Автореферат

Введение 

       Сердечно-сосудистые заболевания, наравне с онкологическими заболеваниями прочно удерживают первенство среди самых распространенных и опасных болезней XX, а теперь уже и XXI века. Свирепствовавшие в прежние времена страшнейшие эпидемии чумы, оспы, тифа ушли в прошлое, но их место не осталось пустым. Новым временам соответствуют и новые заболевания. XX век медицина будущего с полным основанием назовет «эпохой сердечно-сосудистых заболеваний». Тревогу внушает так же и то, что количество случаев сердечных заболеваний постоянно увеличивается, а возраст больных неуклонно снижается. В настоящее время нередки случаи, когда возраст больного инфарктом миокарда не превышает 23-25 лет. Особенно часто заболевания сердца встречаются у мужчин трудоспособного возраста. По данным статистики, в США болезни сердца ежегодно поражают более 800 тыс. человек. Подобная ситуация отмечается во всех цивилизованных странах мира. Заболевания сердца - яркий пример патологии, течение и исход которой напрямую зависит от сроков обращения к врачу, своевременной постановки диагноза и начала адекватного лечения. Исходя из этого, симптомы таких заболеваний и способы доврачебной помощи при сердечном приступе, должны быть известны каждому человеку, даже весьма далекому от медицины. 

 Актуальность и научная новизна темы.

        Метод исследования биоэлектрической активности сердца, получивший название электрокардиография, является сегодня незаменимым в диагностике нарушений ритма и проводимости, гипертрофии миокарда предсердий и желудочков, ишемической болезни сердца и других заболеваний. увереностью можно заявить что данная тема дипломной работы является актуальной как в области медицины так и в области программирования в качестве разрботки алгоритмов расшифровки цифровых сигналов.

 Цель работы

         Разработать специализированную компьютерную систему по расшифровке электрокардиограммы человека, с постановкой предварительного диагноз. Изучить методы и алгоритмы расшифровки экг человека и выяления основных заболеваний сердечно - сосудистой системы.

Общая идея работы
      
         Общую идею работы можно описать следующим образом: Необходимо получить цифровой сигнал, представляющий собой ЭКГ человека и сохранить его в базе данных. Затем, имея набор эталонов, сравнить  с ними полученный сигнал, найти сходства, различия и величину отклонения от эталона. По данным отклонений попытаться определить характер заболеваний и поставить предварителный диганоз.


Описание метода

    Метод основан на регистрации электрических потенциалов, возникающих в сердце. Сущность процессов, регистрируемых кардиограммой, состоит в следующем. Ритмические сокращения работающего сердца связаны с распространением по его объему волны электрического возбуждения. Поэтому сердце создает вокруг себя периодически меняющееся электрическое поле. Кардиограмма и представляет собой запись изменений этого поля. Прикладывая электроды к определенным точкам на теле человека, мы записываем соответствующие проекции вектора, характеризующего электрическое поле сердца. Для того, чтобы получить более полную информацию об этом поле в целом, делается запись в нескольких точках или, как говорят медики, берется несколько отведений. Обычно в медицинской практике берется 12 так называемых «стандартных» отведений. Различные отклонения вида кардиограммы от нормы позволяют врачу-кардиологу судить о тех или иных сердечных заболеваниях, например о наличии инфаркта и его локализации в сердечной мышце. Прежде всего само понятие «нормальная кардиограмма» достаточно неопределенно. Вид кардиограммы зависит от мелких различий в расположении сердца у разных людей, разницы в телосложении и от многих других факторов, вовсе не связанных с каким-либо заболеванием. Поэтому кардиограмма используется для диагностических целей обязательно в сочетании с другими признаками и во всяком случае требует от врача, делающего на основании кардиограммы те или иные заключения, высокой квалификации и большого опыта. Уже на протяжении половины столетия хорошо известно, что возникновение электрических ионов через мембрану кардиомиоцита. Высокая концентрация ионов калия внутри клетки или во внеклеточной жидкости и пониженная концентрация ионов натрия внутри клетки, чем вне ее, обусловливает появление разницы потенциала между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны. В покое наружная поверхность мембраны имеет положительный заряд, вследствие высокой концентрации ионов натрия, а внутренняя - отрицательный, вследствие преобладания внутри клетки отрицательно заряженных ионов хлора и др. В сердечных клетках уровень потенциала может достигать 90 мв и его называют потенциалом покоя. Под действием различных раздражителей (механического, химического, электрического и др.) клеточная мембрана становится проницаемой для ионов натрия, которые вследствие разницы концентрации начинают продвигаться внутрь клетки и переносят туда свой положительный заряд, а наружная поверхность мембраны соответственно приобретает отрицательный заряд. Этот процесс получил название деполяризации. После окончания периода возбуждения клеточная мембрана вновь становится менее проницаемой для ионов натрия, но более проницаема для калия. Выход калия из клетки преобладает над поступлением натрия в клетку, поэтому наружная поверхность мембраны снова постепенно приобретает положительный заряд, а внутренняя - отрицательный. Этот процесс получил название реполяризации. Когда вся наружная поверхность вновь приобретает положительный заряд, а внутенняя отрицательный, вновь будет зафиксирован потенциал покоя. [4]

