Визуализация комплексного алгоритма автоматического определения шоковых ритмов сердца

Для автоматического определения состояния фибрилляции при сердечных патологиях на основе ЭКГ предлагается применение комплексного алгоритма, основанного на расчете значений критических параметров. Статья посвящена вопросам визуализации рассчитанных критических параметров, путем создания интерфейсов автоматического определения шоковых ритмов сердца более высокого уровня с использованием различных электронных и мобильных устройств передачи данных.

Ключевые слова: информационные технологии в медицинской практике, программирование, интерфейс, фибрилляция, шоковые ритмы сердца.

Введение

Установлено, что предвестником внезапной остановки сердца (ВОС) являются опасные сердечные аритмии: желудочковая фибрилляция и желудочковая тахикардия — эти аритмии, если не будут прерваны в течение первых минут с момента возникновения, неминуемо приводят к остановке сердца и впоследствии к смерти. Прервать их можно с помощью терапевтической процедуры -дефибрилляции, которая заключается в сообщении сердцу человека мощного импульса электрического тока. Отсюда возникло объединяющее название для фибрилляции и тахикардии желудочков — шоковые ритмы сердца (ШРС).

Таким образом, на сегодняшний день, эффективным способом борьбы с ВОС является своевременное определение состояния фибрилляции или другими словами правильного определения шоковых или нешоковых ритмов сердца. Для этого разрабатываются разнообразные алгоритмы автоматического определения состояния фибрилляции с использованием современных информационных технологий в медицинской практике.

В связи с этим целью исследовательской работы явилась разработка и реализация на основе объектно-ориентированного подхода интерактивного интерфейса взаимодействия с аппаратурой дефибрилляции для реализации предложенного комплексного алгоритма автоматического определения фибрилляции.

Фибрилляция (мерцание) предсердий.

Этот довольно распространенный вид аритмии может иметь пароксизмальную или постоянную форму. Ее можно выявить у здоровых людей, особенно во время эмоционального стресса, после хирургического вмешательства, физической нагрузки или острой алкогольной интоксикации. Фибрилляция предсердий также может развиться у лиц, страдающих заболеваниями сердца или легких, на фоне острой гипоксии, гиперкапнии, метаболических или гемодинамических расстройств. Постоянная форма данной патологии обычно встречается у больных с такими нарушениями деятельности сердечно-сосудистой системы, как ревматическое поражение сердца, неревматическое поражение левого предсердно-желудочкового (митрального) клапана, артериальная гипертензия, хроническое заболевание легких, дефект межпредсердной перегородки, а также при целом ряде различных пороков сердца (Рис.1).

Сравнительный анализ методов для автоматического определения фибрилляции

Для автоматического определения фибрилляции сегодня используются различные алгоритмы [2, 3]. Каж­дый алгоритм обладает своими преимуществами и недостатками. В качестве критерия эффективности, рассмотренных алгоритмов автоматизации определения фибрилляции, приняты показатели чувствительности и специфичности. Чувствительность представ­ляет собой вероятность правильного детектирова­ния эпизода фибрилляции, а специфичность - ве­роятность правильного определения эпизода без фибрилляции [1,3].

Метод вычитания составного сигнала

Метод вычитания составного сигнала является модификацией метода сравнения с шаблоном, в котором в качестве критического параметра выс­тупают разности между исследуемым участком ЭКГ-сигнала и четырьмя заранее заданными шаб­лонными сигналами [2].

Данный метод основан на расчете разности меж­ду абсолютными значениями исследуемого ЭКГ-сигнала и составного сигнала. Для того чтобы сформировать составной сигнал, необходимо най­ти максимумы пиков, которые превышают значе­ние 0,9-Мох, где Max - максимальная амплитуда исследуемого четырехсекундного участка ЭКГ-сиг­нала. Таким образом, сигнал разбивается на N + 1 участок, где N- число зарегистрированных пиков. На первом и последнем участках составной сигнал приравнивается исследуемому ЭКГ-сигналу, а меж­ду двумя последовательно идущими пиками он рас­считывается по формуле:

,

где

- составной сигнал на i-м участке;

- длительность i-го участка; i = 2, 3, N- 2; t[0;].

