Реферат: Анализ и синтез биотехнологической системы медицинского назначения для электрокардиографических исследований

Сегмент ST (RT) во всех отведениях от конечностей и в левых грудных отведениях регистрируется на уровне изоэлектрической линии. Небольшие горизонтальные смещения (вниз до 0,5 мм или вверх до 1 мм) сегмента ST возможны у здоровых людей, особенно на фоне тахикардии или брадикардии, но во всех таких случаях необходимо исключать патологический характер подобных смещений путем динамического наблюдения, проведения функциональных проб или сопоставления с клиническими данными. В отведениях V₁, V₂, V₃сегмент RST расположен на изоэлектрической линии или смещен вверх на 1-2 мм.

Варианты нормальной ЭКГ, зависимые от расположения сердца в грудной клетке, определяют по соотношению зубцов R и S или форме комплекса QRS в разных отведениях; таким же образом выделяют патологические отклонения электрической оси сердца при гипертрофии желудочков сердца, блокадах ветвей пучка Гиса и т.д. Эти варианты рассматривают условно как повороты сердца вокруг трех осей: переднезадней (положение электрической оси сердца определяется как нормальное, горизонтальное, вертикальное или как отклонение ее влево, вправо), продольной (поворот по ходу и против хода часовой стрелки) и поперечной (поворот сердца верхушкой вперед или назад).

Положение электрической оси определяется по величине угла б, построенного в системе координат и осей отведении от конечностей и вычисленного по алгебраической сумме амплитуд зубцов комплекса QRS в каждом из любых двух отведений от конечностей (обычно в I и III): нормальное положение - б от + 30 до 60°: горизонтальное - б от 0 до +29°; вертикальное б от +70 до +90°. Отклонение влево - б от -1 до -90°; вправо - б от +91 до ±80°. При горизонтальном положении электрической оси сердца интегральный вектор параллелен оси Т отведения; зубец R_I высокий (выше, чем зубец R_II); R_III < S_III; R_aVF > SVF. При отклонении электрической оси влево R_I > R_II > R_aVF < S_aVF (R_III < S_III). При вертикальном положении электрической оси и отклонении ее вправо R_I низкий, увеличиваются S_I и R_III.

При повороте сердца вокруг продольной оси по часовой стрелке желудочковый комплекс на ЭКГ имеет форму RS в отведениях I, V_5,6 и форму qR в отведении III. При повороте против часовой стрелки желудочковый комплекс имеет форму qR в отведениях I, V_5,6 и форму RS в отведении III и умеренно увеличенный R в отведениях V₁-V₂ без смещения переходной зоны (в отведении V₂ R < S). Поворот сердца верхушкой вперед отображается формой qR желудочкового комплекса, а верхушкой назад - формой RS во всех стандартных отведениях.

У детей нормальная ЭКГ имеет ряд особенностей, основными из которых являются: отклонение электрической оси сердца вправо (б составляет у новорожденных +90 - +180°, у детей в возрасте 2-7 лет - +40° - +100°); наличие в отведениях II, Ill, aVF глубокого зубца Q, амплитуда которого уменьшается с возрастом и становится близкой к таковой у взрослых к 10-12 годам; низкий вольтаж зубца Т во всех отведениях и наличие отрицательного зубца Т в отведениях III, V₁-V₂ (иногда и V₃, V₄), меньшая продолжительность зубцов Р и комплекса QRS - в среднем по 0,05 с у новорожденных и по 0,07 с у детей от 2 до 7 лет; более короткий интервал Р-Q (в среднем 0,11 с у новорожденных и 0,13 с у детей от 2 до 7 лет). К 15 годам перечисленные особенности ЭКГ в значительной мере утрачиваются, продолжительность зубца Р и комплекса QRS составляет в среднем по 0,08 с, интервала Р-Q - 11,14 с.

