Пискун Ирина Владимировна
факультет Компьютерных информационных технологий и автоматики
группа КСД-00(б)
тема: "Разработка компьютерной подсистемы диагностики электрической активности сердца для выявления блокад ножек пучка Гиса"
руковдитель: доц. каф. АСУ Шатохин Павел Александрович
piskun_iv@mail.ru
Объект исследования: сердце, которое исследуется посредством портативного цифрового электрокардиографа ЭКЦП-02.
Цель: спроектировать компьютерную подсистему диагностики электрической активности сердца на предмет выявления блокад ножек пучка Гиса.
Перечень решаемых в работе задач: фильтрация исходного ЭКГ-сигнала с целью получения максисально "чистой" кривой с минимальными потерями полезной составляющей, подсчёт основных амплитудно-временных параметров и выдача заключения о наявности или отсутствии блокады ножек пучка Гиса определённого вида.
На данном этапе работы отсутствуют экспериментальные исследования.
Актуальность
Среди многочисленных методов исследования, которые активно применяются в современной медицинской практике, ведущее место справедливо принадлежит электрокардиографии. В настоящее время имеется много фундаментальных руководств по электрокардиографии, многие предприятия занимаются разработкой новой и усовершенствованием более старых моделей техники по диагностике электрической активности сердца. Но, несмотря на это, многие вопросы практической электрокардиографии остаются нерешёнными, поэтому работа в этой области довольно актуальна.
Электрокардиография является одним из основных методов исследования сердца и диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы. В настоящее время анализировать электрокардиограмму должны уметь не только врачи, специализирующиеся по функциональной диагностике, но и все терапевты, а также клиницисты, представляющие другие специальности.
Среди существующих компьютерных систем электрокардиографии наиболее известны три: «Cardio», «Сфера» и «ЭКЗТ». Они и являются, наряду с ЭКЦП-02, лидерами украинского рынка.
Система «Cardio 2000».
Система «Cardio 2000», выпускаемая «ХАИ-МЕДИКО» представляет собой автоматизированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для регистрации, хранения, анализа и интерпретации электрокардиограмм и параметров сердечного ритма.
Система выпускается как в стационарном – на базе настольного персонального компьютера, так и в портативном – на базе Notebook. В качестве регистратора биопотенциалов используется малошумящий цифровой двенадцати канальный кардиографический усилитель, обеспечивающий исключительное качество регистрации электрокардиосигнала. Для обеспечения большей функциональности системы электрокардиографический усилитель выпускается в двух исполнениях – стационарном, с установкой на настольную телескопическую стойку и питанием от ЭВМ, и – портативном, формата Palmtop, с автономным питанием от встроенного аккумулятора. Полной зарядки аккумулятора хватает на 15 часов непрерывной работы электрокардиографа (не менее тысячи стандартных электрокардиографических записей). Стационарный электрокардиографический усилитель системы «Cardio 2000» комплектуется кабелем пациента с защитой от импульсов дефибриляции. Существующая база данных довольно проста в исполнении и понятна даже не подготовленному человеку. База данных позволяет вести списки пациентов, копировать содержимое различных папок, организовывать поиск по заданным критериям, передавать данные через сеть Internet. Сопряжение усилителя с ЭВМ осуществляется через оптически изолированный интерфейс RS-232, обеспечивающий электрическую безопасность. Подключение электрокардиографического усилителя к компьютеру не требует вскрытия системного блока.
Таблица 1 – Технические характеристики системы «Cardio 2000»
|
Таблица 2 – Минимальные требования к компьютеру
|
К положительным сторонам системы «Cardio 2000» можно отнести такие факторы:
Электрокардиограф «Сфера-4М» производится «Diagnostic Systems» и предназначен для проведения электрокардиографического обследования пациентов вне кабинета функциональной диагностики.
