V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

По оценкам Всемирной организации здравоохранения в 2004 году от заболеваний сердца умерло 17 миллионов человек (рис.1), что составило 29% всех случаев смерти во всем мире. Ни по какой другой причине ежегодно не умирает столько людей. Более того, согласно прогнозу той же организации к 2030 году от заболеваний сердца умрет еще около 23,6 миллионов человек.

Несмотря на заявления о снижении уровня смертности количество больных остается очень высоким. Так по данным Минздравсоцразвития в 2009 году на 100000 россиян приходится 22477,2 человек с болезнями сердца.

В настоящее время исследования сердечно-сосудистой системы занимают первое место, то есть 85% от общей структуры функциональных исследований.

Рис.1. Диаграмма исследования сердечно-сосудистой системы

Исследования сердца динамично растут и ежегодно увеличиваются на 2,1%.

Как и большинство болезней, заболевания сердечно - сосудистой системы достаточно легко излечимы при своевременном обнаружении. Однако их диагностика на ранней стадии является сложной задачей.

Современное развитие компьютерных технологий дало возможность проводить анализ ЭКГ-сигнала на качественно более высоком уровне, что открыло новые возможности в диагностике кардиологической патологии. Разработка способов выявления групп больных с высоким риском аритмических событий — основные пути снижения частоты внезапной сердечной смерти. Значительную роль в решении этой проблемы отводят методам анализа ЭКГ-сигнала с использованием электронно-вычислительной техники [1].

Одним из основных методов в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний является электрокардиография. Электрокардиография (ЭКГ) – широко распространенный метод оценки состояния миокарда (сердечной мышцы) и биоэлектрической деятельности сердца путем графической регистрации генерируемых им электрических потенциалов.

Метод электрокардиографии (ЭКГ) применяется для получения информации о функциональных возможностях сердца, на основании которых можно судить и об анатомических отклонениях (постинфарктный рубец, гипертрофия миокарда, отсутствие целостности перегородок и др.).

По данным электрокардиографии можно оценить ритм сердца, частоту сердечных сокращений, состояние проводящей системы сердца, кровоснабжение и особенности обменных процессов сердечной мышцы. Также могут быть выявлены признаки острого или перенесенного инфаркта миокарда, острой или хронической ишемии, гипертрофии предсердий или желудочков, различные виды нарушений ритма сердца и проводимости, нарушения электролитного баланса и другие изменения.

Прямым результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы (ЭКГ). Электрокардиограмма – это графическое представление разности потенциалов возникающих в результате работы сердца и проводящихся на поверхность тела. На ЭКГ отражается усреднение всех векторов потенциалов действия, возникающих в определённый момент работы сердца.

Основные исследования при установлении диагноза больному по ЭКГ сводятся к измерению характерных временных интервалов, определению изолинии и измерению амплитуды зубцов ЭКГ.

Традиционно измерения амплитуд зубцов ЭКГ (рис.2) в клинической практике производится по записи сигнала на бумажной ленте (в миллиметрах).

Рис. 2. Основные элементы стандартной электрокардиограммы

Предсердный комплекс состоит из зубца Р и изоэлектрического отрезка, отделяющего его от зубца Q (или R, если зубец Q отсутствует на ЭКГ). Зубец Р отражает возбуждение предсердий, а интервал PQ(R) соответствует времени от начала возбуждения (сокращения) желудочков и характеризует предсердно-желудочковую проводимость. Зубец Р в большинстве стандартных отведений положительный. Положительный зубец Р является показателем синусового ритма. Амплитуда зубца Р в норме не должна превышать 2,5 мм, продолжительность составляет 0,1 с [1].

Интервал PQ(PR) – от начала зубца Р до начала зубца Q (или R) – соответствует времени прохождения возбуждения по предсердиям и атриовентикулярному соединению до миокарда желудочков. Интервал PQ измеряется по продолжительности в зависимости от возраста и массы тела больного. Он зависит также от частоты ритма. В норме интервал PQ составляет 0,12-0,18с. Он имеет тенденцию удлиняться с возрастом и укорачиваться при учащении ритма. В грудных отведениях продолжительность интервала PQ может отличаться от его длительности в отведениях от конечностей на 0,04с или даже больше.

