№ КП-06-H37/9 от 06.12.2019г. Звукова трансформация (сонификация) на електрокардиограма – нов подход при телеметрично мониториране на сърдечната дейност

Име на проекта: № КП-06-H37/9 от 06.12.2019г. № КП-06-H37/9 от 06.12.2019г. Звукова трансформация (сонификация) на електрокардиограма – нов подход при телеметрично мониториране на сърдечната дейност

Продължителност: 06.12.2019 - 06.12.2022

Финансирано от:

Фонд „Научни изследвания“ към Министерство на образованието и науката

Анотация:

Обект на изследване в проектното предложение е един нов подход за представяне и предаване на разстояние на ЕКГ, състоящ се в трансформация на регистрирания аналогов сигнал в звуков (сонификация) и използване на най-масовия способ за отдалечена свързаност – звуковата комуникация. Този вид комуникация не изисква специални мерки за защита (криптиране) на данните, тъй като използва стандартните канали за трансфер, осигурени от комуникационните компании. Предвидените дейности включват разработване и експериментални изследвания на хардуерни и софтуерни решения за трансформиране на ЕКГ сигналите в звук и следващо използване на „сонифицирания“ ЕКГ сигнал за диагностика на сърдечни аритмии. За целта ще бъде асемблиран портативен пациентен модул за регистриране на „сонифицирани“ ЕКГ сигнали с оптимални характеристики. През втория етап, ще бъде изследван диагностичния потенциал на амплитудно-честотно модулирания акустичен ЕКГ сигнал (в 3D пространството – време/честота/амплитуда) с помощта на класификационни алгоритми с машинно обучение. Цифровите обработките ще се извършват с компютърна станция с висока производителност, която ще даде възможност за обучение на различни многопараметрични оптимизационни и класификационни модели (напр. статистически модели, Naïve Bayes, метод на най-близките съседи, метод на главните компоненти, стъпков дискриминантен анализ, размита логика, дърво на решенията, метод на опорните вектори, конвенционални невронни мрежи и др.)

Цел на проекта:

Целта на проектното предложение е: Да се синтезира и изследва нов подход за преобразуване на електрокардиографски сигнал в звук и да се оценят, посредством общоприети статистически индекси, основните му параметри съобразно изискванията при телеметрично (амбулаторно) мониториране на пациенти.
       Хипотезата е, че е възможно при регистриране да се осъществи трансформация в звук (сонификация) на електрокардиограмата, последващ пренос на получения звуков сигнал на разстояние до мястото на приемане, при пълно запазване на параметрите на сигнала след обратна трансформация (възстановяване). За осъществяване на преноса ще се използват стандартни комуникационни средства – мобилни телефони.
За постигане на така формулираната цел са набелязани следните задачи:

1. Да се синтезира и експериментира в среда Matlab алгоритъм за честотна модулация и демодулация на ЕКГ сигнали, като се определят оптимални стойности за носеща честота, девиация и честота на дискретизация. Алгоритъмът да се приложи върху сигнали от стандартни ЕКГ бази данни – AHA, MIT-BIH, CTS Test Atlas, като се оцени грешката след прилагане на правата и обратна трансформация.

2. Да се синтезира апаратна реализация на портативна електрокардиографска система, в която да се приложи алгоритъмът за сонификация на ЕКГ. Да се повторят изследванията от т. 1 с ЕКГ симулатор и предаване на звуковия сигнал на разстояние чрез GSM до отдалечен приемник (компютър). Да се оцени грешката между симулирания и приетия сигнал. Да се анализират причините за грешки (случайни или системни) и да се вземат мерки за повишаване на шумоустойчивостта.

3. Да се тества апаратната реализация с доброволци, в лабораторни условия. Да се разработят алгоритми за детекция на специфични шумове, които потенциално могат да се индуцират в аудио канала в условия на ръчно контролирано регистриране на ЕКГ, в т.ч. артефакти от лош контакт на ЕКГ електродите, околен шум и др.  Да се предложат решения за повишаване на шумоустойчивостта на аудио ЕКГ сигнала. Да се изведе индекс за количествена оценка на диагностично-полезна аудио ЕКГ с цел отхвърляне (блокиране на изпращането към централната станция) на зашумени епохи, върху които автоматичен ритъмен анализ не би дал надеждно решение. Своевременно, да се изведе обратна връзка към потребителя за подобряване на условията на запис.

4.  Да се синтезират алгоритми за автоматичен анализ на сонифицирано ЕКГ, предназначени за разпознаване на сърдечни аритмии (краткотрайни или живото-застрашаващи събития). За целта да се предложат методи за измерване на нови диагностични параметри на сонифицираното ЕКГ, както и анализ на цялостни епохи на ЕКГ аудиограмата (в 3D пространството -време/честота/амплитуда). Да се проектират целеви функции за оптимизация на избора на параметри, както и многопараметрични класификационни модели (дискриминантни функции, SVM, невронни мрежи и др.). Да се организира трениране и тестване с подходящи бази данни със сонифицирани ЕКГ сигнали (след трансформация съгласно т.I или II).

5. Да се проведат контролирани клинични изпитания за оценка на надеждността на аудио комуникация при ЕКГ телеметрия.

Екип от ТУ-София:

Екип от ТУ-София:
проф. дтн инж. Иво Илиев, доц. д-р инж. Серафим Табаков,  гл. ас. д-р инж. Борислав Тодоров Ганев, гл. ас. д-р инж. Димитър Христов Бадаров, докт. маг. инж. Иван Красимиров Кънев

Координатор на проекта: проф. дтн инж. Иво Илиев