Способ выделения начала кардиоцикла

Способ выделения начала кардиоцикла

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для определения начала очередного кардиоцикла при анализе временных параметров электрокардиосигнала (ЭКС), выполняемом как аппаратными, так и программными средствами.

Определение начала очередного кардиоцикла при анализе информационных параметров ЭКС является важной диагностической задачей, от решения которой может зависеть достоверность оценки состояния сердечно-сосудистой системы и эффективность дальнейшего лечения.

Наиболее распространены в настоящее время способы выделения начала кардиоцикла, основанные на обнаружении QRS-комплекса (выделение R-R интервалов). Под R-R интервалом понимается длительность между ближайшими R зубцами ЭКС.

Известен способ определения начала кардиоцикла, реализованный в устройстве для выделения QRS-комплексов [1] и заключающийся в том, что ЭКС фильтруют, формируют из полученного сигнала пороговый уровень и сравнивают. По результатам сравнения формируют "временное окно", позволяющее исключить ложные выделения QRS-комплекса. Данному способу присущи следующие недостатки:

- надежное выделение QRS-комплексов может быть достигнуто только при надежном выделении первого (стартового) QRS-комплекса;

- действие на ЭКС низкочастотных аддитивных помех (поляризация электродов, дыхательные волны, артефакты и т.п.) снижает надежность выделения начала кардиоцикла; попытка убрать низкочастотную аддитивную помеху с помощью фильтра высоких частот не даст результата, так как частота среза такого фильтра должна иметь малое значение (0,05 Гц в соответствии со стандартами на электрокардиографы), и действие артефактов приводит к возникновению переходного процесса, который длится тем дольше, чем ниже f частота среза фильтра, во время переходного процесса надежность выделения QRS-комплекса снижается.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения начала кардиоцикла [2], заключающийся в том, что ЭКС фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов, дискретные отсчеты суммируют по модулю, формируют пороговый уровень, с которым осуществляют сравнение значения суммы каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала, выделяют R-R интервал, R-R интервал делят на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1, и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла.

Недостатком известного способа выделения начала кардиоцикла является ненадежное выделение зубца R.

Ненадежное выделение зубца R обусловлено использованием операции суммирования. При суммировании значений дискретных отчетов ЭКГ возможна ситуация, когда наибольшее значение суммарного сигнала не соответствует сумме значений зубца R.

Для анализа известного способа выделения начала кардиоцикла использованы ЭКГ, предоставленные Интернет сайтом Германского Национального Метрологического Института [3].

Известный способ выделения начала кардиоцикла допускает как неправильные положительные результаты на присутствие анализируемого компонента («ложное срабатывание» или ложное выделение R-зубца), так и неправильные отрицательные результаты («пропуск цели» или пропуск R-зубца), т.е. возможны ошибки второго рода и возможны ошибки первого рода [4].

Кроме того, наличие помех в канале связи (артефакты), по которому передаются дискретные отсчеты ЭКГ, может привести к формированию недопустимо большого порогового уровня, в результате чего алгоритм, используемый в известном способе, примет такой искаженный сигнал за R-зубец, и другие R-зубцы не будут выделены.

На фигуре 1 приведена схема, реализующая известный способ выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 2А приведена иллюстрация пропуска R-зубца при дрейфе изолинии ЭКГ известным способом выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 2Б приведена иллюстрация выделения R-зубца при дрейфе изолинии ЭКГ предлагаемым способом выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 3А приведена иллюстрация ложного выделения R-зубца при наличии артефакта известным способом выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 3Б приведена иллюстрация выделения R-зубца при наличии артефакта предлагаемым способом выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 4А приведены результаты выделения начала кардиоцикла известным способом.

На фигуре 4Б приведены результаты выделения начала кардиоцикла того же сигнала ЭКГ предлагаемым способом.

Анализ фигур 2А-4А показывает, что в известном способе выделения начала кардиоцикла невозможно правильное выделение начала каждого кардиоцикла.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности выделения начала каждого кардиоцикла за счет более достоверного выделения R-зубца ЭКГ.

