Разработка метода обработки электрокардиосигнала для построение портативного анализатора аритмий
Рассмотрение метода анализа электрокардиосигнала для определения аритмий, необходимых для построения портативного анализатора аритмий. Выбор спектральных параметров для различения "нормальных" и "патологических" QRS-комплексов электрокардиосигнала.
Рубрика | Медицина |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 30.04.2018 |
Размер файла | 241,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ПОРТАТИВНОГО АНАЛИЗАТОРА АРИТМИЙ
Горохов С.Н., Щербакова Т.Ф.,
Галимзянов Э.Р., Уланов А.В.
Аннотация
электрокардиосигнал аритмия портативный анализатор
В статье рассмотрен метод анализа электрокардиосигнала (ЭКС) для определения аритмий, необходимых для построения портативного анализатора аритмий. Описан выбор спектральных параметров для различения «нормальных» и «патологических» QRS-комплексов электрокардиосигнала. Приведены примеры построенных спектров различных QRS-комплексов реальных сигналов. Рассмотрен экспериментальный выбор граничного значения частоты, отделяющего высокочастотную и низкочастотную части спектра для различных случаев. Кроме того, описан корреляционный метод классификации P-зубцов, позволяющий повысить достоверность их обнаружения и различения.
Ключевые слова: электрокардиосигнал, спектральный анализ ЭКС, аритмии.
Abstract
DEVELOPMENT OF ELECTROCARDIOGRAM SIGNAL ANALYSIS METHOD FOR USE IN PORTABLE ARRHYTHMIA DETECTORS
The article presents an electrocardiogram signal analysis method for use in portable arrhythmia detectors. The selection of spectrum values for differentiating between normal and abnormal QRS complexes of the electrocardiogram signal is described. Sample spectra for various QRS complexes of real life signals are given. The article discusses an experimental selection of the borderline frequencies between high-frequency and low-frequency portions of the spectrum for a variety of cases. In addition, we present a P-waves correlation method allowing for higher reliability of their detection and differentiation.
Ключевые слова: electrocardiosignal, spectral analysis of ECS, arrhythmias.
Основная часть
Задача модернизации уже существующих и создание новых устройств обработки биомедицинских сигналов является очень важной в современном мире. Решение данной задачи дает возможность увеличить качество и объем информации о состоянии сердца человека.
Автоматический анализ ЭКС, особенно, для обнаружения предсердных и желудочковых аритмий является важным аспектом диагностики состояния сердца человека. Во-первых, потому что ряд аритмий носит жизнеугрожающий характер: внезапная аритмическая смерть может наступить в течение нескольких минут после возникновения аритмии. Во-вторых, аритмии предупреждают о более серьезных сердечнососудистых заболеваниях (ССЗ).
Применение методов обнаружения и распознавания слабых сигналов на фоне шумов позволит создавать программное обеспечение для портативных кардиомониторов (КМ), которые не только измеряют частоту сердечных сокращений, но и эффективно исследуют области предсердий и желудочков сердца человека, что так же поможет обнаружению предсердных и желудочковых аритмий [1].
Так использование достоверной информации о форме P-зубца, позволит обнаруживать в автоматическом режиме такие аритмии, как предсердная тахикардия, внутрипредсердная блокада, эктопический предсердный ритм и некоторые другие, которые приводят к деформации P- зубца. Следовательно, анализ формы QRS-комплекса и P-зубцов в алгоритме обработки ЭКС позволит расширить функциональные возможности портативных КМ.
Для автоматического анализа ритма сердца (в частности, для распознавания желудочковых экстрасистол) необходима информация не только о длительностях последовательных RR-интервалов, но и о характере формы (морфологии) QRS-комплексов. Наиболее важно при этом определить, является ли очередной комплекс фоновым (т.е. нормальным) или же искаженным, патологическим.
