СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ НАГРУЗОЧНОГО ЭКГ ТЕСТА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ПРЕХОДЯЩЕЙ ИШЕМИИ МИОКАРДА
METHOD FOR INCREASING DIAGNOSTIC ACCURACY OF STRESS ECG TEST FOR DETECTING MANIFESTATIONS OF TRANSIENT MYOCARDIAL ISCHEMIA

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности, к кардиологии и может быть использовано как электрокардиографический скрининговый способ диагностики эпизодов ишемии миокарда как проявления ишемической болезни сердца (ИБС). В результате неинвазивного нагрузочного ЭКГ теста и последующей обработки данных определяются параметры временной динамики электрофизиологических характеристик сердца. Предлагаемое изобретение связано с направлением скрининговой функциональной диагностики болезней сердца [1, 2].
Известен способ [3] исследования ЭАС путем реконструкции эквивалентного электрического генератора сердца (ЭЭГС) [4, 5] дипольного типа и исследования пространственно-временных характеристик этого ЭЭГС. В этом способе по измеренным ЭКС, снятым в определенных точках на поверхности торса человека, вычисляются координаты, ориентация и модуль дипольного момента (интенсивность) ЭЭГС дипольного типа. Однако недостатком этого подхода является отсутствие подхода к формированию признаков ишемической болезни сердца (ИБС).
JA
JA
Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ диагностики ИБС, основанный на нагрузочном ЭКГ тесте [6, 7]. В рамках данного способа проводят дозированное увеличение физической нагрузки, осуществляя одновременно регистрацию электрокардиосигналов (ЭКС) и контроль артериального давления (АД), частоты сердечных сокращений (ЧСС), объем потребляемого кислорода (METS). На фигуре 1 показаны возможные протоколы увеличения физической нагрузки в ходе нагрузочного теста. Здесь: а) для тредмил-теста цифры над горизонтальными линиями показывают скорость дорожки в км/час, а нижние цифры - наклон дорожки; б) для велоэргометрического теста верхние цифры показывают энергозатраты в Ваттах. Затем проводят предварительную обработку ЭКС с определением смещения ST-сегмента. На фигуре 2 показана точка STA, соответствующая центру ST-сегмента и смещение ST-сегмента V в точке STA. Регистрация, при увеличении физической нагрузки, отрицательного смещения (депрессия) ST-сегмента с уровнем V≤-0,1 мВ в любом из отведений (кроме aVR) свидетельствует о положительном результате нагрузочного теста, т.е. о предположительном наличии ИБС.
Недостатком известного способа диагностики ИБС при нагрузочном ЭКГ тесте является недостаточно высокая надежность результатов тестирования. Базовыми параметрами, характеризующими надежность диагностики заболевания, являются чувствительность Se и специфичность Sp [1, 6]:
p
n
tp
tn
где N - число обследованных пациентов с подтвержденной ИБС (например, общеприятым методом коронарографии [1, 6]); N - число обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС; N - число верных положительных решений для обследованных пациентов с подтвержденной ИБС при использовании применяемого метода диагностики; N - число верных отрицательных решений для обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС при использовании применяемого метода диагностики. На фигуре 3 представлены результаты ряда авторов по анализу чувствительности Se и специфичности Sp для нагрузочного ЭКГ теста с оценкой смещения (депрессии) ST-сегмента. Результаты свидетельствуют, что в целом у приблизительно 31% обследуемых с ИБС эта болезнь в нагрузочном тесте не подтверждается, и также у 30% обследуемых с подтвержденным отсутствием ИБС признается наличие признаков этой болезни в тесте. Таким образом, известный способ диагностики ИБС в нагрузочном ЭКГ тесте имеет значительную долю ложноположительных и ложноотрицательных результатов.
По мнению авторов, повышение надежности диагностики ИБС при нагрузочном ЭКГ тесте должно обеспечиваться:
- использованием дополнительного информационного параметра ЭЭГС дипольного типа - коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте;
- совместным использованием информационных параметров: коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте и общепринятого смещения ST-сегмента.
Важной методологической отличительной особенностью предлагаемого метода является дополнительный учет антропометрических параметров торса пациента и координат электродов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности диагностики ишемической болезни сердца при нагрузочном ЭКГ тесте.
