Cтандарт SCP-ECG в программных системах для электрокардиографии.В.А. Плотников, Д.А. Прилуцкий, С.В. Селищев

В.А. Плотников, Д.А. Прилуцкий, С.В. Селищев

Московский институт электронной техники, Зеленоград

Источник: http://www.ecg.ru/pub/article/medtech04_99/index.html

Стандарт SCP-ECG в программных системах для электрокардиографии.

Одним из первых направлений применения цифровых электронно-вычислительных машин в медицинской диагностике была электрокардиография [1]. С помощью специальных блоков аналогово-цифрового преобразования к большим ЭВМ подключался один или несколько электрокардиографов — зачастую это делалось по коммутируемым телефонным линиям. Таким образом ЭВМ осуществляла ввод электрокардиограммы, как правило, это 12 стандартных отведений или отведения по Франку, сохранение ЭКГ в долговременной памяти, нахождение и измерение репрезентативного комплекса, выдачу электрокардиографического заключения. Подобные системы могли себе позволить только исследовательские центры при крупных клиниках. Эффективность применения ЭВМ в электрокардиографии постоянно обсуждалась. В качестве основных аргументов против их использования приводилась высокая стоимость компьютерных ЭКГ систем, большие эксплуатационные расходы, некорректность автоматизированных измерений и заключений, отсутствие совместимости между различными системами.

На настоящий момент персональные компьютеры с современными операционными системами обеспечивают широкую доступность компьютерных электрокардиографов. Разработка ряда рекомендаций по цифровой клинической электрокардиографии позволяет унифицировать и объективизировать процесс регистрации ЭКГ, ее измерения и постановку заключений [6]. Однако в решении проблем совместимости компьютерных электрокардиографов на уровне обмена данными за последние 30 лет серьезных изменений не произошло. Крупные фирмы–производители ЭКГ приборов (Siemens, Hewlett Packard, Fukuda, NEC, Oxford, Del Mar и т.д.) разработали свои корпоративные стандарты, которые практически все являются закрытыми, т.е. не доступными для применения в системах других производителей. Отдельные медицинские организации включили возможности обмена электрокардиограммами в свои отраслевые информационные стандарты — в радиологии это DICOM 3.0 [2], в обмене общеклинической информацией HL7 [9] и т.д. Тем не менее последние не являются специализированными рекомендациями для электрокардиографии и поэтому не обеспечивают специальные требования представления ЭКГ, результатов измерений и анализа. Сейчас наиболее проработанным для обмена цифровыми ЭКГ считается стандарт SCP-ECG, разработанный Европейским институтом стандартизации (CEN).

Стандарт SCP-ECG комитета CEN/TC 251 для обмена цифровыми ЭКГ

Документ ENV1064 является официальным стандартом SCP-ECG (Standard communications protocol for computerized electrocardiography) Европейского Союза, разработанным под эгидой технического комитета TC 251 Европейского Комитета по Стандартизации (CEN)[8]. ENV1064 устанавливает единый протокол передачи ЭКГ данных как между цифровым электрокардиографом и компьютеризированной системой управления, так и между компьютерными системами различных производителей. Стандарт SCP-ECG не накладывает ограничений на физический уровень протокола, а лишь определяет минимально необходимые требования. Он же регламентирует некоторые соглашения по передаче других данных: сведений о пациенте, результатов анализа ЭКГ, условиях проведения измерений и т.д.

Кодирование данных согласно протоколу SCP-ECG

Документ ENV1064 разбивает логическую последовательность ЭКГ данных (запись) на секции и описывает содержание и формат представления каждой секции. Начало каждой секции находится по четному адресу (смещению от 0). Т.о. все секции содержат четное количество байт — при необходимости секция дополняется нулевым байтом. Все секции имеют идентификационные номера (ID). Номера от 0 до 11 описаны в SCP–ECG протоколе (Табл. 1), номера от 12 до 127 и номера более 1024 включительно зарезервированы для будущего использования. Номера от 128 до 1023 предназначены для специфических секций производителей ЭКГ устройств.

Табл. 1 Общий формат записи в стандарте SCP-ECG

Наличие	Содержание
Обязательно	2 байта Контрольная сумма CRC16 всех секций и размера всей записи
Обязательно	4 байта Размер всей записи в байтах
Обязательно	Секция 0 Список указателей на начало каждой последующей секции
Обязательно	Секция 1 Данные о пациенте (имя, идентификатор, пол, дата рождения и т.д.); данные об обследовании (дата, время, условия и т.д.)
Необязательно	Секция 2 Все таблицы Хафмена(при кодировании по Хафмену) для распаковки исходного сигнала (Секция 6) или репрезентативного комплекса (Секция 5) и разностного сигнала (Секция 6) в режиме "высокой компрессии"
Необязательно	Секция 3 Перечисление отведений, переданных в текущей записи, а так же общей информации об их кодировании
Необязательно	Секция 4 Расположение QRS комплексов (только в режиме "высокой" компрессии)
Необязательно	Секция 5 Для каждого отведения репрезентативный комплекс
Необязательно	Секция 6 Для каждого отведения исходный сигнал или, при использовании медианного кодирования, разностный сигнал, полученный путем вычитания репрезентативного комплекса из исходного сигнала
Необязательно	Секция 7 Общие для всех отведений измерения каждого комплекса в записи (длительности, углы поворота электрических осей и т.д.) и список артефактов от искусственного водителя ритма.
Необязательно	Секция 8 Текстовый диагноз от "интерпретирующего" устройства
Необязательно	Секция 9 Диагностические данные, специфичные для производителя
Необязательно	Секция 10 Измерения, произведенные для каждого отведения отдельно (амплитуды, длительности и т.д.)
Необязательно	Секция 11 Унифицированное закодированное заключение

Под репрезентативным комплексом понимается усредненный или наиболее типичный из всех найденных комплексов во всей записи ЭКГ. Вместе с желудочковым QRS комплексом в репрезентативном комплексе присутствует зубец P (не в случае фибриляции предсердий) сегмент S-T и зубец T.

В секциях 5 и 6 при кодировании цифровых сигналов допускается представлять их в виде оригинальных отсчетов, первого или второго дифференциала.

В секции 11 используется система стандартных кодировок для получения унифицированного заключения. В отличие от этого в секции 8 необходимо сохранять заключение в текстовом виде. Секция 9 предназначена для записи уникальных диагностических данных, неспецифицированных в описываемом стандарте. Если любая из секций 8,9 или 11 присутствует, то не предполагается, что все три секции присутствуют.

Секции 2-11 опциональны. Любая SCP–ECG запись должна в обязательном порядке содержать только технологическую секцию 0 (список указателей на начало каждой последующей секции) и секцию 1 (данные о пациенте; данные об обследовании). Предполагается наличие в записи и других секций, но проверка их присутствия не производится.

ECG запись начинается с 6-ти байтного заголовка, содержащего 2-х байтную контрольную сумму CRC16[12] и 4-х байтную длину всей записи (Рис. 1).

Рис. 1 Формат записи в стандарте SCP-ECG.

Последовательность секций в записи свободная, однако Секция 0 всегда обязана находится после заголовка записи.

Каждая секция состоит из:

идентификационного заголовка секции:
части данных секции.

Идентификационный заголовок секции содержит:

2-х байтную контрольную сумму CRC16–CCITT всей секции за исключением этих 2-х байт;
в 2-х байтах ID секции;
4-х байтную длину всей секции, включая ее идентификационный заголовок;
номер версии секции в одном байте;
7 зарезервированных нулевых байт.

Сжатие ЭКГ сигнала

Одной из главных целей при работе над проектом SCP-ECG состояла в том, чтобы определить пределы точности и спецификации для сжатия электрокардиограмм, а так же унифицировать кодирование данных таким способом, при котором сжатая ЭКГ может быть передана и заново проанализирована в системах различных изготовителей.

Стандартом определены три категории схем сжатия информации ЭКГ (Табл. 2).

Табл. 2 Категории схем сжатия ЭКГ согласно SCP-ECG

Категория	Описание
A	Только результаты измерения и диагностические заключения должны быть сохранены или переданы из первоначального отчета ЭКГ.
B	Результаты измерения, диагностических заключения и репрезентативный комплекс с разностным сигналом (полученным вычитанием из исходного сигнала репрезентативного комплекса), из которых может быть реконструирована первоначальная ЭКГ с погрешностями не превышающие установленные
C	Результаты измерения, диагностических заключения и сжатый сигнал ЭКГ. Репрезентативный комплекс (как промежуточный результат процесса кодирования) так же может быть сжат, сохранен и передан.

Одновременно должна быть произведена регистрация по крайней мере восьми отведений ЭКГ I, II, V1, V2, V3, V4, V5, V6. Минимальные численные требования к процессу кодирования и декодирования ЭКГ сигнала представлены в Табл.3.

Табл. 3 Минимальные численные требования к процессу кодирования и декодирования ЭКГ сигнала согласно SCP-ECG

Параметр	Значение
Минимальная частота представления сигнала	не менее 500 отсчетов в секунду
Минимальное разрешение на уровне младшего значащего разряда	не более 5 мкВ
Абсолютная амплитудная погрешность для разностного сигнала	не более 15 мкВ
Абсолютная временная неопределенность для разностного сигнала	не более 15 мкВ
Среднеквадратичный шум после восстановления	не более 10 мкВ
Абсолютная погрешность любого отсчета вне P-QRS-T комплекса	не более 100 мкВ
Абсолютная погрешность любого отсчета в пределах QRS комплекса	не более 15 мкВ

Допускается представление сигнала с разрешением не менее 5 микровольт. Поэтому предварительным этапом сжатия может быть уменьшение в исходной последовательности отсчетов сигнала ЭКГ количества значащих разрядов, вплоть до приведения значения младшего разряда к величине в 5 микровольт.

Для достижения максимальной эффективности стандарт описывает т.н. режим “высокой компрессии” (в стандарте — "high compression"), как альтернатива обычному кодированию. Сжатие цифровой ЭКГ в режиме “высокой компрессии”, согласно SCP-ECG, основано на выделении QRS комплексов, а так же опорных точек на них — как правило, это вершины максимально высоких зубцов (R или S). Далее, найденные комплексы по одному из критериев подобия (часто на основе вычисления функций корреляции) разбиваются на условные классы: нормальные комплексы и различные виды экстрасистол. Среди наиболее многочисленного класса выбирается один репрезентативный комплекс или, что предпочтительнее, он формируется статистически на основе усреднения всех комплексов класса. Полученный репрезентативный комплекс вычитается из всех смежных с ним QRS комплексов (комплексов его же класса) исходного сигнала. В типичной ЭКГ это, естественно, будет нормальный желудочковый комплекс после вычитания которого останутся нетронутыми участки сигнала с экстрасистолами и артефактами. При этом нормальные комплексы заметно "сгладятся". В результате получится разностный сигнал, который в общем случае возможно представить меньшим количеством байт, чем оригинальную ЭКГ. Репрезентативный комплекс при вычитании совмещается с сигналом по найденным ранее опорным точкам (их расположение сохраняется в секции 4).

Далее, при обычном кодировании в исходном сигнале, а в режиме “высокой” компрессии разностном сигнале еще более уменьшается количество данных:

Производится низкочастотная фильтрация (за исключением участков с любыми QRS комплексами). Для фильтрации используется простой медианный фильтр 9-го порядка:
Y_i = (X_i-4+X_i-3+X_i-2+X_i-1+X_i+X_i+1+X_i+2+X_i+3+X_i+4+4)/9 ,
где X_i и Y_i соответственно отсчеты нефильтрованного и фильтрованного сигналов.
Производится прореживание (децимация) до 8 миллисекунд между отсчетами (за исключением участков с любыми QRS комплексами) на основе вычисления среднего значения между исключаемыми и остающимися отсчетами.
В полученных данных производится вычисление первого или второго дифференциала (второй разности) по формулам:
D 1_i = X_i+1-X_i;
D 2_i = D 1_i+1 -D 1_i = X_i+2-2*X_i+1+X_i. ,
где X_i отсчеты сигнала, а D 1_i и D 2_i соответственно первый и второй дифференциал.

Полученный массив данных, а так же второй дифференциал от репрезентативного комплекса, сжимаются на основе кодирования по Хаффмену (Huffman)[10]. Результат сохраняется в Секциях 6 и 5 соответственно. Таблицы Хафмена сохраняются в Секции 2.

Декодирование сигнала происходит в обратном порядке :

Декодирования согласно таблицам Хафмена.

Реконструкция сигнала на основе первого или второго дифференциала.

Восстановление прореженных отсчетов сигнала на основе линейной интерполяции

Низкочастотная фильтрация для сглаживания сигнала после реконструкции отсчетов. Для фильтрации используется простой медианный фильтр 3-го порядка:
Y_i = (X_i-1+X_i+X_i+1+1)/3.

Восстановление амплитудных значений до исходного уровня.

Для сигнала сжатого в режиме “высокой компрессии” производится сложение репрезентативного комплекса со всеми QRS комплексами наиболее представительного класса; синхронизация комплексов осуществляется согласно опорным точкам на репрезентативного комплексе и комплексах разностного сигнала.

Из последовательности операций декодирования видно, что по сравнению с кодированием добавляется этап низкочастотной фильтрации для "сглаживания" сигнала после восстановления пропущенных при децимации отсчетов.

В документе ENV1064 представлены результаты тестового кодирования–декодирования 13 десятисекундных электрокардиограмм пациентов с нормой и различными видами патологий. Частота оцифровки ЭКГ 500 Гц, квантование по амплитуде соответствует 5 микровольтам на уровне младшего значащего разряда. Не сообщается об достигнутом коэффициенте сжатия — для каждой записи лишь приводятся значения погрешностей, внесенных процессом сжатия: абсолютная максимальная и среднеквадратичная ошибки. Значение абсолютной максимальной ошибки восстановления имеет разброс от 16 до 89 микровольт, а среднеквадратичной от 5 до 9.8 микровольт, при начальном уровне собственных шумов на ЭКГ от 3 до 26 микровольт.