АНАЛИЗ ПОЗДНИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРТАТИВНЫХ КАРДИОАНАЛИЗАТОРОВ

Седов С.С.¹, Щербакова Т.Ф.², Галимзянов Э.Р.³

¹ORCID: 0000-0002-9417-3919, доцент, кандидат технических наук, доцент, ²ORCID: 0000-0002-1733-968X, доцент, кандидат технических наук, доцент, ³ORCID: 0000-0002-6500-4366, старший преподаватель,

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева –КНИТУ-КАИ

АНАЛИЗ ПОЗДНИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ЖЕЛУДОЧКОВ СЕРДЦА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРТАТИВНЫХ КАРДИОАНАЛИЗАТОРОВ

Аннотация

Статья посвящена вопросу расширения функциональных возможностей портативного кардиоанализатора при анализе поздних потенциалов желудочков сердца на основе метода Симсона. Портативный кардиоанализатор регистрирует электрокардиосигнал, снятый только с I стандартного отведения, тогда как по методу Симсона требуется зарегистрировать сигнал с трех ортогональных отведений X, Y, Z. Поэтому, форма исследуемого нами сигнала отличается от сигнала, полученного стандартным методом Симсона. В работе мы ставим и решаем задачу определения новых пороговых значений для параметров метода Симсона в применении к электрокардиосигналу, зарегистрированному в I стандартном отведении.

Ключевые слова: портативный кардиоанализатор, электрокардиосигнал, метод Симсона, поздние потенциалы желудочков, электрокардиографические отведения.

Sedov S.S.¹, Shcherbakova T.F.², Galimzyanov E.R.³

¹ORCID: 0000-0002-9417-3919, Associate professor, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-1733-968X, Associate professor, PhD in Engineering, ³ORCID: 0000-0002-6500-4366, Senior Lecturer,

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev (KNRTU-KAI)

ANALYSIS OF LATE POTENTIALS OF HEART VENTRICLES WITH USE OF PORTABLE CARDIO ANALYZERS

Abstract

The article is devoted to the issue of extending the functionality of a portable cardiac analyzer in the analysis of late heart ventricles potentials on the basis of the Simson method. The portable cardiac analyzer registers an electrocardiac signal taken only from the 1^st standard lead, whereas by the Simson method it is required to register a signal from three orthogonal leads X, Y, Z. Therefore, the shape of the signal we are testing is different from the signal obtained by the standard Simson method. In this paper, we set and solve the problem of determining new threshold values for the parameters of the Simson method in application to the electrocardiac signal recorded in the 1^st standard lead.

Keywords: portable cardio analyzer, electrocardiogram, Simson method, late ventricular potentials, electrocardiographic leads.

Введение

В настоящее время современная электрокардиография активно развивается в области регистрации и анализа низкоамплитудных потенциалов (НАП) сердца. Это направление носит название электрокардиографии высокого разрешения (ЭКГ ВР) [1], [2, С. 15-21]. Анализ НАП позволяет получить важные дополнительные сведения о состоянии сердца пациента. Одним из видов НАП являются поздние потенциалы желудочков сердца (ППЖ). Их возникновение на электрокардиосигнале (ЭКС) в конце QRS-комплекса и начале ST-сегмента означает повышенный (до 50%) риск развития аритмий сердца у данного пациента, в том числе и опасных для жизни. Однако, проблема заключается в том, что на обычной кардиограмме ППЖ не удается обнаружить, так как их уровень ниже уровня шумов.

В рамках ЭКГ ВР стандартным методом регистрации и анализа ППЖ является метод Симсона [3, С. 235-242], [4, С. 26-29], основанный на временном синхронном накоплении множества кардиоциклов и последующем анализе усредненного сигнала. В результате временного накопления мы повышаем отношение сигнал/шум в требуемое количество раз, так как полезный сигнал складывается при этом синфазно. Согласно данному методу сначала проводится регистрация ЭКС с поверхности тела человека по трем биполярным ортогональным отведениям X, Y, Z [5, С. 79-87]. Далее сигнал усредняется во времени и фильтруется в определенной области частот. Затем вычисляется амплитуда вектора ЭДС сердца, называемая фильтрованным QRS-комплексом, для которой вычисляются три амплитудно-временных параметра [3, С. 236-237]. Если любые два из этих трех параметров превышают определенные пороговые значения, то делается вывод о наличии ППЖ на исследуемом ЭКС. Указанные параметры и их пороговые значения имеют следующие названия и значения:

- D_QRS – длительность фильтрованного QRS-комплекса (duration of QRS); D_QRS>120 мс;

- LAS – длительность низкоамплитудной конечной части (ниже 40 мкВ) фильтрованного QRS-комплекса (low amplitude signals); LAS>39 мс;

- RMS – среднеквадратическая амплитуда последних 40 мс фильтрованного QRS-комплекса (root mean square); RMS<25 мкВ.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является модификация метода Симсона для анализа ППЖ в портативных кардиоанализаторах. Такие кардиоанализаторы используются в больницах, коммерческих клиниках, а также частными лицами в качестве персонального устройства для контроля состояния сердца. Очень важна при этом задача расширения функциональных возможностей портативных кардиоанализаторов. Так, например, если у человека обнаружены ППЖ, то можно своевременно принять меры к устранению риска возникновения аритмий. Таким образом, цель работы весьма актуальна.