Некоторые характеристики:
Количество каналов: 12 по 5 секунд, строка ритма – 3 канала по 40 секунд. Собственная память до 20 пациентов, возможность мониторирования. Прямая распечатка на принтере любой конфигурации с использованием оптической развязки, без компьютера. Пересылка в IBM базу данных (архив) компьютера любой модификации, с использованием оптической развязки и последовательного порта. Программа позволяет осуществить полный расчёт электрокардиографического сигнала, включая расчет 40-секундной строки ритма, автоматически формировать синдромальное электрокардиографическое заключение, строить векторные петли в трёх проекциях, хранить архив пациентов. Большой жидкокристаллический дисплей позволяет наблюдать сигнал в общепринятых масштабах (5; 10; 20; 40 мм\мВ; 6,25; 12,5; 25; 50; 100 мм\с) с возможностью включения миллиметровой сетки. Индикация разряда батареи, автовыключение питания. Питание прибора возможно от аккумулятора, блока питания, сети автомобиля.
К достоинствам электрокардиографа «Сфера-4М» можно отнести:
К недостаткам рассматриваемого прибора нужно отнести следующий фактор:
Электрокардиограф «ЭКЗТ-12-01»
Трёхканальный портативный электрокардиограф «ЭКЗТ-12-01» фирмы «Ультрамед» создан с применением новейшей микропроцессорной технологии и цифровой памяти. Для синхронной регистрации электрокардиограммы в 12 стандартных отведениях имеется довольно простая панель управления.
Длительность стандартного обследования составляет 5 секунд. Результаты обследования можно вывести на бумагу в виде 1-, 3- или 6-канальной записи. Электрокардиограф работает от встроенного аккумулятора, который автоматически подзаряжается от сети в течение работы или в промежутках между обследованиями. Полный заряд аккумулятора позволяет произвести 20 стандартных обследований или 100 секунд непрерывной записи. Светоиндикаторы на передней панели позволяют следить за состоянием аккумулятора, выбранным режимом, контролировать состояние электродов. Если используемая бумага не снабжена координатной сеткой, то кардиограф может печатать всю сетку вместе с электрокардиограммой. Предусмотрено автоотключение прибора, если он не используется в течение нескольких минут.
Таблица 3 – Технические параметры и характеристики «ЭКЗТ-12-01»
|
Среди достоинств электрокардиографа «ЭКЗТ-12-01» следует выделить такие:
Но данной системе присущи и недостатки. Такие как:
Портативный электрокардиограф «ЭКЦП-02» фирмы «DONIX» имеет следующие режимы функционирования: автоматическая регистрацию электрокардиограммы по 12 стандартным отведениям; регистрацию электрокардиограммы в системах отведений по Эйтховену и Гольдбергеру в ручном режиме; регистрацию дополнительных отведений по Нэбу; повторная печать последней записи электрокардиограммы, сохранённой при регистрации в автоматическом режиме; цифровая фильтрация электрокардиосигнала; автоматическое измерение параметров электрокардиосигнала.
Таблица 4 – Технические параметры и характеристики «ЭКЦП-02»
|
К положительным сторонам прибора «ЭКЦП-02» можно отнести такие факторы:
К отрицательным сторонам системы относят следующие:
Краткая характеристика рассмотренных систем.
При сравнении рассмотренных систем можно обнаружить, что все компьютерные системы диагностики электрической активности сердца: «ЭКЦП-02», «ЭКЗТ-12-01», «Сфера-4М» и «Cardio 2000» – имеют ряд преимуществ и недостатков. «ЭКЦП-02» является довольно компактным и пропускает к выходу не более 20мкВ внутренних шумов, что является бесспорным плюсом. Но прибор потребляет больше мощности, чем другие рассмотренные системы, и его работа от аккумуляторов рассчитана на меньшее количество часов. «ЭКЗТ-12-01» имеет самый широкий диапазон регистрируемых сигналов, но при небольших габаритах значительно тяжелее других приборов. «Сфера-4М» выделяется лишь возможностью функционирования даже от сети автомобиля и контактирования с более старыми моделями ПЭВМ. «Cardio 2000» представляет из себя целый программный комплекс и по предложенным услугам значительно опережает другие системы. Он сравнительно лёгкий, потребляет меньше электроэнергии, позволяет проводить как потоковые, так и глубокие исследования в области электрокардидиагностики. Но эта система способна работать лишь с более поздними версиями ОС Windows.
Сердце представляет из себя четырёхкамерный орган, который обеспечивает движение крови в большом и малом кругах кровообращения, тем самым питая весь организм. Это один из наиболее важных органов, так как от его функционирования зависит работоспособность каждого другого органа. Сердце обладает рядом функций, определяющих особенности его работы: функцией автоматизма, проводимости, возбудимости и другими не менее важными функциями.
|
| Рисунок 1 – Проводящая система сердца |
Различают три центра автоматизма:
В норме единственным водителем ритма является СА-узел, который подавляет автоматическую активность остальных (эктопических) водителей ритма.
Функция проводимости – это способность к проведению возбуждения волокон проводящей системы сердца и сократительного миокарда. В последнем случае скорость проведения электрического импульса значительно меньше.
В предсердиях возбуждение распространяется от СА-узла по трем межузловым трактам (Бахмана, Венкебаха и Тореля) к АВ-узлу и по межпредсердному пучку Бахмана – на левое предсердие. Вначале возбуждается правое, затем правое и левое, в конце – только левое предсердие.
Скорость проведения возбуждения 30-80 см/с, время охвата возбуждением обоих предсердий не превышает в норме 0,1 секунды.
В атриовентрикулярном узле происходит физиологическая задержка возбуждения (скорость проведения снижается до 2-5 см/с). Задержка возбуждения в АВ-узле способствует тому, что желудочки начинают возбуждаться только после окончания полноценного сокращения предсердий.
АВ-узел в норме "пропускает" из предсердий в желудочки не более 180-200 импульсов в минуту. При большей частоте синусового или предсердного ритма даже у здорового человека развивается неполная атриовентрикулярная блокада проведения импульсов от предсердий к желудочкам.
В норме АВ-задержка не превышает 0,1 с.
В желудочках возбуждение быстро распространяется по пучку Гиса, его ветвям и волокнам Пуркинье (скорость проведения от 100-150 до 300-400 см/с). Волна деполяризации распространяется от субэндокардиальных к субэпикардиальным участкам сердечной мышцы.
В первые 0,02 с деполяризуется левая половина межжелудочковой перегородки (МЖП), а также большая часть правого желудочка (ПЖ). Через 0,04- 0,05 с возбуждается значительная часть левого желудочка (ЛЖ). Последними в период 0,06-0,08 с активируются базальные отделы ЛЖ, ПЖ и МЖП. При этом фронт волны возбуждения постоянно меняет свое направление.
Общая продолжительность деполяризации желудочков составляет 0,08-0,09 с.
Функция возбудимости – это способность клеток проводящей системы сердца и сократительного миокарда возбуждаться под влиянием внешних электрических импульсов. В разные фазы возбудимость мышечного волокна различна. В начале клетки полностью не возбудимы (абсолютный рефракторный период). Во время быстрой конечной реполяризации возбудимость частично восстанавливается (относительный рефрактерный период). Во время диастолы рефрактерность отсутствует и миокардиальное волокно полностью возбудимо.
Электрические потенциалы с поверхности тела можно регистрировать с помощью двух электродов, один их которых присоединен к положительному полюсу электрокардиографа, а другой – к отрицательному. Так как разности потенциалов возникают между любыми двумя точками на поверхности тела произвольно выбранной полярностью, то для сравнения результатов, полученных в разных учреждениях, необходима стандартизация протоколов исследования. В связи с этим были предложены специальные системы расположения электродов на поверхности тела. Существует несколько систем расположения электродов на поверхности тела. Хотя правильнее понимать под этим электрическую картину сердца при определенном расположении электродов.
Ось отведения – гипотетическая линия, соединяющая места наложения двух электродов. Для регистрации ЭКГ применяются три основных типа отведений:
Стандартная система12 отведений состоит из следующих компонентов:
Стандартный вид нормальной электрокардиограммы представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Электрокардиограмма (Рисунок анимирован). |
Обычная ЭКГ представляет собой графическое изображение колебаний электрических потенциалов, снятых с поверхности тела. Изменения электрического потенциала в течение одного сердечного цикла, зарегистрированные на бумаге, имеют вид характерной кривой, которая состоит из нескольких отклонений, поднимающихся выше или опускающихся ниже основной (изоэлектрической) линии.