Общие сведения о кровеносной системе человека.

      Сосудистая система состоит из сердца, кровеносных и лимфатических сосудов, костного мозга, селезенки, лимфатических узлов. Центральным органом кровеносной системы является сердце, которое представляет собой полый мышечный орган, состоящий из двух, левой - артериальной и правой - венозной, половин. Каждая половина сердца состоит из сообщающихся между собой предсердия, и желудочка сердца. Предсердия принимают кровь из сосудов, приносящих ее к сердцу, а желудочки проталкивают эту кровь в сосуды, уносящие ее от сердца.

Рис.1. Кровеносная система человека.

     В соответствии с направлением движения артериальной и венозной крови среди сосудов различают артерии, вены, и соединяющие их капилляры. Стенки артерий и вен состоят из трех слоев: внутренней оболочки, средней оболочки, и наружной оболочки. Внутренняя оболочка сосуда, состоит из соединительнотканной основы, субэндотелиальных и эндотелиальных клеток; субэндотелиальные летки играют роль росткового слоя, эндотелиальные - выстилают внутреннюю поверхность сосуда. Средняя оболочка, или мышечная, образована главным образом циркулярно расположенными гладкими мышечными волокнами, а также соединительнотканными и эластическими элементами. Наружная оболочка, состоит из коллагеновых волокон и ряда продольных пучков эластических волокон. В строении стенки артерий и вен имеются различия. Стенка вен тоньше стенки артерий; мышечный слой вен развит слабо. В венах, особенно мелких и средних, имеются клапаны. В зависимости от степени развития мышечных или эластических элементов средней оболочки различают артерии эластического типа (аорта, легочный ствол), мышечно-эластического типа (сонная, бедренная и другие артерии такого же калибра) и артерии мышечного типа (все остальные артерии). Стенки капилляров состоят из одного слоя эндотелиальных клеток. Калибр и толщина стенок кровеносных сосудов по мере удаления их от сердца в результате постепенного деления в органах и тканях тела меняются. В каждом органе характер ветвления сосудов, их архитектоника, имеют свои особенности. Вне - и внутрибрюшные сосуды, соединяясь между собой, образуют соустья, или анастомозы; ветви, соединяющие между собой сосуды, носят название анастомотических сосудов. В ряде мест анастомозы между сосудами настолько многочисленны, что образуют артериальную или венозную сосудистую сеть, или сосудистое сплетение. Располагаясь параллельно сосудистому стволу, анастомозы соединяют его участки, более или менее удаленные один от другого, а также сосуды в органах и тканях. Сосуды, принимающие участие в образовании коллатерального кровообращения - коллатеральные сосуды, могут восстанавливать кровообращение в той или иной части тела при затруднении движения крови по основному стволу. Кроме анастомозов, соединяющих артерии с артериями и вены с венами, встречаются соединения между артериями и венами, артериовенозные анастомозы, по которым кровь из артерий непосредственно переходит в вены (пальцы руки, капсула почки). Артериовенозные анастомозы образуют так называемый аппарат сокращенного кровообращения - дериватный аппарат. В ряде мест артериальной и венозной системы имеется кровеносная сеть Она представляет собой сеть капилляров, в которых приносящие и выносящие сосуды однотипны, как, например, в сосудистом клубочке почки, где приносящий артериальный сосуд разделяется на капилляры, которые снова собираются в артериальный сосуд. [4]

Методика регистрации ЭКГ 

      Для получения качественной ЭКГ необходимо соблюдать некоторые общие правила ее регистрации. ЭКГ регистрируется в тепловом помещении, удаленном от возможных источников электрических помех, через 10-15 мин отдыха пациента, не ранее чем через 2 ч после приема пищи. Запись ЭКГ проводится обычно в положении больного лежа на спине при максимальном расслаблении им мышц и спокойном неглубоком дыхании. На внутреннюю поверхность нижней трети голеней и предплечий накладывают и крепят электроды (металлические пластинки), на грудной клетке электроды крепятся грушей - присоской. Для лучшего контакта с кожей ее желательно обезжирить спиртом и смазать специальной электродной пастой или использовать марлевые прокладки, смоченные физраствором.
      При значительной волосистости кожи места контакта смачивают мыльным раствором. К электродам подключают провода от электрокардиографа, имеющие соответствующую цветовую маркировку. Общепринята следующая маркировка: правая рука - красный цвет, левая - желтый, правая нога - черный цвет (заземление), левая - зеленый, грудной электрод - белый. Перед записью ЭКГ на каналах электрокардиографа устанавливают одинаковое усиление электрического сигнала (калибровочный mV). Общепринято регулировать этот сигнал таким образом, чтобы напряжение в ImV вызывало отклонение регистрирующей системы на 10 мм. Сигнал при необходимости можно увеличить или уменьшить.
      Далее проводят запись ЭКГ в 12 различных отведениях, последовательно устанавливая ручку переключателя в соответствующее положение. В каждом отведении регистрируют не менее 4 комплексов ЭКГ на скорости движения бумажной ленты, как правило, 50 мм/с. Меньшая скорость - 25 мм/с, 12,5 мм/с - применяется при диагностике нарушений ритма. При скорости движения 50 мм/с каждая маленькая клеточка по горизонтали (1 мм) соответствует интервалу 0,02 с. Системы отведений ЭКГ Участок поверхности тела, на который накладывают электрод, называется позицией электрода. Две любые позиции электрода, между которыми в период возбуждения сердца обнаруживается разность потенциалов, являются двумя электрическими полюсами для записи ЭКГ. Каждая пара таких полюсов, через которые гальванометр записывает разность потенциалов, называется ЭКГ-отведением. Эйнтховеном (1908) было показано, что для оценки направления требуется сопоставление показателей ЭКГ нескольких (минимум двух) отведений, располагающих определенными свойствами. Комплекс подобных отведений составляет так называемые системы отведений. Свойствами этих отведений является равноудаленность от сердца расположения электродов, малая чувствительность отведений к небольшим смешениям электродов, равенство оси отведений между собой и преобладание их длины над размерами сердца.[1]        
        В клинической электрокардиографии классической геометрической системой отведений считается разработанная Эйнтховеном для фронтальной плоскости «схема равностороннего треугольника». Эйнтховен, выбравший для формирования трех отведений положение электродов на двух руках и левой ноге и объединивший попарно эти позиции, предложил рассматривать данные отведения как со стороны равностороннего треугольника, в центре которого расположено сердце. При этом предусмотрено такое соединение электродов с полюсами гальванометра (полярность отведений), при котором в каждом из трех отведений основные элементы нормальной ЭКГ (зубцы Р, R, Т) регистрируются вверх от изоэлектрической линии, когда значения правой руки отрицательные по отношению к верхушке сердца или левой руке, а зоны положительного потенциала поверхности тела соединены с положительным полюсом гальванометра. Направление ЭДС меняется в процессе возбуждения, но в конечном счете ЭДС направлена сверху вниз, справа налево, сзади наперед. Таким образом, верхняя половина туловища (правая рука, голова и шея) имеет отрицательный потенциал, а нижняя левая половина (обе ноги, левая рука) - положительный потенциал. В настоящее время используется 12 основных отведений.  Пары электродов, наложенных на конечности, по очереди подключают к аппарату. На правую руку накладывают электрод с красной маркировкой, на левую - с желтой, на левую ногу - с зеленой, на правую ногу - с черной для подключения заземления провода.[2]


Рис. 2 Схема расположения осей отведения во фронтальной плоскости.
1 - треугольник Эйнтховена; 2 - Система осей Бейли  (анимация: 14.8Кб, 4 кадра, время задержки 2с, 10 циклов)

Оси стандартных отведений по Эйнтховену изображают в виде равностороннего треугольника, центр которого - источник ЭДС.