В большинстве известных алгоритмов эта задача решается в два этапа. Сначала анализируемый QRS-комплекс относят к одному из классов морфологии, а затем для каждого из полученных классов принимается решение о принадлежности всех его представителей к какой-либо из заранее заданных категорий (например, «норма», «патология» и «неопределенность»). Для сопоставления форм QRS-комплексов и оценки степени сходства их морфологий используют специальные признаки формы, которые определяются, как правило, во временной области. Определение параметров QRS-комплекса может осуществляться на основе следующих методов: пороговые, оконные, методы оптимальной оценки параметров. Однако применение метода оценки параметров связано с проблемой использования значительных вычислительных ресурсов. Остальные методы выполняются по косвенно определенным параметрам, что приводит к ошибкам, связанным с несовершенством способов определения этих параметров. При создании же портативного прибора анализа сердечного ритма необходимо использовать более достоверный и быстрый метод обнаружения патологий. В данной работе предлагается использовать спектральный метод.
Для построения алгоритма различения сигналов на основе спектральных параметров QRS-комплекса необходимо выбрать информативные параметры и определить пороги принятия решения. Для анализа были взяты 100 реализаций сигналов ЭКГ из базы данных ресурса PhysioNet [2]. С помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье был вычислен спектр участка сигнала, содержащего QRS-комплекс, с использованием прямоугольной оконной функцией [1]. Результаты исследования представлены на рис.1, в виде отдельно наложенных друг на друга спектров нормальных QRS комплексов и спектров QRS-комплексов с патологией у пациентов, страдающих бигеминией и тригеминией.
Рис. 1 Спектры QRS-комплексов: а - «нормальных» QRS-комплексов, б - «патологических» QRS-комлексов
Был рассмотрен следующий параметр спектра: отношение энергий высокочастотной части спектра QRS-комплекса к низкочастотной. На рис 2. представлены зависимости математических ожиданий (а) и дисперсий (б) значений отношений энергий высокочастотной части спектра к низкочастотной в зависимости от частоты.
Рис. 2 Экспериментальные кривые: а - математических ожиданий значений отношений энергий высокочастотной части спектра к низкочастотной для «нормальных» и «патологичных» QRS-комплексов в зависимости от частоты; б - дисперсий значений отношений энергий высокочастотной части спектра к низкочастотной для «нормальных» и «патологичных» QRS-комплексов
Для всех групп сигналов были построены гистограммы распределения, которые использовались для непосредственного определения порога принятия решения. Наилучшее различение групп удалось достичь при пороге Fпор1=15 Гц для патологических комплексов, и Fпор2=20 Гц для нормальных комплексов. При этом точность различения составила 96%. Таким образом, можно говорить о целесообразности применения спектрального анализа QRS-комплексов ЭКС в портативных анализаторах аритмий сердца.
Для выделения слабых сигналов сложной формы в радиотехнических системах широко применяются корреляционные методы и алгоритмы [1,4], которые можно использовать для обнаружения и распознавания P-зубца. Для более достоверного анализа формы P-зубца в данном алгоритме используется предварительное усреднение десяти P-зубцов.
В виду невозможности определения точки синхронизации при усреднении, как точки максимума P-зубца, распространение получили корреляционные методы выбора опорной точки синхронизации [3]. При этом точку, в которой достигается максимум коэффициента корреляции для сравниваемого участка, принимают за точку синхронизации.
Достоинством корреляционного метода является то, что выбор опорной точки происходит внутри каждого анализируемого ЭКС, и не зависит от индивидуальных особенностей пациента. При этом для усреднения используются все P-зубцы на ЭКС с синхронизацией в точках наибольшей схожести, и не учитывается вариабельность их формы, которая сама по себе может быть важным диагностическим параметром.
Поэтому предлагается провести предварительную классификацию P-зубцов, обнаруженных на предыдущем этапе обработки ЭКС. Если на анализируемом ЭКС были обнаружены P-зубцы более чем одного типа, то класс с наибольшим числом P-зубцов считается «типичным» для данной записи ЭКС, остальные - «не типичные». Если количество «нетипичных» P-зубцов более 10% от общего числа, то можно говорить о частых предсердных или узловых экстрасистолических сокращениях
Если на анализируемом ЭКС были обнаружены P-зубцы только одного типа, то все они считаются «типичными». Так или иначе, из класса «типичных» P-зубцов выбирается эталон для поиска опорных точек для процедуры синхронного усреднения. Для этого строится матрица коэффициентов корреляции каждого зубца, выступающего эталоном (E), со всеми остальными зубцами (X), вычисленных по формуле:
где n ? (-5;5), E - это сигнал эталонного комплекса, X - сравниваемый сигнал, - среднее значение сигнала E для рассматриваемых отсчетов, k - временной индекс сигнала X, соответствующий отсчету, по которому эталон совмещен с сигналом, - среднее значение той части сигнала X, которая используется для согласования с образцом при заданном k, и вычисляется по формуле:
Далее вычисляется среднее значение коэффициента корреляции для каждого зубца. Элемент с наибольшим значением принимается за эталон для всей записи. Он используется для предварительной классификации P-зубцов, которые будут использованы при дальнейшем усреднении сигнала. Порог для каждого из анализируемых сигналов выбирается индивидуально. И если значение коэффициента корреляции меньше установленного порога, то считают, что сравниваемый участок сигнала ошибочно принят за зону P-зубца. Для усреднения используются P-зубцы, коэффициент корреляции которых с эталоном равен 0,99. Если усреднение не покрывает 75% всех зубцов из класса «типичных», то порог коэффициента корреляции уменьшается на 0,01 и процедура усреднения проводится для нового числа P-зубцов.
Таким образом, данным метод позволяет повысить достоверность обнаружения и распознавания P-зубцов на ЭКС.
Список литературы
1. Галимзянов Э.Р. Оптимизация метода выделения низкоамплитудных потенциалов с использованием модели электрической активности сердца // Биомедицинская радиоэлектроника. 2012. № 11. С. 49-54.
2. PhysioNet [Electronic resource] / St.-Petersburg Institute of Cardiological Technics 12-lead Arrhythmia Database. URL: http://www.physionet.org/physiobank/database/incartdb/.
3. Классификация P-зубца и QRS-комплекса электрокардиосигнала в рамках корреляционной теории для задач обнаружения аритмий сердца / Галимзянов Э.Р., Козлов С.В., Хомяков А.В. и др. // Инфокоммуникационные технологии. 2012. Т.10. №2. С. 59-64.
4. Горохов С.Н., Галимзянов Э.Р. Корреляционный метод обработки электрокардиосигнала для построения устройства анализа аритмий // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. Часть 3. №8. С. 36-38.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анализ электрокардиограммы - один из самых эффективных методов исследования динамики сердца и диагностики режима его функционирования. Методики выделения R-зубца электрокардиосигнала и особенности математической обработки последовательности RR-интервалов.
реферат [282,9 K], добавлен 17.08.2013Изменение частоты ритма сердечных сокращений. Появление несинусового ритма. Нарушения проводимости импульса. Клинико-электрокардиографическая классификация аритмий. Этиологические факторы развития аритмий. Механизмы развития нарушений сердечного ритма.
презентация [1,1 M], добавлен 16.12.2014Основные механизмы аритмий. Физиологические и патофизиологические механизмы тахиаритмий. Способы и методы анализа аритмий. Клинически значимые аномалии сердечно-сосудистой системы. Типы циркуляции импульсов. Метод картирования волны возбуждения.
лекция [8,4 M], добавлен 27.09.2013Разновидности аритмий, общие принципы их лечения. Вторичность аритмии, роль лечения основного заболевания. Психосоматические расстройства при аритмии. Метаболическая терапия в лечении аритмий. Классификация противоаритмических лекарственных препаратов.
презентация [362,7 K], добавлен 21.10.2013Причины нарушений сердечного ритма. Органические и функциональные причины аритмий. Применение антиаритмических препаратов как способ лечения аритмий. Критерии проаритмического эффекта. Методы устранения пароксизмальных наджелудочковых тахикардий.
презентация [12,4 M], добавлен 10.12.2015Аритмии сердца как одна из наиболее актуальных, сложных и не легко диагностируемых ситуаций в кардиологии. Поражение проводящей системы миокарда - причина аритмии. Различные формы органических аритмий и блокад. Классификация аритмий, их характеристика.
