СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ КООРДИНАТ СИГНАЛОВ МИОКАРДА И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INCREASING ACCURACY IN MEASUREMENT OF COORDINATES OF MYOCARDIUM SIGNALS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для повышения диагностической эффективности электрокардиографии за счет повышения точности измерения координат источника электрической активности сердца. Измерение координат источников электрической активности достигают применением метода реконструкции параметров, раскрытого в Патенте №2448643 «Электрокардиограф с измерением координат источников электрической активности сердца». Согласно устройству (Патент №2448643) измерение проходит в координатах условного центра тела. Начало 000 этой системы координат помещено в условный центр тела в груди, ее ось Х направлена к левому боку пациента, Y - вниз, Z - к спине. Центр тела выбирается на оси симметрии, координаты электродов на теле пациента измеряются в этой системе координат. Однако собственно сердце имеет индивидуальные смещения у каждого пациента относительно условного центра тела. В предлагаемом способе после первичного нахождения координат источников электрической активности сердца (в системе координат условного центра тела) выделяем полученные координаты точки межжелудочковой перегородки (МЖП, анатомически связанной с импульсом Q) и синусного узла (начало импульса P) их вычитаем из всех измеренных координат точек электрической активности сердца. При этом первичные ошибки, возникшие в системе координат условного центра тела, вычитаются, ибо они постоянны в каждой конкретной процедуре обследования.
Так же рассчитываем значения угла электрического вектора сердца. По этим данным устанавливаем новую систему координат собственно сердца с началом в SU (координаты 000) и повернутую на угол электрического вектора сердца относительно первичной системы. Новая система координат - это система координат собственно сердца. Она оказывается сдвинутой относительно системы координат условного центра тела и повернутой в соответствии с измеренным значением электрического угла сердца. Формирование системы координат сердца необходимо для представления врачам измеренных данных на картине сердца.
Повышение точности важно хирургам и терапевтам кардиологам для улучшения качества диагностики и обеспечения наблюдения перемещений координат нарушений в процессе выздоровления.
1. Известно исторически первое устройство электрокардиографа, созданное В. Эйнтховеном в 1901 году. Его структура показана на фиг.1 и описана в типовых учебниках по электрокардиографии [Орлов В.И. Руководство по электрокардиографии. - М.: МИА, 2007 г.; Мурашко В.В. Электрокардиография. - М.: ООО "МЕДпресс", 1998 г.]. Оно (фиг.1) содержит набор электродов 1, усилители сигналов 2, регистраторы графиков электрокардиограмм 3. По этим графикам на основе врачебного опыта проводится анализ и выявляется наличие нарушений работы сердца. Существующие электрокардиографы сохраняют эту структуру и дают графики потенциалов электрической активности сердца, однако недостатком описанных устройств является отсутствие измерения координат источника электрической активности сердца.
2. Известен патент устройства, позволяющего измерять распределение потенциалов источника электрической активности сердца: "Sistem and metod for noninvasive electrocardiografic imaging (ECGI) using generalized minimum residual (GMRes)" [PATENT № US 7016719 B2 Mart 21 2006]. Сущность патента представлена на фиг.2, а поясняющие рисунки приведены на фиг. 3. Применен многоэлектродный жилет на торсе пациента и проводится одномоментное (изохронное) снятие потенциалов всех электродов. Координаты электродов находятся с использованием рентгеновского томографа. По потенциалам электродов проводится построение изохронных карт эквипотенциалей на поверхности тела, далее распределение эквипотенциалей пересчитывается к эпикарду. В верхней части фиг. 3 показана общая структура этого устройства, в нижней - более подробная. Алгоритм обработки изохронных кардиосигналов сводится к вычислительной реконструкции потенциала электрического поля сердца на его эпикарде по данным регистрации потенциала на поверхности грудной клетки.
3. Математическая обработка обеспечивает установление связи между потенциалами электродов, координатами электродов и эквипотенциалями поверхности тела, которые затем пересчитываются к эквипотенциалям эпикарда (узлы 141 на фиг. 3). Конечная обработка массива потенциалов позволяет строить карты эквипотенциалей (линий равного потенциала) для выбранных моментов времени (узел 145, фиг. 3). По этим картам врачи проводят медицинскую диагностику.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность аппаратного исполнения, т.к., во-первых, используется электродный жилет с большим числом электродов (приходится изготавливать ряд таких жилетов в соответствии с различной конституцией тела пациента) и, во-вторых, проводится предварительное томографическое сканирование с последующей реконструкцией для определения координат электродов. Отсюда вытекает и сложность диагностических обследований, особенно для врачей скорой помощи. Кроме того, не ставится вопрос формирования графиков движения точек электрической активности сердца (треков).
4. Известен Патент (Патент №2448643) "Электрокардиограф с измерением координат и параметров источника электрической активности сердца". Устройство позволяет производить измерение координат и параметров источника электрической активности сердца в принятых координатах центра тела и отображать графики движения этих параметров (треков). Структура устройства представлена на фиг.4, где узлы 1, 2, 3, являются общими для всех электрокардиографов, они дополняются узлами 4, 5, 6, 7. В узле 4 происходит вычитание из реальных потенциалов электродов (полученных с выхода узла 2) расчетных потенциалов (полученных от узла 6). В узле 7 по данным геометрии торса определяются координаты электродов. В узле 6 рассчитываются потенциалы электродов по значениям координат электродов из узла 7, при этом значения координат диполя источника электрической активности сердца формируют узел поиска 5 (в нем проводится поиск). Параметры модели источника варьируются до тех пор, пока различие расчетных и реально измеренных потенциалов электродов не станет минимальным. По достижении минимума (оцениваемого в узле 4) поиск в узле 5 останавливается. После остановки полученные координаты и параметры из узла 5 передаются в узел 3 для регистрации. Размеры прибора не превышают размеров стандартного электрокардиографа, он не сложен для работы врачей. Недостатком данного устройства является небольшая точность измерения координат источника.
5. Точность определяется: во-первых, погрешностью определения координат электродов на теле пациента, во-вторых, отсутствием привязки используемых координат условного центра тела к анатомическим узлам сердца. Общие ошибки определения координат электрически активных точек сердца оказываются достаточно большими - порядка 1.5-3 см.
6. Предлагается способ повышения точности измерения координат точек электрической активности сердца, производимого по патенту №2448643. После измерения координат находим координаты начала SU/МЖП. Сигналы этого анатомического узла связаны с импульсом P/Q на ЭКГ и начало его координат связано с началом импульса P/Q во времени. Вычитаем координаты МЖП из всех координат точек измеренного графика. Эта операция приводит к исключению ошибок, связанных с неточностью наложения электродов и несовпадением условного центра тела с центром сердца. Далее находим координаты SU (анатомически это начало импульса P ЭКГ) и рассчитываем по координатам МЖП и SU угол сердца для создания новой системы координат собственно сердца, что необходимо для совмещения измеренных треков с изображением сердца. Эффект уменьшения ошибок при вычитании был проверен на модели и на реальных пациентах (Глушков А.Е., Винокуров Д.С. Определение координат электрических узлов миокарда // Конференция «Радиотехника, электроника и энергетика». Тезисы докладов. МЭИ. - 2011. - т.1, с.289).
7. Измерение координат в устройстве по Патенту №2448643 связано с типовыми трудностями. Дело в том, что точка координат P/Q связана с началом импульсов, а начало любого импульса находится в зонах нулевого уровня сигнала. Остаются только шумы. В этом случае график координат (трек) незаметно переходит в график шумового фона. Возникает неопределенность в определении границы координат начала импульса. Для устранения этого недостатка процедуру определения точки начала координат импульса разделяем на два этапа: 1) предварительно определяем точку момента начала импульса P/Q по временному графику ЭКГ; 2) далее эта временная точка начала переносится на график координат, где она фиксирует границу начала координат импульса P/Q - координат SU/МЖП.
На временных графиках ЭКГ четко определяется точка начала импульса P/Q. Она хорошо предсказуема, т.к. график обязательно стремятся к нулю (нулевая линия в ЭКГ называется изолинией). Точка начала находится зрительно или пороговым методом. График координат не имеет такой привязки, т.к. изолиния для него отсутствует и график переходит в область шумов, где регистрируется случайная траектория. Нахождение точки "начала" на временном графике и перенос этой точки на график координат позволяет уверенно находить координаты начала импульса P/Q.
8. Выше уже сказано, что в точках начала импульсов уровень ЭКГ сигнала является нулевым. Возникает сильное влияние шумов и тремора мышц тела. Чтобы ослабить этот недостаток, находим на временном графике ЭКГ не точку "начала", а «область начала». Ее можно найти, например, устанавливая достаточно высокий порог для графика импульса. (Временные размеры этой «области» для разных импульсов обычно составляют 5-10 мс и заранее известны на основе анализа банков ЭКГ). График в "области" начала уже имеет вид отрезка кривой, выходящей из шумов. На этом отрезке проводим стандартную процедуру аппроксимации, после чего уменьшается шумовое воздействие. Новую уточненную точку временного начала находим как пересечение полученной очищенной от шумов кривой с изолинией. Эту уточненную временную точку переносим на график координат, где фиксируем уточненную точку начала координат искомого импульса.
9. Реализацию предлагаемого способа осуществляет устройство, показанное на фиг.5. Узел 1 является электрокардиографом, обеспечивающим получение графиков ЭКГ и графиков треков, патент №2448643. Он имеет два выхода: первый несет график ЭКГ, второй - график треков. От первого выхода график ЭКГ поступает на вход узла 2. Это узел выделения временной области начала импульса P/Q, и в этой "области начала" проводим процедуру аппроксимации для уменьшения шумов, далее находим пересечение полученного очищенного графика с изолинией, чем определяется уточненная временная точка начала. Временная точка начала поступает из первого выхода узла 2 на первый вход узла 3. От второго выхода узла 1 исходный график треков поступает на второй вход узла 3. Узел 3 обеспечивает нанесение временной точки начала на график координат трека. Далее сигнал поступает в узел 4, где выделяем координаты P/Q SU/МЖП и вычитаем их из координат всех точек графика электрической активности сердца. В результате формируется система координат миокарда с уточненными графиками.
11. Описанные выше действия отличаются от работы устройства по патенту №2448643: 1) введением дополнительной процедуры определения координат P/Q и вычитании этих координат из всех координат измеренных точек электрической активности сердца; 2) в использовании временного графика ЭКГ для нахождения точек начала каждого импульса и переноса ее на график треков; 3) в проведении процедуры уточнения временной точки «начала» в «области начала» с использованием аппроксимации.
12. Устройство повышения точности измерения координат источников электрической активности сердца работает следующим образом. В соответствии с фиг. 5 выходные сигналы узла 1 несут графики ЭКГ и графики треков. Эти данные поступают в узлы 2 и 3. Узел 2 обеспечивает выделение временной "области начала" импульса P/Q ЭКГ. Так же в узле 2 в выделенной "области начала" производим аппроксимацию отрезка кривой временного графика ЭКГ и находим пересечение полученной после аппроксимации кривой с изолинией для нахождения «уточненной точки начала». Узел 3 получает на первый вход - временную точку «начала» от узла 2, на второй вход - треки со второго выхода узла 1. Узел 3 фиксирует на кривой трека координаты точек начала каждого импульса в момент полученной точки "начала». В узле 4 определяем координаты точки МЖП (начала импульса Q) и вычитаем эти координаты из координат точек всего графика треков. Этим происходит перевод прежней системы координат и формируется новая система координат собственно сердца.
13. Устройство повышения точности измерения координат источников электрической активности сердца может быть выполнено программно на типовом ПК, т.к. упомянутый электрокардиограф (Патент №2448643) имеет цифровые выходы ЭКГ и треков. Как вариант, можно реализовать отдельный цифровой вычислительный узел на типовом контроллере. Выделение временной "области начала" графика импульса P/Q на ЭКГ может производиться пороговым устройством по заданному уровню амплитуды. Аппроксимация графика в "области начала" может производиться с использованием типового пакета математических программ, например MatLab (см. И.Е. Ануфриев. Самоучитель MatLab. - СПб.: "БХВ Петербург", 2004) Нахождение точки пересечения аппроксимированной линии графика с изолинией также не вызывает каких-либо трудностей. Все блоки программ имеют небольшое время счета и могут работать в реальном времени.