СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ НЕЗАВИСИМОЙ ОТ УГЛА НАКЛОНА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОСИ СЕРДЦА
METHOD FOR GENERATING INFORMATIVE HIGH-STABILITY ELECTROCARDIOGRAM INDEPENDENT OF ANGULATION OF CARDIAC ELECTRICAL AXIS

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии, и предназначено для использования: в медицинской аппаратуре, предназначенной для инструментального лечения сердечно-сосудистых заболеваний; для исследования сердечно-сосудистой системы с последующей оценкой состояния сердца, основанной на расшифровке электрокардиограммы (ЭКГ).
В ряде новых активно развивающихся областей медицины управление медицинской системой осуществляется от R-пика ЭКГ. В качестве таких областей можно указать:
1. Исследования вариабельности ритма сердца путем исследования вариабельности R-пика ЭКГ для диагностики и оценки состояния механизмов регуляции физиологических функций в организме человека [2, 7];
2. При проведении кардиоверсии, при которой дефибриллирующие импульсы подаются синхронно с R-пиком ЭКГ после небольшой регулируемой задержки;
3. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда - альтернативный аортокоронарному шунтированию способ восстановления сердечного кровотока, когда при выполнении перфорации на работающем сердце должна быть обеспечена возможность синхронизации работы лазера с сердечным ритмом [1, 3, 11]. Основным механизмом данного метода лечения является продуцирование направленного ангиогенеза или новых функциональных сосудов в сердце для улучшения перфузии миокарда;
4. При использовании метода усиленной наружной контрпульсации, основанной на последовательном нагнетании воздуха в манжеты вокруг нижних конечностей [4-6, 10]. Надувание и сдувание манжет контролируется электроникой и синхронизировано с R-пиком ЭКГ. Во время диастолы манжеты надуваются в быстрой последовательности от икр вверх. Мгновенное выкачивание воздуха из манжет в начале сокращения желудочков понижает сосудистое сопротивление и, следовательно, уменьшает работу сердца. Увеличение давления в диастолу приводит к открытию и формированию коллатералей и усилению кровоснабжения;
5. Использование предлагаемого способа дает врачу дополнительные возможности к известной традиционной расшифровке ЭКГ, позволяет повысить эффективность диагностики аритмий, ишемической болезни, инфаркта миокарда и других заболеваний сердца;
6. Предлагаемый способ получения стабильной и помехоустойчивой ЭКГ можно использовать для суточного холтеровского мониторинга, поскольку для этих исследований основное значение имеет измерение ритма по максимуму ЭКГ или по пику R-зубца ЭКГ при условии надежного его определения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу получения ЭКГ являются способ и устройство, известные из патента [8, 9]. Это способ получения электрокардиограммы (ЭКГ) в 12 отведениях, включающий съем сигнала ЭКГ во фронтальной плоскости (R, L, F) и в горизонтальной плоскости (V1 - V6), отличающийся тем, что для съема ЭКГ используют любые две точки из стандартных трех во фронтальной плоскости и две любые точки из шести в горизонтальной плоскости. Результирующий сигнал каждого из грудных отведений вычисляют, используя специальную математическую формулу [9].
Известные способы регистрации ЭКГ включают цикл измерений параметров кардиосигналов, его обработку на ЭВМ и конечную графическую регистрацию ЭКГ. В медицинской аппаратуре кардиосигнал используется для управления устройствами для лечения кардиологических больных. Использование ЭВМ повышает скорость анализа ЭКГ, однако поступающая на ЭВМ информация содержит помехи, вызванные, например: аппаратными шумами, дрейфом нулевой линии, изменением положения тела пациента, смещением электродов, сетевыми наводками и т.д. Поэтому распознавание элементов ЭКГ, например, слабых QRS-пиков, затруднено, что приводит к низкой точности измерения параметров ЭКГ.
Электрокардиограммы в стандартных отведениях I, II, III и других отведениях имеют зависимость от угла наклона электрической оси сердца. Эта зависимость является помехой при анализе ЭКГ, фактически она является некоторой шумовой компонентой. В других случаях, например при кардиохирургических операциях электрической оси сердца, может изменяться в ходе операции, что служит дополнительной помехой при планировании хода операции. В данной работе предлагается представление ЭКГ в форме, не зависящей от положения электрической оси сердца. Такое представление может быть в ряде случаев достаточно информативным и эффективно дополнит стандартные электрокардиографические данные.