Рис. 1 Электрокардиограмма здорового человека: ритм синусовый, 60 сокращений в 1 мин; интервалы: Р-Q = 0,13 с, Р = 0,10 с, QRS = 0,09 с, QRST = 0,37 с. Зубец Р в отведениях I, II, III, aVF, aVL, V2 - V6 положительный, в отведении V1 зубец Р - двухфазный (±), в отведении aVR - отрицательный. RII > RI = RIII (∠б= +60°). Зубец TII > TI > TIII положительный. Зубец Q в отведениях I, II, aVF, V5-V6 не превышает 0,02 с. В грудных отведениях высота зубцов R и Т наибольшая в отведении V4; она постепенно уменьшается в направлении отведений V1 и V6, имея наименьшую величину в отведении V1. Переходная зона в отведении V3. Сегмент RST в отведениях I, II, V4-V6 на уровне изолинии в отведениях III, V2 - смещен вверх (менее 1 мм)

Рис. 2. Схема расположения электродов при регистрации однополюсных грудных отведении ЭКГ: V₁ - V₆ - общепринятые грудные отведения; V_3R - V_6R - дополнительные правые грудные отведения; 1, 2, 3, 4 - межреберные промежутки.

Рис. 4. Схематическое изображение нормальной электрокардиограммы: Р - зубец, отражающий ход распространения возбуждения по предсердиям; интервал Р-Q - время от начала возбуждения предсердий до начала возбуждения желудочков; интервал Q-Т - время электрической систолы желудочков, включающей распространение возбуждения по желудочкам сердца - комплекс QRS, сегмент RST и зубец Т; волна U, которая в норме наблюдается не всегда; R-R (Р-Р) - межцикловой интервал; Т-Р - диастолический интервал

2. Структура и функции электрокардиологических БТС

Зная длительность одного сердечного сокращения, можно определить число сокращений сердца в минуту.

Расстояние от начала зубца Р до начала зубца С (а при отсутствии его до начала зубца - интервал Р - С соответствует времени охвата возбуждением предсердий и атриовентрикулярного соединения.

Изменениям этого интервала придают большое диагностическое значение.

Расстояние от начала зубца 0. (#) до окончания зубца - 5 (Я) - комплекс соответствует времени охвата возбуждением желудочков, а расстояние от начала (3 (Я) до окончания зубца Т - интервал С2^5Г характеризует длительность электрической систолы, которая зависит от частоты сердечных сокращений, поэтому для ее оценки необходимо фактическую длительность сравнить с долженствующей для данного ритма.

Процентное отношение длительности систолы к длительности сердечного цикла называется систолическим показателем. Определение его дает возможность сориентироваться в степени удлинения систолы. Определяется фактический систолический показатель; с помощью таблицы он сравнивается с долженствующим для данного ритма.

Интервал от начала до перпендикуляра, опущенного от верхушки зубца Я, - время внутреннего отклонения, или время активации желудочков. Его определение особенно важно в отведениях при решении вопроса о гипертрофии желудочков, а также для диагноза блокады ножек пучка Гиса.

Электрокардиография позволяет изучать следующие функции сердца: автоматизм, проводимость, возбудимость, рефрактерность и аберрантность. О сократительной функции с помощью этого метода можно получить лишь косвенное представление. О функции тоничности электрокардиография не дает никаких сведений.

Результаты патентно-реферативных исследований по методам и средствам диагностики электрокардиографией

В первой главе на основе анализа литературных источников обоснована необходимость совершенствования и повышения достоверности существующих методов контроля качества ЭКС. Приведены данные зарубежных и отечественных исследований,

свидетельствующие о значительном количестве врачебных ошибок, связанных с использованием для диагностики сигналов неудовлетворительного качества. Сделан вывод о том, что эти проблемы особенно характерны в задачах телеметрической электрокардиографии, суточного и прикроватного мониторинга. С использованием нормативной базы и литературных источников проведено обоснование терминологической базы и целесообразность использования терминов «качество электрокардиографического сигнала» и «техническое качество электрокардиографического сигнала», под которыми понимаются корректность идентификационных данных, клинической информации и корректность установки электродов отведений, стабильность базовой линии, наличие артефактов, правильность работы, статические и динамические погрешности прибора соответственно.

