может быть дополнительно развернут сервер видеоконференций на базе Apache OpenMeetings.

Рис. 14.

Приведенные выше сценарии либо уже реализованы, либо находятся на завершающих этапах разработки, поэтому в настоящий момент в планах дальнейшего развития проекта “КаРе” на первом месте стоит создание более масштабной модели применения прибора в формате телемедицинского центра (ТМЦ). Телемедицина - это относительно новое направление, появившееся на стыке таких областей, как медицина, телекоммуникации и информационные технологии. Основной задачей телемедицины является предоставление медицинских услуг дистанционно с помощью различных средств связи, преимущественно для удаленного консультирования амбулаторных пациентов. На сегодняшний день возможности телемедицины объективно ограничены отсутствием необходимой материальной базы, опыта работы с подобными системами у врачей и большой степенью новизны этой системы. Процесс внедрения подобных систем уже начался как в государственном, так и в коммерческом секторе оказания услуг, и уже получен первый опыт их использования в реальных условиях в первую очередь в области кардиологии. Этот опыт еще раз подтвердил значительную полезность телемедицины, поскольку она смещает акцент с лечения болезней на их профилактику, позволяет повысить доступность квалифицированных медицинских услуг и снизить степень зависимости их качества от географического положения, а также снижает нагрузку на больницы и поликлинники.

Одной из предполагаемых задач при разработке кардиорегистратора “КаРе” было создание прибора, который бы оптимальным образом отвечал потребностям телемедицины. С этой точки зрения аппаратная часть прибора уже обеспечивает все необходимые функции, однако для создания полноценного ТЦМ требуется также и программное обеспечение, в первую очередь система управления процессом приема, сбора, обработки, исследования и хранения электрокардиограмм. Принципиально-логическая схема приведена на рисунке 14.

Для решения поставленных задач требуется три ключевых компонента. Самым важным из них является система управления, которая обеспечивает максимальную степень автоматизации всего процесса работы. В ее функции входят прием подключений от клиентов и их аутентификация, первичная обработка и приоритезация поступивших электрокардиограмм, а также их передача консультирующим врачам через диспетчерскую подсистему с целью дальнейшего анализа и получения заключения, и отправка собранной информации на хранение в базу данных. Диспетчерская подсистема обеспечивает очень гибкое взаимодействие с врачами, поскольку позволяет включать в процесс анализа ЭКГ произвольное количество медицинских работников, которые могут подключаться с любого персонального компьютера, оснащенного необходимым программным обеспечением. При этом осуществляется отбор и категоризация ЭКГ по таким критериям, как отсутствие шумов, помех и некорректных участков, которые не являются записью ЭКГ, а также наличие признаков легко выявляемых и/или особенно опасных заболеваний сердца. В тех случаях, когда существует прямая угроза здоровью клиента или риск резкого ухудшения его состояния, существует возможность автоматического вызова экстренной медицинской помощи. В остальных случаях будет происходить приоритезация поступивших данных по различным критериям (например, по наличию и существенности аномалий в записи, по частоте обращений, по наличию уже поставленных кардеологических диагнозов и т.д.) и назначение клиенту консультирующего врача из тех, кто в настоящий момент свободен. В рамках системы хранения данных предполагается возможность долговременного хранения электрокардиограмм каждого из клиентов, зарегистрированных в системе и вывод всей истории болезни пациента по запросу врача во время проведения консультации. Дальнейшее развитие системы хранения данных включает в себя внедрение распределенного хранилища для медицинской информации на базе облачных технологий.

Приведенная модель является достаточно универсальной для того чтобы ее можно было легко масштабировать и применять как в небольших медицинских учреждениях, так и в крупных региональных телемедицинских центрах. Высокий уровень автоматизации процесса обеспечивает эффективность и быстроту обработки клиентских запросов и минимизирует степень участия администратора в нормальном функционировании системы. Наконец, обеспечивается возможность удаленной работы с системой,

благодаря чему врачи могут более гибко выстраивать свой график работы.

Рис. 15.

В настоящее время разработка ТМЦ находится на начальных этапах развития, а основная работа сосредоточена на полной реализации схем, изображенных на рисунках 13 и 14. Наше участие в проекте “КаРе” заключается в реализации программного обеспечения “Монитор”, которое играет ключевую роль в функционировании данной системы. 