I
II
III
В отведениях I, II, III базовым свойством ЭКГ является то, что u, u, u являются проекциями реального электрического вектора сердца на направления отведений I, II, III.
Как известно из клинических данных, экспериментальных исследований положение в пространстве электрического вектора сердца весьма нестабильно и зависит от многих привходящих факторов. Эта нестабильность является весьма существенной помехой при использовании в медицинских устройствах. Например, даже при изменении тела пациента или больного из положения лежа в положение на боку электрический вектор сердца заметно изменяется как положение электрического вектора сердца в пространстве, так и его величина [1, 2]. В приложениях, где управление медицинским устройством осуществляется от ЭКГ, такое положение недопустимо, так как может приводить либо к сбоям в работе медицинского устройства, либо к полной дестабилизации режима его работы. Предлагаемый способ получения ЭКГ позволяет практически полностью устранить зависимость ЭКГ от нестабильности электрического вектора сердца и значительно уменьшить общие шумовые помехи.
Нестабильность ЭКГ, обусловленная нестабильностью электрического вектора сердца, при расшифровке ЭКГ специалистом-кардиологом компенсируется благодаря фильтрации ошибки за счет практических знаний и опыта кардиолога. Однако в инструментальных приложениях полной фильтрации помех ЭКГ за счет знаний и опыта специалиста невозможно.
I
II
III
Причинно-следственная связь состоит в том, что благодаря выполнению операций согласно предлагаемому способу получения ЭКГ происходит взаимная компенсация помех от нестабильности электрического вектора сердца благодаря используемым преобразованиям электрокардиологических сигналов u, u, u. В результате этих преобразований нестабильности и шумы, обусловленные нестабильностью электрического вектора сердца, взаимно компенсируют друг друга. В результате практически полностью устраняется зависимость выходного сигнала от нестабильности электрического вектора сердца. Это делает пригодным определение ЭКГ согласно предлагаемому способу для эффективного управления медицинскими устройствами для лечения сердца.
I
II
III
I
II
III
Никакое другое преобразование тройки ЭКГ u, u, u не позволяет осуществить столь эффективную компенсацию влияния электрического вектора сердца на выходной сигнал. Приведем математическую теорию компенсации влияния нестабильности электрического вектора сердца на ЭКГ, получаемую в результате преобразованиям электрокардиологических сигналов u, u, u.
Прикладное техническое значение заявляемого изобретения.
Согласно Регламенту п. 10.7.4.3. (1.1) технический результат представляет собой характеристику технического эффекта, явления, свойства и т.п., объективно проявляющихся при осуществлении способа или при изготовлении либо использовании продукта, в том числе при использовании продукта, полученного непосредственно способом, воплощающим изобретение.
Технический результат, обеспечивающий возможность оценки заявляемого изобретения специалистом на основании уровня техники его смыслового содержания, заключается в повышении точности каждого кардиоцикла, в повышении достоверности выделения R-зубца ЭКГ, в повышении стабильности и помехоустойчивости ЭКГ. Более детально области приложения заявляемого изобретения изложены ниже.
Математическое обоснование заявляемого изобретения.
Величина каждой составляющей ЭКГ в стандартных отведениях равна амплитуде электрического вектора сердца, умноженному на косинус угла между электрической осью сердца и осью соответствующего отведения. Эти амплитуды можно определить как проекции на соответствующие оси отведений, которые являются сторонами треугольника Эйндховена, что иллюстрируется фиг. 1.
Рассмотрим процедуру построения вектора электрической оси сердца и зубцов на осях отведений. Схематическое изображение треугольника Эйндховена электрическая ось сердца и ЭКГ, записанные в соответствующих отведениях, иллюстрируются фиг. 2.