Для этого в способе выделения начала кардиоцикла, заключающемся в том, что непрерывный электрокардиосигнал фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов с частотой дискретизации f_d, выделенный R-R интервал делят на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1, и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла, среди дискретных отсчетов задают шаг вычисления производной k=0,01·f_d, для каждого шага вычисляют производную по модулю во всех отведениях ЭКГ, задают интервал поиска локальных экстремумов для полученных значений сигналов производных, на каждом интервале m определяют наибольшее значение сигнала производной и вычисляют среднее арифметическое найденных значений, среди найденных наибольших значений сигнала производной выделяют и удаляют значения, превышающие среднее арифметическое в 1,5 раза, среди оставшихся наибольших значений сигнала производной вычисляют среднее арифметическое, формируют пороговый уровень Р, равный полученному среднему арифметическому, обнуляют значения сигналов производных, меньших 0,3Р, суммируют значения сигналов производной для всех отведений ЭКГ, формируют пороговый уровень P_sum, равный максимальному значению полученной суммы, обнуляют значения сигналов суммы производных, меньших 0,3Р_sum, определяют моменты появления начала сигнала суммы производных t_i1 и окончания сигнала суммы производных t_i2, определяют пик зубца R_i сигнала ЭКГ, равный .

Введенные действия с их связями проявляют новые свойства, которые обеспечивают повышение точности выделения начала каждого кардиоцикла за счет более достоверного выделения R-зубца ЭКГ.

В предлагаемом способе выделения начала кардиоцикла осуществляется принципиальное устранение ошибок первого (пропуск R-зубца) и второго (ложное выделение R-зубца) рода [4].

На фигуре 5 приведена схема, реализующая предлагаемый способ выделения начала кардиоцикла.

На фигуре 6 приведено разбиение qRS-комплекса на 10 интервалов.

На фигуре 7А представлены вычисленные значения сигналов производных с шагом k для 12 стандартных отведений ЭКГ.

На фигуре 7Б представлены вычисленные значения порогового уровня для всех сигналов производных.

На фигуре 8 представлены вычисленные значения сигналов производных после устранения помех.

На фигуре 9А приведены значения суммы сигналов производных.

На фигуре 9Б приведены значения суммы сигналов производных после устранения помех.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Непрерывный электрокардиосигнал фильтруют и представляют его в виде дискретных отсчетов с частотой дискретизации f_d. Затем задают шаг вычисления производной k=∂·f_d. Множитель ∂ - это величина, выражаемая в секундах, зависящая от длительности qRS-комплекса (среднее значение у здорового человека равно 0,1 с [5, 6]) и от числа интервалов, на которые разбивается qRS комплекс. Из фигуры 6 видно, что оптимальное количество интервалов разбиения qRS-комплекса равно 10. Уменьшение этой величины приводит к пропуску R-зубца, а увеличение - к большим вычислительным затратам и повышенной чувствительности к помехам. Величина ∂ определяется по формуле:

Таким образом, k=∂·f_d=0,01·f_d.

Например, для частоты дискретизации ЭКГ, равной 500 Гц, k=0,01·500=5.

Далее вычисляют производную по модулю с шагом k во всех отведениях путем определения абсолютного значения разницы между амплитудами каждой пары отчетов сигнала ЭКГ, расположенных с шагом k друг от друга (см. фигуру 7А). Затем задают интервал поиска локальных экстремумов m для полученных значений сигналов производных. На каждом интервале определяют максимальное значение сигнала производной во всех отведениях, далее вычисляют значение порогового уровня, как среднеарифметическая величина всех найденных максимальных значений.

Величина m определяется, исходя из следующих соображений:

- во-первых, для более достоверного определения порогового уровня на один m интервал должно приходиться не менее 2 кардиоциклов;

- во-вторых, частота сердечных сокращений принята равной 20 ударам в минуту (1 удар за 3 секунды), что соответствует критическому состоянию в работе сердца нормального человека [6].