Основными компонентами ЭКГ являются зубцы Р, Q, R, S и Т. Зубцы Q, R и S вместе составляют комплекс QRS. Фазы, в которых кривая остается в нулевом положении или на изоэлектрической линии, называются изоэлектрическими периодами ЭКГ. Горизонтальное расстояние между разными зубцами графической записи называют интервалом или отрезком и обозначают буквами предшествующего и последующего зубцов. ЭКГ-зубцы образуют две группы:
Иногда на нисходящем колене зубца Т или непосредственно за этим зубцом регистрируется плоский положительный зубец, который обозначают буквой U.
Зубец Р отражает распространение возбуждения по миокарду правого и левого предсердий и является алгебраической суммой потенциалов, возникающих в предсердиях при их возбуждении.
Интервал P-Q(R) отражает время, необходимое для деполяризации предсердий и проведения импульса по атриовентрикулярному (АВ) узлу. Сегмент PQ отражает физиологическую задержку передачи импульса в АВ-узле.
Зубцы Q, R, S и Т составляют желудочковый комплекс, который в свою очередь разделяется на начальную часть (комплекс QRS) и конечную (интервал SТ и зубец Т). Комплекс QRS отражает деполяризацию желудочков. Любое положительное отклонение внутри комплекса QRS называется зубцом R.
Зубец Т соответствует процессам прекращения возбуждения в желудочках (периоду реполяризации). Поскольку процесс прекращения возбуждения очень подвержен различным внешним воздействиям (холод, тепло, электролитный состав крови и пр.), то даже в нормальных условиях его форма и амплитуда весьма вариабельны. Длительность всего желудочкового комплекса QRS-T называется электрической систолой.
В норме возбуждение, возникшее в синусовом узле, распространяется по предсердиям до атриовентрнкулярного узла, затем по пучку Гиса переходит на его ножки и через волокна Пуркинье достигает сократительного миокарда и далее идёт по миокарду.
Под блокадой ножек пучка Гиса в электрокардиографии понимают нарушение или полное прекращение проведения возбуждения по правой или левой ножке пучка Гиса. Ход возбуждения в сердце при этом значительно нарушается. Желудочек, ножка которого блокирована, получает возбуждение окольным путем от другого желудочка, возбуждающегося нормально. В результате этого возбуждение и сокращение пораженного желудочка наступают позднее нормально возбуждающегося желудочка. Время распространения возбуждения по миокарду желудочка, ножка которого блокирована, значительно удлиняется. Поэтому время охвата возбуждением обоих желудочков вместо нормальные 0,08-0,10 секунды будет продолжаться 0,12-0,16 секунды и больше. В "блокированном" желудочке изменяется также процесс угасания возбуждения.
Блокада правой ножки пучка Гиса может быть обусловлена:
Диагностические признаки блокады правой ножки пучка Гиса.
При блокаде правой ножки комплекс QRS уширен и составляет 0,12 секунды и больше. Диагноз блокады правой ножки ставится в основном по грудным отведениям.
В правых грудных отведениях V1 и V2 ЭКГ имеет при этом вид rsR'. Зубец R', на такой ЭКГ обычно широкий и выше, чем r v,. Иногда на восходящем колене R' v1, наблюдается зазубрина или утолщение кривой. В некоторых случаях комплекс QRS в отведениях V1 и V2 приобретает форму rSR', rR' или имеет М-образпый вид. Время внутреннего отклонения в этих отведениях увеличено. Сегмент RS-Т обычно расположен ниже изолинии. Дуга его обращена выпуклостью вверх. Зубец Т обычно отрицательный. Вершина зубца Т большей частью расположена близко к его концу.
В левых грудных отведениях V5 и V6 обычно регистрируется комплекс QRS типа qRS. Зубец S при этом широкий, закругленный, большей частью неглубокий, иногда зазубренный. Время внутреннего отклонения в этих отведениях не увеличено. Сегмент RS-Т V5, V6 расположен на уровне изолинии или иногда приподнят с дугой, обращенной вниз; зубец Т положительный.
При переходе от правых к левым грудным отведениям первый зубец r постепенно увеличивается и превращается в высокий зубец R к отведениям V5 и V6. Второй зубец R' постепенно уменьшается и заменяется зубцом S в левых грудных отведениях. Переходная зона чаще сдвинута к правым грудным отведениям. Блокада правой ножки чаще сопровождается отклонением электрической оси сердца вправо. Однако нередко наблюдается нормальное положение электрической оси сердца, а также отклонение её влево.