I
II
III
Направление электрической оси сердца не является постоянным, но изменяется в каждый момент времени. Обычно его определяют для комплекса QRS. Чтобы определить направление электрической оси, необходимо измерить угол между полученным вектором и горизонтальной линией, что иллюстрируется фиг. 2 справа. В норме он составляет от 0 до +90 градусов. В дальнейшем мы используем стандартные отведения I, II, III. Положительный полюс II стандартного отведения расположен под углом +60°, отведения III под углом +120° к направлению оси отведения I. Амплитуды u, u, u можно определить как проекции на соответствующие оси отведений, которые являются сторонами треугольника Эйндховена в виде
Рассмотрим сумму S, равную
Воспользуемся тригонометрическим соотношением
После несложных преобразований из (2), (3) получаем
Из последнего соотношения следует
I
II
III
Приведенные соотношения позволяют найти длину электрического вектора сердца U по известным значениям u, u, u в отведениях I, II, III. Вычисление угла наклона электрического вектора сердца возможно по формуле . Как видно из полученной формулы (4), получаемая ЭКГ не зависит от угла наклона электрического вектора сердца, что и требовалось доказать.
Раскрытие изобретения
I
II
III
I
II
III
I
II
III
Нестабильность ЭКГ, обусловленная нестабильностью электрического вектора сердца, при расшифровке ЭКГ специалистом-кардиологом компенсируется благодаря фильтрации ошибки за счет практических знаний и опыта, и интуиции кардиолога. Однако в инструментальных приложениях полной фильтрации помех ЭКГ за счет знаний и опыта специалиста невозможно. В заявляемом изобретении на фундаментальных свойствах ЭКГ в отведениях I, II, III - независимости суммы квадратов потенциалов u, u, u от угла наклона электрического вектора сердца основан предлагаемый способ, который используют для получения ЭКГ, независимой от угла наклона электрического вектора сердца. Это способ получения информативной электрокардиограммы повышенной стабильности и помехоустойчивости независимой от угла наклона электрической оси сердца, когда выполняют получение ЭКГ по отведениям I, II, III u, u, u, отличающийся тем, что для получения амплитуды электрического вектора ЭКГ выполняют пропускание каждого из сигналов u, u, u по отведениям I, II, III через квадратичные преобразователи, затем суммируют сигналы, получаемые на выходах квадратичных преобразователей, и используют полученную сумму в качестве выходного сигнала.
I
II
III
Причинно-следственная связь между стабильностью получаемой ЭКГ и указанными выше преобразованиями согласно предлагаемому способу состоит в том, что благодаря выполнению операций согласно предлагаемому способу получения ЭКГ происходит взаимная компенсация помех от нестабильности электрического вектора сердца благодаря используемым преобразованиям электрокардиологических сигналов u, u, u. В результате этих преобразований взаимно компенсируется зависимость ЭКГ от угла наклона электрического вектора сердца, а также компенсируются нестабильности и шумы, обусловленные нестабильностью электрического вектора сердца. В результате практически полностью устраняется зависимость выходного сигнала от угла наклона электрического вектора сердца и его нестабильности.
Можно объяснить причинно-следственную связь между стабильностью получаемой ЭКГ и указанными выше преобразованиями тем, что благодаря этим преобразованиям мы получаем натуральную амплитуду электрического вектора сердца, которая совершенно естественно не зависит от угла наклона электрического вектора сердца и нестабильности углов наклона.
Строгое доказательство причинно-следственной связи между стабильностью получаемой ЭКГ и указанными выше преобразованиями содержится в разделе описания «Математическое обоснование заявляемого изобретения».
I
II
III
Никакое другое преобразование тройки ЭКГ u, u, u в системе отведений I, II, III не позволяет осуществить столь эффективную компенсацию влияния электрического вектора сердца на выходной сигнал. Заявляемое изобретение является редкой находкой среди работ, посвященных получению стабильной ЭКГ, позволяющее получить наиболее просто и точно R-зубец ЭКГ для управления медицинскими устройствами для лечения сердца.
Экспериментальное подтверждение эффективности изобретения
Определение длины электрического вектора в соответствии с предлагаемым способом было проведено экспериментально на серии данных для группы пациентов из 30 человек. Данные для расчетов были получены в результате оцифровки реальных ЭКГ. Результаты расчета амплитуды электрического вектора сердца одного из пациентов иллюстрируются на фиг. 3 снизу. Результаты расчета амплитуды электрического вектора сердца другого пациента иллюстрируются фиг. 4 снизу.
Полученные экспериментальные результаты расчета длины электрического вектора в соответствии с предлагаемым способом показали его высокую эффективность и перспективность его использования особенно в медицинской аппаратуре, предназначенной для инструментального лечения сердечно-сосудистых заболеваний.
Заключение
В заключение еще раз отметим. Использование предлагаемого способа определения амплитуды электрического вектора ЭКГ наиболее эффективно в случаях:
1. Для исследования вариабельности ритма сердца с помощью R-пика ЭКГ;
2. При проведении кардиоверсии, при которой дефибриллирующие импульсы подаются синхронно с R-пиком ЭКГ после небольшой регулируемой задержки;
3. При проведении трансмиокардиальной лазерной реваскуляризации миокарда, когда при выполнении лазерной перфорации на работающем сердце должна быть обеспечена возможность синхронизации работы лазера синхронно с R-пиком ЭКГ;
4. При использовании усиленной наружной контрпульсации, при которой надувание и сдувание манжет на ногах контролируется электроникой и синхронизировано с R-пиком ЭКГ;
5. Использование предлагаемого способа дает врачу дополнительные возможности к известной традиционной расшифровке ЭКГ, позволяет повысить эффективность диагностики аритмий, ишемической болезни, инфаркта миокарда и других заболеваний сердца;
6. Предлагаемый способ получения стабильной и помехоустойчивой ЭКГ можно использовать для суточного холтеровского мониторинга, поскольку для этих исследований основное значение имеет измерение ритма по максимуму ЭКГ или по пику R-зубца ЭКГ при условии надежного его определения.
Литература
1. Айткожин Г.К., Исраилова В.К. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация миокарда - новый метод хирургического лечения больных ишемической болезнью сердца // "Кардиология", 2002, т. 42, №1.
2. Баевский P.M., Кириллов О.И., Клецкин С.З. // Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984. С. 220.
3. Бокерия Л.А., Беришвили И.И., Асланиди И.П., Вахромеева М.П. Трансмиокардиальная лазерная реваскуляризация: перфузия, функция и метаболизм миокарда // Издательство НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, Москва, 2004.
4. Бокерия Л.А., Ермоленко М.Л., Байрамукова М.Х. Наружная контрпульсация эффективный метод лечения рефрактерной стенокардии // Бюллетень НЦССХ им А.Н. Бакулева РАМН. 2005; 6: 6-9
5. Бузиашвили Ю.И. Возможность применения наружной контрпульсации в комплексной терапии больных ИБС с сердечной недостаточностью / Ю.И. Бузиашвили, Д.Х. Камардинов, С.Т. Мацкеплишвили, М.А. Джалилов, А.З. Рахимов, В.П. Алимов // Креативная кардиология. 2010. №2. С. 106-113.
6. Бузиашвили Ю.И. Возможности наружной контрпульсации в комплексном лечении больных ишемической болезнью сердца / Ю.И. Бузиашвили, Д.Х. Камардинов, С.Т. Мацкеплишвили, А.З. Рахимов, М.М. Степанов, М.А. Джалилов, P.P. Мадалимов, Е.Д. Чоладзе, Б.Р. Сандухадзе // Бюлл. НЦ ССХ им. А.Н. Бакулева РАМН. 2009. №1. С. 100-108.
7. Григорьев А.И., Баевский P. M. Концепция здоровья и проблема нормы в космической медицине. М., Слово, 2001, 96 с.
8. Мавродиади В.Г. Прибор для расчета отклонений оси сердца по данным электрокардиограммы Класс 42m, СССР, №68734 1947 г
9. Назаров М.И. Способ получения электрокардиограммы в двенадцати отведениях. МПК: А61В. Патент №2229836. Дата публикации: 20.02.2004. Класс 42m, 36 СССР. №68734
10. Шумаков В.И., Толпекин В.Е. Наружная контрпульсация: опыт НИИ трансплантологии и искусственных органов. // Кардиология. 2005. 2. С. 4-6.
11. Mirhoseini М, Cayton MM. Revascularization of the heart by laser. / J. Microsurg. 1981. 2, P. 253-260.