Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов

Уровень техники
Полезная модель относится к медицинским кардиологическим приборам и может быть использована в составе кардиоайгеноскопов или кардиологических приборов, использующих метод дисперсионного картирования.
В задаче анализа электрокардиограмм (ЭКГ) все более распространяются методы анализа PQRST-циклов ЭКГ, когда все PQRST-циклы исходной кардиограммы преобразуются в матрицу циклов (матрицу синхронного ансамбля (СА)) так, что положение отсчетов, соответствующих максимумам R-зубцов в каждой строке матрицы, становится фиксированным. Такой подход позволяет раздельно анализировать свойства PQRST-цикла и последовательности R-R интервалов [1].
Известен метод обработки ЭКГ, при котором анализ подготовленного из ЭКГ синхронного ансамбля сводится к вычислению среднего по ансамблю PQRST-цикла и функции среднего квадратического отклонения (СКО) элементов СА от такого среднего. Это метод дисперсионного картирования (ДК) [3]. Другой подход к использованию синхронного ансамбля реализован в патенте на полезную модель «Кардиоайгеноскоп» [4]. В кардиоайгеноскопе - также как и в методе ДК - используется синхронный ансамбль.
Таким образом, формирование из ЭКГ синхронного ансамбля для его последующего анализа является актуальной задачей как для настоящего, так и для будущего.
Аналоги и их недостатки
В качестве аналога и прототипа рассмотрим схему устройства, описанного в монографии [1] и приведенного на фиг. 1. Блоки 22-27 отвечают за формирование оценки медленной волны из сигнала отведения электрокардиограммы, тогда как блоки 4, 8 и 28-30 отвечают за формирование строк синхронного ансамбля.
Оценка медленной волны, формируемая на выходе блока восстановления 27, подается на инвертор 28, после чего вычитается из исходного сигнала электрокардиограммы в блоке 29, с выхода которого ЭКГ с устраненной медленной волной одновременно подается на блок вычисления функции распределения и вычисления процентили 30 и пороговое устройство 8. На выходе блока 30 формируется значение порога (обычно соответствующее уровню 97-ой процентили); в блоке 8 фиксируются моменты превышения R-зубцами уровня порога - эти моменты и рассматриваются в качестве оценок положения R-зубцов. В блоке-формирователе строк синхронного ансамбля 4 на основании оцененных блоком 8 положений R-зубцов из ЭКГ формируются строки синхронного ансамбля так, что каждая строка представляет собой сегмент ЭКГ, состоящий из заранее заданного числа отсчетов.
На фиг. 12 показан пример работы прототипа (см. пояснения в описании фигуры) для II отведения пациента №286 из [2] (аритмический синдром). Как видно, прототип в ряде случаев пропускает R-зубцы (случаю, когда положение R-зубцов определено, на фиг. 12б) соответствуют кружочки, а в случае пропуска R-зубца - кружочки отсутствуют). Пропуск R-зубцов является значимым недостатком прототипа. Действительно, пропуск R-зубцов недопустим, когда, например, информация об их положении используется в кардиоайгеноскопе для восстановления ЭКГ. Не меньшим недостатком является паразитная синхронизация по Т-зубцу, пример которой приведен на фиг. 12в) и 12г).
Как показывают результаты имитационного моделирования [1], качество работы прототипа, представленного на фиг. 1 зависит от:
1. Типа и параметров ансамбля (траекторная матрица или асинхронный ансамбль), используемых в блоке формирования ансамблей 22 для формирования ковариационной матрицы в блоке вычисления собственных векторов 23.
2. Набора собственных векторов, которые используются в блоке формирования оператора матричной фильтрации 25 (поступают с выхода селектора собственных векторов 24).
3. Способа восстановления медленной волны (с использованием асинхронного ансамбля или траекторной матрицы) в блоке восстановления 27.