Реализация

В ходе работы перед нами стояла задача разработать программу, которая бы обладала следующими характеристиками:

  •  циклическое чтение данных с COM-порта;
  •  проверка принятых пакетов на корректность содержащихся в них данных;
  •  разделение на отведения и фильтрация полученных сигналов;
  •  отображение отведений на экране;
  •  вычисление и отображение первой производной;
  •  параллельная запись отображаемых данных в файл по нажатию кнопки;
  •  выделение QRS-комплексов.

Одним из требований заказчика было использование кроссплатформенной интегрированной среды разработки Lazarus, использующей в качестве компилятора Free Pascal.

Кроссплатформенность в данном случае означает, что она доступна как для Windows, так и для Linux и содержится в различных репозиториях. Одной из особенностей компилятора Free Pascal является возможность кросскомпиляции: находясь в какой-либо операционной системе, существует возможность собрать приложение для любой другой поддерживаемой платформы. Lazarus спроектирован таким образом, чтобы не зависеть от конкретной библиотеки. Для сборки доступны библиотеки для различных платформ, в том числе полная поддержка Windows API, Windows CE API, GTK+ 2.8+, Qt 4.5+, Carbon. Также существуют встроенные компоненты для взаимодействия с базами данных, например, MySQL, Oracle, PostgreSQL и т.д. Lazarus является свободным программным обеспечением и распространяется по лицензиям GPL, LGPL, MPL.

Данная среда разработки была выбрана для интеграции с уже существующими компонентами проекта, и использование другой среды разработки усложнило бы проект и затруднило бы поддержку и дальнейшее развитие наработанного кода. Результатом проделанной работы должна стать программа, готовая к реальному применению и использованию медицинскими работниками, которая будет входить в комплект поставки кардиорегистратора КаРе.

Получившаяся программа содержит около 2500 строк, из которых 1500 в основном модуле, 800 в модуле, описывающем различные меню и работу с конфигурационным файлом, оставшиеся 200 - это описание элементов формы. Таким образом, у нас два основных модуля: первый модуль реализует «технические» функции (взаимодействие с СОМ-портом, обработку сигналов и вывод данных на экран), второй модуль занимается взаимодействием с пользователем посредством элементов управления и меню.

Прежде чем приступить к непосредственному описанию особенностей реализации тех или иных поставленных задач, следует охарактеризовать аппаратную часть прибора и методы взаимодействия с ним. С технической точки зрения интерфейс, по которому прибор подключается к компьютеру - это стандартный последовательный порт RS-232, однако, поскольку современные компьютеры уже практически не оснащаются последовательными портами, в интерфейсный кабель встроен преобразователь RS-232 в USB. Операционными системами он определяется как USB-устройство и соответствующий ему СОМ-порт. Таким образом, мы получаем возможность использовать для взаимодействия с прибором стандартные библиотеки и методы работы с СОМ-портами несмотря на то, что подключение производится по интерфейсу USB.

Рис. 16.

Блок-схема программы представлена на рисунке 16. Ниже следует описание основных элементов данной схемы с пояснениями.

Сразу же после запуска программы происходит считывание настроек из ini-файла. Следующим этапом создается объект TRS232Thread, который служит для связи с СОМ-портом и считывания из него данных. Соединение устанавливается с тем портом, который был указан в настройках, либо, если настройка отсутствует, с портом /dev/ttyACM0 в операционных системах семейства Linux или СОМ1 в операционных системах Windows. Затем инициализируется окно, в которое в дальнейшем будет осуществляться вывод графической информации (оно разделяется на 8 частей/отведений, и в каждом чертится изолиния), выводятся обозначения отведений; открываются файлы для записи, в которые будут сохраняться отрезки кардиограмм. В случае, если СОМ-порт успешно открыт, производится чтение первых 32 значений уровня сигнала. Это требуется для того, чтобы наполнить буферы, поскольку ряд производимых в ходе анализа вычислений требует наличия информации о предыдущих 32 точках. В случае, если инициализация всех подсистем произошла успешно: успешно открыт СОМ-порт, окно и файлы готово для вывода поступающей информации, программа переходит в основной цикл. Если же какой-либо из компонентов не был успешно запущен, выводится информационное сообщение и/или программа ожидает изменения соответствующих настроек, и после изменения настроек происходит повторная инициализация.

