Неавтономное обнаружение выбросов и очистка сигналов мониторинга внутричерепного давления

Abstract

Сигнал мониторинга внутричерепного давления (ВЧД), полученный в отделениях нейрореанимации, часто содержит большое количество шумов и выбросов. Эти артефакты не только непосредственно приводят к ложным тревогам в автоматических аварийных системах мониторинго-диагностических комплексов для управляемой терапии больных, но и сильно загрязняют особенности основного сигнала, что делает невозможным точное прогнозирование вторичных повреждений головного мозга, вызванных внутричерепной гипертензией. В статье предлагается эффективный онлайновый двухэтапный метод очистки физиологических сигналов, основанный на идентификаторе Хампеля и калмановской фильтрации. Вначале измеряемые ВЧД сигналы проходят предварительную обработку, в которой осуществляется идентификация структуры данных сигнала, оценивается уровень шума, и удаляются выбросы с помощью робастного фильтра Хампеля. Точки выбросов заменяются значением медианы в этих точках. Затем производится коррекция этих точек, удаление шума и оценка спектра сигнала на основе адаптивной авторегрессионной (AАR) модели с помощью фильтра Калмана и сопряженного с ним RTS (RauchTung-Striebel) сглаживающего фильтра. Настраиваемыми параметрами предлагаемого метода фильтрации являются полуширина скользящего окна, пороговая величина для обнаружения выбросов и порядок AАR модели.

Сигнал моніторингу внутрішньочерепного тиску (ВЧД), здобутий у відділеннях нейрореанімації, часто містить велику кількість шумів і викидів. Ці артефакти не лише безпосередньо викликають помилкові тривоги в автоматичних аварійних системах мониторинго-діагностичних комплексів для керованої терапії хворих, але й сильно забруднюють особливості основного сигналу, що унеможливлює точне прогнозування вторинного пошкодження головного мозку, викликаного внутрішньочерепною гіпертензією. У статті пропонується ефективний двоетапний метод онлайнового очищення фізіологічних сигналів, заснований на ідентифікаторі Хампеля і калмановської фільтрації. Спочатку вимірювані ВЧД сигнали проходять попереднє оброблення, під час якого здійснюється ідентифікація структури даних сигналу, оцінюється рівень шуму і усуваються викиди за допомогою робастного фільтра Хампеля. Точки викидів замінюються значенням медіани в цих точках. Потім відбувається корекція цих даних, усування шуму і оцінка спектра сигналу на основі адаптивної авторегресійної (AАR) моделі за допомогою фільтра Калмана і зв’язаного з ним RTS (Rauch-Tung-Striebel) згладжувального фільтру. Регульованими параметрами пропонованого методу фільтрації є півширина ковзного вікна, порогова величина для виявлення викидів і порядок AАR моделі.

Intracranial pressure monitoring signal (ICP) obtained in Neuro Intensive Care Units, often contains a large amount of noise and outliers. These artifacts not only directly lead to false alarms in automatic alert systems of monitoring-diagnostic complex for controlled therapy patient, but they are also heavily pollute the main features of the signal, making it impossible to accurately predict the secondary damage to the brain caused by intracranial hypertension. This paper proposes an efficient on-line two-step purification method of physiological signals based on Hampel identifier and Kalman filtering. Initially, clinical measurement of ICP signal undergo pretreatment in which the identification signal data structure, and the estimated level of noise outliers are removed by the filter Hampel robust. Outlier points are replaced by the median of those points. Next, the correction of these points, noise removal and evaluation of the signal based on adaptive autoregressive (AAR) model using the Kalman filter and its associated RTS (Rauch-Tung-Striebel) smoothing filter are performed. Adjustable parameters of the proposed filtering method is the half-width moving window, the threshold for detecting outliers and order AAR model.