Тогда m вычисляется по формуле

Например, для частоты дискретизации ЭКГ, равной 500 Гц, величина

Среди найденных максимальных значений сигналов производных «отсеивают» те значения, которые превышают пороговый уровень более чем в 1,5 раза. Все «отсеянные» значения считают «артефактами», которые могли возникнуть по разным причинам, например, из-за помех в канале связи.

Далее для каждого отведения определяют еще один пороговый уровень Р, как среднеарифметическая величина всех найденных максимальных значений, за исключением «отсеянных» значений (см. фигуру 7Б). Затем устраняют отрицательное влияние помех путем обнуления всех значений производной, меньших 0,3Р (см. фигуру 8). Далее суммируют значения сигналов производных. Результат суммирования приведен на фигуре 9А.

Вычисляют наибольшее значение суммы значений сигналов производных P_sum и производят обнуление всех значений, меньших 0,3P_sum (см. фигуру 9Б). Затем определяют моменты появления начала сигнала производной t_i1 и окончания сигнала производной t_i2.

Далее определяют пик зубца R_i сигнала ЭКГ:

Затем R-R интервал делится на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитается из значения дискретного отсчета R_i+1 и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла. В известном способе выделения начала кардиоцикла установлено, что величина N=4 и начало кардиоцикла находится на расстоянии 1/4 интервала R-R от вершины зубца R [2].

Как видно из фигуры 4Б, предложенный способ позволяет надежно выделить начало каждого кардиоцикла независимо от возможных отклонений параметров (формы, амплитуды, длительности) зубцов ЭКГ. Например, изменение QRS-комплекса и дрейфа изолинии, обусловленное воздействием аддитивных низкочастотных помех (влияние дыхания, артефакты, временной дрейф и т.п.), не приводит к ошибкам выделения начала каждого кардиоцикла.

Технико-экономический эффект предложенного способа заключается в более надежном выделении начала каждого кардиоцикла. Надежное выделение начала каждого кардиоцикла способствует улучшению условий последующей обработки ЭКГ.

Источники информации

1. Патент РФ 2021752, А61В 5/0452. Устройство для выделения QRS-комплексов / Крук Б.И., Белкин Н.И. // БИ 1994, 20.

2. Патент РФ 2294139, А61В 5/0452. Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его реализации / Бодин О.Н., Жулев И.О., Логинов Д.С., Митрошин А.Н., Прошкин В.В. // БИ от 23.05.2005.

3. www.PhisioNet.org.

4. Сидоренко Е.В. Методы математической обработки в психологии. - Спб.: OOO «Речь», 2002,350 с.

5. Зудбинов Ю.И. Азбука ЭКГ. - Ростов н/Д: Феникс, 2003, 240 с.

6. Орлов В.Н. Руководство по электрокардиографии. - М.: Медицина, 1984, 528 с.

Способ выделения начала кардиоцикла, заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов с частотой дискретизации f_d, выделенный R-R интервал делят на N частей, причем N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1, и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла, отличающийся тем, что среди дискретных отсчетов задают шаг вычисления производной k=0,01·f_d, для каждого шага вычисляют производную по модулю во всех отведениях ЭКГ, задают интервал поиска локальных экстремумов для полученных значений сигналов производных, на каждом интервале m определяют наибольшее значение сигнала производной и вычисляют среднее арифметическое найденных значений, среди найденных наибольших значений сигнала производной выделяют и удаляют значения, превышающие среднее арифметическое в 1,5 раза, среди оставшихся наибольших значений сигнала производной вычисляют среднее арифметическое, формуют пороговый уровень P, равный полученному среднему арифметическому, обнуляют значение сигналов производных, меньших 0,3P, суммируют значения сигналов производной для всех отведений ЭКГ, формируют пороговый уровень P_sum, равный максимальному значению полученной суммы, обнуляют значения сигналов суммы производных, меньших 0,3P_sum, определяют моменты появления начала сигнала суммы производных t_i1 и окончания сигнала суммы производных t_i2, определяют пик зубца R_i сигнала ЭКГ, равный , затем R-R интервал делят на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1 и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла.