DEVELOPMENT OF AUTOMATED MONITORING WITH ENHANCED RELIANLE IDENTIFICATION OF EPILEPTIFORM ACTIVITY

Порунов А.А.¹, Ягудина Р.О.², Ягудин А.М.³

¹Кандидат технических наук, ²Магистрант,³Магистрант, Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА С ПОВЫШЕННОЙ ДОСТОВЕРНОСТЬЮ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭПИЛЕПТИФОРМНОЙ АКТИВНОСТИ

Аннотация

В работе представлены методы и средства идентификации состояния больных эпилепсией, которые базируются на сравнительном анализе и оценке наиболее перспективных вариантов построения отечественных и зарубежных разработок, отличающиеся как топологией, так и составом используемых предикторов. Рассмотрены известные методы обработки потока первичных информативных сигналов и показана их ограниченность в рамках решаемой задачи.  Представлен вариант построения системы автоматизированного мониторинга, отличающийся повышенной достоверностью идентификации эпилептиформной активности.

Ключевые слова: идентификация, достоверность, эпилептиформная активность.

Porunov A.A.¹, Yagudina R.O.², Yagudin A.M.³

¹Candidate of Technical Sciences, ²Master, ³Master, Kazan National Research Technical University

DEVELOPMENT OF AUTOMATED MONITORING WITH ENHANCED RELIANLE IDENTIFICATION OF EPILEPTIFORM ACTIVITY

Abstract

This work presents the methods and means of identification of patients with epilepsy, which are based on a comparative analysis and evaluation of the most promising options for building domestic and foreign developments differing both topology and composition used predictors. Considers the known methods of processing the flow primary and informative signals and shown their limitations within the framework of the problem being solved. Presents a construction version of the automated monitoring system that improves in reliability of the identification epileptiform activity.

Keywords: identification, accuracy, epileptiform activity.

Эпилепсия в настоящее время имеет высокую медико-социальную значимость в связи с интенсивным нарастанием числа больных, страдающих этим тяжелым недугом. В этой связи в нашей стране, а также за рубежом нарастает фронт исследований по разработке методов и средств не только в традиционных направлениях (медикаментозное, хирургическое лечение), но и в новых направлениях, одним из которых является создание систем прогнозирования и подавления эпилептического приступа (ЭП). Это направление является особенно актуальным для фармакорезистентных больных эпилепсией.

В последнее время в России и других зарубежных странах (США, Канаде, Белоруссии) интенсивно проводятся разработка и исследования средств автоматизированной оценки (САО) вероятности и прогноза возникновения  эпилептиформной активности (ЭФА), а также последующей реализации нейростимулирующих воздействий. Современные электронные компоненты, вживляемые в головной мозг, при работе допускают сбои, но при этом известно, что пациенты, страдающие эпилепсией, обладают собственной чувствительностью к приближению эпилептического припадка, что подтверждает актуальность создания САО ЭФА, обладающих способностью самостоятельного включения пациентом нейростимуляторов в работу.

Существующие САО ЭФА содержат не вживляемую часть прибора в виде блока передатчика и вживляемую часть в виде блока приемника. Вживляемая часть содержит процессор, блок памяти, источник питания, рамочную антенну для подзарядки источника питания извне, и другие элементы для получения сигналов стимуляции требуемого вида. Во время подзарядки источника питания возможно перепрограммирование САО ЭФА с использованием внешнего программатора и проведение контроля взаимного расположения антенн. При этом антенна для подзарядки может выполнять функцию антенны для телеметрии, а устройство в целом позволяет воздействовать на центральную нервную систему методом дистанционной длительной стимуляции переменным током с использованием вживляемых микроэлектродов, с целью подавления приступов. Однако, реализация такой концепции построения САО ЭФА не обеспечивает отдельных режимов управления лечебным процессом.

Более широкими функциональными возможностями обладает нейростимулирующая система, предложенная в работе, которая включает использование информационно-стимулирующего блока, вживляемого в зону  расположения очага ЭФА (выявлен на предыдущих этапах диагностических исследований пациента),  состоящего из системы микроэлектродов, включающей регистрирующий и стимулирующий электроды, предусилителя и фильтра, а также блока оценки и управления, вживляемого в подключичную область, включающего блок питания, электронейростимулятор, приемопередатчик и микроантенну для беспроводной связи с блоком врача.

Принципиальным ограничением такой реализации этой концепции построения САО ЭФА является то, что формирование прогноза приближения ЭФА основано на одном симптоматическом признаке, позволяющем построить одноканальную систему, которая характеризуется недостаточной помехоустойчивостью,  достоверностью и надежностью информации о приближении эпилептического приступа и обоснованности мер по его предупреждению. Для преодоления основного недостатка такой концепции построения может быть использовано  введение в состав информационно-стимулирующего блока микросистемного коммутатора, обеспечивающего встречное направление перемещения потоков информативных сигналов и нейростимулирующих воздействий, при этом в блок оценки и управления введен модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов, который позволяет повысить достоверность определения момента приближения эпилептического приступа, за счет использования предварительной селекции ЭЭГ сигнала на ритмы, и последующего кворирования параметров биопотенциалов и их статистических характеристик [1].