Из предложенных в [1] вариантов элиминирования медленной волны из ЭКГ в блоке 29 к использованию пригодны все четыре варианта, которые приводятся ниже в последовательности уменьшения точности элиминирования:
1. С вычислением собственных векторов в блоке 23 по траекторной матрице и восстановлением медленной волны в блоке 27 также по траекторной матрице.
2. С вычислением собственных векторов в блоке 23 по асинхронному ансамблю и восстановлением медленной волны в блоке 27 по траекторной матрице.
3. С вычислением в блоке 23 собственных векторов по траекторной матрице и восстановлением медленной волны в блоке 27 по асинхронному ансамблю.
4. С вычислением собственных векторов в блоке 23 по асинхронному ансамблю и восстановлением медленной волны в блоке 27 также по асинхронному ансамблю.
Указанные варианты требуют большого времени вычислений, которое (в основном) тратится на вычисление ковариационной матрицы. Таким образом, использование прототипа связано с техническим противоречием между скоростью обработки и качеством формирования синхронного ансамбля.
Основными техническими результатами от предлагаемого устройства являются:
1. Повышение точности анализа независимых компонент электрокардиограмм, возникающее за счет значительного уменьшения числа пропусков R-зубцов,
2. Многократное уменьшение времени формирования СА.
Раскрытие полезной модели. Причинно-следственные связи
Целью конструкции, предлагаемой в полезной модели, является формирование синхронного ансамбля, обеспечивающее повышение точности анализа независимых компонент электрокардиограмм и уменьшение времени формирования СА.
Технический результат, состоящий в повышении точности анализа независимых компонент ЭКГ, причинно обусловлен:
1. Введением после блока коммутатора отведений 1 перестраиваемого фильтра 2 с конечной импульсной характеристикой специальной формы, согласованной с характерной средней длительностью R-зубца и обеспечивающей на выходе фильтра фиксацию (в виде положительных и отрицательных импульсов) переднего и заднего фронтов R-зубца.
2. Подключением к выходу перестраиваемого фильтра 2 синхронизатора 3, который обеспечивает обработку положительных импульсов сигнала с выхода фильтра, фиксируя переходы положительных импульсов через пороговое значение, задаваемое автоматически или вручную.
3. Сочетанием блока-формирователя синхронных строк 4, на входы которого подаются сигнал ЭКГ и последовательность положений R-зубцов, определенная в синхронизаторе 3, с блоком первичной обработки строк и хранения синхронного ансамбля 5. В этих блоках осуществляется формирование строк заданной длины (с фиксированным положением в каждой строке R-зубца), устранение из каждой строки ее тренда и далее юстировка строк (малый сдвиг до совмещения максимумов всех R-зубцов), после чего строки приводятся к единой длине и передаются на хранение - вплоть до использования синхронного ансамбля.
Все перечисленные выше операции выполняются на стандартных средствах вычисления за миллисекунды, что и обеспечивает существенный выигрыш предлагаемого устройства по быстродействию (в отличие от прототипа, в котором быстродействие существенно уменьшается в связи с использованием при вычислениях матричных операций).
Конструкция полезной модели
Ниже приведено описание конструкции заявляемого устройства по порядку следования пунктов формулы полезной модели (ФПМ).
На фиг. 2 представлена конструкция устройства формирования синхронного ансамбля кардиоциклов по первому пункту ФПМ.
Блок коммутатор отведений 1 в случае, если обрабатывается единственное отведение, подает сигнал со своего входа на оба своих выхода. В том случае, когда устройство обрабатывает несколько отведений, на свой первый выход, соединенный со входом блока 2, блок коммутатор отведений 1 подает сигнал того отведения, которое выбрано в качестве синхронизирующего, а на свой второй выход подает сигналы всех отведений.
На фиг. 13в) представлен сигнал, поступающий на вход перестраиваемого фильтра 2 и в блок-формирователь строк синхронного ансамбля 4. Сигнал в перестраиваемом фильтре преобразуется так, что на его выходе каждому R-зубцу (в случае, если R-зубец положителен) соответствует пара «положительный импульс - отрицательный импульс». Первый импульс соответствует переднему фронту R-зубца, второй - заднему фронту R-зубца (см. пример на фиг. 13а)). При отрицательном R-зубце полярность импульсов меняется на противоположную.
