Московский государственный технический университет им. Н. Э

Московский государственный технический
университет им. Н. Э. Баумана
Лаборатория дистанционного зондирования
НИИ прикладной математики и механики
Комбинированный метод в анализе
перемещений грудной клетки
при спокойном дыхании
Корчагина Д. А., Алехин М. Д., Анищенко Л. Н.
Кафедра «Медико-технические
информационные технологии»
Положения работы
• Исследуется влияние перемещений поверхности
грудной клетки на сигнал биорадиолокатора;
• Параллельно с методом биорадиолокации
используется скоростная фотосъемка;
• Рассчитываются попарные коэффициенты
корреляции перемещений точек на поверхности
грудной клетки, получаемых с помощью метода
скоростной фотосъемки;
• Проводится корреляционный анализ данных,
получаемых методом биорадиолокации и скоростной
фотосъемки;
• Сравниваются оба метода.
Модель движения грудной стенки при
спокойном дыхании
Топология расположения маркеров на
поверхности грудной клетки
Векторы перемещения маркеров в процессе дыхания
Groote A., Wantier M., Cheron G., Estenne M., Paiva M.
Chest wall motion during tidal breathing. – Journal of Applied Physiology,
1997
Зная перемещения маркеров во фронтальной плоскости относительно
центральной оси, можно определить перемещения маркеров в сагиттальной
плоскости в направлении объектива фотокамеры.
Метод скоростной фотосъемки
Проведение эксперимента
• Испытуемый
располагается
на
стуле;
•
Антенны
биорадиолокатора
и
объектив
фотокамеры,
посредством
штативов, устанавливаются на расстоянии
80 см от груди пациента;
• Маркеры для удобства наносятся на
клейкие подложки;
• Одновременно проводится запись с
помощью биорадиолокатора и фотокамеры в
течение двух-трех дыхательных циклов;
• Начало записей синхронизируется;
• Скорость съемки фотоаппарата 6.5
кадров в секунду, частота дискретизации
сигнала биорадилокатора – 62.5 Гц.
Схема эксперимента
Обработка данных






Переход от расстояний к перемещениям во фронтальной
плоскости относительно центральной оси ΔХ и далее к
перемещениям в направлении грудь-спина ΔZ;
Построение зависимостей перемещений ΔZ от времени для
каждой исследуемой точки;
Проведение сглаживания и интерполяции полученных кривых;
Нахождение попарных коэффициентов корреляции для всех
рассматриваемых точек;
Выбор точек для сравнения с данными биорадилокатора;
Сравнение полученных зависимостей с данными, полученными
методом биорадиолокации.
R X ,Y 
cov( X , Y )
D( X ) D(Y )

M ( XY )  M ( X ) M (Y )
M ( X 2 )  M ( X ) 2 M (Y 2 )  M (Y ) 2
Коэффициент корреляции Пирсона
Проведение сглаживания и
интерполяции
1
Z51i
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ti
Кривые перемещения маркеров в направлении грудь-спина до проведения
сглаживания и интерполяции
1.5
1
P51( a)
0.5
0
0
2
4
6
8
a
Кривые перемещения маркеров в направлении грудь-спина после проведения
сглаживания и интерполяции
Выбор маркеров для сравнения
Зададимся уровнем коэффициента корреляции 0,75.
Информация, которую несут точки с коэффициентами корреляции,
рассчитанными по методу Пирсона, не ниже этого уровня, в
значительной степени совпадает.
cm 0.6
P23( t ) 0.4
P31( t )
P33( t )
P54( t )
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
t
Графики перемещений выбранных точек
7
8
sec
Сопоставление результатов
2200
2200
2000
Zrei
Zimi2000
1800
1600
0
10
20
30
1800
40
i
Действительная компонента
сигнала биорадиолокатора
0
10
20
t  a
i = 0.16 c
P23( t )
ΔZ23
ΔZ31
ΔZ33
ΔZ54
P31( t ) 0.4
P33( t )
P54( t ) 0.2
0
2
4
6
t
Графики перемещений выбранных точек
40
Мнимая компонента сигнала
биорадиолокатора
0.6
0
30
i
ΔZre
-0.756
-0.519
-0.576
-0.866
ΔZim
0.703
0.222
0.555
0.830
8
Таблица коэффициентов
корреляции
Сопоставление результатов
2200
Zimi2000
1800
0
10
20
30
40
i
t  a
Мнимая компонента сигнала биорадиолокатора
0.4
P54( a)
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
a
График перемещения в направлении грудь-спина четвертой
точки пятого уровня
Результаты
• Движения поверхности грудной клетки человека, особенно
абдоминальной области, вносят существенный вклад в формирование
сигнала биорадиолокатора в процессе спокойного дыхания;
• Лучшая
корреляция
данных,
полученных
методами
биорадиолокации и скоростной фотосъемки, наблюдается для маркеров,
расположенных на нижнем уровне в области живота;
• Значения амплитуд перемещений для этих точек также являются
наибольшими по сравнению с маркерами, расположенными на более
верхних отделах;
• Маркеры, расположенные на одной половине поверхности тела
человека имеют высокие коэффициенты корреляции между собой, для
тех, которые расположены по разные стороны от центральной оси, их
значения, наоборот, невелики.;
• Максимальное значение коэффициент корреляции с сигналом
принимает для четвертой точки на самом нижнем пятом уровне.
Авторы выражают благодарность
Владимиру Борисовичу Парашину
за научное руководство
Сергею Ивановичу Ивашову
за советы по усовершенствованию методик исследований
Владимиру Всеволодовичу Разевигу
за организацию скоростной фотосъемки
Андрею Андреевичу Демендееву
за участие в эксперименте
Работа выполнена при поддержке Программы РосОбразования
«Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)»,
грант 2.1.2/700 и грантов РФФИ №№ 09-07-00038 и 09-07-00085.