Свиньин С.Ф., Попов А.И., Рудалев А.В. Вейвлет-анализ и информационные технологии в задачах обработки электрогастроэнтерограмм // Труды СПИИРАН. 2013. Вып. 4(27). С. 129-143.

Авторы: Свиньин С.Ф. / Попов А.И. / Рудалёв А.В.

Вейвлет-анализ и информационные технологии в задачах обработки электрогастроэнтерограмм

С.Ф. Свиньин, А.И. Попов, А.В. Рудалев

Аннотация. В статье проанализировано современное состояние исследований в области электрофизиологических методов обследования органов желудочно-кишечного тракта с позиций сотрудничества медиков и инженеров в сфере информационных технологий

Проведен краткий обзор аппаратного, программного и методического обеспечения электрогастроэнтерографии. Рассмотрены особенности вейвлет-анализа гастроэнтерограмм, предложены варианты использования преобразования Морле для получения новых динамических характеристик сигналов. Описана структура исследований, построенная за последние годы в Северо-Западном регионе России. Предложены перспективные направления дальнейших работ: объединение возможностей электрогастроэнтерографии и телемедицины, а также создание в Интернет-пространстве открытой платформы для сотрудничества исследователей в данной области.

Ключевые слова: медицинская диагностика, электрофизиология, электрогастроэнтерография, цифровая обработка сигналов, вейвлет-анализ, информационные и телекоммуникационные технологии.

Wavelet analysis and information technologies in problems of electrogastroenterograms processing

Svinyin S.F., Popov A.Y., Rudalev A.V.

Abstract. The current state of research in the field of computerized electrophysiological gastrointestinal tract (GIT) diagnostics methods in terms of cooperation of medical specialists and IT-engineers is analyzed in the paper. Hardware, software and methodology of electrogastroenterography (EGEG) are reviewed. The features of the wavelet transform (WT) in the processing of non-stationary signals of EGEG are viewed. The research infrastructure built in recent years in the North-West region of Russia is presented. Prospects are offered: using telemedicine technologies in EGEG and development of open Internet-platform for accumulation and sharing experience between the researchers in this field.

Keywords: medical diagnostics, electrophysiology, electrogastroenterography, digital signal processing, wavelet analysis, information and communications technologies.

1. Введение. Компьютерные методы медицинской диагностики наиболее успешно развиваются в областях, имеющих дело с обработкой электрических сигналов, поступающих от органов. К таким областям относятся электрокардиография (ЭКГ), электрогастроэнтерография (ЭГЭГ) и электроэнцефалография (ЭЭГ). Первые две из выше упомянутых наук изучают механические сокращения органов. Исследователи во всех странах признают, что наибольшие успехи в мировой медицине достигнуты при изучении деятельности сердечно-сосудистой системы. В ЭГЭГ за последнее время (приблизительно за 10–15 лет) тоже накоплен определенный клинический опыт, но прогресс в этой области был более медленным из-за трудностей в сборе данных, не установившихся окончательно стандартов, меньшего внимания и заинтересованности со стороны медиков и инженеров по биомедицине [1].

Важно отметить, что в подходах, в методах исследования, характерных для обеих наук, существует много общего:

• изучение режимов сократительной деятельности органов;
• наблюдения за отклонением частотных характеристик от нормы: режимы тахикардии и, соответственно, тахигастрии (ускоренный ритм), брадикардии - брадигастрии (замедленный ритм);
• применение методов длительного мониторинга процессов;
• изучение аритмии.

ЭГЭГ относится к числу количественных методов определения показателей состояния желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), к которым также относятся процедура определения уровня кислотности в желудке (pH-метрия), манометрия и импедансография. Часто ЭГЭГ предшествует качественным методам обследования органов, таким, как рентгенография, УЗИ, эндоскопия. Неинвазивной методикой является проведение периферической ЭГЭГ, когда электрический сигнал снимается с поверхности живота или с конечностей и отсутствует вторжение в организм внешних датчиков и/или устройств [2]. Если исследование касается только функционирования желудка, то оно называется электрогастрографией (ЭГГ). При этом число отведений сигнала (число датчиков) считается еще не установившимся, в отличие от ЭКГ и ЭЭГ. Обычно оно составляет от 3 до 8.

2. Аппаратное обеспечение. Производством приборов для исследований ЖКТ занимаются несколько всемирно известных компаний. Это, в первую очередь, крупнейшая американская фирма «Medtronic Inc.», имеющая отделения во многих странах, включающая шведскую фирму «Synectic-medical AB» и выпускающая приборы типа polygraph, digitrapper и др. Обычно выполняются комплексные исследования ЖКТ — электрогастрография, внутрижелудочная pH-метрия, суточный pH-мониторинг, манометрия. Известны также приборы для электрогастрографии типа EMG100C, производимые фирмой «Biopac Medical» (Швейцария), и приборы того же назначения типа Blue Runner фирмы «Menfis Biomedica» (Италия).