Сигнал с выхода перестраиваемого фильтра 2 поступает на вход синхронизатора 3. Фиг. 13б) иллюстрирует обработку сигнала, поступившего с выхода перестраиваемого фильтра в синхронизаторе 3 в соответствии с пунктом 3 ФПМ. В синхронизаторе этот сигнал подвергается одностороннему ограничению и сравнению с порогом. Моменты превышения порога рассматриваются как оценки моментов времени, определяющие положение R-зубцов. Последовательность значений этих моментов поступает на второй вход блока-формирователя строк синхронного ансамбля 4 и на первый выход устройства формирования синхронного ансамбля кардиоциклов.
В блоке-формирователе строк синхронного анасамбля 4 на основании последовательности моментов времени, поступающей на второй вход блока, и ЭКГ, поступающей на первый вход, происходит формирование строк синхронного ансамбля (пример приведен на фиг. 14а)). Строки содержат в себе тренды, определяемые медленной волной ЭКГ, которые устраняются в блоке первичной обработки строк и хранения синхронного ансамбля 5 (см. фиг. 14б)). На фиг. 15а) и 15б) приведены примеры обработки в блоке 5 совокупности строк, переданных в него из блока 4. Фиг. 15а) иллюстрирует строки после удаления из поступивших строк линейного тренда, а фиг. 15б) показывает синхронный ансамбль после юстировки положения R-зубцов.
+
-
Остановимся на работе перестраиваемого фильтра 2. Перестраиваемый фильтр 2, используемый в предлагаемом устройстве, имеет конечную импульсную характеристику (ИХ), представленную на фиг. 10. ИХ имеет равное число N ненулевых положительных N и ненулевых отрицательных N отсчетов, имеющих одинаковое абсолютное значение. Число отсчетов выбирается из условия
где F - частота дискретизации ЭКГ в Гц,
ceil (…) - целая часть,
R
T - интервал времени, соизмеримый с половиной ширины R-зубца (0.02-0.03 секунды).
ИХ перестраиваемого фильтра описывается соотношением
где τ≥1 - дискретное время.
Число отсчетов ИХ перестраиваемого фильтра 2 может меняться - как автоматически, что соответствует конструкции, представленной на фиг. 5, так и вручную, что соответствует конструкции, представленной на фиг. 6.
При использовании конструкции перестраиваемого фильтра 2, представленной на фиг. 5 (четвертый пункт ФПМ) в блоке формирования числа ненулевых отсчетов 11 оценивается частота дискретизации, и на выходе блока формируется величина, соответствующая соотношению (1).
Если используется конструкция перестраиваемого фильтра 2, представленная на фиг. 6 (пятый пункт ФПМ), то число ненулевых отсчетов задается вручную непосредственно в блоке ввода числа ненулевых значений и формирования импульсной характеристики 14. Выход блока формирования импульсной характеристики 12 (конструкция фиг. 5 по третьему пункту ФПМ) или блока ввода числа ненулевых значений и формирования импульсной характеристики 14 (конструкция фиг. 6 по пятому пункту ФПМ) соединен со вторым входом цифрового фильтра 13, который осуществляет свертку сигнала, поступившего на его первый вход, с импульсной характеристикой, поступившей на его второй вход.
Как видно из сравнения графика фиг. 13в), на котором представлен сигнал на входе перестраиваемого фильтра 2, и графика фиг. 13а), на котором представлен сигнал на выходе перестраиваемого фильтра 2, даже при значительных вариациях нулевой линии на входе фильтра сигнал на его выходе в среднем близок к нулевой линии и имеет ярко выраженные положительные и отрицательные пики, соответствующие передним и задним фронтам R-зубцов входного сигнала ЭКГ.
