СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ НАГРУЗОЧНОГО ЭКГ ТЕСТА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЗНАКОВ ПРЕХОДЯЩЕЙ ИШЕМИИ МИОКАРДА

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности, к кардиологии и может быть использовано как электрокардиографический скрининговый способ диагностики эпизодов ишемии миокарда как проявления ишемической болезни сердца (ИБС). В результате неинвазивного нагрузочного ЭКГ теста и последующей обработки данных определяются параметры временной динамики электрофизиологических характеристик сердца. Предлагаемое изобретение связано с направлением скрининговой функциональной диагностики болезней сердца [1, 2].

Известен способ [3] исследования ЭАС путем реконструкции эквивалентного электрического генератора сердца (ЭЭГС) [4, 5] дипольного типа и исследования пространственно-временных характеристик этого ЭЭГС. В этом способе по измеренным ЭКС, снятым в определенных точках на поверхности торса человека, вычисляются координаты, ориентация и модуль дипольного момента (интенсивность) ЭЭГС дипольного типа. Однако недостатком этого подхода является отсутствие подхода к формированию признаков ишемической болезни сердца (ИБС).

Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ диагностики ИБС, основанный на нагрузочном ЭКГ тесте [6, 7]. В рамках данного способа проводят дозированное увеличение физической нагрузки, осуществляя одновременно регистрацию электрокардиосигналов (ЭКС) и контроль артериального давления (АД), частоты сердечных сокращений (ЧСС), объем потребляемого кислорода (METS). На фигуре 1 показаны возможные протоколы увеличения физической нагрузки в ходе нагрузочного теста. Здесь: а) для тредмил-теста цифры над горизонтальными линиями показывают скорость дорожки в км/час, а нижние цифры - наклон дорожки; б) для велоэргометрического теста верхние цифры показывают энергозатраты в Ваттах. Затем проводят предварительную обработку ЭКС с определением смещения ST-сегмента. На фигуре 2 показана точка STA, соответствующая центру ST-сегмента и смещение ST-сегмента V_JA в точке STA. Регистрация, при увеличении физической нагрузки, отрицательного смещения (депрессия) ST-сегмента с уровнем V_JA≤-0,1 мВ в любом из отведений (кроме aVR) свидетельствует о положительном результате нагрузочного теста, т.е. о предположительном наличии ИБС.

Недостатком известного способа диагностики ИБС при нагрузочном ЭКГ тесте является недостаточно высокая надежность результатов тестирования. Базовыми параметрами, характеризующими надежность диагностики заболевания, являются чувствительность Se и специфичность Sp [1, 6]:

где N_p - число обследованных пациентов с подтвержденной ИБС (например, общеприятым методом коронарографии [1, 6]); N_n - число обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС; N_tp - число верных положительных решений для обследованных пациентов с подтвержденной ИБС при использовании применяемого метода диагностики; N_tn - число верных отрицательных решений для обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС при использовании применяемого метода диагностики. На фигуре 3 представлены результаты ряда авторов по анализу чувствительности Se и специфичности Sp для нагрузочного ЭКГ теста с оценкой смещения (депрессии) ST-сегмента. Результаты свидетельствуют, что в целом у приблизительно 31% обследуемых с ИБС эта болезнь в нагрузочном тесте не подтверждается, и также у 30% обследуемых с подтвержденным отсутствием ИБС признается наличие признаков этой болезни в тесте. Таким образом, известный способ диагностики ИБС в нагрузочном ЭКГ тесте имеет значительную долю ложноположительных и ложноотрицательных результатов.

По мнению авторов, повышение надежности диагностики ИБС при нагрузочном ЭКГ тесте должно обеспечиваться:

- использованием дополнительного информационного параметра ЭЭГС дипольного типа - коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте;

- совместным использованием информационных параметров: коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте и общепринятого смещения ST-сегмента.

Важной методологической отличительной особенностью предлагаемого метода является дополнительный учет антропометрических параметров торса пациента и координат электродов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности диагностики ишемической болезни сердца при нагрузочном ЭКГ тесте.

Для этого предлагается способ диагностики ишемии миокарда при нагрузочном ЭКГ тесте, заключающийся в том, что по стандартной методике нагрузочного теста осуществляют дозированное увеличение физической нагрузки, контроль АД, ЧСС, МЕТС, регистрацию электрокардиосигналов (ЭКС), предварительную обработку ЭКС с определением смещения ST-сегмента, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют:

- определение антропометрических параметров торса пациента путем измерения ширины 2а и толщины 2b торса;

- определение координат электродов по формулам х=rsin(ϕ); у=-rcos(ϕ), где r - расстояние от центра поперечного сечения торса до электрода, определяется по формуле ϕ - угол между прямой, соединяющей подмышечные впадины, и направлением на текущий электрод,

- синхронное накопление кардиоциклов ЭКС электродных отведений на временном интервале максимума физической нагрузки по формуле