Однако кардиоанализаторы регистрируют ЭКС, как правило, только в одном – I стандартном отведении [6, С. 412-414], [7, С. 1-2]. Поэтому форма фильтрованного QRS-комплекса, полученного с одного отведения, будет отличаться от формы фильтрованного QRS-комплекса, полученного с трех ортогональных отведений X, Y, Z. Применять стандартные пороговые значения параметров метода Симсона при использовании одного отведения нельзя. Следовательно, необходимо получить новые пороговые значения для трех амплитудно-временных параметров метода Симсона при новой форме фильтрованного QRS-комплекса. В работе [8, С. 253] мы получили предварительные пороговые значения для небольшого количества записей ЭКС (149) из базы данных www.physionet.org. Поэтому задачей данной работы является уточнение указанных пороговых значений на основе статистического анализа большего количества сигналов.

Научная новизна работы заключается в применении известного метода обнаружения низкоамплитудных потенциалов – метода Симсона для обнаружения и последующего анализа НАП на ЭКС с I стандартного отведения. Полученные при этом новые пороговые значения амплитудно-временных параметров метода Симсона являются научными знаниями, представляющими практический интерес.

Материалы и методы

Для исследования были взяты 290 записей ЭКС из базы данных PTB Diagnostic ECG Database [9]. Все сигналы были проанализированы с использованием стандартного метода Симсона на наличие или отсутствие ППЖ по трем биполярным ортогональным отведениям X, Y, Z. Результаты анализа сигналов – наличие (51 случай) и отсутствие ППЖ (239 случаев) – примем за основу для дальнейших исследований. То есть разбиение всего массива данных на 2 класса – наличие ППЖ и отсутствие ППЖ по результатам обработки стандартным методом Симсона по трем отведениям мы принимаем достоверным. Далее был проведен анализ этих же записей (290 ЭКС) на наличие или отсутствие ППЖ с использованием метода Симсона, но по I стандартному отведению. При этом в отличие от стандартного метода, вычисление фильтрованного QRS-комплекса проводилось по сигналу одного отведения. А пороговые значения амплитудно-временных параметров были взяты из работы [8, С. 253].

Результаты

В результате проведенного анализа в 16,2% случаев заключение о наличии или отсутствии ППЖ на ЭКС по I стандартному отведению не совпало с заключением, взятым за основу. Следовательно, необходимо провести уточнение пороговых значений параметров метода Симсона для анализа ЭКС по I стандартному отведению.

На примере параметра длительности фильтрованного QRS-комплекса D_QRS покажем принцип получения нового порогового значения. В первую очередь на одном графике были построены две гистограммы распределения параметра D_QRS для случаев наличия и отсутствия ППЖ.

При этом разбиение на классы ППЖ+ и ППЖ- проводилось на основе стандартного анализа по трем ортогональным отведениям X, Y, Z. А длительности фильтрованных QRS-комплексов – D_QRS были взяты из набранной нами статистики (290 случаев ЭКС) по I стандартному отведению. С помощью проверки статистических гипотез [10, С. 244-262] было определено, что математические ожидания двух построенных гистограмм c доверительной вероятностью p=0.95 значимо различаются. После этого с помощью построенных гистограмм был определен порог принятия решения по критерию максимального правдоподобия. В результате получили новое пороговое значение для параметра длительности фильтрованного QRS-комплекса D_пор, равное 105 мс.

Новые пороговые значения двух других амплитудно-временных параметров метода Симсона были определены аналогичным способом. Эти параметры – длительность низкоамплитудной части (менее 40 мкВ) фильтрованного QRS-комплекса – LAS и среднеквадратическая амплитуда последних 40 мс фильтрованного QRS-комплекса – RMS. Новые пороговые значения для этих параметров, полученные так же, как и вышеописанный порог D_пор, составили: LAS_пор – 39 мс; RMS_пор – 18 мкВ.

С учетом новых уточненных пороговых значений амплитудно-временных параметров был проведен повторный анализ реализаций ЭКС на наличие ППЖ. В результате процент ошибочных заключений снизился до 12%. Это значение является приемлемым с практической точки зрения для автоматизированных алгоритмов анализа биоэлектрических сигналов сердца.

Заключение

В результате проведенного исследования были определены новые пороговые значения амплитудно-временных параметров метода Симсона для анализа ЭКС, зарегистрированного по I стандартному отведению с целью определения наличия поздних потенциалов желудочков сердца. Модифицированный таким образом метод Симсона может быть использован в портативных кардиоанализаторах. В дальнейшем мы планируем реализацию указанного метода в разрабатываемом портативном кардиоанализаторе. Это, безусловно, расширит его функциональные возможности.