Таким образом, если ИХ перестраиваемого фильтра соответствует соотношению (2), то это гарантирует как устранение медленных вариаций ЭКГ, так и оценку положения R-зубцов. Очевидно, что эффект одновременного устранения медленных вариаций ЭКГ и оценки положения R-зубцов причинно связан с видом импульсной характеристики перестраиваемого фильтра 2.
Перейдем к описанию вариантов конструкции синхронизатора 3. На фиг. 3 представлена конструкция синхронизатора 3, отвечающая второму пункту ФПМ, а на фиг. 4 - третьему пункту ФПМ.
В соответствии со вторым пунктом ФПМ синхронизатор включает в свой состав перестраиваемый односторонний ограничитель 6, блок вычисления среднего значения 7 и пороговое устройство 8. Перестраиваемый односторонний ограничитель 6 имеет передаточную функцию, представленную на фиг. 11. При перестройке у характеристики меняется положение точки излома. Сигнал с выхода перестраиваемого одностороннего ограничителя 6 одновременно поступает:
- на вход блока вычисления среднего значения 7, где формируется опорное значение, поступающее на первый вход порогового устройства 8 (это опорное значение показано пунктирной линией на фиг. 13б));
- на второй вход порогового устройства 8, в котором фиксируются моменты времени перехода этого сигнала через пороговое значение, поступающее на первый вход порогового устройства 8.
Конструкция перестраиваемого одностороннего ограничителя выполняется или в соответствии с шестым пунктом ФПМ (фиг. 7), или в соответствии с седьмым пунктом ФПМ (фиг. 8). Опишем эти конструкции.
Положение точки излома в случае конструкции, представленной на фиг. 7, задается значением выходного сигнала блока автоматического регулирования опорного уровня 17 (шестой пункт ФПМ). Опорный уровень (выходной сигнал) в блоке автоматического регулирования опорного уровня 17 формируется на основе медианы, среднего значения или другой статистической оценки (например, квантили заданного уровня), вычисляемой для сигнала, поступающего с входа детектора 16, выход которого подключен к входу блока 17.
В случае конструкции, представленной на фиг. 8, сигнал на второй вход блока вычитания 15 формируется вручную и поступает из блока регулирования опорного уровня 18 (седьмой пункт ФПМ). Сигнал, равный разности входного сигнала, поступающего на первый вход блока вычитания 15, и опорного уровня, поступающего на второй вход блока вычитания 15, подается на вход детектора 16.
Детекторы, используемые в конструкциях, представленных на фиг. 7 и 8 (шестой и седьмой пункту ФПМ, соответственно), имеют передаточную функцию
вoзp
где F(X) - возрастающая функция х.
Другой вариант конструкции синхронизатора 3, отвечающий третьему пункту ФПМ, представлен на фиг. 4. В эту конструкцию входят детектор 9, пороговое устройство 8 и блок регулирования опорного напряжения 10. Детектор в этой конструкции также имеет передаточную характеристику (3). На его выходе обрезается отрицательная часть сигнала, представленного на фиг. 13а), после чего оставшаяся ненулевой положительная часть сигнала сравнивается с порогом, задаваемым на выходе блока 10 и поступающим на первый вход порогового устройства 8 (на графике 13а) значение порога показано сплошной горизонтальной линией).
Блок-формирователь строк синхронного ансамбля 4 из поступающего на его первый вход сигнала ЭКГ формирует строки, которые получаются путем выделения из сигнала ЭКГ сегментов заданной длины, лежащих вокруг каждого момента времени, задаваемого с выхода синхронизатора 3, и поступающих на второй вход блока-формирователя строк синхронного ансамбля 4.