где N_k - количество кардиоциклов на интервале максимума физической нагрузки, j -номер кардиоцикла, i - номер временного отсчета кардиоцикла; t_j - момент достижения максимума R-зубца j-го кардиоцикла ; ; ƒ_s - частота оцифровки ЭКС;

- реконструкцию ЭЭГС дипольного типа, т.е. поиск координат и проекций вектора дипольного момента ЭЭГС дипольного типа для всех временных отсчетов кардиоцикла t_i путем поиска минимума функционала , где u_sn - ЭКС, снимаемый с n-го электрода; N_E - количество электродов; u_gn - сигнал ЭЭГС дипольного типа, рассчитанный для n-го электрода; (x_g,y_g,z_g) - координаты ЭЭГС, (М_х,М_у,M_z) - проекции вектора дипольного момента;

- расчет коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте путем:

- определения M_ST, модуля вектора дипольного момента в центре ST сегмента;

- определения M_max, модуля вектора дипольного момента для вершины Т зубца;

- определение β, коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте по формуле:

- принятие решения о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста по формуле:

где V_JA - смещение ST-сегмента, решение d=+1 означает положительный результат теста (наличие ИБС), d=-1 означает отрицательный результат теста (отсутствие ИБС); V_{JA thresh}≈-0,1 мВ и β_thresh ∈ (2,5; 3,5) - опционально задаваемые пороговые значения параметров, которые влияют на чувствительность и специфичность результатов диагностики.

На фигуре 4 приведена схема предлагаемого алгоритма, реализующего предлагаемый способ повышения надежности диагностики ишемической болезни сердца при нагрузочном тесте.

На фигуре 5 приведена схема алгоритма на этапе принятия решения.

На фигуре 6 показана зависимость модуля вектора дипольного момента от времени.

На фигуре 7 показана схема алгоритма принятия решения.

На фигуре 8 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае использования смещения ST-сегмента.

На фигуре 9 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае использования коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте.

На фигуре 10 представлены ROC кривая и площадь под кривой AUC при диагностике в случае совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте.

Из анализа фигуры 4 следует, что суть предлагаемого изобретения заключается в совместном использовании смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте для диагностики ИБС. Для этого после установки электродов и определения антропометрических параметров торса пациента проводят по стандартной методике нагрузочного теста дозированное увеличение физической нагрузки под контролем АД, ЧСС, МЕТС. Во время проведения теста осуществляют регистрацию и предварительную обработку ЭКС. Далее определяют смещение ST-сегмента, координаты электродов, проводят реконструкцию координат и проекций вектора дипольного момента для ЭЭГС дипольного типа. После этого для интервала максимума физической нагрузки рассчитывают коэффициент изменения электрической активности на ST-T сегменте. На основании найденного смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте принимают решение о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста.

Поясним особенности выполнения введенных действий.

Измеряют антропометрические параметры торса пациента - ширину 2а и толщину 2b (фигура 5). Далее определяют координаты электродов по формулам: x=rsin(ϕ); y=-rcos(ϕ), где r - расстояние от центра поперечного сечения торса до электрода, определяется по формуле ϕ - угол между прямой, соединяющей подмышечные впадины, и направлением на текущий электрод (фигура 5). Проводят синхронное накопление кардиоциклов ЭКС электродных отведений u(t) на временном интервале максимума физической нагрузки по формуле

где N_k - количество кардиоциклов на интервале максимума физической нагрузки, j -номер кардиоцикла, i - номер временного отсчета кардиоцикла; t_j - момент достижения максимума R-зубца j-го кардиоцикла, ƒ_s - частота оцифровки ЭКС.

Осуществляют поиск координат и проекций вектора дипольного момента ЭЭГС дипольного типа для всех временных отсчетов кардиоцикла t_i путем поиска минимума функционала где u_sn - ЭКС, снимаемый с n-го электрода; N_E - количество электродов; u_gn - сигнал ЭЭГС дипольного типа, рассчитанный для n-го электрода; (x_g,y_g,z_g) - координаты ЭЭГС, (М_х,М_у,M_z) проекции вектора дипольного момента.

Рассчитывают коэффициента изменения электрической активности на ST-сегменте. Для этого, пользуясь массивом значений проекций вектора дипольного момента для всех временных отсчетов кардиоцикла, рассчитывают зависимость модуля вектора дипольного момента от времени (фигура 6). По данной зависимости определяют M_ST - модуль вектора дипольного момента в центре ST сегмента и M_max, - модуль вектора дипольного момента для вершины Т зубца. Далее рассчитывают β, коэффициент изменения электрической активности на ST-T сегменте по формуле:

.