Систематизированы нормативные и законодательные источники, регламентирующие сертификацию, поверку и контроль технического состояния ЭКП. Выявлены существенные недостатки в актуальной методике поверки, которые заключаются в высокой трудоёмкости поверочных процедур и в том, что установленные средства поверки не удовлетворяют параметрам точности, регламентированным в ГОСТ Р МЭК 60601-2-51 от 2008 г. Установлено, что ввиду указанных причин текущий контроль состояния ЭКП в рамках ЛПУ практически не проводится. Проведен анализ возможных путей автоматизации процедуры метрологической поверки, на основе которого сделан вывод о целесообразности автоматизации рутинных измерений линейных размеров записанного на электрокардиографическую ленту тестового сигнала.

С целью формирования требований и предварительной структуры метода контроля качества ЭКС проведены:

анализ факторов, влияющих на качество ЭКС: основных источников шумов, артефактов и наиболее часто встречающихся методических ошибок, а также их возможного влияния на сигнал;

классификация методов расчета параметров, характеризующих наличие шумов и артефактов в сигнале (метрик качества): на основании использования в качестве классификационного признака вида математического аппарата, заложенного в базовый алгоритм расчета, выделены группы: параметрические, статистические, частотно-временные, аналитические, частотные, корреляционные и др.;

классификация известных методов контроля качества ЭКС по следующим классификационным признакам: количество используемых метрик качества; вид используемых метрик; необходимость предварительной обработки сигнала; использование сопутствующей медицинской информации; используемая шкала качества; возможность

формирования рекомендаций по улучшению качества; возможность определения инверсии электродов отведений.

На основе проведённых обзоров и классификаций предложена структура обобщенной системы контроля качества ЭКС, а также сформированы требования и ограничения разрабатываемого метода контроля, наиболее значимыми из которых являются: использование в качестве входных данных сигналов 12 стандартных ЭКГ отведений длительностью не менее 10 с, полученных при проведении ЭКГ-покоя (в том числе телеметрическое ЭКГ), суточного и прикроватного мониторинга.

Выбор и обоснование структурно-функциональной схемы БТС ЭКГ

На основе патентно-реферативных исследований по методам и средствам диагностики электрокардиографией можно сказать, что исходя из характера выбранных метрик качества на базе проведенного обзора методов машинного обучения сформированы требования к методу классификации: возможность классификации на несколько классов, использование численных и именованных параметров, возможность работы с неполными множествами параметров. Проведены исследования эффективности работы различных методов машинного обучения.

В качестве множества сигналов для обучения и тестирования использована выборка, подготовленная в главе 2. Для всех методов при обучении проведена перекрестная проверка методом k-fold. Установленная общая точность классификации (количество верно классифицированных записей по отношению к общему количеству записей в тестовой выборке) для исследованных методов следующая: нейронная сеть (алгоритм) - 59%; метод опорных векторов - 60,1%; линейный дискриминантный анализ - 59,6%; наивный Байесовский классификатор - 58,4%; метод k-ближайших соседей - 60,7%; композиция деревьев принятия решений - 85,7%.

Таким образом, наибольшую точность классификации обеспечивает метод композиции деревьев принятия решений, оптимизированных по алгоритму RUSBoost.

На рисунке 4 представлена диаграмма матрицы неточности данного метода, согласно которой, точность классификации по различным классам качества следующая: отлично - 93%; хорошо - 62,5%; удовлетворительно - 66,6%; неудовлетворительно - 97,5%. Таким образом, использование выбранного набора метрик и классификатора качества, основанного на методе композиции деревьев принятия решений, позволяет успешно решить задачу контроля качества ЭКС с использованием четырех бальной шкалы при снижении погрешности отнесения неудовлетворительного ЭКС к классам пригодных для анализа сигналов на 4,5% по сравнению с известными методами.

Для реализации метода контроля качества ЭКС предложен алгоритм, представленный на рисунке 5. Вначале производится ввод сигналов 12 стандартных отведений ЭКС, длительностью 10 с, дискретизированных с частотой 500 Гц (блок 1).

