Цифровые методы обработки электракардиограмм

Моржаков А.А., Чижмотря В.Г., Свеженцев С.В.

Саратовский НИИ Кардиологии при Саратовском государственном, медицинском университете, ООО "Волгтех", Саратов, Россия

В настоящей работе предлагаются рекомендации к проектированию цифровых кардиоанализаторов и приводятся примеры применения предлагаемых алгоритмов в кардиоанализаторах, производимых ООО Волгтех.

Ввод и цифровая обработка сигнала. Для записи стандартной электрокардиограммы первичное преобразование сигнала в цифровую форму должно производиться с темпом 500 - 1000 отсчетов в секунду в каждом измерительном канале. Системы регистрации ЭКГ с высоким разрешением требуют более высокого темпа ввода данных и не являются предметом рассмотрения данной работы. Указанный темп ввода позволяет с одной стороны, использовать простые аналоговые фильтры при усилении ЭКГ сигнала и, с другой стороны, обеспечивает приемлемую вычислительную сложность алгоритмов цифровой фильтрации сигнала в соответствии с требованиями стандартов. Для хранения и последующей обработки достаточным темпом регистрации следует признать 180 - 250 отсчетов в секунду. Указанное прореживание обеспечивается на этапе цифровой фильтрации. Для мониторных систем иногда признается достаточным темп ввода 100 - 128 отс/сек. Для обеспечения соответствия стандартам к аппаратуре регистрации ЭКГ сигналов, необходим следующий набор независимо управляемых цифровых фильтров: фильтр нижних частот 100 Гц, антитреморный фильтр нижних частот 30 - 35 Гц, фильтр сетевой помехи 50 Гц, фильтр верхних частот с постоянной времени 3,2 и 1,6 секунды. Для минимизации фазовых искажений фильтров низких частот и сетевой помехи, не регламентированных в настоящее время отечественным стандартом, необходимо использовать цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой и линейной фазой. Исходя из требований к максимальному выбросу переходной характеристики 5%, минимально возможные длины применяемых цифровых фильтров составляют 20 миллисекунд для фильтров нижних частот 100 Гц, 40 мс для антитреморного фильтра, и порядка 1 сек для фильтра сетевой помехи 50 Гц. При этом ширина полосы задержания фильтра сетевой помехи составляет порядка 2 Гц, что соответствует максимально допустимым отклонениям частоты питающей сети. В качестве фильтра верхних частот 3,2 и 1,6 секунды целесообразно использовать рекурсивный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой ввиду простоты реализации и единообразия искажений зубца Т кардиограммы аналоговыми и цифровыми устройствами регистрации ЭКГ.

Оценивание параметров элементов электрокардиограммы. Для повышения качества регистрации ЭКГ зарегистрированный и прошедший через набор фильтров цифровой сигнал должен быть подвергнут обработке, основанной на оценке параметров наблюдаемого сигнала. Первичный анализ включает распознавание QRS комплексов. Авторы считают наиболее целесообразным использовать для этих целей вторую производную сигнала. В началиный момент регистрации сигнала в течение 3-5 секунд производится определение ЭКГ канала с максимальным значением второй поизводной, после чего выделяется фрагмент последовательности отсчетов второй производной в данном канале в качестве образца для поиска последующих QRS комплексов. Последовательность отсчетов вторых производных в данном канале в дальнейшем подвергается корреляционному анализу, обеспечивающему поиск наиболее подобных фрагментов последовательности и принятия решения об обнаружении следующего комплекса. При регистрации рутинных ЭКГ длительностью 10-30 секунд приведенный алгоритм обеспечивает высокую вероятность обнаружения QRS комплексов при низком уровне ложных обнаружений. При длительном мониторировании и анализе холтеровских записей ввиду вариабельности формы ЭКГ алгоритм усложняется с целью периодического уточнения используемого канала и образцового фрагмента. На основе QRS комплексов производится регистрация RR интервалов и дальнейшее распознавание элементов ЭКГ. Следующим необходимым этапом обработки, редко применяемом в современных кардиоанализаторах, является обнаружение PQ интервала с целью привязки ЭКГ сигнала к изолинии. PQ интервал целесообразно определять по минимуму вариабельности вторых производных сигналов во всех каналах на интервале 0,03-0,05 секунды за 0,05-0,15 секунды до QRS комплекса. Затем с помощью линейной интерполяции по значениям отсчетов сигналов в каналах определяется текущее положение изолинии во всех отведениях и производится проведение сигналов к изолинии. С этого момента становится возможным провести усреднение ЭКГ по нескольким комплексам и произвести распознавание элементов кардиограммы по всем отведениям. Существующие коммерческие программы обработки зачастую не оговаривают конкретно методы распознавания. Авторы рекомендуют применять аппроксимацию QRS комплекса набором треугольников, зубцы Р и Q отрезками парабол с последующей проверкой допустимости повременных интервалов распознанных элементов.

Выводы. Изложенный подход применяется в кардиоанализаторах "Волгтех" и позволил создать системы на базе персональных компьютеров для регистрации рутинной ЭКГ с автоматическим расчетом параметров, регистрации нагрузочных и медикаментозных проб с расчетом в реальном времени значений ЧСС, отклонения положения сегмента ST и текущего усредненного комплекса по всем наблюдаемым отведениям.