Список литературы / References

1. Иванов Г.Г. Электрокардиография высокого разрешения / Г.Г. Иванов, С.В. Горячева, А.Л. Сыркина – М.: «Triad -X», 2003. – 304 с.
2. Куламбаев Б.Б. Электрокардиография высокого разрешения: некоторые методические подходы при анализе поздних потенциалов желудочков / Б.Б. Куламбаев, Г.Г. Иванов, Д.У. Акашева и др. // Кардиология. – 1994. – Т. 34, № 5-6. – С. 15-21.
3. Simson M.B. Use of signals in the terminal QRS complex to identify patients with ventricular tachycardia after myocardial infarction // Circulation. – 1981. – Vol. 64. – P. 235-242.
4. Галимзянов Э.Р. Оптимизация метода обработки электрокардиосигналов для выявления низкоамплитудных потенциалов сердца. // Методы и устройства передачи и обработки информации. – 2011. – Вып. 13. – С. 26-29.
5. Дехтярь Г.Я. Электрокардиографическая диагностика. М.: Медицина, 1966. – 543 с.
6. Sherbakova T.F. Cardiac arrhythmia analysis used in the system of electrocardiosignal transmission to the supervision center» / Sherbakova T.F., Sherbakov G.I., Sedov S.S. // 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). – Kharkiv, 2015. – P. 412-414. doi: 10.1109/ICATT.2015.7136904
7. Korobkov A.A. A portable device for registration and transfer of patient's electrocardiogram using microwave technologies / Korobkov A.A., Ulanov A.V. // 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). – Kharkiv, 2015. – P. 1-2. doi: 10.1109/ICATT.2015.7136900.
8. Седов С.С. Расширение функциональных возможностей портативных кардиоанализаторов / Седов С.С., Щербакова Т.Ф., Зарипов Б.А. // XVII Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ-2016. – Самара, 2016. – C. 252-253.
9. PhysioNet [Electronic resource] / PTB Diagnostic ECG Database. – URL: https://physionet.org/physiobank/database/ptbdb/ (дата обращения: 12.05.2017)
10. Смирнов Н.В. Курс теории вероятностей и математической статистики / Н.В. Смирнов, И.В. Дунин-Барковский – М.: Наука, 1969. – 511 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ivanov G.G. Jelektrokardiografija vysokogo razreshenija [High-resolution electrocardiography] / G.G. Ivanov, S.V. Gorjacheva, A.L. Syrkina – М.: «Triad -X», 2003. – 304 p. [in Russian]
2. Kulambaev B.B. Jelektrokardiografija vysokogo razreshenija: nekotorye metodicheskie podhody pri analize pozdnih potencialov zheludochkov [High-resolution electrocardiography: some methodical approaches in the analysis of late potentials of the ventricles.] / B.B. Kulambaev, G.G. Ivanov, D.U. Akasheva and others // Kardiologija [Cardiology]. – 1994. – Vol. 34, № 5-6. – P. 15-21. [in Russian]
3. Simson M.B. Use of signals in the terminal QRS complex to identify patients with ventricular tachycardia after myocardial infarction // Circulation. – 1981. – Vol. 64. – P. 235-242. [in English]
4. Galimzyanov E.R. Optimizacija metoda obrabotki jelektrokardiosignalov dlja vyjavlenija nizkoamplitudnyh potencialov serdca [Optimization of method for electrical cardiac signal processing to detect low-amplitude potentials of the heart] // Metody i ustrojstva peredachi i obrabotki informacii [Methods and devices of information transmission and processing]. – 2011. – №13. – P. 26-29. [in Russian]
5. Dehtjar' G.Ja. Jelektrokardiograficheskaja diagnostika [Electrocardiography diagnostics]. M.: Medicina, 1966. – 543 p. [in Russian]
6. Sherbakova T.F. Cardiac arrhythmia analysis used in the system of electrocardiosignal transmission to the supervision center» / Sherbakova T.F., Sherbakov G.I., Sedov S.S. // 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). – Kharkiv, 2015. – P. 412-414. doi: 10.1109/ICATT.2015.7136904 [in English]
7. Korobkov A.A. A portable device for registration and transfer of patient's electrocardiogram using microwave technologies / Korobkov A.A., Ulanov A.V. // 2015 International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). – Kharkiv, 2015. – P. 1-2. doi: 10.1109/ICATT.2015.7136900 [in English]
8. Sedov S.S. Rasshirenie funkcional'nyh vozmozhnostej portativnyh kardioanalizatorov [The expansion of the functionality of portable cardiac analyzers] / Sedov S.S., Shherbakova T.F., Zaripov B.A. // XVII Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija «Problemy tehniki i tehnologij telekommunikacij» PTiTT-2016 [XVII International scientific and technical conference "Problems of telecommunications engineering and technologies" PTEaT-2016]. – Samara, 2016. – P. 252-253. [in Russian]
9. PhysioNet [Electronic resource] / PTB Diagnostic ECG Database. – URL: https://physionet.org/physiobank/database/ptbdb/ (accessed: 12.05.2017) [in English]
10. Smirnov N.V. Kurs teorii verojatnostej i mate-maticheskoj statistiki [Course of the theory of probability and mathematical statistics] / N.V. Smirnov, I.V. Dunin-Barkovskij – M.: Nauka, 1969. – 511 p. [in Russian]