Идентификация момента приближения ЭФА осуществляется на основе оценки совокупности симптоматических признаков α–, β–, θ–, δ– ритмов по трем параметрам [2]. При превышении значений оценок двух или более симптоматических признаков соответствующих пороговых значений, кворум-элемент [1]  формирует управляющий импульс для включения в работу САО ЭФА, а также управляющий импульс на микросистемный коммутатор  (ключи в положении) для перевода системы микроэлектродов в режим стимуляции путем подключения их к выходу САО ЭФА.

Вживленная в пациента и расположенная в блоке оценки и управления микроантенна обеспечивает связь, с помощью которой осуществляется передача информации на компьютер врача, необходимой для подтверждения выполняемого режима нейростимуляции, либо коррекции параметров нейростимулирующих импульсов. Представленная САО ЭФА построена на основе потока однородных ЭЭГ - сигналов, что снижает надежность и достоверность ее выявления. В результате снижается эффективность подавления приступов, а также сужаются функциональные возможности, связанные с отсутствием блока принудительного включения коррекции самим пациентом. Исследователи ЭФА из Венской Университеткой клиники [3], обнаружили изменения параметров ЭКГ-сигнала в связи с переходом от предприступного состояния пациентов с фокальной эпилепсией к приступному, что свидетельствует о наличии корреляции между функционированием сердечной системы и головного мозга в момент возникновения ЭФА. Это является клиническим обоснованием возможности использования параметров ЭЭГ-сигнала для прогнозирования момента наступления приступа.

Вариант концепции построения САО ЭФА, учитывающий изложенные предположения об информативной ценности ЭЭГ-сигнала для обнаружения ЭФА, представлен на рис. 1. [2].

Рис. 1 - Структурная схема нейростимулирующей системы предупреждения эпилептического приступа.

Концепция построения предлагаемой системы отличается тем, что дополнительно введены система микроэлектродов 20  для восприятия ЭКГ- сигнала, вживляемых в зону проекции сердца на кожный покров грудной клетки, и последовательно соединенные предусилитель 21 и фильтр 22 ЭКГ сигнала, выход которого соединен со вторым входом информационно-стимулирующего блока 19. Этот блок связан со вторым входом модуля обработки и анализа биосигналов 5, который дополнительно содержит преобразователь частота-код  23, задатчик нормы ЧСС 24, блок сравнения 25, входами которого являются выходы преобразователя частота-код 23 и задатчика нормы ЧСС 24, при этом выход блока сравнения 25 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 26, первый вход которого соединен с выходом кворум-элемента 18.

Его третий вход соединен с выходом импульсного генератора 27, находящегося в неэлектрической связи с блоком принудительного включения коррекции 28, причем выход элемента ИЛИ 26 соединен с входом электронейростимулятора 6, выход которого соединен через второй выход блока оценки и управления 19 и второй вход информационно-стимулирующего блока 2 с управляющим входом микросистемного коммутатора 7. (рис. 1.)

Таким образом, сравнительный анализ  вариантов концепций построения САО ЭФА, представленных в работе, подтверждает основную тенденцию развития нейростимулирующих систем, направленную на повышение надежности и достоверности обнаружения ЭФА за счет расширения состава источников информации о предикторах различной физической природы, а также обеспечения принудительного включения системы в работу самостоятельно пациентом. На последующих этапах выполнения разработки и исследования САО ЭФА нового поколения, предполагается проведение системотехнической и схемотехнической проработки предложенной концепции построения.

Литература

1. Порунов А.А., Ягудина Р.О., Ягудин А.М. Концепция построения и структурная реализация нейростимулирующей системы с модулем принудительного включения в работу// Ф94 сборник материалов XIII Международной НПК/ Под общ. Ред. С.С. Чернова.- Новосибирск: Издательство ЦРНС, 2014. с. 233- 239.
2. Пат. РФ на ПМ № 138837, МПК А61N 1/18 (заявл. 03.10.2013) Устройство обнаружения и подавления эпилептиформной активности / авт. Крючкова М. М., Порунов А. А., 2014.
3. Leutmezer, F., Schernthaner, C., Lurger, S., Pötzelberger, K. and Baumgartner, C. (2003), Electrocardiographic Changes at the Onset of Epileptic Seizures// Epilepsia, v. 44, p. 348–354.

References

1. Porunov AA, Yagudin RO, Yagudin AM The concept of building and structural neyrostimuliruyuschey implementation of the module compulsory inclusion in the job // F94 sourcebook XIII International CDD /, ed . Ed. SS Chernova.- Novosibirsk : Publishing TSRNS , 2014. p. 233 ± 239 .
2. Pat . Russian PM to number 138,837 , IPC A61N 1/18 ( appl . 03.10.2013 ) The device detection and suppression of epileptiform activity / auth. Kryuchkov MM , AA Porunov 2014 .
3. Leutmezer, F., Schernthaner, C., Lurger, S., Pötzelberger, K. and Baumgartner, C. ( 2003 ), Electrocardiographic Changes at the Onset of Epileptic Seizures // Epilepsia, v. 44 , p. 348-354 .