В основном цикле регулярно происходит запрос на СОМ-порт для проверки наличия данных в буфере.  Накопившиеся пакеты изымаются  и производится выделение данных различных каналов с помощью операции логического «и», затем происходит их проверка и фильтрация (низкочастотная и высокочастотная), отбрасываются пакеты, содержащие аномально высокий или низкий уровень сигнала (поскольку разность потенциалов нормального человеческого сердца находится в определенных пределах), и резкие скачки уровня, которые также невозможны при естественной работе сердца. Это делается для того, чтобы проверить, является ли переданный сигнал настоящим и относящимся к кардиограмме и исключить явные помехи. В том случае, если с прибора поступает помеха, то вместо нее на электрокардиограмме отображается изолиния (горизонтальная прямая линия, которая записывается при отсутствии тока). За счет этого мы исключаем помехи из анализа, чтобы получить достоверный результат.  Также в процессе работы может возникать такое явление, как уход изолинии (ее смещение вверх или вниз относительно начального положения). Этот эффект носит исключительно физический характер, однако может быть скомпенсирован программно посредством пересчета корректного положения изолинии и внесения сдвига в уровень сигнала.

После этого «чистый сигнал» подвергается дальнейшему анализу: производится вычисление первой производной (по умолчанию это делается по первому отведению), происходит выделение QRS-комплексов и выполняется вычисление интервалов RR (интервалов, между зубцами R). В текущей версии программы эти данные просто выводятся в файл, однако в дальнейшем информация об их длине будет использоваться ритмокардиографического анализа.

После выполнения всех необходимых подготовительных операций, полученные сигналы отведений и значений первой производной выводятся на экран.

Запись в файл отрезка электрокардиограммы произвольной длины осуществляется посредством нажатия кнопки Rec. Формат файла является универсальным для всей линейки приборов “КаРе”, и за счет этого файл может быть прочитан и отображен в программном обеспечении врача для “КаРе” версии 1.0. Таким образом полученную запись можно сохранить и затем изучить ее более подробно в оффлайн режиме, а также отправить ее другому специалисту для более подробного анализа.

Этот процесс продолжается в цикле до тех пор, пока пользователь сам не приостановит работу программы. После чего осуществляется закрытие порта и файлов, использующихся для вывода данных.

Интерфейс программы выглядит следующим образом. (рис 17) 

Рис. 17.

В центральной части находится основное рабочее пространство. Именно на него выводятся кардиограммы. С правой стороны расположено меню, которое позволяет управлять различными параметрами вывода, такими как усиление отведений, скорость развертки, с какого потока берутся данные для

вычисления QRS-комплексов,  также можно записать указанное количество RR-интервалов и вывести его в файл CSV, чтобы провести дальнейший ритмокардиографический анализ. Справа сверху кнопка Rec позволяет делать непрерывную запись указанное количество секунд. Кнопка «Пауза» позволяет приостановить процесс вывода ЭКГ.


(Рис. 18)

На рисунке 18 приведен пример кардиограммы, снятой с помощью прибора.

(Рис. 19)

На рисунке 19 представлено контекстное меню, вызываемое по нажатию правой клавиши мыши. Оно служит для получения доступа к основным функциям: выбор усилений, выбор скорости развертки, «Запись в файл», «Спрятать панель с кнопками», «Закрыть», а также для доступа в меню «Настройки».

(Рис. 20)

В меню «Настройки» расположены три вкладки: настройки соединения, настройки экрана и настройки текста. На рисунке 20 показаны настройки соединения. Эта вкладка позволяет указать, через какой порт и с какой скоростью будет устанавливаться соединение с прибором.

(Рис. 21)

На рисунке 21 показана вкладка «Настройки экрана». В ней можно выбирать цвет фона, цвет линий и их толщину, а также цвет линий для отведений.

