БАГАТОЕТАПНИЙ АДАПТИВНИЙ АЛГОРИТМ ДЕТЕКЦІЇ СЕРЦЕВИХ ТОНІВ ТА ОЦІНЮВАННЯ РИТМУ ЗА ДОПОМОГОЮ СЕРІЙНИХ АКУСТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Анотація

Запропоновано багатоетапний адаптивний алгоритм цифрового опрацювання фонокардіограм для серійних акустичних перетворювачів із низьким відношенням сигнал/шум, що дає змогу замінити дороговартісні спеціалізовані медичні сенсори доступними компонентами. Показано, що стратегія підвищення класу вимірювального тракту має аналітичну межу виграшу, оскільки внутрішньосмугова фізіологічна завада не усувається апаратно; тому вдосконалення перенесено з апаратного рівня на алгоритмічний. Алгоритм розв’язує три задачі, що залишилися відкритими у попередніх апаратно-орієнтованих роботах авторів: октавну неоднозначність автокореляційного оцінювання періоду, породжену двома акустичними подіями на серцевий цикл; нестаціонарність ритму в межах запису; ідентифікацію тону S1 у нерозділеній парі S1/S2. Введено індекс октавної неоднозначності  і показано, що поріг кратного лага 0,45 відповідає діапазону відношення амплітуд тонів 0,24…4,21, який перекриває фізіологічно можливі значення. Для віконної автокореляції виведено двосторонню умову на довжину вікна, обидві межі якої для типових умов перетинаються в околі 10 с, що обґрунтовує вибір вікна без емпіричного підбору. Детекцію тонів виконано на ансамблевій огинаючій, що поєднує перетворення Шеннона та Гільберта, з локально-адаптивним порогом на основі медіани й міжквартильного розмаху. Показано, що поширене правило «зберігати гучніший пік» вносить у ряд міжударних інтервалів джитер 111…157 мс при частці хибних міток 5…10 %, тобто на порядок більший за фізіологічну варіабельність; замість нього застосовано правило часового пріоритету з бар’єром переваги 1,8. Очищення ритмограми доповнено запобіжником проти хибної «нормалізації» аритмії. Децимація аналітичного тракту до 1 кГц зменшує обчислювальну вартість у 44 рази, додаючи похибку лише 0,41 мс — 0,04 % дисперсії типової ритмограми. Повна складність алгоритму —  при навантаженні на процесорне ядро Raspberry Pi 3 менше 3 %, що робить його придатним для крайових обчислень і телемедичного моніторингу в реальному часі.