Блок схема алгоритма контроля качества ЭКС

В блоке 2 производится эмпирическая модовая декомпозиция полученных сигналов (максимальное количество ЭМ - 15, граничные условия - wave, метод сглаживания - кубическая сплайн интерполяция).

Блок 3 определяет количество отсутствующих сигналов отведений, а блок 4, соответственно, принимает решение о классе качества сигнала. В случае отсутствия более одного сигнала стандартных отведений или более 3 сигналов грудных отведений алгоритм переходит к блоку 9 (неудовлетворительное качество) и далее к блоку 12 отображения класса качества. Блок 5 реализует алгоритм расчета положений R-зубцов, а

блок 6 рассчитывает параметры ритма сердца и, таким образом, формирует данные для расчета метрик: наличие нарушения ритма, частота сердечных сокращений, процент QRS-комплексов, успешно определенных на каждом отведении по отношению к количеству QRS-комплексов на всех отведениях. Блок 7 реализует алгоритм определения инверсии электродов, а блок 8 принимает решения о классе качества. В случае обнаружения инверсии электродов (неудовлетворительное качество) алгоритм переходит к блоку 12. Блок 10 предназначен для расчета набора базовых метрик качества, а блок 11 реализует разработанный классификатор. Результатом является класс качества ЭКС.

Представлены результаты апробации метода контроля качества ЭКС, в БУЗ Орловской области «Детская областная клиническая больница им. З.И. Круглой», подтверждающие работоспособность и эффективность метода при обеспечении точности классификации сигналов неудовлетворительного качества 96,2%.

3. Новые перспективы использования электрокардиографии в амбулаторной и профилактической кардиологии

Одной из важнейших проблем внутренней патологии в целом и кардиологии, в частности, является проблема комплаентности или добросовестного соблюдения пациентом рекомендаций врача в ходе лечебных и профилактических мероприятий. Повышению комплаентности способствует предоставление пациенту возможности с помощью современной аппаратуры самостоятельно контролировать уровень холестерина, глюкозы крови или артериального давления.

С нашей точки зрения, сегодня сложились все условия для внедрения в практику профилактической и клинической кардиологии метода самоконтроля ЭКГ.

К началу XXI века электрокардиография стала одним из самых распространенных и наиболее доступных методов исследования сердечной деятельности. В Санкт-Петербурге за 2010 года всего снято 2,5 млн ЭКГ, из них в амбулаторно-поликлинической сети - более 1 млн ЭКГ. В то время как в условиях стационара регистрация ЭКГ покоя является рутинной процедурой, запись ЭКГ в амбулаторных условиях и, особенно, на дому выполняется далеко не сразу и сопряжена с известными трудностями. Время ожидания от момента врачебного назначения ЭКГ исследования до получения результатов ее анализа, даже по официальным отчетам, достигает 7-8 дней. Стоимость снятия и расшифровки ЭКГ по платным услугам в среднем составляет 300 рублей, что, с учетом необходимости проведения динамических ЭКГ исследований, становится серьезным препятствием для проведения таких обследований среди малообеспеченных категорий граждан. Особые проблемы сопряжены с регистрацией ЭКГ в случае развития пароксизмальных расстройств ритма или болевого приступа. В подобных случаях расчет на быстрое прибытие скорой или неотложной помощи далеко не всегда себя оправдывает, поскольку пароксизмы аритмий, так же как и приступы ангинозных болей, бывают достаточно короткими и соответствующее событие, способное дать врачу ключ к диагностическому поиску, не удается документировать. Следствием этого является направление больного на обследование в диагностический центр или стационар, где проводится суточное мониторирование (СМ) ЭКГ и стресс-ЭКГ тест. В Санкт-Петербурге за 2010 год в стационарах и поликлиниках выполнено примерно 16000 стресс-ЭКГ и 90.000 СМЭКГ. Примерная стоимость выполнения и описания СМ ЭКГ составляет 1.300 рублей, а стресс-ЭКГ теста 1800 рублей. Таким образом, стоимость ЭКГ обследований населения составляет: