СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ST-СЕГМЕНТА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
METHOD OF ISOLATING ST-SEGMENT OF ELECTROCARDIOSIGNAL IN REAL TIME OPERATION MODE

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано при измерении параметров ST-сегмента электрокардиосигнала и их анализе для выявления отклонений от нормы. Способ обеспечивает повышение достоверности выявления участка кардиоцикла, принадлежащего ST-сегменту.
В системах автоматической оценки параметров электрокардиосигнала (ЭКС), в частности в устройствах холтеровского мониторирования, одной из основных задач является оценка параметров ST-сегмента, изменения формы которого являются диагностическим показателем нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы, в частности ишемической болезни сердца. При этом необходимым условием проведения диагностики является достоверное выделение участка ЭКС, принадлежащего ST-сегменту.
RR
Известен способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала [1], заключающийся в том, что сигнал усиливают, фильтруют, обнаруживают QRS-комплекс и выделяют опорные точки, производят коррекцию дрейфа изолинии, исключают из анализа нетипичные для пациента формы сокращений, усредняют формы кардиоцикла на интервале заданной длительности, определяют координаты характерных точек кардиоцикла, при этом выделяют координаты опорной точки, расположенной на вершине R-зубца, измеряют длительность Т кардиоцикла и осуществляют поиск точки начала ST-сегмента скользящим перемещением окна размером 10 миллисекунд (мс) в зоне поиска правее опорной точки. При этом начальную координату левой границы окна выбирают отстоящей на 50 мс от опорной точки. Сравнивают размах сигнала А в окне с заданным порогом гладкости AFJ. Если размах А сигнала в окне превышает заданный порог гладкости AFJ, то окно перемещается вправо до положения, в котором A<AFJ. Положение левой границы окна на оси времени принимают за точку JN начала ST-сегмента. Длительность ST-сегмента, отсчитанную от точки JN, определяют по формуле:
ST
RR
T=56 мс+0.05Т.
Недостатками данного способа являются:
1. Привязка опорной точки к вершине R-зубца приводит к тому, что при вариациях формы QRS-комплекса, связанных с заболеваниями (расщепление R-зубца, трансформация QRS-комплекса в QS или Qr и т.п.), возможны ошибки при выделении ST-сегмента.
2. Неоднозначность задания порога гладкости AFJ в связи с возможными трансформациями формы ST-сегмента. На фиг.1 приведены возможные варианты формы ST-сегмента [2]. В зависимости от положения относительно изолинии возможны следующие варианты формы ST-сегмента: депрессия (фиг.1, а) или элевация (фиг.1, б), косонисходящая (фиг.1, в) или косовосходящая (фиг.1, г), вогнутая (фиг.1, д) или выпуклая (фиг.1, е). Данное обстоятельство может сделать невозможным выделение ST-сегмента с некоторыми из этих форм.
3. Запаздывание данных, связанное с процедурой усреднения нескольких кардиоциклов.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала [3], заключающийся в том, что электрокардиосигнал фильтруют с целью устранения наводки от сети 50 Гц, корректируют дрейф изолинии, дискретизируют по времени, выделяют опорную точку начала каждого кардиоцикла и измеряют длительность Т кардиоцикла. После этого выполняют следующую последовательность действий. Из каждой пары следующих друг за другом отсчетов ЭКС формируют разности первого порядка, затем формируют модули разностей первого порядка. Запоминают значения N модулей разностей первого порядка, следующие после отсчета ЭКС, соответствующего началу кардиоцикла, при этом число N определяется соотношением
где Т - длительность кардиоцикла, Δt - период дискретизации.
QRS+ST
Временной интервал, на котором укладываются эти N отсчетов, следующих с периодом Δt, будет равен расчетному значению T, т.е. сумме длительностей QRS-комплекса и ST-сегмента. Запомненные значения модулей разностей первого порядка, количество которых равно N, суммируют. На каждом очередном шаге дискретизации исключают из числа запомненных значений модулей разностей первого порядка первое ближайшее к началу кардиоцикла значение и добавляют очередное вновь сформированное. Для новой совокупности запомненных значений также определяют сумму S модулей разностей первого порядка.
макс
макс
макс
Сравнивают полученное текущее значение суммы S модулей разности первого порядка с предыдущим и запоминают большее из них, а в случае равенства последнее, S, которое используется для формирования порогового уровня сравнения. Значение S определяется амплитудой и формой QRS-комплекса анализируемого кардиосигнала и может изменяться в значительных пределах для различных пациентов, но слабо изменяется в пределах одной записи электрокардиограммы. Далее формируют пороговый уровень, равный (0.85-0.98)S.
Текущие значения S сумм N модулей разностей первого порядка на каждом шаге дискретизации сравнивают с пороговым уровнем. Момент времени, в который значение S становится равно или превысит пороговый уровень, принимают за начало JN ST-сегмента. Момент времени, в который значение S, до этого превышавшее пороговый уровень, становится равно или меньше порогового уровня, принимают за окончание JK ST-сегмента. Отсчеты ЭКС между моментами начала JN и окончания JK принимают за отсчеты ST-сегмента ЭКС.
Недостатком данного способа является следующее.
При нарушениях в работе сердца, например аритмии, расщеплении R-зубца, трансформации QRS-комплекса, значение S может меняться от кардиоцикла к кардиоциклу. При этом возможны ситуации, когда в некоторых кардиоциклах значения S окажутся ниже порогового уровня сравнения, и ST-сегмент в таких кардиоциклах выделен не будет.
Для исключения таких ситуаций требуется формирование динамического адаптивного порогового уровня сравнения и введение дополнительной верифицирующей функции [4]. Это усложняет процедуру выделения ST-сегмента, но не устраняет в полной мере недостаток известного способа, так как предлагаемая в качестве дополнительной верифицирующей функции первая производная электрокардиосигнала чувствительна к присутствующим в сигнале шумам. При этом возможно превышение верифицирующей функцией на участке ST-сегмента заданного для нее порогового уровня, вследствие чего выделяемый ST-сегмент будет искажен.
Предлагаемый способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в режиме реального времени позволяет устранить указанный недостаток прототипа.
i
Исследования показали [4], что функция суммы модулей разностей первого порядка электрокардиосигнала имеет большую чувствительность к изменению формы и амплитуды зубцов и комплексов ЭКС, чем функция суммы квадратов этих разностей, т.е. суммы мощностей отсчетов разностей первого порядка. Обозначим эту сумму на i-м шаге дискретизации как PW. Таким образом, для выделения ST-сегмента предпочтительнее формировать последовательности сумм мощностей N разностей первого порядка. Однако при этом остается недостаток способа выделения ST-сегмента, основанного на сравнении с пороговым уровнем значений сумм модулей N разностей первого порядка, а также сохраняются упомянутые выше недостатки модификаций этого способа, направленных на повышение достоверности выделения ST-сегмента в режиме реального времени.
На фиг.2, а показан участок электрокардиосигнала (выделен двумя вертикальными пунктирными линиями), соответствующий ST-сегменту, имеющему форму вогнутой параболы, а на фиг.2, б - сигнал соответствующей функции PW суммы мощностей отсчетов разностей первого порядка ЭКС. Полный вид ЭКС и функции PW показаны соответственно на фиг.3, а и фиг.3, б, где участок, соответствующий ST-сегменту, также выделен двумя вертикальными пунктирными линиями.
i
i
П2
i
П2
Проведенный авторами анализ изменения функции PW во времени показал, что модули значений разностей первого порядка этой функции, обозначим их для каждого шага дискретизации как |dPW|, на участке ЭКС, принадлежащем ST-сегменту, имеют существенно меньшие значения, чем непосредственно за пределами этого участка (фиг.2, в). Это обстоятельство и положено в основу предлагаемого способа выделения ST-сегмента электрокардиосигнала. Текущие значения |dPW| сравнивают с некоторым дополнительно установленным пороговым уровнем 2 (фиг.3, в), значение которого U целесообразно установить между значениями минимума и максимума функции |dPW|, определенными в пределах одного кардиоцикла (фиг.3, в). Выполнение условия |dPW|<U будет являться признаком принадлежности i-го отсчета ЭКС участку ST-сегмента (фиг.3, а, в, г).
i
П2
i
П1
макс
В пределах кардиоцикла могут быть еще участки, на которых выполняется условие |dPW|<U. (фиг.3, в). Однако при этом функция PW только на участке ST-сегмента имеет значения, существенно превышающие ее значения на остальных участках кардиоцикла (фиг.3, б). Именно этот признак использован в прототипе [3] для стробирования участка ST-сегмента путем сравнения текущих значений PW с пороговым уровнем 1 (фиг.3, б), значение которого U устанавливают равным (0.85-0.98)PW.
i
i
П1
макс
макс
При формировании сумм PW мощностей разностей первого порядка электрокардиосигнала осуществляется суммирование сигналов во временном окне, включающем N отсчетов сигнала. За счет этого уменьшается влияние шумовых компонент электрокардиосигнала на получаемые значения сумм и, в свою очередь, на значения разностей первого порядка |dPW|. В связи с этим в предлагаемом способе можно снизить требования к точности задания значения U порогового уровня 1, выбирая его из диапазона от 0.7PW до 0.98PW. Это позволит исключить влияние на выделение ST-сегмента вариаций значений PW от кардиоцикла к кардиоциклу.
Для исключения влияния изменений формы и амплитуды QRS-комплекса на формирование опорной точки и ошибок в измерении длительности Т кардиоцикла, можно выбрать опорную точку на сегменте ТР, который, как известно, соответствует электрической диастоле сердца и наименее подвержен изменениям формы элементов ЭКС [5].
Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Электрокардиосигнал фильтруют, корректируют дрейф изолинии, дискретизируют по времени, выделяют начало и измеряют длительность Т каждого кардиоцикла, на каждом очередном шаге дискретизации из пары следующих друг за другом значений электрокардиосигнала формируют значения разностей первого порядка, запоминают N значений разностей первого порядка, следующих после отсчета ЭКС, соответствующего началу кардиоцикла, причем число N определяется соотношением
где Т - длительность кардиоцикла, Δt - период дискретизации.
Для каждого из N запомненных значений разностей первого порядка формируют значения квадратов разностей первого порядка, которые суммируют. Далее на каждом очередном шаге дискретизации по времени исключают из числа запомненных значений разностей первого порядка первое, ближайшее к началу кардиоцикла, значение и добавляют очередное вновь сформированное, для новой совокупности запомненных значений формируют сумму квадратов разностей первого порядка, при этом на каждом шаге дискретизации сравнивают полученное текущее значение суммы квадратов разностей первого порядка с предыдущим и запоминают большее из них, а в случае равенства последнее, по максимальному из запомненных значению суммы формируют первый пороговый уровень. Вместе с этим выполняют следующие действия. На каждом шаге дискретизации из пары следующих друг за другом значений сумм квадратов разностей первого порядка формируют значения разностей первого порядка и их модули, сравнивают значения каждого из них с предыдущим и запоминают большее, а в случае равенства последнее, одновременно запоминают меньшее из них и формируют второй пороговый уровень, выбирая его значение между минимальным и максимальным значениями модулей разностей первого порядка от последовательности значений сумм квадратов разностей первого порядка от последовательности значений отсчетов ЭКС. Сравнивают текущие значения суммы квадратов разностей первого порядка с первым пороговым уровнем, а текущие значения модулей разностей первого порядка от последовательности сумм квадратов значений разностей первого порядка от ЭКС - со вторым пороговым уровнем, и, если в текущий дискретный момент времени модуль разности первого порядка от последовательности значений сумм квадратов меньше второго порогового уровня, а значение суммы квадратов разностей первого порядка больше первого порогового уровня, то отсчет ЭКС в данный дискретный момент времени принимают за отсчет ST-сегмента. Таким образом, выделяют в режиме реального времени все отсчеты электрокардиосигнала, принадлежащие ST-сегменту.
Предложенный способ позволяет более достоверно, по сравнению с известным способом (прототипом), выделить ST-сегмент для более широкого класса электрокардиограмм с различными модификациями формы QRS-комплекса, т.е. обладает большими функциональными возможностями. При этом получение сигнала о наличии ST-сегмента совпадает по времени с его началом, что соответствует выделению ST-сегмента в реальном времени.
Сущность изобретения поясняется следующим графическим материалом:
- фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие процесс выделения ST-сегмента;
- фиг.4 - пример выделения предложенным способом ST-сегмента реального электрокардиосигнала.
i
j
j-1
На фиг.3, а приведен модельный электрокардиосигнал с наложенным на него шумом. ST-сегмент (выделен вертикальными пунктирными линиями) имеет форму вогнутой параболы. Для каждого i-го дискретного момента времени, начиная с N-го, определяется сумма PW (фиг.3, б) мощностей разностей первого порядка, образуемых соседними дискретными отсчетами электрокардиосигнала U и U,
Далее определяются разности первого порядка от функции PW и формируются их модули
i
i
i-1
|dPW|=|PW-PW|.
i
П2
i
П2
i
П1
В каждый i-й момент времени значения |dPW| сравнивают с пороговым уровнем 2, имеющим значение U (фиг.3, в). Если значение |dPW| ниже значения U порогового уровня 2 (фиг.3, в) и при этом значение PW превышает значение U порогового уровня 1 (фиг.3, б), то принимают решение о принадлежности отсчета ЭКС в этот момент времени участку ST-сегмента (фиг.3, г). Таким образом, выполняя описанные действия на каждом шаге дискретизации, выделяют ST-сегмент электрокардиосигнала (фиг.3, г).
i
На фиг.4 приведен пример выделения ST-сегмента реального электрокардиосигнала. ЭКС (фиг.4, а) имеет явно выраженную аритмию и высокий уровень шума квантования (на максимальном значении R-зубца различимо не более 25 уровней квантования). Это обусловило существенный разброс максимальных значений функции PW от кардиоцикла к кардиоциклу (фиг.4, б). При этом ST-сегмент успешно выделен во всех кардиоциклах в режиме реального времени (фиг.4, г), благодаря предложенным действиям формирования модулей разностей первого порядка |dPW| от функции PW и сравнения их с дополнительным пороговым уровнем 2 (фиг.4, в).
Технико-экономический эффект предложенного способа заключается в повышении достоверности выделения в режиме реального времени ST-сегмента электрокардиосигнала независимо от возможных отклонений от нормы параметров QRS-комплекса (формы, амплитуды, длительности) и вариабельности сердечного ритма. Надежное выделение ST-сегмента способствует улучшению условий его дальнейшей обработки, что, в свою очередь, обеспечивает более качественное диагностирование возможных заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.
Литература
1. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ / А.Л.Барановский, А.Н.Калиниченко, Л.А.Манило и др.: Под ред. А.Л.Барановского и А.П.Немирко. М.: Радио и связь, 1993, С.194-204.
2. Габриэль Хан М. Быстрый анализ ЭКГ: Пер. с англ./ Под ред. В.Н.Хирманова. СПб - М.: Невский диалект - Издательство БИНОМ, 2000, 286 с.
3. Патент РФ №2261653, А61В 5/0402. Способ выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени и устройство для его осуществления / О.В.Мельник, А.А.Михеев // 2005. - Бюл. №28.
4. Мельник О.В., Михеев А.А. Новый метод выделения ST-сегмента электрокардиосигнала в реальном времени // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006, №7, С.28-31.
5. Патент РФ 2195164, кл. А61В 5/02. Способ выделения начала кардиоцикла и устройство для его осуществления / А.А.Михеев// 2002. Бюл. №36.