СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА
METHOD OF CARDIAC SIGNAL PROCESSING

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к кардиотехнике, и может быть использовано для преобразования и анализа электрокардиосигналов (ЭКС).
Известен способ обработки ЭКС, включающий разбиение ЭКС на RR-интервалы, которые затем накладывают последовательно один на другой, синхронизируя их по максимуму R-зубца на кардиомониторе (Патент RU №2033076). Этот способ позволяет частично подавить шумы в двух-трех смежных кардиокомплексах за счет интегрирующей способности экрана монитора при наложении двух-трех сигналов. Недостатком этого способа является низкая достоверность представляемого ЭКС, так как из-за постоянного изменения частоты сердечных сокращений (ЧСС) наложение большего числа кардиокомплексов не приводит к увеличению достоверности представляемого ЭКС из-за декореляции сигналов, особенно на несинхронизированных концах кардиокомплекса. Этот способ характеризуется низкой достоверностью диагностической информации представляемой врачу.
Наиболее близким по технической сущности является способ обработки электрокардиосигнала, заключающийся в том, что кардиосигнал разбивают на RR-интервалы, синхронизируют RR-интервалы по максимуму R-зубца, выделяют RR-интервалы с одинаковой длительностью и осуществляют их когерентное сложение (Патент RU №2363379).
В записях кардиосигнала могут присутствовать кардиокомплексы различающиеся по форме, но имеющие одинаковую длительность RR-интервала, например, экстрасистолы, комплексы с нарушением внутрижелудочковой проводимости, поэтому недостатком этого способа является возможность сложения кардиокомплексов различной морфологии, что приводит к ошибке накопления и, соответственно, искажает форму накапливаемого кардиокомплекса и, тем самым, может снижать достоверность и точность обработки мониторограммы.
Задачей, решаемой изобретением, является уменьшение влияния нетипичных кардиокомплексов на представление ЭКС. Типичным является кардиокомплекс, идентичный усредненному.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ, как и известный, реализуется путем разбиения кардиосигнала на RR-интервалы, синхронизации RR-интервалов по максимуму R-зубца, выделения RR-интервалов с одинаковой длительностью, но в отличии от известного, в предлагаемом способе предварительно устраняют дрейф изоэлектрической линии и определяют аппроксимацию электрокардиосигнала, выделяют RR-интервалы с одинаковой энергией и осуществляют когерентное сложение тех выделенных RR-интервалов с одинаковой энергией, для каждого из которых коэффициент взаимной корреляции аппроксимации фрагмента электрокардиосигнала соответствующего данному RR-интервалу и опорного сигнала больше наперед заданного значения.
Достигаемым техническим результатом является повышение достоверности диагностической информации содержащейся в усредненном кардиокомплексе предоставляемом врачу.
Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2, характеризует способ обработки кардиосигнала, в котором в качестве опорного сигнала выбирают RR-интервал, выделенный врачом при визуальной оценке кардиосигнала.
Достигаемым техническим результатом является возможность выделять и накапливать только те кардиокомплексы, функциональный вид которых интересует врача (например, кардиокомплексы с изменением формы соответствующей определенной патологии), что позволит значительно снизить временные затраты на анализ длительных мониторограмм.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На первом этапе, для адекватной дальнейшей обработки (например, точной синхронизации, оценки энергии RR-интервала и. т.д), для случая присутствия в мониторограмме дрейфа изоэлектрической линии, вначале оценивают данный дрейф и затем вычитают это смещение из мониторограммы. Для этого можно воспользоваться известными способами, например, с помощью фильтра верхних частот Баттерворда 8-го порядка, с частотой среза 2 Гц [P.M. Рангайян. Анализ биомедицинских сигналов], или вычитании из зашумленного кардиосигнала сплайн аппроксимации дрейфа изоэлектрической линии построенной по узловым точкам кардиокомплексов, [Кардиомониторы - аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. пособие для вузов / под ред. Барановского А.Л., Немирко А.П.].
Однако, кроме дрейфа изоэлектрической линии, наблюдаемый фрагмент электрокардиосигнала подвержен влиянию и миографической помехи. В этом случаи, его реализация представляет собой аддитивную смесь «чистого» кардиосигнала и данной помехи. Поэтому, на следующем этапе, осуществляется сглаживание сигнала путем аппроксимации с целью уменьшения влияния случайных отклонений и выбросов.
Проводить аппроксимацию кардиосигнала возможно различными способами. Например, процедура аппроксимации может быть следующей. Любой фрагмент кардиосигнала разбивается на N сегментов со сдвигом на время Δt между соседними сегментами. На основе метода наименьших квадратов для каждого из сегментов определяется функция его аппроксимации в виде полинома второго порядка. Окончательный результат получаем путем усреднения значений функций аппроксимаций для перекрывающихся фрагментов сегментов. Использование усреднения по перекрывающимся фрагментам всех сегментов позволяет увеличить их число, снижая дисперсию оценки «чистого» сигнала. Это позволяет приблизиться к истинному сигналу сердца и получить более гладкий сигнал с меньшим значением случайных выбросов.
Затем кардиосигнал разбивают на RR-интервалы, синхронизируют RR-интервалы по максимуму R-зубца и выделяют RR-интервалы с одинаковой длительностью.
Однако RR-интервалы с одинаковой длительностью могут значительно различаться амплитудами зубцов. Это приводит к тому, что могут накапливаться сигналы с одинаковой формой, но разной амплитудой зубцов. Поэтому, дополнительно вводится отбор кардиокомплексов по уровню их энергии.
Энергия RR-интервала электрокардиосигнала в случаи отсутствия смещения изоэлектрической линии равна интегралу от квадрата значения переменной составляющей напряжения (или тока) и может быть измерена при помощи соответствующих приборов [В.И. Тихонов Статистическая радиотехника. М. Сов. рад. 1966].
Измерение энергии кардиосигнала на RR-интервале можно осуществить путем интегрирования квадрата аппроксимации электрокардиосигнала x(t) на RR-интервале
,
i
i
i
i
где x(t) - функция аппроксимации электрокардиосигнала, [t, T+t] - интервал i-го RR-интервала, T - длительность i-го RR-интервала.
На следующем этапе определяется коэффициент взаимной корреляции аппроксимации фрагмента ЭКС соответствующего текущему RR-интервалу и опорного сигнала. Физический смысл использования коэффициента взаимной корреляции заключается в том, что в результате данного подхода отбираются только идентичные кардиокомплексы, так как только близкие по форме кардиокомплексы имеют высокое значение коэффициента корреляции между собой.
Для уменьшения чувствительности процедуры сортировки кардиокомплексов к случайным отклонениям кардиосигнала вызванным миографической помехой, предлагается производить оценку коэффициента взаимной корреляции не с непосредственно наблюдаемым кардиосигналом, а с его аппроксимацией. Сглаживание сигнала путем аппроксимации уменьшит влияние случайных отклонений и выбросов, присутствующих в анализируемом фрагменте, на коэффициент взаимной корреляции.
i
i
i
оп
Взаимный коэффициент корреляции аппроксимации электрокардиосигнала x(t) на интервале [t, T+t] и опорного сигнала S(t) определяется как
оп
где Е - энергия i-го RR-интервала, Е - энергия опорного сигнала.
i
Значение коэффициента корреляции r может быть измерено при помощи нормировки аппроксимации сигнала на выходе коррелометра. В качестве нормы выступает квадратный корень от произведений энергий опорного и аппроксимации исследуемого сигнала на соответствующем RR-интервале [В.И.Тихонов Статистическая радиотехника. М. Сов. рад. 1966].
оп
оп
Коэффициент взаимной корреляции равен 1 в случаи равенства х(t)=αS(t), где α - безразмерный коэффициент (сигналы x(t) и S(t) могут значительно отличаться по амплитуде). Однако сортировка по энергии позволяет избежать данной неопределенности, что в сумме с сортировкой по взаимному коэффициенту корреляции позволяет накапливать только идентичные кардиокомплексы (близкие по форме и уровню амплитуд зубцов и сегментов кардиокомплекса), что приводит к повышению точности накопления.
Достигаемый результат заключается в увеличение достоверности определения информационных параметров ЭКС.
Пример выполнения предлагаемого способа. Производится съем электрокардиосигнала пациента кардиомонитором. С помощью стандартной программы предварительной обработки ЭКС (соответствующие программы прилагаются к кардиомониторам изготовителями аппаратуры) в снятой записи электрокардиосигнала устраняется дрейф изоэлектрической линии. Одновременно врач может определить интересующие его RR-интервалы (данные RR-интервалы могут быть использованы в качестве опорного сигнала) местоположение которых заносится в память компьютера.
порог
Дальнейшая обработка происходит с помощью известных и общедоступных пакетов обработки данных, например, MatLab, Mathcad. С помощью данных пакетов находится сигнал соответствующий аппроксимации наблюдаемой реализации кардиосигнала, мониторограмма разбивается на RR-интервалы и совместно с информацией о временных положениях RR-интервалов заносится в память вычислительного устройства (например, персонального компьютера). На основе информации о местоположении и функции аппроксимации кардиокомплексов измеряется длительность и величина энергии кардиосигнала на каждом RR-интервале. Затем отбираются RR-интервалы с одинаковой длительностью и энергией. В персональный компьютер пользователем (врачом) заносится пороговое значения для коэффициента взаимной корреляции (например, r=0,85). Для поиска RR-интервалов с сугубо конкретной формой, в качестве опорного RR-интервала принимается RR-интервал, заданный врачом на исследуемой мониторограмме (врач задает время его начала и конца) или RR-интервал, выбранный из архивной базы записей кардиосигналов или базы эталонных RR-интервалов.
порог
Вычисляется коэффициент взаимной корреляции между аппроксимацией фрагмента ЭКС соответствующего каждому из отобранных RR-интервалов (с одинаковой длительностью и энергией) и опорным сигналом. Осуществляется когерентное сложение только тех RR-интервалов, для которых коэффициент взаимной корреляции превысил r.
По результатам обработки на экран монитора выводится накопленный RR-интервал и осуществляется запись данной информации в память компьютера.
порог min
На фигуре 1 представлен фрагмент ЭКС из суточной мониторограммы (тонкая линия) и его аппроксимация на основе полиномов второго порядка с усреднением по перекрывающимся сегментам (толстая линия), на фигуре 2 - опорный сигнал для случая «норма» (опорный сигнал определен для частоты сердечных сокращений анализируемого RR-интервала равной 80 уд/мин). Так, коэффициент взаимной корреляции для непосредственно наблюдаемого фрагмента кардиосигнала (выделенный фрагмент на, фигуре 1, тонкая линия) и опорного сигнала оказался равным r=0,84. Из визуального анализа кардиограммы видно, что данный кардиокомплекс не является экстрасистолой, а принадлежит типу «норма». К сожалению, при автоматизированном компьютерном анализе данный кардиокомплекс исключается по причине недостаточно высокого коэффициента взаимной корреляции, (для точной сортировки уровень порога коэффициента взаимной корреляции не должен быть менее r=0,85). Однако использование при расчете коэффициента взаимной корреляции вместо непосредственно наблюдаемого фрагмента его аппроксимации (фигура 1, выделенный фрагмент толстая линия) позволило получить r=0,99. Это позволило избежать ошибки сортировки.
Повышение достоверности накапливаемого кардиокомплекса позволяет решить ряд технических и диагностических проблем:
- точное измерение временного положения характерных точек (границ сегментов);
- выявление диагностически значимых отклонений сегмента ST, связанных с ишемией, при наличии помех и артефактов вызванных физической активностью пациента;
Использование заявленного способа позволяет повысить точность определения информационных параметров представляемого ЭКС и за счет этого улучшить диагностику.