Критический параметр данного метода определяется суммой поэлементных разностей абсолютных значений исследуемого и составного сигналов:

.

Если рассчитанное значение S меньше установленного порогового значения, то на исследуемом интервале определяется фибрилляция. Чувствительность и специфичность данного метода зависят от выбора порогового значения. Его оптимальная величина составляет 500, при этом чувствительность и специфичность метода равны 93,1 и 77,0 % соответственно.

Метод подсчета пиков

Изначально сигнал пропускается через фильтр. Данный метод основан на том, что наиболее распространенный ШРС – фибрилляция желудочков (ФЖ) представляет собой быстрое хаотическое сокращение желудочков, что отражается на кардиограмме. Рассчитав количество пиков абсолютного значения сигнала, амплитуда которых больше некоторого заданного уровня на рассматриваемом участке (N), можно получить зависимость между отсутствием и наличием ФЖ на исследуемом интервале.

Пороговый уровень определялся следующим образом:

где X_n – массив значений сигнала на n-м интервале. Если N превышает граничный параметр, то на выбранном временном интервале будет детектироваться шоковый ритм сердца (ШРС), т.е. фибрилляция.

Эмпирическим образом была обнаружена зависимость между числом пиков, амплитуда которых больше 0,3-Мах, и наличием/отсутствием на них фибрилляции. Для четырехсекундного временного интервала критическое число пиков равно 25. Оно должно рассчитываться в соответствии с длительностью рассматриваемого интервала. Чувствительность и специфичность для этого метода на базе данных Американской кардиологической ассоциации соответственно равны 78,7 и 95,1 %.

Метод отношения мощностей фильтрованного и исходного сигналов

Спектр электрокардиограмм нешоковых ритмов сердца расположен в интервале частот от 1 до 30 Гц, в то время как спектр фибрилляции расположен в основном в интервале частот от 1 до 10 Гц. Поэтому критическим параметром данного метода является отношение мощности сигнала с вырезанными частотными составляющими от 0 до 10 Гц к мощности исходного сигнала, прошедшего только предварительную обработку. Критический параметр рассчитывается следующим образом:

,

где – мощность исходного сигнала с вырезанными частотными составляющими от 0 до 10 Гц;

- мощность исходного сигнала прошедшего только предварительную фильтрацию.

Если полученное значение Pw превышает 110, то считается, что на сигнале отсутствует фибрилляция, если значение Pw меньше 75, то на рассматриваемом интервале определяется фибрилляция. Интервал 75 < Pw < 110 считается переходным, и при этом для принятия решения применяются дополнительные параметры.

Чувствительность и специфичность данного метода на базе данных Американской кардиологической ассоциации составили 43,2 и 98,0 % соответственно для четырехсекундного окна.

Метод расчета относительной частоты попадания сигнала вне информативного интервала

Для выявления новых интегральных характеристик ЭКГ-сигнала, позволяющих достоверно распознавать фибрилляцию, был рассмотрен характер распределения относительных частот сигнала по интервалам амплитуды. Такой подход позволил выделить из всего диапазона амплитуд сигнала ЭКГ узкую область, обладающую наибольшей информативностью для автоматического определения фибрилляции [6].

Интервал амплитуд (-0,2·Мах; 0,2·Мах) считается информативным для определения типа сигнала, где Мах - максимальное значение амплитуды анализируемого участка ЭКГ-сигнала. Метод состоит в том, чтобы посчитать число отсчетов, амплитуда которых выходит за пределы информативного интервала. Критический параметр этого метода рассчитывается по формуле:

,

где - число отсчетов, амплитуда которых находится вне информативного интервала, a – число отсчетов, амплитуда которых находится в информативном интервале. Оптимальное пороговое значение критического параметра W выбрано на основе экспериментальных данных и составляет величину W=035.