• I отведение - правая рука (-) - левая рука (+)
• II отведение - правая рука (-) - левая нога (+)
• III отведение - левая рука (-) - левая нога (+)

Усиленные однополюсные отведения с конечностей Бейли.

• AVR - объединенные вместе электроды с левой руки и левой ноги, а потенциалы снимаются с правой руки (+)
• AVL - объединенные вместе электроды с правой руки и левой ноги, а потенциалы снимаются с левой руки (+)
• AVF - объединенные вместе электроды с правой руки и левой руки, а потенциалы снимаются с левой ноги (+)

Оси усиленных однополюсных отведений располагаются между осями стандартных отведений
Система Осе Все оси отведений от конечностей расположены в вертикальной плоскости. По осям Бейли мы можем определить положение ЭДС сердца во фронтальной плоскости.[2]

Фильтрация шумов при снятии ЭКГ

     Основные источники помех при регистрации ЭКГ принято разделять на высокочастотные: биологического происхождения – миограмма; наводки от оборудования – шум 50 (60) Гц; "броски" изолинии; быстрые изменения потенциала поляризации электродов – "броски" изолинии; артефакты регистрации. Низкочастотные – медленные изменения потенциала поляризации электродов – дрейф изолинии. Способы устранения помех приведены в таблице 1.

Основные виды помех на ЭКГ и средства борьбы с ними

Вид помех	Способ устранения	"Побочные эффекты" на ЭКГ
Шум 50(60) Гц	Фильтрация полосно-заграждающим фильтром и конструктивные решения в электрокардиографе Расположение оборудования с учетом электромагнитной обстановки	При неправильной конструкции фильтра – уменьшение амплитуд Q, R, S, артефактов стимулятора Нет
Мио-грамма	Фильтрация фильтром нижних частот Наложение электродов вне больших мышечных массивов	Уменьшение амплитуд Q, R, S, артефактов стимулятора, расширение QRS Нет или минимальные
Шумы высоких частот	Фильтрация фильтром нижних частот Использование качественных электродов, контактной среды	Уменьшение амплитуд Q, R, S, артефактов стимулятора, расширение QRS Нет
Дрейф изолинии	Фильтрация фильтром верхних частот Использование активных систем стабилизации изолинии (ADS) Использование качественных электродов, контактной среды	Уменьшение смещения сегмента ST Задержка до 0,5 с в выводе ЭКГ Нет

          Требования стандартов для регистрации ЭКГ в покое для фильтра нижних частот "миографического" – 75 Гц, а для фильтра верхних частот "дрейфа" – < 0,05 Гц или постоянная времени не менее 3,2 с. Результаты оценки ЭКГ-фильтров представлены в таблице 2.

Результаты оценки ЭКГ-фильтров

Параметр	Фильтр первого порядка	Конечно- импульсный фильтр
Искажения формы QRS	26%	2%
Изменение амплитуды P	-26%	-3%
Изменение амплитуды Q	-61%	-2%
Изменение амплитуды R	-31%	-10%
Изменение амплитуды S	-51%	-10%
Изменение амплитуды Т	-4%	0
Изменение продолжительности P-Q	-11%	-1%
Изменение продолжительности QRS	8%	2%
Изменение продолжительности QT	1%	0

      Сопоставление влияния нескольких видов фильтров нижних частот на ЭКГ показывает, что при практически одинаковых характеристиках, но при разной реализации фильтров можно получить принципиально разные эффекты. Фильтр нижних частот, как правило, приводит к снижению амплитуды QRS-комплексов, однако технически возможно сделать фильтр, который будет комплекс QRS, наоборот, растягивать. И то, и другое не способствует качеству диагностики. Длительность же комплекса QRS при любых вариантах фильтра стремится к расширению, однако в одном случае это будет 13%, а в другом – 30%, и это нельзя не учитывать.  Необходимо заметить, что ADS практически не влияет на форму и положение сегмента ST. Работа ADS лишь сопровождается небольшой задержкой между регистрацией ЭКГ и ее выводом. Заключая раздел фильтрации ЭКГ, нельзя не вспомнить то, что фильтрация может оказывать влияние на амплитуды, длительности зубцов и смещение интервалов ЭКГ; для сопоставимости результатов записей всегда следует стремиться не использовать фильтры; при интерпретации ЭКГ необходимо учитывать, проводилась ли фильтрация и какова степень ее влияния на диагностические критерии; простейшая эмпирическая оценка фильтров конкретного аппарата возможна путем регистрации нескольких ЭКГ с фильтрами и без них; при сопоставлении нескольких ЭКГ необходимо учитывать возможное влияние фильтров.[2]


Анализ кардиограммы

      На этапе вычислительного анализа создаются таблицы амплитудно-временных характеристик всех элементов ЭКГ с кодами конфигурации формы зубцов (PI, P2, Q, R, S, Rl, Sl, Tl, T2, Jv, ST, FP, FST, FT, PQ, QRS, QT). Кроме того, по 40-секундной записи определяются статистические характеристики RR-интервалов. Оформление заключения осуществляется автоматически — в виде машинной интерпретации ЭКГ, как электрофизиологического синдромального заключения (для взрослого или детского возраста), представленного в привычной для врача форме. Интерпретация ЭКГ содержит заключения по контуру и ритму с использованием более 100 элементарных заключений. Номенклатура заключений разработана с учетом существующих методических рекомендаций, состоит из словаря заключений (основных терминов), сформулированных согласно требованиям ВОЗ, и включает 10 диагностических классов. Предусмотрена диагностика нарушений ритма сердца, инфарктов миокарда, (включая стадии и лока-' лизацию), блокад пучков Гиса и других нарушений проводимости (в том числе блокад AV-соединения), гипертрофии и т. д; Врачу предоставляется возможность проконтролировать и отредактировать заключение. В системе предусмотрена работа с архивом, причем в архиве хранятся как автоматическая интерпретация, так и сформированное врачебное заключение. Система позволяет вывести на экран кривые, записанные ранее, и осуществить оценку динамики ЭКГ наложением кривых, записанных в разное время. Архивная запись одного наблюдения занимает на диске объем около 20 Кбайт. К недостаткам системы может быть отнесены жесткая заданность проведения обследования и ограниченность методов вычислительного анализа ЭКГ.[3]


Заключение

   Все рузультаты полученные при снятии электрокардиограммы в дальнейшем в той или иной степени внесут вклад в постановку диагноза лечащим врачом. Точность результатов будет зависить исключительно от характеристик используемого оборудования и выбора алгоритмов обработки сигналов. На данный момент можно выделить 2 основных алгоритма расшифровки ЭКГ. Первый из алгоритмов основывается исключительно на медицинской логике , т.е. фактически  интерпретирует действия врача - дагноста, и является наиболее простым с точки зрения программной реализации. Второй алгоритм основывается на методах математической статистики и теории вероятностей. Оба этих алгоритма имеют свои достоинства и недостатки: 1 алгоритм ограничен возможностями аппаратных средств, второй требует особой точности при обработке данных, используемых при постановке диагноза. И тем не менее оба алгоритма являются актуальными и должны использоваться при разработке комплексов для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний человека.
В настоящее время магистерская работа находится в стадии разработки. Завершение планируется в 2008 году.

Литература.

1. Статьи для врачей
    Источник: http://esus.ru/php/content.php?group=257

2. Информационный портал по кардиологии:
    Источник: http://www.ecg.ru


3. Выделение QRS-комплексов в компьютерны ЭКГ системах.
    Авторы: В.А. Нагин, И.В. Потапов, С.В. Селищев
    Источник: http://masters.donntu.ru/2001/kita/rybalova/diss/lib/qrs.html

4. Большая медицинская энциклопедия (Электронная версия 2005 г. на CD)