Конструкция блока первичной обработки строк и хранения синхронного ансамбля 5 (восьмой пункт ФПМ) представлена на фиг. 9. Конструкция состоит из каскадно включенных блока устранения тренда 19, блока юстировки 20 и блока хранения синхронного ансамбля 21, по вторым своим входам управляемым со второго входа заявляемого устройства. Блок 19 устраняет линейные тренды из строк синхронного ансамбля; блок 20 производит юстировку, так, чтобы максимумы всех R-зубцов совпадали, а затем производит подравнивание всех строк так, чтобы все строки имели одинаковую длину. В блоке 21 строки, образующие синхронный ансамбль, хранятся до получения запроса на их использование.
Доказательства технических результатов
С целью доказательства достижения технического результата, состоящего в уменьшении числа пропусков R-зубцов и повышении точности анализа независимых компонент электрокардиограмм, было проведено испытание программной модели устройства в составе демонстрационной версии кардиоайгеноскопа [5] на ЭКГ из базы данных [2].
Сравнение проведено с конструкцией из [4], представленной на фиг. 1. В качестве синхронизирующего отведения использованы те отведения ЭКГ, на которых R-зубцы наблюдаются визуально. На всех ЭКГ из [2] формирование синхронного ансамбля происходит вне зависимости от характера медленной волны без пропусков R-зубцов. В отличие от предлагаемого технического решения, прототип пропускал до трети R-зубцов при меньшем на порядок быстродействии (см. фиг. 12б)) или допускал ложную синхронизацию (см. фиг. 12г)).
Описание фигур и чертежей
Фиг. 1. Прототип устройства формирования синхронного ансамбля кардиоциклов [1]:
22 - блок формирования ансамблей,
23 - блок вычисления собственных векторов,
24 - селектор собственных векторов,
25 - блок формирования матрицы оператора матричной фильтрации,
26 - матричный перемножитель,
27 - блок восстановления,
28 - инвертор,
29 - сумматор,
30 - блок вычисления функции распределения и вычисления процентили.
Управляющий вход блока 22 обеспечивает управление режимом формирования ансамблей; управляющий вход блока 24 задает номера СВ; управляющий вход блока 30 задает процент для вычисления процентили.
Блок 4 - блок-формирователь строк синхронного ансамбля и блок 8 - пороговое устройство являются общими для прототипа и для заявляемого устройства.
Фиг. 2. Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов по первому пункту ФПМ:
1 - блок коммутатор отведений;
2 - перестраиваемый фильтр,
3 - синхронизатор,
4 - блок-формирователь строк синхронного ансамбля,
5 - блок первичной обработки строк и хранения синхронного ансамбля.
Фиг. 3. Синхронизатор по второму пункту ФПМ:
6 - перестраиваемый односторонний ограничитель,
7 - блок вычисления среднего значения,
8 - пороговое устройство.
Фиг. 4. Синхронизатор по третьему пункту ФПМ:
9 - детектор,
10 - блок регулирования опорного уровня.
Фиг. 5. Перестраиваемый фильтр 2 по четвертому пункту ФПМ:
11 - блок формирования числа ненулевых отсчетов,
12 - блок формирования импульсной характеристики,
13 - цифровой фильтр.
Фиг. 6. Перестраиваемый фильтр 2 по пятому пункту ФПМ:
14 - блок ввода числа ненулевых значений и формирования импульсной характеристики.
Фиг. 7. Перестраиваемый односторонний ограничитель 6 по шестому пункту ФПМ:
15 - блок вычитания,
16 - детектор,
17 - блок автоматического регулирования опорного уровня.
Фиг. 8. Перестраиваемый односторонний ограничитель 6 по седьмому пункту ФПМ:
18 - блок регулирования опорного уровня ограничения.
Фиг. 9. Блок первичной обработки строк и хранения синхронного ансамбля 5 по восьмому пункту ФПМ:
19 - блок устранения тренда,
20 - блок юстировки,
21 - блок хранения синхронного ансамбля.
+
-
R
R
Фиг. 10. Импульсная характеристика перестраиваемого фильтра 2. Число отсчетов в положительной и отрицательной части определяется соотношением N=N=ceil(T*F), где F - частота дискретизации ЭКГ в Гц, ceil(…) - целая часть, а величина T выбирается соизмеримой с половиной ширины R-зубца (0.02-0.03 секунды). По оси абсцисс - дискретное время, по оси ординат - значение ИХ. Показана ИХ при
+
-
N=N=10.
