Переход между форматами файлов записи многоканальных биологических и физиологических сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет,

Переход между форматами файлов записи многоканальных биологических и физиологических сигналов

Р.Б. Таов,

С.А. Синютин

Таганрог

С развитием компьютерных технологий количество форматов данных и способов их организации на дисковом пространстве устройств хранения информации постоянно увеличивается, основными критериями в данном случае являются скорость доступа, надежность и компактность. В различных ситуациях те или иные критерии имеют больший приоритет, что и приводит к существенному разнообразию форматов данных (файлов). В связи с этим часто возникает необходимость в обмене данными между различными форматами для сравнения алгоритмов и полученных результатов.

При разработке мобильного Комплекса кардиомониторирования и эргометрии [1,2], одной из основных задач которого является запись получаемых данных (электрокардиосигнал, миографический сигнал, данные инерциальных датчиков) на micro SD карту памяти в режиме реального времени, встал вопрос о выборе формата данных для хранения на карте памяти. Одним из широко распространенных форматов данных для записи многоканальных биологических и физиологических данных является EDF [3] (European Data Format) - он представляет собой простой и гибкий формат для обмена и хранения многоканальных биологических и физических сигналов. Однако из-за универсальности данный формат обладает избыточной сложностью для простых систем с детерминированными параметрами и характеристиками. Основным недостатком формата EDF в задаче, решаемой авторами явились требования к быстродействию вычислительной системы, на базе который выполнены устройства Комплекса, особенно с учетом того, что наиболее приоритетной задачей является обработка и сохранение полученных данных, а не удобство их последующего анализа. По этой причине при разработке Комплекса кардиомониторирования и эргометрии был разработан собственный формат файла для записи физиологических сигналов. Однако на этапе государственной регистрации медицинского изделия для подтверждения полноты функций изделия и его метрологических характеристик с использованием верифицированных баз данных электрокардиограмм возникла необходимость преобразования данных из собственного формата в EDF, MIT-BIH [4,5] и наоборот.

Цель настоящей работы ? создание алгоритмов и программного обеспечения для перехода между различными форматами хранения электрокардиографических данных. Для этого проанализирована техническая документация формата EDF и MIT-BIH, а так же собственный формат записи. Сопоставлен перечень информационных полей каждого из форматов и их соотношение.

Содержание заголовка, метод расшифровки сигналов и рекомендации при создании конвертора

EDF файл состоит из заголовка, в котором находится информация о технических характеристиках сигналов, а так же информация идентифицирующая пациента, кодирующаяся в UTF-8, за которой следует последовательные записи сигналов фиксированной продолжительности. Стоит отметить, что размер заголовка имеет переменную длину и напрямую зависит от количества записанных в него сигналов. Для каждого сигнала в заголовке выделяется по 256 байт:

где B - количество байт в заголовке, k - количество сигналов.

Заголовок содержит (все знаения указаны в байтах):

1) Данные, не зависящие от количества сигналов (25):

- номер версия формата (байты 1-8);

- ФИО, пол и возраст пациента (байты 9-88);

- полная дата начала записи сигналов (байты 89-168)

- краткая дата начала записи сигналов (байты 169-176);

- время начала записи сигналов (байты 177-184);

- количество байт выделенное под заголовок (байты 185-192);

- поле для комментария к данному файлу (байты 193-236);

- количество периодов фиксированной продолжительности (байты 237-244);

- продолжительность записей данных (байты 245-252);

- количество сигналов в файле (байты 253-256).

2) Данные, зависящие от количества сигналов:

- наименования сигналов;

- наименования приборов, с помощью которых осуществлялись измерения сигналов;

- размерности сигналов;

- физические минимумы;

- физические максимумы;

- цифровые минимумы;

- цифровые максимумы;

- предварительные поля;

- продолжительность каждой записи сигнала;

- комментарии к сигналу.

Адреса полей данных (указаны в байтах относительно начала файла), зависящие от количества сигналов, определяются по таблице №1.

Таблица № 1 Адресация границ информационных полей

На рис. 1 приведен пример заполнения заголовка EDF файла с многоканальным сигналом.

Рис. 1 - Пример заголовка EDF файла в UTF-8

Благодаря данным из заголовка, можно рассчитать частоту сигналов, для этого нужно найти отношение продолжительности каждой записи сигнала к продолжительности записей данных.

После заголовка находится кусочно-чередующиеся сигналы. Чередование определяется порядковым номером сигналов и имеет заданное в заголовке количество точек на одно повторение. Каждая точка состоит из двух байтов. Первый байт- младший, второй- старший.

При создании конвертора важно учитывать, что:

- количество байт в заголовке должно иметь четко фиксированное значение и определяется по формуле (1);

- значение продолжительности каждой записи сигнала не рекомендуется превышать 61440 байт;

- цифровые минимумы и максимумы каждого сигнала должны указывать крайние значения, которые могут возникать в записях;

- размер файла должен быть равен удвоенному произведению суммы всех продолжительностей записей сигналов на количество периодов фиксированной продолжительности сигналов.

Другим примером могут послужить файлы базы данных аритмии MIT-BIH, которая была первым общедоступным набором стандартных тестовых материалов (аннотаций) для оценки детекторов аритмии, а также использовалась для исследований сердечной динамики. MIT-BIH содержит записи двухканальных амбулаторных ЭКГ с частотой 360 Гц. Для каждой двухканальной записи MIT-BIH есть соответствующая зашифрованная справочная аннотация в расширении файла *.atr. Аннотация представляет собой готовый анализ типов QRS комплексов соответствующих ЭКГ сигналов с временными отчетами, измеряемыми от предыдущей аннотации.

Методы расшифровки аннотации, ЭКГ сигнала и преобразования частот

Каждая аннотация состоит из четного количества байт (минимум - 2 байта). Первый байт - младшие разряды 16-битного числа, второй - старшие. Шесть старших разрядов 16-битного числа каждой пары байт представляют собой код типа аннотации из которого можно получить тип QRS - комплекса по таблице №2. Десять оставшихся бит представляют собой относительное время, к которому относится данная аннотация, измеряемое в интервалах дискретизации от предыдущей аннотации.

Таблица № 2 Код аннотации и соответствующий ему тип QRS-комплекса

Коды аннотаций между 42 и 48 включительно определяются исключительно пользователями.

ЭКГ сигнал имеет 2 канала и его единичные значения двух каналов записываются в 3 байта. Первый байт - младшие разряды значения первого канала, первые 4 бита второго байта являются старшими разрядами первого канала, а вторые 4 бита - старшие разряды значения второго канала. Третий байт, аналогично первому байту, - это младшие разряды значения второго канала. файл биологический сигнал сертификация

Рис. 2 - Расшифровка каналов ЭКГ сигнала

Одной из основных проблем является корректная передача данных в случае, если не совпадает частота дискретизации у сигнала в базе данных и сигнала на выходе конвертера. Необходимо иметь точные и весьма быстрые методы преобразования файлов полученных с одной частотой дискретизации в стандарт с другой частотой дискретизации. Поскольку верифицированные базы данных были записаны давно, их частота дискретизации по современным понятиям является весьма низкой.

Рассмотрим пример преобразования сигнала из базы, записанной с частотой дискретизации f1=360 Гц в сигнал с частотой дискретизации f2=400 Гц. Преобразования на повышенную частоту дискретизации [6 - 8] осуществляется несколькими шагами:

- определяем множитель повышения частоты дискретизации в виде дробно-рационального отношения (в нашем случае f2/ f1=400/360=10/9=N2/N1);

- увеличиваем частоту дискретизации в N2=10 раз путем добавления 9 нулевых отсчетов после каждого отсчета сигнала;

- отфильтровываем высшие гармоники нерекурсивным фильтром высокого порядка с линейной фазой [9,10], частотой дискретизации N2*f1=3600 Гц, частотой пропускания 180 Гц (согласно теореме Котельникова - Шеннона), частотой подавления 300 Гц, неравномерностью в полосе прозрачности 1 дБ, подавлением 60 дБ в полосе подавления (фильтр синтезируется в программе MatLab с помощью свойства toolbox design);

- производим децимацию 1: N1=1:9 (пропускаем 8 отсчетов и выдаем 9-й как очередной отчёт).

Результаты

Учитывая особенности преобразования форматов, описанные в настоящей статье, было создано программное обеспечение, использующееся для проверки и испытаний Комплекса кардиомониторирования и эргометрии разработанного совместно ОАО «НПП КП «Квант» и ФГАО ВО ЮФУ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проекта «Создание высокотехнологичного производства по изготовлению мобильного многофункционального аппаратно-программного комплекса длительного кардиомониторирования и эргометрии» по постановлению правительства №218 от 09.04.2010 г. Работа выполнялась во ФГАОУ ВО ЮФУ.

Литература

1. Moody G.B. The impact of the MIT-BIH Arrhythmia Database. G.B. Moody; R.G. Mark. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. Volume: 20, Issue 3, May-June 2001. pp. 45-50.

2. Коршунов Ю.М., Бобиков А.И., Вакарин И.А., Степаненко В.Н., Степашкин А.И. Расчет и проектирование цифровых сглаживающих и преобразующих устройств / Москва. Издательство «Энергия», 1976. 336 с.

3. Уткин В.А. Статические технологии в медицинских исследованиях / В.А. Уткин - Пятигорск, 2002. 213 с.

4. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов /Р. Блейхут - Москва, Издательство Мир, 1989. 448 с.

5. Сергтенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов / А.Б. Сергиенко - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

Аннотация

В статье рассмотрены аспекты согласования форматов файлов используемых для регистрации биологических сигналов. Основное внимание уделено структуре данных и переходу от собственного формата к стандартным форматам и наоборот при проведении государственных испытаний и сертификации медицинского изделия.

Ключевые слова: ЭКГ, ЭКС, EDF, MIT-BIH, формат данных, преобразование форматов данных, электрокардиограмма.