(Рис. 22)

На рисунке 22 изображена вкладка «Настройки текста». В ней можно указывать основной текст, который будет располагаться на экране, шрифт, размер, цвет, а также дополнительную информацию: надпись внизу, наверху, шрифт, размер и цвет надписей.


Заключение

В рамках данной бакалавской работы было разработано программное обеспечение для кардиорегистратора «КаРе», позволяющее принимать поток данных на COM-порт, разбивать его на отдельные отведения, отображать полученные данные на экране, а также позволит делать запись по событию, хранить их во встроенной базе данных и визуализировать эти данные для упрощения анализа. Для этого был рассмотрен процесс отслеживания и анализа показателей сердечной деятельности, таких как частота сердечных сокращений и электрический потенциал. Были определены основные принципы построения электрокардиограммы: построение зубцов и интервалов ЭКГ. Были рассмотрены различные виды отведений (системы расположений регистрирующих электродов на теле пациента). Получившийся в итоге программный продукт соответствует поставленным требованиям заказчика. Данное программное обеспечение будет входить в комплект поставки прибора «КаРе». В настоящее время аппаратное обеспечение находится в стадии предсерийного образца, и получившийся программно-аппаратный комплекс проходит тестирование и апробацию.


Список литературы

  1.  Зудбинов Ю.И. Азбука ЭКГ. Изд. 3-е. Ростов-на-Дону: изд-во «Феникс», 2003, 160 с.
  2.  The Demographic Yearbook of Russia. 2010. Federal State Statistical Service (Rosstat). Moscow, 2010. (Демографический ежегодник России, 2010).
  3.  Кардиология в таблицах и схемах. Под ред. М. Фрида и С. Грайнс. Пер. с англ. – М., Практика, 1996. – 736 с.
  4.  А. Дабровски, Б. Дабровски, Р. Пиотрович. Суточное мониторирование ЭКГ: (Первод: Корнеев Суточное мониторирование ЭКГ: (Первод: Корнеев .Н.В., Грабко Н.Н., Банникова С.Д.) – М.: Медпрактика, 2000. – 208 с.

PAGE 28


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9985. Нелинейное программирование. Постановка задачи 103.5 KB
  Нелинейное программирование. Постановка задачи. При проектировании радиоэлектронных средств перед работником встает вопрос об оптимальности полученных технических решений. Формально оптимальность как и при линейном программировании оценивается значениями целевой...
9986. Комплексные автоматизированные системы. CALS - технология 127.5 KB
  Комплексные автоматизированные системы. CALS технология Вопросы Концепция CALSтехнологии. Стратегия CALS CALSтехнология в России Концепция CALS - технологии Основой концепции CALS является повышение эффективности процессов жизненного цикла изделия за ...
9987. Основные концепции графического программирования 207.5 KB
  Основные концепции графического программирования Вопросы Графические библиотеки Системы координат Окно и видовой экран Примитивы Ввод графики Дисплейный файл Матрица преобразования Удаление невидимых линий и поверхностей Визуал
9988. MathCAD. Ввод формул. Форматирование результата 267 KB
  MathCAD является математическим редактором позволяющим проводить разнообразные научные и инженерные расчеты начиная от элементарной арифметики и заканчивая сложными реализациями численных методов. Является универсальной системой для работы с формулами числами...
9989. Создание графиков в MathCAD 277.5 KB
  Создание графиков в MathCAD В Mathcad встроено несколько различных типов графиков которые можно разбить на две большие группы. Двумерные графики: декартовый и полярный графики. Трехмерные графики: график трехмерной поверхности график линий уровня и т.д. Деление...
9990. Символьные вычисления в MathCAD 211 KB
  Символьные вычисления в MathCAD Кроме вычисления выражения численно программа использует символьную математику результатом вычисления выражения является другое выражение. Первоначальное выражение можно разложить на множители проинтегрировать его решить уравнение...
9991. Решение уравнений, построение графиков и анимация в MathCad на примере исследования термодинамической системы. Задача о чашке кофе 42 KB
  Решение уравнений построение графиков и анимация в MathCad на примере исследования термодинамической системы. Задача о чашке кофе Рассматривается пример исследования термодинамической системы в Mathcad. Постановка задачи и порядок выполнения работы описывается в соо