Изменения в стандартных отведениях при блокаде правой ножки обычно бывают двух типов. Наиболее часто встречается блокада правой ножки типа Вильсона. При этом комплекс QRS в I стандартном отведении напоминает по форме комплекс QRS в отведении V6, то есть имеет вид qRS. Комплекс QRS в III стандартном отведении обычно похож на комплекс QRS в отведении V1, то есть имеет вид rsR' (R' обычно невысокий).
При классическом типе блокады правой ножки, встречающемся довольно редко, в стандартных отведениях наблюдаются комплексы QRS, указывающие на выраженное отклонение электрической оси сердца вправо. В I стандартном отведении в таких случаях регистрируется небольшой зубец г и глубокий и широкий зубец S (нередко с зазубриной на вершине). В III стандартном отведении наблюдаются широкий и высокий зубец R (иногда с зазубриной на вершине) и небольшой зубец s.
Изменения в усиленных отведениях от конечностей большей частью повторяют грудные отведения. Отведение aVL при блокаде типа Вильсона напоминает V5, V6, а отведение aVF похоже на V1 и V2. В отведении aVR при блокаде правой ножки обычно наблюдается поздний зубец R и комплекс QRS имеет вид QR или rSr'.
Неполная блокада правой ножки пучка Гиса.
О неполной (частичной) блокаде правой ножки говорят в тех случаях, когда комплекс QRS по форме напоминает блокаду правой ножки, а ширина комплекса QRS составляет 0,08-0,11 секунды. Нередко желудочковые комплексы в этом случае представляют нечто среднее между нормальной электрокардиогроаммой и желудочковыми комплексами при блокаде ножки. Такие комплексы обычно чаше наблюдаются в левых грудных отведениях V5, V6 (уширение зубца S). В правых грудных отведениях (V1, V2), как правило, электрокардиограмма имеет более характерный вид, комплекс QRS имеет форму rSr'. Изменения сегмента RS-Т и зубца Т при неполной блокаде ножки могут отсутствовать.
При неполной блокаде правой ножки возбуждение может проходить по ней, но несколько замедленно. Часто картина неполной блокады правой ножки наблюдается при гипертрофии правого желудочка и представляет собой в таких случаях проявление этой гипертрофии, а не нарушение проводимости. Электроардиограмма, регистрируемые при этом в правых грудных отведениях V1 и V2. по форме более характерны для гипертрофии правого желудочка. Однако комплекс QRS уширен до 0,08-0,11 секунды и часто имеет форму rSR' или rSr'. В таких случаях говорят о гипертрофии правого желудочка с нарушением проводимости в системе правой ножки пучка Гиса.
Блокада правой ножки наблюдается большей частью при поражении правого желудочка у больных пневмосклерозом при наличии легочного сердца, недостаточности трикуспидального клапана и врожденных пороках сердца. Она отмечается также у больных с поражением левого желудочка; при кардиосклерозе, инфаркте миокарда и гипертонической болезни.
При ревматическом и дифтеритическом миокардитах также может возникнуть блокада правой ножки. Она проявляется в ряде случаев под влиянием токсических воздействий на сердце, при передозировке дигиталиса, хинидина, новокаинамида, некоторых наркотиков и при значительном нарушении обмена электролитов.
Блокада левой ножки пучка Гиса может быть обусловлена поражением левой ножки на разных уровнях:
Диагностические признаки блокады левой ножки пучка Гиса.
Комплекс QRS при блокаде левой ножки пучка Гиса значительно уширен и продолжительность его равна или превышает 0,12 секунды. Так же как при блокаде правой ножки, заключение базируется в основном на изменениях электрокардиограммы в грудных отведениях. В левых грудных отведениях V5 V6 уширенный комплекс QRS имеет форму зубца R. На восходящем или нисходящем колене зубца R близ вершины или на его вершине большей частью имеется зазубрина. В некоторых случаях вершина зубца R закруглена, уплощена или имеет форму плато. Амплитуда зубца R, как правило, не увеличена. Зубец q при блокаде левой ножки отсутствует. Зубец S также обычно не регистрируется или слабо выражен за счёт возбуждения миокарда основания сердца. Время внутреннего отклонения в этих отведениях увеличено.
В правых грудных отведениях V1 и V2 обычно регистрируется начальный малый зубец r, за которым следует глубокий и широкий зубец S или значительно уширенный зубец QS большей, чем в норме, амплитуды. Амплитуда зубцов в правых грудных отведениях обычно значительно увеличена. Время внутреннего отклонения в нормальных пределах.
По мере продвижения от правых к левым грудным отведениям зубец г постепенно увеличивается и переходит в начальную часть зубца R в отведениях V5 и V6. Зубец S, который обычно в отведении V1 меньше по амплитуде, чем в V2, постепенно уменьшается и заменяется конечной частью зубца R в отведениях V5 и V6. Если в правых грудных отведениях регистрируется зубец QS, то начальный зубец г может появиться только в отведении V3 или даже изредка в V4.
В неосложнённых случаях блокады левой ножки пучка Гиса положение сегмента RS-Т и характер зубца Т определяются направлением комплекса QRS. В левых грудных отведениях V5 и V6 сегмент RS-Т большей частью расположен ниже изолинии с выпуклостью, обращённой вверх, зубец Т отрицательный и неравносторонний. В правых грудных отведениях V1 и V2 сегмент RS-Т, как правило, приподнят над изолинией с выпуклостью, обращенной вниз, а зубец Т высокий и положительный. Подъём сегмента RS-Т в правых грудных отведениях при этом может быть весьма значительным без наличия субэпикардиального повреждения. В тех случаях, когда амплитуда зубца R V5, V6, мала, в этих отведениях изредка может быть зарегистрирован положительный зубец Т. Какие-либо другие изменения зубца Т обычно указывают на наличие "дополнительных" повреждений миокарда. Электрическая ось при блокаде левой ножки большей частью отклонена влево или расположена горизонтально. В таких случаях I стандартное отведение и отведение aVL обычно по форме напоминают электроардиограмму в отведениях V5 и V6. Электрокардиограмма в III стандартном отведении и в aVF обычно похожа на электрокардиограмму в отведениях V1 и V2. В отведении aVR комплекс QRS обычно имеет форму QS или rS и лишь в очень редких случаях QR.
При неполной блокаде левой ножки пучка Гиса электрокардиограмма по форме напоминает полную блокаду этой ножки. Однако ширина комплекса QRS при этом меньше 0,12 секунды и составляет 0,1-0,12 секунды. Время внутреннего отклонения в левых грудных отведениях умеренно превышает нормальные величины.
Признаки блокады левой ножки пучка Гиса, как правило, наблюдаются на электрокардиограмме при значительных изменениях в миокарде, особенно левого желудочка. Они встречаются при гипертрофии левого желудочка, недостаточности кровообращения (по левому или правому типу), при кардиосклерозе, инфаркте миокарда и других формах коронарной недостаточности. Изменения электрокардиограммы, характерные для блокады левой ножки пучка Гиса отмечаются также у лиц, страдающих гипертонической болезнью, при аортальных пороках сердца, при поражении сердца у больных дифтерией, уремией и при ряде врожденных пороков сердца. У здоровых людей блокада левой ножки пучка Гиса, как правило, не встречается.
Метод расшифровки электрокардиограммы основан на принципе перехода от частного к общему и на концепции пиков. Алгоритм состоит из двух этапов:
Пик – это часть волнообразной кривой с тремя выделенными точками (рисунок 3).
|
| Рисунок 3 – Изображение пика |
Характерный облик каждого пика определяется набором из девяти элементов. Их значения рассчитываются при выявлении и описании пика и применяются в дальнейших процедурах. Эти элементы используются как для характеристики электрокардиограммы, так и для измерения её параметров.
Набор стандартных элементов: {xlk, ylk, xrk, yrk, xmk, ymk, vlk, vrk, ek}.
(1)
Выявление пиков осуществляется по следующему алгоритму:
|
| Рисунок 4 – Детальное изибражение пика |
если (yi- yi+1)*(yi_1- yi) < 0 (2)
Если (yi+1- yi) < 0, значит – это плоский участок кривой и вместо него нужно рассматривать разность (yi+2- yi+1), …, пока второй сомножитель в произведении (2) не станет отличен от нуля.
