МЕТОДИКА МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РИТМА СЕРДЦА ПРИ ИШЕМИЧЕСКОЙ БОЛЕЗНИ

Григорова Е.В.

Студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национально исследовательский университет)

МЕТОДИКА МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ РИТМА СЕРДЦА ПРИ ИШЕМИЧЕСКОЙ БОЛЕЗНИ

Аннотация

В статье приведена методика мультипараметрического анализа вариабельности ритма сердца при ишемической болезни для разработки алгоритма работы устройства для домашнего мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы.

Ключевые слова: электрокардиограмма, ишемическая болезнь сердца, вариабельность ритма сердца.

Grigorova E.V.

Student, Samara State Aerospace University

METHODS MULTIPARAMETER HEART RATE VARIABILITY ANALYSIS AT CORONARY ARTERY

Abstract

The article describes a method of multiparametric analysis of heart rate variability at coronary artery disease for the development of the algorithm of the device for home monitoring of the cardiovascular system.

Keywords: electrocardiogram, coronary heart disease, variability of a rhythm of heart.

Важнейшей задачей современной медицины является создание достоверных методов диагностики и прогнозирования сердечно-сосудистых заболеваний, в частности ишемической болезни сердца (ИБС). Классическим методом диагностики ИБС являет анализ параметров ST-сегмента электрокардиосигнала (ЭКС), например смещения ST-сегмента относительно изолинии. Однако, такой метод диагностики не позволяет предсказывать возникновение ишемических эпизодов. Кроме того, его реализация требует наличия соответствующей аппаратуры и квалифицированного персонала, что делает его малопригодным для применения в приборах персонального мониторинга, используемых самостоятельно пациентом с целью оценки текущего состояния сердечно-сосудистой системы. В связи с этим, возникает задача разработки методов обнаружения и прогнозирования возникновения ишемических эпизодов, основанных на других, менее подверженных влиянию помех, параметрах ЭКС. Одними из таких параметров могли бы быть параметры, характеризующие вариабельность ритма сердца.

Для разработки таких методов необходимо иметь базу данных ЭКС  как с самими ишемическими эпизодами, так и с предшествующим им. Формирование подобной базы возможно из базы ЭКС, размещенной на сайте physionet.org и находящейся в свободном доступе.  С этой целью была разработана программа на языке Matlab, алгоритм которой приведен на рис. 1. Работа программы основана на анализе файла аннотации и выделения соответствующих фрагментов ЭКС.

Рис. 1 –Алгоритм работы программы

Программа выделяет эпизоды изменения ST сегмента (код в аннотации ST1+ и ST0-). В среду Matlab загружаются исходные данные, которые представляют собой текстовые файлы аннотаций, содержащие дискретные временные отсчеты и краткое описание электрокардиограммы (ЭКГ) в соответствии с ключом, где указаны в том числе и изменения ST-сегмента, начало, конец и пик ишемического эпизода с числовой характеристикой смещения и файлы формата .mat со значениями ЭКГ с двух различных отведений. Затем переменные переводятся в числовой формат, массив сканируется на присутствие эпизодов. При возникновении соответствия (наличия маркера ST1+ или ST0-) производится запись начала и конца эпизода во временную матрицу, где собираются все ишемические эпизоды данной ЭКГ. После чего производится выделение из соответствующих файлов ЭКГ всех значений, входящих во временные границы эпизода. Также выделяются фрагменты ЭКГ, длительностью 5 минут, находящиеся непосредственно перед началом эпизода, и фрагмент ЭКГ с нормальным синусовым ритмом (не менее 20 минут до наступления первого ишемического эпизода). Все выделенные фрагменты сохраняются в текстовом файле формата .txt для дальнейшей обработки.

Далее анализ осуществляется с помощью программы, написанной на языке Matlab. Анализ возможен для ЭКС с любого отведения, для это предусмотрен предварительный анализ фрагмента кардиограммы, в ходе которого выделяются значения максимума и минимума ЭКГ и сравниваются их абсолютные значения. Для уменьшения влияния помех используется корреляционный детектор. Для его реализации применяется скользящее прямоугольное окно малой длительности, примерно соответствующей длительности сокращения сердца. Такая форма окна выбрана для упрощения и ускорения работы программы, но для еще большего повышения устойчивости к помехам, можно использовать как усредненный ЭКС заранее известной формы, так и усредненный ЭКС сформированный из фрагмента нормального синусового ритма обследуемого пациента. Далее осуществляется анализ корреляционной функции. Выделяются точки локальных максимумов, которым соответствует R-пик на кардиограмме, и соответствующие им временные точки, для формирования массивов RR-интервалов. Для дополнительного снижения уровня помех используется фильтр, основанный по принципу диаграммы ящик с усами.

Затем происходит обработка массивов RR-интервалов для трех типов данных (нормальный синусовый ритм, пред эпизод и непосредственно сам эпизод) для каждого из пациентов и вычисление следующих статистических величин: математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты эксцесса и асимметрии, медиана, мода и интерквантильный размах. Все результаты заносятся в таблицу.

Также выделенные RR-интервалы анализируются при помощи бесплатного ПО HRV Analysis. После чего полученные спектральные характеристики также заносятся в таблицу.

Затем производится оценка изменения параметров. Для каждого из пациентов в отдельности вычисляется разность параметров между пред эпизодом и нормальным синусовым ритмом, эпизодом и пред эпизодом. После чего суммируются все «положительные» (увеличение значения) и «отрицательные» (уменьшение значения) изменения и находится разность между ними.

Исходя из этого можно выделить те параметры, конечная разность которых имеет наибольшую абсолютную величину. К ним относятся: математическое ожидание, медиана, mean HR, NN50, VLF Power. Таким образом вышеперечисленные величины можно использовать при скрининговом обследовании для выявления ИБС. Это дает возможность разработать устройство, которое фиксирует наличие ИБС на основе оценки вариабельность ритма сердца и оповещает о возможности приближении клинических проявлений, чтобы пациент имел возможность предупредить ишемический эпизод.