Для этого предлагается способ диагностики ишемии миокарда при нагрузочном ЭКГ тесте, заключающийся в том, что по стандартной методике нагрузочного теста осуществляют дозированное увеличение физической нагрузки, контроль АД, ЧСС, МЕТС, регистрацию электрокардиосигналов (ЭКС), предварительную обработку ЭКС с определением смещения ST-сегмента, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют:
- определение антропометрических параметров торса пациента путем измерения ширины 2а и толщины 2b торса;
- определение координат электродов по формулам х=rsin(ϕ); у=-rcos(ϕ), где r - расстояние от центра поперечного сечения торса до электрода, определяется по формуле  ϕ - угол между прямой, соединяющей подмышечные впадины, и направлением на текущий электрод,
- синхронное накопление кардиоциклов ЭКС электродных отведений на временном интервале максимума физической нагрузки по формуле
k
j
s
где N - количество кардиоциклов на интервале максимума физической нагрузки, j -номер кардиоцикла, i - номер временного отсчета кардиоцикла; t - момент достижения максимума R-зубца j-го кардиоцикла ; ; ƒ - частота оцифровки ЭКС;
i
sn
E
gn
g
g
g
х
у
z
- реконструкцию ЭЭГС дипольного типа, т.е. поиск координат и проекций вектора дипольного момента ЭЭГС дипольного типа для всех временных отсчетов кардиоцикла t путем поиска минимума функционала , где  u - ЭКС, снимаемый с n-го электрода; N - количество электродов;  u - сигнал ЭЭГС дипольного типа, рассчитанный для n-го электрода; (x,y,z) - координаты ЭЭГС, (М,М,M) - проекции вектора дипольного момента;
- расчет коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте путем:
ST
- определения M, модуля вектора дипольного момента в центре ST сегмента;
max
- определения M, модуля вектора дипольного момента для вершины Т зубца;
- определение β, коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте по формуле:
- принятие решения о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста по формуле:
JA
JA thresh
thresh
где V - смещение ST-сегмента, решение d=+1 означает положительный результат теста (наличие ИБС), d=-1 означает отрицательный результат теста (отсутствие ИБС); V≈-0,1 мВ и β ∈ (2,5; 3,5) - опционально задаваемые пороговые значения параметров, которые влияют на чувствительность и специфичность результатов диагностики.
На фигуре 4 приведена схема предлагаемого алгоритма, реализующего предлагаемый способ повышения надежности диагностики ишемической болезни сердца при нагрузочном тесте.
На фигуре 5 приведена схема алгоритма на этапе принятия решения.
На фигуре 6 показана зависимость модуля вектора дипольного момента от времени.
На фигуре 7 показана схема алгоритма принятия решения.
На фигуре 8 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае использования смещения ST-сегмента.
На фигуре 9 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае использования коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте.
На фигуре 10 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте.
Из анализа фигуры 4 следует, что суть предлагаемого изобретения заключается в совместном использовании смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте для диагностики ИБС. Для этого после установки электродов и определения антропометрических параметров торса пациента проводят по стандартной методике нагрузочного теста дозированное увеличение физической нагрузки под контролем АД, ЧСС, МЕТС. Во время проведения теста осуществляют регистрацию и предварительную обработку ЭКС. Далее определяют смещение ST-сегмента, координаты электродов, проводят реконструкцию координат и проекций вектора дипольного момента для ЭЭГС дипольного типа. После этого для интервала максимума физической нагрузки рассчитывают коэффициент изменения электрической активности на ST-T сегменте. На основании найденного смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте принимают решение о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста.
Поясним особенности выполнения введенных действий.
Измеряют антропометрические параметры торса пациента - ширину 2а и толщину 2b (фигура 5). Далее определяют координаты электродов по формулам: x=rsin(ϕ); y=-rcos(ϕ), где r - расстояние от центра поперечного сечения торса до электрода, определяется по формуле  ϕ - угол между прямой, соединяющей подмышечные впадины, и направлением на текущий электрод (фигура 5). Проводят синхронное накопление кардиоциклов ЭКС электродных отведений u(t) на временном интервале максимума физической нагрузки по формуле
k
j
s
где N - количество кардиоциклов на интервале максимума физической нагрузки, j -номер кардиоцикла, i - номер временного отсчета кардиоцикла; t - момент достижения максимума R-зубца j-го кардиоцикла,  ƒ - частота оцифровки ЭКС.
i
sn
E
gn
g
g
g
х
у
z
Осуществляют поиск координат и проекций вектора дипольного момента ЭЭГС дипольного типа для всех временных отсчетов кардиоцикла t путем поиска минимума функционала  где  u - ЭКС, снимаемый с n-го электрода; N - количество электродов;  u - сигнал ЭЭГС дипольного типа, рассчитанный для n-го электрода; (x,y,z) - координаты ЭЭГС, (М,М,M) проекции вектора дипольного момента.
ST
max
Рассчитывают коэффициента изменения электрической активности на ST-сегменте. Для этого, пользуясь массивом значений проекций вектора дипольного момента для всех временных отсчетов кардиоцикла, рассчитывают зависимость модуля вектора дипольного момента от времени (фигура 6). По данной зависимости определяют M - модуль вектора дипольного момента в центре ST сегмента и M, - модуль вектора дипольного момента для вершины Т зубца. Далее рассчитывают β, коэффициент изменения электрической активности на ST-T сегменте по формуле:
.
JA
Пользуясь найденными значениями смещения ST-сегмента V и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте β, принимают решения о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста по формуле:
JA thresh
thresh
где решение d=+1 означает положительный результат теста (наличие ИБС), d= - означает отрицательный результат теста (отсутствие ИБС); V≈-0,1мВ и β ∈ (2,5; 3,5) - опционально задаваемые пороговые значения параметров, которые влияют на чувствительность и специфичность результатов диагностики. Схема алгоритма принятия решения приведена на фигуре 7.
ƒp
JA thresh
thresh
Сравнительная оценка надежности способов диагностики ИБС в нагрузочном ЭКГ тесте проведена с использованием ROC-кривых и площади под этими кривыми AUC [9]. На фигуре 8 приведена ROC-кривая при принятии решения о наличии ИБС только по смещению ST-сегмента; фигура 9 соответствует принятию решения только по коэффициенту изменения электрической активности на ST-T сегменте; фигура 10 соответствует предлагаемому способу совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте (см. формулу (4)). На фигурах 8, 9, 10 по горизонтали отложена величина  - доля ложных положительных решений, а по вертикали величина  - доля верных положительных решений; здесь N - число ложных положительных решений для обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС; остальные обозначения соответствуют формуле (1), поэтому Se=Tpr⋅100%; Sp=(1-Fpr)⋅100%. При построении фигуры 10 для каждого малого интервала значений Fpr находились такие соответствующие этому интервалу комбинации пороговых значений V и β, при которых получается наибольшая величина Tpr, т.е. максимальная чувствительность Se. Сравнительный анализ фигур 8, 9 и. 10 показывает, что известный способ диагностики ИБС по смещению ST-сегмента (фигура 8) при чувствительности и специфичности Se≈Sp≈ 70% характеризуется площадью  Способ диагностики только по коэффициенту изменения электрической активности на ST-T сегменте (фигура 9) показывает аналогичные результаты  В то же время предлагаемый способ совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте позволяет улучшить показатели: при специфичности Sp=70% (что соответствует Fpr=0,3) реализуется чувствительность Se=80% при площади под ROC кривой AUC≈0,81 (фигура 10). Это означает, что при скрининговом обследовании на нагрузочном ЭКГ тесте 100 обследуемых с ИБС верное по результатам теста обнаружение ИБС ожидается у 80 человек вместо 70 человек.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность диагностики ИБС при скрининговом обследовании с помощью нагрузочного ЭКГ теста. Это, с одной стороны, снижает долю ложноположительных результатов и проведение дорогостоящих дополнительных методов обследования, включая коронароангиографию; с другой стороны - с повышением чувствительности теста снижается число ложноотрицательных результатов, что позволяет своевременно выявлять пациентов с ИБС и начинать лечебно-профилактические мероприятия.
Источники информации
1. Руководство по функциональной диагностике болезней сердца. Научно-практическое пособие по кардиологии. / Сыркин А.Л., Аксельрод А.С., Новикова И.А., Полтавская М.Г., Седов В.П., Чомахидзе П.Ш., Паша С.П. - М.: Золотой стандарт. 2009. - 368 с.
2. Аронов Д.М., Лупанов В.П. Функциональные пробы в кардиологии. - М.: МЕДпресс-информ, 2007. - 328 с.
3. Пат. №2448643, Российская Федерация, МПК А61В 5/02, А61В 5/0402. Электрокардиограф с измерением координат и параметров источника электрической активности сердца / Лебедев В.В., Крамм М.Н., Жихарева Г.В., Винокуров Д.С., Филонов Д.В., Стрелков Н.О. // Опубл. 27.04.2012, Бюл. №12 - 12 с.
4. Титомир Л.И., Кнеппо П. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца. - М.: Наука. Физматлит, 1999. - 447 с.
5. Титомир Л.И., Трунов В.Г., Айду Э.А.И. Неинвазивная электрокардиотопография. - М.: Наука, 2003. - 198 с.
6. P.W. Macfarlane, A.van Oosterom, O.Pahlm, P.Kligfield, M.Janse, J.Camm Comprehensive Electrocardiology. Second Edition, Springer-Verlag London Limited, 2011. 2291 pp. (Chapter 36. Exercise Electrocardiography and Exercise Testing).
7. ACC/AHA 2002 Guideline Update for Exercise Testing. JACC Vol. 40, No. 8, 2002. - 57 pp.
8. Винокуров Д.С., Крамм M.H., Лебедев В.В., Попов Ю.Б. Реконструкция токового источника в области миокарда. - Медицинская техника. 2008. №4. С. 7-11.
9. E. Ashley, J. Myers, and V. Froelicher. Exercise testing scores as an example of better decisions through science. MEDICINE & SCIENCE IN SPORTS & EXERCISE, 2002. - p. 1391-1398.