(4)
(5)
Помехи при регистрации электрокардиограммы.
Усилительная система в электрокардиографе способствует резкому усилению не только полезных сигналов, но и тех незначительных помех, которые не всегда устранимы. Некоторые морфологические изменения зубцов неизбежны, но не имеют диагностического значения. Однако очень часто эти изменения ошибочно считают признаками наличия определённой патологии.
Причиной помех могут быть электрическая активность тканей, через которые проводится импульс (например, скелетные мышцы), сопротивление тканей, особенно кожи, а также сопротивление на входе усилителя. Примером помех такого рода является электрическая активность скелетных мышц, поэтому при регистрации электрокардиограммы необходимо рекомендовать пациенту максимально расслабить мышцы. Мышечные токи накладываются на электрокардиограмму у больных с дрожательным параличом, хореей, тетанией, паркинсонизмом, тиреотоксикозом. Колебания, вызываемые мышечными токами, иногда трудно отличить от трепетания предсердий. Артефакты, возникающие на кривой при случайном толчке аппарата или кушетки, могут имитировать желудочковые экстрасистолы. Однако, при внимательном рассмотрении артефакты легко распознаются. Неравномерная работа отметчика времени или лентопротяжного механизма может симулировать аритмию.
Предполагается, что на вход алгоритма поступает смесь полезного сигнала с аддитивной помехой. Основная доля мощности электрокардиосигнала, снимаемого с использованием стандартной электрокардиографической аппаратуры, сосредоточена в полосе частот, не превышающих 50 Гц. Спектр помех ограничен характеристиками аналогового тракта съёма и усиления электрокардиосигнала, имеющего обычно полосу пропускания от 0,1 до 100 Гц.
Поэтому, для повышения эффективности работы с сигналом, то есть вычисления амплитудно-временных характеристик основных компонентов электрокардиограммы производится предварительная фильтрация полученного сигнала. В наиболее общем виде можно выделить три этапа фильтрации, решающих отдельные задачи предобработки электрокардиосигнала: фильтрация нижних частот, фильтрация верхних частот и сетевой наводки.
Сигнал, получаемый на выходе этой цепочки фильтров, представляет собой смесь полезного сигнала, в котором сохранены основные частотные составляющие, свойственные QRS-комплексам, и той части помех, спектр которой лежит в полосе пропускания результирующей частотной характеристики используемых фильтров. Дальнейшее устранение помех методами цифровой фильтрации не представляется возможным, так как это привело бы к подавлению самого сигнала.
Подавление высокочастотных помех.
Подавление высокочастотных помех в исходном электрокардиосигнале осуществляется с использованием фильтра нижних частот. Эту процедуру можно также интерпретировать как ограничение спектра сигнала сверху, что в принципе даёт возможность на последующих этапах обработки снизить частоту отсчетов по отношению к исходной за счёт прореживания отсчетов.
Использование фильтра скользящего среднего предполагает, что каждое выходное значение f(j) электрокардиосигнала рассчитывается исходя из ограничения набора входных точек yi по формуле:
(6)
w(t) – набор (2p+1) весовых коэффициентов.
p – окрестность каждой точки.
Формула 5 применима равное число дискретных значений до и после исследуемой точки y(j), в окрестности которой производится сглаживание.
Фильтр экспоненциального среднего
Вычисление каждого выходного значения f(j) пересчитывается исходя из предшествующего значения f(j) и соответствующих весовых коэффициентов по формуле:
f(j)=a*f(j-1)+b*y(j) (7)
a и b – весовые коэффициенты. Рассчитываются таким образом, чтобы (a + b) была равна единице.
При расчёте выходного параметра f(j), используя специфику рекурсивного фильтра, используется не только входные характеристики, но и предшествующие выходные значения электрокардиосигнала, поступающие по цепи обратной связи. Формула для вычисления значения:
(8)
q – порядок фильтра;
p – количество точек оцифрованного электрокардиосигнала;
n – окрестность искомой точки;
m – величина равная n+1;
u(t) и v(t) – весовые коэффициенты.
Подавление низкочастотных помех.
Для подавления помех, вызванных низкочастотным шумом, выполняется высокочастотная фильтрация. Данный вид фильтрации осуществляется с помощью фильтров высоких частот, который фактически выполняет грубую коррекцию изолинии. Этот вид фильтрации позволяет практически полностью избавиться от постоянной составляющей и смещения изолинии, вызванного движением пациента, и в значительной степени снизить амплитуду Т-зубцов. В электрокардиологии в большинстве случаев для этого применяется фильтр адаптивного среднего, действие которого осуществляется по формуле:
S(n)=S(n+1)=S(n)-c*(S(n)-x(n+1)) (9)
с – адаптивная константа, которая зависит от частоты дискретизации y(n) = x(n) – S(n).
Применение других видов фильтров высоких частот связано со значительной потерей производительности применительно к исходному электрокардиосигналу, поэтому их применение для подавления ряда низкочастотных шумов не оправдано.
Сетевую наводку целесообразно устранять в первую очередь. Сетевая наводка сравнительно легко поддаётся ослаблению с помощью режекторного фильтра. Но, тем не менее, можно выделить три основных типа фильтров, которые находят применение для подавления сетевой наводки:
Фильтры первого из перечисленных фильтров, частотные характеристики которых имеют провал на частоте сетевой наводки, применяются для оперативной обработки электрокардиосигнала сравнительно редко, так как являются достаточно сложными для реализации.
Применение фильтров второго из названных типов обычно преследует цель решить одновременно две или более различные задачи фильтрации (устранение постоянной составляющей, подавление сетевой и высокочастотной помех). Такая идея представляется весьма заманчивой, но при этом повышение эффективности решения какой-либо одной из указанных задач достигается обычно в ущерб остальным. Так, например, достаточно простые для использования в режиме реального времени фильтры низких частот с нулём частотной характеристики на частоте сетевой помехи имеют, как правило, относительно низкое значение частоты среза 20 – 25 Гц. Это часто может приводить к заметному подавлению высокочастотных составляющих полезного сигнала, что не всегда допустимо.
Адаптивные режекторные фильтры сетевой наводки отличаются тем, что в процессе работы способны подстраиваться под амплитуду и фазу наводки и осуществлять благодаря этому её полную компенсацию. Такие фильтры, в отличие от первых двух указанных типов цифровых фильтров, мало влияют на сам полезный сигнал, в частности на его составляющие, спектр которых лежит вблизи частоты сетевой наводки. Кроме того, адаптивные цифровые фильтры способны сочетать относительную простоту реализации с высокой добротностью. Их основным качеством является то, что устойчивая фильтрация возможна только в случаях, когда амплитуда и фаза наводки не претерпевают резких изменений. Однако в реальных условиях оперативного анализа электрокардиосигнала параметры наводки меняются, как правило, сравнительно медленно. Поэтому адаптивная фильтрация оказывается наиболее предпочтительной.
Метод исследования биоэлектрической активности сердца является незаменимым в диагностике нарушений ритма и проводимости, гипертрофии миокарда желудочков и предсердий, ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда и других заболеваний сердца.
Подробное описание теоретических основ электрокардиографии, механизмов формирования электрокардиографических изменений при различных заболеваниях и их симптомах приведено в многочисленных руководствах и монографиях по электрокардиографии, но освоение метода регистрации точной электрокардиограммы и правильной её расшифровки до сих пор представляет ряд трудностей. Знание теории в значительной мере помогает понять природу так называемых нетипичных изменений электрокардиограммы, не укладывающихся в известные классические синдромы. Ведь работа в области электрокардиографии основана в основном на механическом запоминании конфигурации кривой, привычной для того или иного синдрома, делая тем самым полученные знания неустойчивыми и естественно не способствует их углублению. Поэтому в настоящее время работа над преодолением этих трудностей актуальна и оправдана.
Рассмотрев параметры и характеристики существующих электрокардиографических систем, следует отметить, что исследуемой системе не хватает модуля, который бы на основании измеренных ранее основных элементов электрокардиограммы и просчитанных по ним дополнительным параметрам распознавал наличие, если таковое имеет место быть, хотя бы нескольких часто встречающихся кардиологических патологий. Поэтому можно отметить, что при дальнейшем выполнении магистерской работы необходимо разработать такой модуль.
 |