چکیده
قلب و سیستم انتقال خون، از مهم‌ترین ارگان‌های بدن انسان می‌باشند. هر اختلالی در این ارگان‌ها بر روی عملکرد کل بدن تأثیر بسیار محسوسی داشته، زیرا سیستم انتقال خون مسئولیت تأمین انرژی مورد نیاز تمام ارگان‌های بدن (از جمله خود قلب) را برعهده دارد. بیماری‌های قلبی هر ساله در جهان تعداد زیادی از انسان‌ها را از بین می‌برد یا بر عملکرد آنها تأثیر می‌گذارد. مطابق آمار منتشر شده توسط سازمان جهانی سلامت میزان مرگ و میر ناشی از مشکلات قلبی بسیار بیشتر از هر سانحه یا اتفاق طبیعی دیگر است. این امر علت اصلی توسعه فعالیت‌های علمی و پژوهشی در دانش پزشکی و در زمینه بیماری‌های قلبی و گسترش وسیع و سریع آن به حوزه سایر علوم نظیر علوم مهندسی برای یافتن راه‌های مؤثر پیشگیری از این دسته بیماریها می‌باشد.
پایان نامه حاضر در چنین مسیری و با هدف کمک به توسعه الگوریتم های شناسایی آریتمی های قلبی با استفاده از داده‌های حاصل از سیستم‌های اندازه گیری مشخصات قلب، سیگنال الکتروکادیوگرام تدوین گردیده است.
این پایان نامه در سه فصل و دو پیوست به رشته ی تحریر در آمده است. در فصل اول توضیحاتی در مورد اهمیت توجه به این موضوع و همچنین کارهای قبلی انجام شده مرتبط با آن ارائه شده است. فصل دوم به شرح روش‌ها و الگوریتم‌های آشکارسازی و تشخیص رخدادهای الکتروکادیوگرام پرداخته شده است و در نهایت، فصل سوم حاوی صحه گذاری الگوریتم های ارائه شده و بیان پیشنهادهایی برای توسعه موارد مطرح شده در این پژوهش می باشد. در پیوست اول آناتومی و چگونگی عملکرد قلب در سیستم گردش خون و در پیوست دوم تئوری های استفاده شده به تفصیل بیان شده اند.
مقدمه فصل
امروزه، محققان و دانشمندان فراوانی در بسیاری از نقاط جهان و در رشته‌ها و گرایش‌های مختلف دانشگاهی مشغول انجام تحقیقات در زمینه افزایش سطح پیشگیری، بهداشت و درمان بیماری‌های انسانی هستند. جدیت و حجم این تحقیقات عمدتاً متناسب با میزان خطر سازی موضوع مورد بحث در از بین بردن سلامتی شخص بوده و به عبارت دیگر، میزان سرمایه گذاری و اهتمام دانشگاه‌ها و موسسات پژوهشی در سراسر جهان، به موضوعات حساس و مخاطره آمیزی نظیر سلامتی قلب، مغز، خون، سیستم عصبی، نخاع و غیره در سطح بسیار بالایی بوده، به گونه‌ای که امروزه افزایش سطح بهداشت و سلامتی جامعه در کشورهای پیشرفته آمریکای شمالی و اروپا، جزء اولویت‌های نخست اداره‌کنندگان این کشورها می‌باشد. مطابق آمار رسمی ارائه شده توسط سازمان جهانی سلامت (World Health Organization-WHO) در سال 2008 میلادی، ]1[ در کشورهایی با سطح درآمد متوسط (مانند ایران) بیماری های قلبی عامل بیش از یک چهارم مرگ و میرها بوده است،
موضوع تشخیص بیماری های قلبی و پیش‌بینی برخی رخدادهای مخاطره آمیز مرتبط با سیستم قلبی عروقی (Cardiovascular System) نظیر سکته قلبی، مرگ ناگهانی، گرفتگی عروق کرونر، شوک‌های فشار خون و مشکلات دریچه‌ای و مکانیکی قلبی، یکی از آرزوهای علمی مهم دانشمندان و محققان این زمینه در پنج دهه گذشته است. به طور کلی، محققان دانشگاه‌های مهم آمریکا و اروپا از چند دهه گذشته تاکنون، با شروع حرکتی منسجم و هماهنگ، سعی در یافتن راه حلی با دقت قابل قبول و دارای مقاومت مناسب داشته و بودجه‌های تحقیقاتی قابل توجهی را برای حل این مسأله بزرگ علمی اختصاص داده‌اند.