Фиг. 11. Пример амплитудной характеристики перестраиваемого одностороннего ограничителя 3 при величине квантили, оцененной в блоке автоматического регулирования опорного уровня 13, равной 1.25. По оси абсцисс - сигнал на входе, по оси ординат - сигнал на выходе перестраиваемого одностороннего ограничителя.
Фиг. 12. Иллюстрация работы прототипа на ЭКГ из II отведения пациента №286 [2] для случая, когда восстановление медленной волны осуществляется с использованием асинхронного ансамбля, а для формирования матрицы оператора в блоке 23 используются собственные векторы асинхронного ансамбля. На графике а) сплошной линией показан сигнал на выходе блока 27 (ЭКГ с вычтенной из нее восстановленной в блоке 25 медленной волной), пунктирной линией - величина порога, равная квантили уровня 0.97, подаваемая с выхода блока 28 на нижний вход блока 5. На графике б) показана исходная ЭКГ с нанесенными на нее (кружочки) определенными на выходе блока 5 значениями положений R-зубцов (видно, что около трети R-зубцов прототип пропускает). На графиках в) и г) - аналогичные результаты для случая пациента №166 из [2]. Как видно из графика г), в отличие от предыдущего случая наблюдается паразитная синхронизация по Т - зубцу.
Фиг. 13. Иллюстрация работы синхронизатора 3 по второму пункту ФПМ:
а) Сигнал на выходе перестраиваемого фильтра 2 в случае, если на его вход подается ЭКГ, показанная на фиг. 13в).
б) Сигнал на выходе перестраиваемого одностороннего ограничителя 6 синхронизатора 3; пунктиром показан сигнал на первом входе порогового устройства 8.
в) Исходная ЭКГ (соответствует II отведению для пациента №286 [2]) с нанесенными на нее (кружочки) определенными на выходе блока 3 значениями положений R-зубцов (пропуски R-зубцов отсутствуют). На графиках г), д) и е) приведены аналогичные результаты для пациента №166 из [2].
Фиг. 14. Иллюстрация функционирования блока устранения тренда 19 по пятому пункту ФПМ: на фиг. 14а) и фиг. 14б) строки синхронного ансамбля до устранения линейного тренда (вход блока 19) и после устранения линейного тренда (выход блока 19), соответственно.
Фиг. 15. Иллюстрация функционирования блока юстировки 20 по пятому пункту ФПМ: на фиг. 15а) и фиг. 15б) строки синхронного ансамбля до юстировки (вход блока 20) и после юстировки (выход блока 20), соответственно.
Осуществление полезной модели
Устройство формирования синхронного ансамбля кардиоциклов реализуется в виде аппаратно-программного комплекса или в виде отдельного режима в уже действующих устройствах путем модернизации, например, программной части.
Источники информации
1. Исакевич Д.В., Исакевич В.В. Кардиоайгеноскоп - новая полезная модель обработки электрокардиограмм. - М. Издательство Перо, 2014. - 138 с. ISBN 978-5-00086-280-3.
2. The РТВ Diagnostic ECG Database - The PTB Diagnostic ECG Database - http://www.physionet.org/physiobank/database/ptbdb/
3. Иванов Г.Г., Супа A.C. Дисперсионное ЭКГ-картирование: теоретические основы и клиническая практика. М. Техносфера, 2009, 192 с.
4. Исакевич В.В., Исакевич Д.В., Батин А.С. Кардиоайгеноскоп. Полезная модель №128470 RU. http://bankpatentov.ru/node/378077.
5. Исакевич Д.В., Исакевич В.В. Кардиоайгеноскоп: Демонстрационная версия на Scilab. - М. Издательство Перо, 2016. - 133 с. ISBN 978-5-906851-75-8.