Комплексный алгоритм определения фибрилляции

Комплексный алгоритм основан на комбинации четырех методов.

Диапазоны значений трех из них разбиваются на три области: соответствующие фибрилляции, норме и неопределенным ритмам. Таким образом, специфичность и чувствительность каждого из методов повышается. В качестве первого звена алгоритмической цепи предлагается использовать метод расчета относительной частоты попадания сигнала вне информативного интервала, для того чтобы быстро и надежно отсеивать синусные ритмы. Синусовым ритмом называется ритм, выходящий из синусового узла, который является автоматическим центром первого порядка. У здоровых людей ритм всегда является синусовым. Однако, синусовый ритм может наблюдаться и у больных. Частота ритма (частота сердечных сокращений - ЧСС) в норме лежит в пределах 60-80 ударов в минуту.

На втором этапе (если принимается решение о том, что ритм не является синусным) рассчитываются еще два критических параметра и производится повторное распознавание фибрилляции. На последнем этапе рассчитывается еще один критический параметр, на основе которого принимается окончательное

Оптимальная длина окна для данного алгоритма составляет 4 с. Среднее время принятия решения на одном эпизоде - чуть более 4 с.

Блок-схема комплексного метода автоматического определения фибрилляции представлена на рис. 1.

Рис.1. Блок-схема комплексного алгоритма автоматического определения фибрилляции

Ключевым моментом данного алгоритма является первоочередность отсеивания синусных ритмов сердца, путем сравнения значения критического параметра «Частоты попадания сигнала вне информативного интервала» с пороговым значением 0,35 отн. ед. Если значение данного параметра меньше порогового, то принимается решение о «нешоковых ритмах сердца» и расчет оставшихся трех критических параметров не осуществляется. Тем самым оптимизируется время на принятия решения о применении дефибрилляции. Если значение критического параметра W превысило 0,35 отн.ед., то принимается решение о наличии «Шоковых ритмов сердца» и для подтверждения необходимости дифибрилляции последовательно рассчитываются и сравниваются с пороговым значением:

- параметр S - Сумма поэлементных разностей абсолютных значений исследуемого и составного сигналов, которая сравнивается с установленным;

- параметр Pw – Отношение мощности ЭКГ сигнала с вырезанными частотными составляющими, характерными состоянию фибрилляции к мощности исходного сигнала, прошедшего предварительную фильтрацию, нормированного коэффициентом 225.

При превышении этими параметрами пороговых значений для окончательного подтверждения наличия состояния фибрилляции производится расчет и сравнение с предельной нормой количество пиков, амплитуда которых больше (Р) для четырехсекундного окна. Критическая величина этого параметра равна 25.

Итак, окончательно, если значения всех трех критических параметров превысили пороги допустимых значений принимается решение о « Шоковых ритмах сердца», а значит существует обоснованная необходимость в дефибрилляции.

Реализация программы интерфейса сопряжения блока анализа ЭКГ сигнала, реализующего комплексный алгоритм автоматического определения фибрилляции и самим разрядным устройством дефибрилляции осуществлена в среде объектно-ориентированного программирования Microsoft Visual Studio 2010.

Работа программы начинается с открытия проекта «Fibrillation». Сначала открывается основная форма frm_main, генерируемая из файла frm_main.Designer.vb. После полной прорисовки формы интерфейса осуществляется обращение к файлу frm_main.vb, где в первую очередь происходит выполнение подпрограммы frm_main_Load загрузки формы (рис.2 а, б).

Особенностью данного интерфейса является то, что рассчитанные значения критических параметров «потоково», с интервалом около 5 секунд, поступают в специальный файл, к которому обращается программа интерфейса. Затем в результате работы программы данные «визуализируютя» и врач может наблюдать и «отсев» синусных ритмов сердца и вывод о «шоковых ритмах сердца». Необходимо отметить, что подача входной информации об ЭКГ сигнале может быть организована дистанционно от разных носителей, для чего в программе интерфейса предусмотрены специальные кнопки управления, позволяющие:

Загрузить сохраненную запись, переслав ее с прибора через инфракрасное соединение.

Загрузить сохраненную запись, переслав ее с флэш-карты дефибриллятора через считывающее устройство.

Загрузить сохраненную запись, переслав ее с дефибриллятора через подсоединенный серийный кабель.

Загрузить сохраненную запись, переслав ее с программы на мобильном устройстве через специальное соединение.

Таким образом, решается весьма актуальная задача дистанционной диагностики с применением современных информационных и коммуникационных технологий.

Экспериментальные исследования разработанного программного интерфейса взаимодействия с аппаратурой дефибрилляции

Пусть, рассчитанные значения критических параметров автоматического определения фибрилляции потоково поступают в файл в порядке анализа, согласно разработанному комплексному алгоритму, а именно: параметр W, S, Pw, P. Их значения на участке трех срезов ЭКГ сигнала 4 секундного окна составляют соответственно (Табл. 1):

Таблица 1

Результаты работы программы интерфейса 1-го среза представлены на рис. 3. В диалоговом окне появляется четкая идентификация нешоковых ритмов сердца только на основе анализа параметра W. Другие параметры в анализе не нуждаются. Последующие 2 среза подтверждают сделанный вывод о нецелесообразности проведения дефибрилляции.

Теперь пусть значения критических параметров на участке трех срезов ЭКГ сигнала 4 секундного окна составляют соответственно (Табл. 2):

Таблица 2

Результаты работы программы интерфейса 1-го и 2-го срезов представлены на рис.4.

В диалоговом окне появляется четкая идентификация шоковых ритмов сердца теперь уже не только на основе анализа параметра W, но и в анализ включаются также параметры S, Pw, P.

Последующие 2 среза подтверждают сделанный вывод о необходимости проведения дефибрилляции.

Таким образом, используя разработанный интерфейс программы автоматического определения НРС/НШРС осуществляется визуализация значений рассчитанных критических параметров анализа ЭКГ сигналов снятых тут же на аппарате, либо переданных дистанционно по каналам связи, либо введенные с карт-ридера или с мобильного устройства.

В ходе проведенного исследования получены следующие результаты:

1. На основе известных методов автоматического распознавания фибрилляции была разработана блок-схема комплексного алгоритма, ключевым моментом которого является первоочередность отсеивания нешоковых ритмов сердца, к которым относятся нормальные синусные ритмы сердца, атриовентрикулярная тахикардия, синусовая брадикардия и т.д., путем сравнения значения критического параметра «Частоты попадания сигнала вне информативного интервала» с пороговым значением. Если значение данного параметра превышено, осуществляется расчет остальных трех критических параметров определения фибрилляции. В противном случае анализу подвергается следующий фрагмент ЭКГ сигнала в рамках 4 секундного окна. Реализация всего алгоритма не должна превышать 15 секунд.

2. На основе блок-схемы алгоритма разработана программа интерфейса сопряжения блока анализа ЭКГ сигнала и воздействующей системы (генератор импульса дефибрилляции) в составе устройства дефибрилляции. Особенностью разработанного интерфейса является потоковое поступление входной информации анализа тонкой структуры ЭКГсигнала из файла и диалоговая организация выдачи выходной информации.

Литература:

1. Гурвич Н. Л. Основные принципы дефибрилляции сердца. М.:Медицина, 1977.-180 с.

2. Базаев Н.А., Телышев Д.В. Комплексный алгоритм определения фибрилляции// Медицинская техника, 2009, №2, с. 22-25.

3. Дощицин В. Л. Практическая электрокардиография. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1987. — 336 с.

4. Пелланд П., Паре П., Хайнс К. Переход к Microsoft Visual Studio 2010., Microsoft Press A Division of Microsoft Corporation One Microsoft Way Redmond, Washington 98052-6399, 2011.