در میان بیماریها و مشکلات قلبی، محققان به فیبریلاسیون دهلیزی، تاکیکاردیاها، برادیکاردیا، نوسانات سریع دهلیزی، مرگ قلبی و سنکوپ توجه بیشتری دارند. علت این امر این است که بیماری‌های مذکور همگی در مراحل اولیه آغاز خود، درمان پذیرند در حالی که با گذشت زمان و با رسیدن به مراحل حاد، ممکن است برای عملکرد طبیعی قلب خطر جدی ایجاد شود.
در بین تمامی بافت‌ها و قسمت‌های مختلف بدن، قسمتی که بیش از همه دارای فعالیت مکانیکی می‌باشد، قلب است. به منظور بررسی وضعیت عملکرد قلب یک انسان، پزشکان به صورت معمول اندازه گیری‌ها و آزمایشات مشخصی را انجام داده و سپس با کنار هم گذاشتن تمام شواهد و اطلاعات مفید به دست آمده از اندازه گیری‌ها، تصمیم گیری مناسبی (تشخیص بیماری) را انجام می‌دهند. به صورت کلی، اندازه گیری‌هایی که پزشکان از یک فرد مورد بررسی انجام می‌دهند به دو دسته درون بدنی (Invasive) و غیر درونی (Non-invasive)تقسیم بندی شده که در بیمارستان‌ها بخش‌های مرتبط با این اندازه گیری‌ها به ترتیب تحت عناوین غیر تهاجمی و تهاجمی نامگذاری می‌گردد.
در اندازه گیری‌های غیر درونی، سنسورهای مورد استفاده بدون وارد شدن به داخل بدن فرد، اندازه گیری‌های خود را انجام داده و آن را در اختیار سیستم تبدیل و جمع کننده قرار می‌دهند. از این دسته می‌توان به گوشی پزشکی (Stethoscope)، دماسنج، الکترو کاردیوگرام (Electrocardiogram-ECG)، اِکو کاردیوگرام(Echocardiogram) ، MRI، فونوکاردیوگرام (Phonocardiogram-PCG)، دستگاه فشار سنج ساعدی (Cuff Pressure)، دستگاه فشار نبض (Pulse Pressure) و تصویر برداری هسته‌ای نظیر CT، SPECT، PET اشاره نمود. با توجه به عملکرد تناوبی قلب پستانداران (Mammalians)، به صورت کلی اندازه گیری‌های انجام شده مرتبط با فعالیت قلب نیز به صورت تناوبی و پریودیک دیده شده، بنابراین سیگنال‌های وابسته به فعالیت‌های مختلف قلبی نظیر ECG، PCG و ABP، شامل رخدادهایی (events) می‌باشند که تشخیص‌های اولیه بیماری با توجه به این ویژگی‌ها توسط ماشین قابل انجام هستند.
در یک نگاه کلی می‌توان گفت به منظور تشخیص امراض قلبی به کمک ماشین‌های محاسبه‌گر، ابتدا لازمست تا اندازه گیری‌های مناسبی که حاوی اطلاعات مفید و موثری در مورد فعالیت قلب باشند را انجام داده و ثبت کرد. در گام بعد، رخدادهای هر نوع اندازه گیری بایستی توسط یک روش مقاوم به نویز و آشفتگی‌های موجود در اندازه گیری، با دقت قابل قبول و مناسبی آشکارسازی گردند. پس از این مرحله، لازم است که به کمک پزشکان و متخصصان قلب و عروق، پایگاه داده‌ای با گستردگی مناسب گردآوری و تدوین شود به گونه‌ای که به کمک آن بتوان استنتاج مناسبی را جهت تشخیص بیماریها و عیوب قلبی انجام داد.
1-2- اهمیت پردازش سیگنال‌های حیاتی به وسیله الگوریتم‌های رایانه‌ای
مبحث تشخیص بیماری‌های قلبی، به طور کلی از دو قسمت تشکیل شده‌است:
پیچیدگی‌های محاسباتی (Computational Complexity)
پیچیدگی‌های تصمیم گیری (Decision Making Complexity)
پیچیدگی‌های محاسباتی در شرایط عادی توسط رایانه انجام شده در حالی که پیچیدگی‌های تصمیم گیری به عهده پزشکان و متخصصان می‌باشد. می‌توان با افزایش هوش مصنوعی و گسترش و هوشمند سازی پایگاه دانش، نقش رایانه را در تشخیص‌های دقیق‌تر پزشکی وضعیت قلبی انسان بهبود بخشید.