В России основным объединением, выпускающим медицинские приборы различного назначения, является научно-производственное предприятие «Исток-система» (г. Фрязино Московской области). В частности, одна из его специализаций — выпуск приборов для функциональной гастроэнтерологии. Широко применяются в различных медицинских учреждениях СНГ приборы под торговой маркой «Гастроскан–Gastroscan». Некоторые из них многофункциональны. Прибор «Гастроскан-24» предназначен для проведения длительной (до 24 часов) pH-метрии, прибор «Гастроскан-Д» — для измерения давления в пищеварительном тракте, а гастроэнтеромонитор «Гастроскан-ГЭМ» — для одновременного исследования уровня кислотности и снятия электрогастроэнтерограмм.

3. Методы анализа. Основными диагностическими показателями, получаемыми в результате компьютерной обработки, служат значения амплитуд (пики колебаний) электрических сигналов, мощность в импульсе, спектр мощности и его изменение во времени, величины отклонений частот от номинальных величин, коэффициенты аритмии, формы колебаний. Режим функционирования желудка, называемый «нормогастрия», соответствует диапазону частот сокращения органа на уровне ωD = 0.05 Гц с допуском в пределах ±20%. Международное обозначение такой частоты 3 cpm (3 circles per minute — 3 цикла в минуту). Наиболее высокие частоты сокращений наблюдаются у двенадцатиперстной кишки (ДПК) 12 cpm (0.2 Гц).

В большинстве стран в гастроэнтерологических исследованиях преобладают спектральные методы обработки сигналов. Причем, как правило, развивается тесное сотрудничество медиков с инженерами — специалистами по IT-технологиям в составе общих департаментов научных центров или одного или двух факультетов многопрофильных университетов.

Самым информативным и широко используемым в мировой практике показателем динамики активности ЖКТ является пространственная 3D-картина, отображающая зависимость амплитуды (мощности) гастросигнала от времени и частоты. Она может быть построена как на основе преобразований типа скользящего (оконного, кратковременного) Фурье-анализа (running spectral analysis — RSA), так и с помощью математического аппарата вейвлет-анализа.

Наиболее крупные научные школы в области гастроэнтерологии и электрогастроэнтерографии функционируют в Швеции, Чехии, Польше, Великобритании, Италии, Канаде, США, Японии, Индии и в других странах. Италия, в частности, известна работами в области педиатрической гастроэнтерологии. Особое внимание там уделяется применению методов периферической ЭГЭГ для изучения системы пищеварения пациентов, находящихся в самом раннем детском возрасте — в первые месяцы жизни человека, когда маленький пациент не способен еще жаловаться на свои заболевания, и необходимы объективные цифры и графическая информация, говорящие о состоянии органов. Инвазивные средства — зонды, капсулы, pH-метрия, манометрия здесь затруднены к использованию.

Диагностика на основе изучения электрогастрограмм, так же, как другие процедуры и методы диагностирования состояния организма человека, стремится увязать результаты компьютерного формализованного анализа с выводами лечащих врачей. В этом плане представляют интерес исследования индийских специалистов из университета г. Тамилнади [2], которые соединяют в едином комплексном рассмотрении такие факторы, как вид гастроэнтерологического заболевания (например, язва желудка или функциональная диспепсия), режимы preprandial / postprandial и диапазоны изменения доминантных частот.

Усредненные результаты рассмотрения для большой группы пациентов (около 180 больных) приведены в таблице.

Таблица. Зависимость частоты и амплитуды колебаний от типа заболевания

Заболевание	Частота postprandial  /preprandial,  cpm	Диапазон изменения	Амплитуда postprandial  /preprandial,  V	Диапазон изменения
Язва желудка	7.5 / 2.5	3	0.6 / 0.55	1.09
Диспепсия	4.5 / 2.8	1.6	0.95 / 0.7	1.36
Норма	3 / 3	1	0.5 / 0.5	1

Из этой таблицы следует основной вывод, что частота при переходе от режима «preprandial» к режиму « postprandial» у больных язвой желудка изменяется в более широких пределах, чем при диспепсии.

4. Вейвлет-анализ гастроэнтерограмм. При рассмотрении длительных записей ЭГЭГ следует принимать во внимание нестационарность регистрируемых сигналов. Во-первых, их спектральный состав и амплитуда колебаний могут существенно меняться даже в рамках одного измерительного сеанса. Во-вторых, рассматриваемые сигналы, как правило, содержат артефакты, происхождение которых не связано с сократительной активностью органов ЖКТ (например, артефакты движения). Кроме того, особый интерес представляет информация, сосредоточенная во «всплесках активности» органов. Поэтому для надежной диагностики недостаточно использования только усредненных характеристик гастроэнтерограмм.

Важным инструментом анализа нестационарных сигналов является вейвлет-преобразование (ВП), которое определяется следующим образом:

где x(t) — анализируемый сигнал, Ψ((t - b) / a) — локализованная во времени и по частоте осциллирующая функция, допускающая растяжения, сжатия и сдвиги во времени. Результатом вычисления ВП является массив вейвлет-коэффициентов CW(a,b) [4].

