СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ НАЧАЛА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА

Изобретение относится к области медицины, в частности к электрокардиографии, и может быть использовано для выделения начала реполяризации желудочков сердца при автоматическом анализе временных параметров электрокардиосигнала (ЭКС), выполняемом как аппаратными, так и программными средствами.

Сердечный цикл представляет собой многократно повторяющуюся последовательность возбуждения предсердий и желудочков, или деполяризации, и их расслабления, реполяризации. Реполяризация желудочков сердца является процессом угасания возбуждения и восстановления исходного состояния миокардиоцитов желудочков. Процессы реполяризации желудочков сердца регистрируются на ЭКС отрезком ST зубцом T [1].

Начало реполяризации желудочков, известное также как точка J, соответствует окончанию QRS-комплекса и началу сегмента ST. Точка J имеет важное диагностическое значение. Величина отклонения точки J от изолинии и морфологические изменения сегмента ST являются диагностическими признаками ишемии и инфаркта миокарда. В настоящее время наиболее распространены способы обнаружения точки J, основанные на выделении QRS-комплекса ЭКС.

Известен способ определения QRS-комплекса [2], заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал регистрируют, фильтруют и представляют его в виде дискретных отсчетов, суммируют по модулю дискретные отсчеты во всех отведениях, формируют пороговый уровень, с которым осуществляют сравнение значения каждого дискретного отсчета электрокардиосигнала, применяют дополнительную полосовую фильтрацию, выделяют R-R интервал и кардиоцикл, в выделенном кардиоцикле вычисляют значения производной Y отсчетов электрокардиосигнала, выделяют интервал значений производной электрокардиосигнала, принадлежащих QRS-комплексу электрокардиосигнала, при этом начало и окончание выделенного интервала значений производной электрокардиосигнала являются началом и окончанием QRS-комплекса электрокардиосигнала.

Недостатком данного способа является недостоверное выделение QRS-комплексов, обусловленное ненадежным выделением R-зубцов, поскольку суммирование значений дискретных отчетов ЭКС и дополнительная полосовая фильтрация ЭКС не обеспечивают требуемого уровня надежности выделения R-зубцов.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ выделения начала кардиоцикла [3], заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов с частотой дискретизации ƒ_d, выделяют R-зубцы, выделенный R-R интервал делят на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1, и полученное значение дискретного отсчета электрокардиосигнала является началом i-го кардиоцикла.

Недостатками данного способа являются:

- ненадежное выделение зубца R;

- не представлено выделение начала реполяризации желудочков сердца.

На фигуре 1 приведен алгоритм известного способа определения начала кардиоцикла.

На фигуре 2 приведен эталонный ЭКС с указанием точки начала реполяризации желудочков и других характерных точек и временных параметров ЭКС.

На фигуре 3 и 4 приведены иллюстрации неверного определения R-зубцов ЭКС известным способом выделения начала кардиоцикла.

Анализ фигур 3 и 4 показывает, что в известном способе выделения начала кардиоцикла не всегда возможно правильное выделение каждого R-зубца. После предварительной фильтрации ЭКС в сигнале могут оставаться как низкочастотные, так и высокочастотные компоненты, искажающие полезный сигнал. В основе известного способа выделения начала кардиоцикла лежит частотно-временной анализ ЭКС. Высокочастотные составляющие сигнала дают высокие значения его производной. При этом производная участка сигнала, содержащего артефактные всплески, имеет сверхвысокие значения даже в сравнении с производной участка QRS-комплекса. Например, на фигуре 3 представлен ЭКС в стандартных отведениях (использован ЭКС, предоставленный Интернет-сайтом Немецкого Государственного Метрологического института [4]), содержащий артефактные всплески, присутствие которых в сигнале привело к неверному выделению R-зубцов известным способом выделения начала кардиоцикла. На фигуре 4 показаны графики ЭКС одного отведения, его производной с обнуленными значениями ниже порогового уровня и график суммы производных двенадцати отведений, где значения суммы производных, оказавшихся меньше 0,3P_max, где P_max - максимальное значение суммы производных, приравнены нулю. На графике суммы производных двенадцати отведений видно, что в результате значащими остаются лишь значения производной, соответствующие артефактам, и их позиции ошибочно принимаются за R-зубцы.

Также недостатком известного способа является невыделение такого важного информационного показателя ЭКС, как начало реполяризации желудочков сердца, или точки J. Определение характерных точек кардиосигнала - необходимое условие автоматического анализа временных параметров ЭКС. Без определения местоположения точки J бессмысленно говорить о достоверном выделении QRS-комплскса (так как она является его окончанием) и анализе 5Т-сегмента. Отклонение точки J от изолинии, смещение ST-сегмента, элевация и депрессия ST-сегмента диагностируют ишемию миокарда и инфаркт. Даже незначительные отклонения точки J от изолинии на 1-2 мм, которые обычно рассматриваются как вариант нормы, в совокупности с анамнезом могут быть классифицированы как признаки ишемии. А значит, необходимо предоставить возможность автоматического определения даже небольших отклонений местоположения точки J и морфологии ST-сегмента.

Таким образом, можно сделать вывод, что в известном способе не осуществляется надежное выделение R-зубцов, а также отсутствует возможность определения точки J, что, по мнению авторов предлагаемого изобретения, является недостатком.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение достоверности выделения R-зубцов и на определение начала реполяризации желудочков сердца.

Для этого в способе выделения начала кардиоцикла, заключающемся в том, что непрерывный электрокардиосигнал фильтруют, представляют его в виде дискретных отсчетов с частотой дискретизации ƒ_d, выделяют R-зубцы, делят R-R интервал на N частей, причем значение N-й части интервала R_i-R_i+1 вычитают из значения дискретного отсчета R_i+1, и полученное значение дискретного отсчета является началом i-го кардиоцикла, дополнительно вводят действия, которые в каждом стандартном отведении электрокардиосигнал предварительно сглаживают путем вычисления величины смещения и среднего арифметического для каждой пары дискретных отсчетов электрокадиосигнала, где x_n и x_n+1 - значения амплитуды текущего и следующего отсчетов, вычисления нового значения текущего отсчета как x_n=M+µ, вычисления нового значения следующего отсчета как x_n+1=М-µ и повторения вычислений для следующей пары отсчетов, пока не достигнут последний отсчет электрокардиосигнала, после выделения R-зубцов электрокардиосигнала определяют левую границу интервала поиска начала реполяризации желудочков сердца как с и правую границу интервала поиска как с, где - момент времени зубца R_i, задают в интервале поиска два множества отсчетов X₁={x_a÷x_b} и X₂={x_c÷x_d}, где , , и , вычисляют средние арифметические значения амплитуд М₁ и М₂ отсчетов из множеств Х₁ и X₂ и вычисляют абсолютную разницу средних значений амплитуд D=|M₁-М₂|, и, пока не будет достигнуто условие D≤K_J, где K_J=15 мкВ - пороговый уровень, повторяют вычисление M₁, M₂ и D для множеств и X₁ и X₂, смещенных на один элемент вправо до достижения правой границы интервала поиска t_ri, выделяют в каждом j-м отведении отсчет J_j,i=x_a, для которого было достигнуто условие D≤K_J, определяют значение координаты начала реполяризации желудочков сердца в i-м кардиоцикле J_i как самое позднее среди значений J_j,i всех отведений, J_i=max_j(J_j,i).

Суть предлагаемого способа заключается в определении интервала на ЭКС правее зубца R, где абсолютная разница амплитуд его отсчетов ниже порогового уровня. Этот интервал является частью TS-сегмента, и его левая граница соответствует началу реполяризации желудочков сердца, или точке J. Трудность анализа ЭКС при наличии артефактов устраняется путем введения операции сглаживания сигнала, позволяющей устранить влияние артефактных всплесков на формирование порогового уровня при обнулении незначащего сигнала.

Введенные действия с их связями проявляют новые свойства, которые обеспечивают более достоверное обнаружение R-зубцов ЭКС и выделение начала реполяризации желудочков сердца. В основе известного способа выделения начала кардиоцикла лежит вычисление производной сигнала ЭКС. Значения экстремумов производной ЭКС, соответствующих артефактным всплескам, могут значительно превосходить значения экстремумов, соответствующих R-зубцам. В этом случае значения сигнала производной R-зубцов могут оказаться ниже порогового уровня, который формируется относительно максимального значения экстремумов, и тогда R-зубцы не будут определены. Для подавления влияния нехарактерных для нормального ЭКС всплесков в предлагаемом способе выделения начала реполяризации желудочков сердца введена операция сглаживания сигнала, заключающаяся в усреднении амплитуд соседних отсчетов. Данный механизм позволяет исключить формирование сверхвысоких экстремумов при вычислении производной.

На фигуре 5 приведена схема, реализующая предлагаемый способ выделения начала реполяризации желудочков.

На фигуре 6 приведена схема алгоритма сглаживания ЭКС.

На фигуре 7 приведен алгоритм выделения начала реполяризации желудочков сердца.

На фигуре 8 приведена иллюстрация выделения R-зубца при наличии нехарактерных для нормального ЭКС всплесков предлагаемым способом выделения начала реполяризации желудочков сердца.

На фигуре 9 приведены вычисленные интервалы поиска начала реполяризации желудочков сердца для одного отведения.

На фигуре 10 представлены множества отсчетов X₁ и X₂ интервала поиска начала реполяризации желудочков сердца.

На фигуре 11 представлены вычисленные абсолютные разницы D амплитуд отсчетов X₁ и X₂ интервала поиска одного из отведений.

На фигуре 12 показаны первые X₁ отсчетов J_i,j каждого отведения, для которых D ниже порогового уровня.

На фигуре 13 представлены найденные моменты времени начала реполяризации желудочков сердца.

Подробно рассмотрим введенные действия предлагаемого способа выделения начала реполяризации желудочков сердца.

Операция сглаживания введена для подавления резких всплесков и заключается в уменьшении разницы амплитудных характеристик соседних отсчетов. Для каждой пары следующих друг за другом отсчетов, до тех пор пока не будет достигнут последний отсчет ЭКС, вычисляют величину смещения , где x_n и x_n+1 - амплитуды n-го и n+1-го отсчетов, и среднее арифметическое текущего и следующего дискретных отсчетов , вычисляют новое значение текущего отсчета как сумму среднего арифметического и величину смещения x_n=M+µ и вычисляют новое значение следующего отсчета как разность x_n+1=M-µ, заменяют текущий отсчет следующим и повторяют вычисления для следующей пары отсчетов до тех пор, пока не достигнут окончания зарегистрированного электрокардиосигнала.

Далее осуществляется определение R-зубцов. Для этого:

- вычисляют значение производной сигнала с шагом k=0,01·ƒ_d во всех отведениях;

- формируют верхний и нижний пороговые уровни сигнала производной, обнуляя значения, выходящие за рамки пороговых значений;

- суммируют значения сигналов производных для всех отведений ЭКС, формируют пороговый уровень P_sum, равный максимальному значению полученной суммы;

- обнуляют значения сигналов суммы производных, меньшие порогового уровня 0,3P_sum;

- определяют моменты появления начала сигнала суммы производных t_i1 и окончания сигнала суммы производных t_i2, определяют пик зубца R_i, равный .

После того как R-зубцы найдены, начинается определение начала реполяризации желудочков сердца. Так как точка J является окончанием QRS-комплекса, интервал поиска можно локализовать относительно R-зубца с помощью временных параметров эталонного ЭКС. Значение R-R интервала равно 0,75÷1,00 секунды. Длительность комплекса QRS меньше или равна 0,1 секунды, при этом зубец R расположен приблизительно на середине комплекса QRS и R-S=0,03÷0,05 с. Длительность ST-сегмента составляет 0,03+0,12 секунды (см. фигуру 2). Определение положения точки J начинается с позиции t_li=tR_i+0,03 с, так как вероятность расположения точки J левее этой позиции невозможна. Правая граница интервала поиска соответствует сумме, максимально возможной по характеристике эталонного ЭКС продолжительности интервала RS=0,05 с и минимальной продолжительности сегмента ST=0,03 с. Таким образом, правая граница интервала поиска находится на отметке с от зубца R (см. фигуру 9). Внутри интервала поиска для каждого отведения электрокардиосигнала выбирают множества Х₁ отсчетов и следующее за ними множество Х₂ отсчетов: X₁={x_a÷x_b} и Х₂={x_c÷x_d}, где а=t_li·ƒ_d, b=(t_li+0,02)·ƒ_d-1, c=(t_li+0,02)·ƒ_d и d=(t_li+0,04)·ƒ_d-1. Число отсчетов соответствует длине временного окна 0,02 с, покрывающего часть ST-сегмента, достаточной для идентификации ST-сегмента, исходя из соотношений временных параметров эталонного ЭКС. Для множества Х₁ отсчетов вычисляют среднее арифметическое значение амплитуд отсчетов . Аналогично вычисляют М₂ для множества Х₂. Затем вычисляют абсолютную разницу средних значений амплитуд как D=|M₁-М₂|. Первый из Х₁ отсчетов сигнала, для которых абсолютная разница ниже порогового уровня K_J=15 мкВ, принимается за позицию точки J_j,i, j-го отведения [5]. Вычисленная данным образом позиция точки J_j,i может незначительно варьироваться среди отведений (см. фигуру 12). Координатой начала реполяризации желудочков сердца J_i (см. фигуру 13), общей для всех отведений, является наибольшее из значений координат J_j,i: J_i=max(J_j,i) [5].

В результате выполнения указанных действий в предложенном способе осуществляется определение начала реполяризации желудочков сердца.

Технико-экономический эффект предложенного способа заключается в надежном выделении начала реполяризации желудочков на основе более достоверного выделения R-зубцов. Надежное выделение R-зубцов способствует улучшению условий последующей обработки ЭКС, выделение начала реполяризации желудочков сердца может быть использовано при диагностировании ишемической болезни сердца и инфаркта миокарда.

Список источников информации

1. Зудбинов Ю.И. Азбука ЭКГ и боли в сердце. - Изд. 4-е, испр. и доп. - Ростов н/Д: Феникс, 2003. - 240 с.

2. Пат.2410023. Российская Федерация. Способ выделения QRS-комплекса электрокардиосигнала. / О.Н. Бодин, Л.Ю. Кривоногов, Ф.К. Рахматуллов, Д.С. Логинов, О.А. Зайцева. - №2009116480/14; заявл. 29.04.2009; опубл. 27.01.2011, Бюл. №3.

3. Пат.2366358. Российская Федерация. Способ выделения начала кардиоцикла. / О.Н. Бодин, Д.С. Логинов. - №2008109719/14; заявл. 17.03.2008; опубл. 10.09.2009, Бюл. №25.

4. Электронная база данных биомедицинских сигналов. - URL: http://www.physionet.org/.

5. G.D. Clifford, F. Azuaje, Р.Е. McSharry. Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis. Boston: Artech House, 2006. - 400p.