реферат [575,7 K], добавлен 22.11.2014Состояние миокарда на фоне атеросклероза коронарных артерий. Основные группы осложнений: электрические, гемодинамические, реактивные. Нарушение ритма и проводимости. Причины аритмий на фоне инфаркта миокарда. Принципы лечения и профилактики аритмий.
презентация [2,9 M], добавлен 22.11.2013Основные механизмы развития аритмий. Социлианский Гамбит - новый подход к анализу механизмов аритмий сердца в связи с действием антиаритмических препаратов. Механизмы циркуляции возбуждения и пути ее прекращения. Ортодромная аритмия с синдромом WPW.
презентация [2,5 M], добавлен 31.05.2015Нарушения ритма сердечных сокращений. Классификация и этиология аритмий. Электрофизиологические основы нарушения сердечного ритма. Применение антиаритмических препаратов как способ лечения аритмий. Фармакотерапия нарушений ритма сердца у беременных.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 13.10.2015Структура организации вестибулярного анализатора, его роль в жизни человека. Изучение распределения возбудительного процесса в центральных отделах вестибулярной системы. Исследование вестибулярного анализатора у детей, занимающихся фигурным катанием.
курсовая работа [37,6 K], добавлен 23.02.2011Проводящие пути зрительного анализатора. Глаз человека, стереоскопическое зрение. Аномалии развития хрусталика и роговицы. Пороки развития сетчатки. Патология проводникового отдела зрительного анализатора (Колобома). Воспаление зрительного нерва.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 05.03.2015Изучение физиологического значения кожи, особенности строения кожного анализатора: эпидермис, кожа. Особенности проводящих путей и коркового конца кожного анализатора, характеристика потовых, сальных, молочных желез кожи. Производные кожи: волосы, ногти.
контрольная работа [28,8 K], добавлен 20.02.2010Классификация, патогенез, клиническая картина, профилактика артериальной гипертензии и гипотензии, кардиомиопатий, миокардиодистрофии. Причины возникновения и виды аритмий сердца, их диагностика и проявления. Методы лечения данных заболеваний у детей.
презентация [357,5 K], добавлен 03.03.2013Понятие и предпосылки развития аритмии как ненормального сердечного ритма, его клиническая картина, классификация и типы, распространенность. Современные приемы хирургического вмешательства, принципы проведения операций и оценка их эффективности.
презентация [863,0 K], добавлен 26.03.2015Аналитические характеристики набора для определения активности лактатдегидрогеназы. Принцип метода, основные условия измерения. Пробоподготовка, характеристика оборудования, проведение наблюдения. Фотометрирование с помощью анализатора Stat Fax 1904+.
презентация [709,9 K], добавлен 06.12.2016Классификация нарушений ритма сердца. Критерии синусового ритма на электрокардиограмме. Исследование основных причин предсердной, узелковой и желудочковой экстрасистолии. Интерполированная экстрасистола. Анализ электрофизиологических механизмов аритмий.
презентация [1,1 M], добавлен 22.05.2016Прогностическая классификация желудочковых аритмий. Критерии эффективности противоаритмической терапии по результатам холтеровского мониторинга. Сравнительная эффективность препаратов разных классов у больных со злокачественными желудочковыми аритмиями.
презентация [2,9 M], добавлен 17.10.2013Медикаментозное лечение аритмий. Нарушения формирования и проведения импульса. Механизмы усиления нормального автоматизма. Ранние и поздние постдеполяризации. Дезопирамид: способы применения, дозировки, побочное действие, лекарственное взаимодействие.
лекция [4,4 M], добавлен 17.10.2013Патогенетическая классификация нарушений ритма. Причины аритмий и нарушений проводимости. Основные механизмы синусовой брадикардии. Блокады ножек и ветвей пучка Гиса. Лечение атриовентрикулярной пароксизмальной тахикардии. Суточные дозы препаратов.
презентация [5,0 M], добавлен 08.01.2014Этиологическая, патогенетическая, симптоматическая, прогностическая неоднородность аритмий. Инвазивные методы диагностики. Медикаментозное и кардиохирургические лечение. Основные направления профилактики. Алгоритм действия медицинской сестры при аритмии.
курсовая работа [41,2 K], добавлен 13.12.2016