Приведем несколько примеров применения ВП при обработке гастрограммы [5]. В качестве анализирующей функции возьмем вейвлет Морле [4], который определяется следующим выражением:

Он представляет собой синусоиду, модулированную функцией Гаусса, и позволяет выявлять всплески активности с учетом их важных параметров. Так, параметр μ определяет местоположение всплеска, f — его частоту, а σ — ширину всплеска (точнее, за ширину всплеска берется 6σ). На рис. 1 показаны графики вейвлет-функции Морле при различных значениях частоты. Здесь для удобства построения графиков вместо комплексной синусоиды использована ее вещественная часть.

Рис. 1. Графики вейвлет-функции Морле при различных значениях частоты

Используем следующее выражение для преобразования Морле:

Оно позволяет рассматривать во взаимосвязи амплитуду всплеска гастрограммы, его длительность, частоту и время появления, а применение современных технологий визуализации данных дает возможность анализировать эту взаимосвязь с различных точек зрения.

В качестве исходных данных рассмотрим реальный измеренный сигнал (рис. 2, a), из которого путем цифровой фильтрации с полосой пропускания (0.03–0.07) Гц выделена гастрограмма, содержащая информацию о сокращениях желудка (рис. 2, b).

Рис. 2. Исходный сигнал (а) и гастрограмма (b)

На рис. 3, b показан результат преобразования Морле этой гастрограммы при фиксированном размере вейвлета и переменной частотой.

Рис. 3. Преобразование Морле при фиксированном масштабе: a) гастрограмма, b) спектрограмма

Фактически, это оконное преобразование Фурье, в котором в качестве окна используется хорошо локализованная во времени и по частоте функция Гаусса. На спектрограмме различными оттенками серого изображены абсолютные значения вейвлет-коэффициентов: чем больше значение, тем темнее соответствующий фрагмент рисунка. Такая визуализация позволяет, в частности, проследить изменения доминантной частоты во времени. В данном примере доминантная частота, в основном, близка к нормальной (0.05 Гц), однако, частота ярко выраженного всплеска, возникшего на 23-й минуте записи, существенно ниже.

Картины изменений амплитуд сокращений желудка в зависимости от времени, частоты и размера всплеска активности приведены на рис. 4. Распределения всплесков по частотам с учетом их длительности можно представить и в более объективной форме, например, при помощи гистограмм, как это сделано на рис. 5.

Рис. 4. Изменение амплитуды сокращений желудка в зависимости от времени, частоты и размера всплеска активности

Рис. 5. Распределения всплесков различного размера по частотам

Величина каждого столбца соответствует энергии сигнала, получаемого в результате интегрирования произведения гастросигнала и вейвлета Морле с фиксированными значениями частоты и размера. Из рисунка 5, в частности, видно, что у всплесков разной длительности несколько различаются и значения доминантных частот.

Вычислительные процедуры реализованы в системе вычислительной математики Octave, совместимой со средой MATLAB. Визуализация результатов выполнена при помощи программы GNUPlot.

5. Инфраструктура исследований. Исследования в области применения компьютерных средств в гастроэнтерографии начались в СПИИРАН в 2006 году в соответствии с программами Президиума РАН и Президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН по направлению «Фундаментальные науки — медицине». В них активно участвовали аспиранты СПИИРАН и Поморского государственного университета (ПГУ), ныне вошедшего в состав Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (САФУ). В 2008–2009 гг. университет получил региональный грант РФФИ на выполнение проекта «Север — Разработка математических моделей и алгоритмов диагностики для систем исследования желудочно-кишечного тракта пациентов в условиях высоких широт». САФУ тесно взаимодействует с медиками Севера, причем с организациями, находящимися как в России, так и за рубежом. Создание недорогих электрофизиологических методов диагностики заболеваний крайне важно для развития медицины Севера. Осознавая это, соответствующие медицинские учреждения активно включились в подобные междисциплинарные исследования, что способствует переносу новых методов диагностики из лабораторий в клиническую практику.

В целях объединения перспективных методов медицинских обследований, математических основ цифровой обработки сигналов (ЦОС) и технологий построения информационных систем в институте математики, информационных и космических технологий (ИМИКТ САФУ) развивается инфраструктура данных исследований.

В 2012 году в институте создана научно-исследовательская лаборатория измерительных систем и цифровой обработки сигналов с целью выполнения проектов в важных для региона областях науки и практики: в медицине, энергетике, сейсмологии, нефтяной и газовой промышленности, причем медицинское направление рассматривается как приоритетное. В рамках программы развития университета материальная база лаборатории пополнилась современным измерительным оборудованием для ЭГЭГ, в частности, гастроэнтеромониторами «Гастроскан-ГЭМ», отладочными платами для проектирования и отладки нового разрабатываемого оборудования, симуляторами активности пациента, цифровыми сигнальными процессорами, датчиками и т.д.

С осени 2009 года с периодичностью два раза в месяц в институте проводится научный семинар «Прикладные информационные технологии», на который для выступлений с докладами и проведения дискуссий приглашаются студенты, магистранты, преподаватели университета, а также сотрудники наукоемких предприятий региона. Несмотря на довольно общее название семинара, в последнее время формируется основное направление его работы — построение информационных систем, ориентированных на измерения и цифровую обработку сигналов. В целях повыше