Пользуясь найденными значениями смещения ST-сегмента V_JA и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте β, принимают решения о положительном или отрицательном результате нагрузочного теста по формуле:

где решение d=+1 означает положительный результат теста (наличие ИБС), d= - означает отрицательный результат теста (отсутствие ИБС); V_{JA thresh}≈-0,1мВ и β_thresh ∈ (2,5; 3,5) - опционально задаваемые пороговые значения параметров, которые влияют на чувствительность и специфичность результатов диагностики. Схема алгоритма принятия решения приведена на фигуре 7.

Сравнительная оценка надежности способов диагностики ИБС в нагрузочном ЭКГ тесте проведена с использованием ROC-кривых и площади под этими кривыми AUC [9]. На фигуре 8 приведена ROC-кривая при принятии решения о наличии ИБС только по смещению ST-сегмента; фигура 9 соответствует принятию решения только по коэффициенту изменения электрической активности на ST-T сегменте; фигура 10 соответствует предлагаемому способу совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте (см. формулу (4)). На фигурах 8, 9, 10 по горизонтали отложена величина - доля ложных положительных решений, а по вертикали величина - доля верных положительных решений; здесь N_ƒp - число ложных положительных решений для обследованных пациентов с подтвержденным отсутствием ИБС; остальные обозначения соответствуют формуле (1), поэтому Se=Tpr⋅100%; Sp=(1-Fpr)⋅100%. При построении фигуры 10 для каждого малого интервала значений Fpr находились такие соответствующие этому интервалу комбинации пороговых значений V_{JA thresh} и β_thresh, при которых получается наибольшая величина Tpr, т.е. максимальная чувствительность Se. Сравнительный анализ фигур 8, 9 и. 10 показывает, что известный способ диагностики ИБС по смещению ST-сегмента (фигура 8) при чувствительности и специфичности Se≈Sp≈ 70% характеризуется площадью Способ диагностики только по коэффициенту изменения электрической активности на ST-T сегменте (фигура 9) показывает аналогичные результаты В то же время предлагаемый способ совместного использования смещения ST-сегмента и коэффициента изменения электрической активности на ST-T сегменте позволяет улучшить показатели: при специфичности Sp=70% (что соответствует Fpr=0,3) реализуется чувствительность Se=80% при площади под ROC кривой AUC≈0,81 (фигура 10). Это означает, что при скрининговом обследовании на нагрузочном ЭКГ тесте 100 обследуемых с ИБС верное по результатам теста обнаружение ИБС ожидается у 80 человек вместо 70 человек.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность диагностики ИБС при скрининговом обследовании с помощью нагрузочного ЭКГ теста. Это, с одной стороны, снижает долю ложноположительных результатов и проведение дорогостоящих дополнительных методов обследования, включая коронароангиографию; с другой стороны - с повышением чувствительности теста снижается число ложноотрицательных результатов, что позволяет своевременно выявлять пациентов с ИБС и начинать лечебно-профилактические мероприятия.

Источники информации

1. Руководство по функциональной диагностике болезней сердца. Научно-практическое пособие по кардиологии. / Сыркин А.Л., Аксельрод А.С., Новикова И.А., Полтавская М.Г., Седов В.П., Чомахидзе П.Ш., Паша С.П. - М.: Золотой стандарт. 2009. - 368 с.

2. Аронов Д.М., Лупанов В.П. Функциональные пробы в кардиологии. - М.: МЕДпресс-информ, 2007. - 328 с.

3. Пат. №2448643, Российская Федерация, МПК А61В 5/02, А61В 5/0402. Электрокардиограф с измерением координат и параметров источника электрической активности сердца / Лебедев В.В., Крамм М.Н., Жихарева Г.В., Винокуров Д.С., Филонов Д.В., Стрелков Н.О. // Опубл. 27.04.2012, Бюл. №12 - 12 с.

4. Титомир Л.И., Кнеппо П. Математическое моделирование биоэлектрического генератора сердца. - М.: Наука. Физматлит, 1999. - 447 с.

5. Титомир Л.И., Трунов В.Г., Айду Э.А.И. Неинвазивная электрокардиотопография. - М.: Наука, 2003. - 198 с.

6. P.W. Macfarlane, A.van Oosterom, O.Pahlm, P.Kligfield, M.Janse, J.Camm Comprehensive Electrocardiology. Second Edition, Springer-Verlag London Limited, 2011. 2291 pp. (Chapter 36. Exercise Electrocardiography and Exercise Testing).

7. ACC/AHA 2002 Guideline Update for Exercise Testing. JACC Vol. 40, No. 8, 2002. - 57 pp.

8. Винокуров Д.С., Крамм M.H., Лебедев В.В., Попов Ю.Б. Реконструкция токового источника в области миокарда. - Медицинская техника. 2008. №4. С. 7-11.

9. E. Ashley, J. Myers, and V. Froelicher. Exercise testing scores as an example of better decisions through science. MEDICINE & SCIENCE IN SPORTS & EXERCISE, 2002. - p. 1391-1398.