Желудочковый комплексQT состоит из начального комплекса QRS, отрезка ST и зубца Т. Комплекс QRS регистрируется во время возбуждения желудочков. Обычно это наибольшее по амплитуде отклонение ЭКГ. Ширина комплекса QRS в норме составляет 0,06 – 0,08 с. С возрастом ширина комплекса QRS обычно увеличивается. В комплексе QRS анализируют его амплитуду, продолжительность, форму. По его параметрам в нескольких отведениях определяют положение электрической оси сердца. Амплитуда зубцов комплекса QRS значительно варьируется.

Зубец Q – начальный зубец комплекса QRS. В норме ширина зубца Q не должна превышать 0,03 с, а его амплитуда в каждом отведении должна быть меньше ¼ амплитуды следующего за ним зубца R в этом отведении. В норме амплитуда зубца Q должна быть меньше 2 мм.

Зубец R – обычно основной зубец ЭКГ. Амплитуда зубца R в стандартных и усиленных отведениях от конечностей определяется расположением электрической оси сердца.

Зубец S является непостоянным и может отсутствовать на ЭКГ, особенно в отведениях от конечностей.

Сегмент ST – это отрезок ЭКГ между концом QRS и началом зубца Т. Изменения этих параметров обычно связаны с обменными и электролитными процессами, с изменением коронарного кровообращения, сократительной активностью миокарда. Сегмент ST в норме расположен на изолинии, но он может быть несколько приподнятым над изолинией или слегка сниженным. Подъем или снижение сегмента ST определяется по отношению к изолинии, т.е. интервалу, когда отсутствует электрическая активность. Снижение сегмента ST не должно превышать 0,05 мм. В норме сегмент ST может быть расположен даже на 1,5-2,0 мм выше изолинии.

Зубец Т регистрируется во время реполяризации желудочков. Зубец Т в норме обычно положительный. В отведениях от конечностей амплитуда зубца Т обычно не превышает 3,0-6,0 мм, иногда достигает 8,0 мм. Продолжительность зубца Т обычно составляет 0,1 – 0,25 с, но она не имеет большого диагностического значения.

Зубец U небольшой положительный зубец, изредка регистрируемый вслед за зубцом Т. Амплитуда зубца U обычно увеличивается при урежении ритма. Происхождение зубца U до сих пор точно неизвестно, также мало известно и о его клиническом значении. Часто трудно отделить зубец U от зубца Т. Задачи исследования зубца U относятся к ЭКГ высокого разрешения [2,3].

Общая типичная схема алгоритма последовательности расшифровки электрокардиограммы представлена на рисунке 3.

 

Последовательность расшифровки ЭКГ

 

Рис.3 Типичная схема расшифровки ЭКГ

Анализ предсердного зубца Р и сегмента PQ

1. Анализ зубца Р включает:

1) измерение амплитуды зубца Р,

2) измерение длительности зубца Р,

3) определение полярности зубца Р,

4) определение формы зубца Р.

Зубец Р отражает распространение возбуждения по миокарду предсердия, рис. 4.

Рис. 4.

Амплитуда зубца Р измеряется от изолинии до вершины зубца, а его длительность - от начала до окончания зубца, как показано на рис. 5.

Рис.5. Измерение амплитуды и продолжительности зубца Р ЭКГ.

Ар - амплитуда зубца Р, tp - длительность зубца Р.

В норме амплитуда зубца Р не превышает 2,5 мм, а его длительность 0,1с.

Полярность зубца Р в отведениях I, II и III указывает на направление движения волны возбуждения по предсердиям и, следовательно, на локализацию источника возбуждения (водителя ритма).

При нормальном движении волны возбуждения по предсердиям сверху вниз и влево зубцы P_I, P_II, P_III положительные. В случае, когда водитель ритма расположен в нижних отделах предсердий или в верхней части АВ-узла, направление движения волны возбуждения снизу вверх и зубцы Р отрицательные.

В норме форма зубца Р округлая.

2. Сегмент PQ соответствует периоду, когда оба предсердия полностью охвачены возбуждением, рис. 6.

Рис. 6

Располагается от конца зубца P до начала зубца Q.

В норме продолжительность сегмента PQ - 0,02-0,04 с.

Анализ желудочкового комплекса QRST:

1. Анализ комплекса QRS

Комплекс QRS отражает распространение возбуждения по желудочкам, рис. 7, 8.

Рис. 7

Продолжительность- 0,06-0,08 с.

При анализе комплекса QRS, следует:

• Оценить зубец Q: а) измерить его амплитуду и сравнить ее с амплитудой зубца R в этом же отведении; б) измерить продолжительность зубца Q.

В норме амплитуда зубца Q не должна превышать 1/4 амплитуды зубца R в этом отведении. Продолжительность - не более 0,03 с.

• Оценить зубец R: а) измерить амплитуду зубца R, сопоставить ее с амплитудой зубца Q или S в том же отведении и с зубцом R в других отведениях; в) обратить внимание на возможное расщепление зубца R, а также появление второго дополнительного зубца R в том же отведении.

В норме амплитуда R не превышает 20 мм. Продолжительность - 0,03-0,06 с.

• Оценить зубец S: а) измерить амплитуду зубца S, сопоставить ее с амплитудой зубца R в том же отведении; б) обратить внимание на возможное уширение, зазубренность или расщепление зубца S.

Зубец S необязательный отрицательный зубец. В норме амплитуда 3-6 мм, а продолжительность - 0,02-0,04 с.

2. Анализ сегмента ST.

Сегмент ST соответствует периоду, когда оба желудочка полностью охвачены возбуждением, измеряется от конца S до начала Т.

Рис. 8

Анализируя состояние сегмента ST, необходимо:

1) определить отклонение (+/-) от изолинии,

2) измерить величину смещения сегмента ST от изолинии вверх или вниз.

В норме сегмент ST расположен на изолинии, смещение сегмента ST вниз допускается до 0,5 мм, а его подъем в стандартных отведениях не должен превышать 1 мм. Продолжительность - до 0,15 с.

3. Анализ зубца Т.

Зубец Т отражает процессы реполяризации желудочков, рис. 9.

Рис. 9.

При анализе зубца T следует:

1. Определить полярность (направление) зубца Т.

2. Оценить форму зубца Т.

3. Измерить амплитуду и продолжительность зубца Т.

В норме зубец Т имеет, как правило, то же направление что и основной зубец комплекса QRS. В норме Т в стандартных отведениях положительный 2-6 мм или 1/3-1/4 R, но T_III может быть сниженным, изоэлектричным, слабоотрицательным (при отклонении электрической оси сердца влево). В норме зубец T имеет пологое восходящее и несколько более крутое нисходящее колено. Продолжительность Т составляет 0,1-0,25 с.

4. Анализ интервала QT

Интервал QT (электрическая систола желудочков) измеряется от начала комплекса QRS (зубца Q) до окончания зубца Т. Продолжительность интервала зависит от пола, возраста и ЧСС и сравнивается с должной величиной этого показателя, рассчитанной по формуле Базетта: где К - коэффициент, равный 0,37 для мужчин и 0,40 для женщин; R-R - длительность одного сердечного цикла.

(1)

Фактическая продолжительность не должна отличаться от должной более чем на 15%.

На данный момент многие ученые уделяют внимание изучению низкоамплитудных потенциалов ЭКГ.

Обзор доступных источников показал, что для обнаружения низкоамплитудных потенциалов ЭКГ (чаще всего речь идет о поздних потенциалах желудочков и предсердий либо о еще не изученных флуктуациях) используют компьютерную обработку сигнала, то есть, не совершенствуя аппаратную часть всей системы. Важность обнаружения и изучения таких сигналов также подчеркивается авторами [4-10].

Спектральный анализ оценивает изменения амплитудно-частотных характеристик определенного участка кардиосигнала [11]. Наиболее часто для спектрального анализа используют метод быстрого преобразования Фурье (БПФ), с помощью которого сигнал можно разложить на составляющие его колебания различной частоты и амплитуды.

Авторы Щербакова Т.Ф., Седов С.С., Козлов С.В., Култынов Ю.И. Инсаров А.Ю. в своей статье описывают применение спектрального анализа электрокардиосигнала для обнаружения низкоамплитудных потенциалов. Ра­бота посвящена анализу по спектру электрокардио­сигнала поздних потен­циалов желудочков сердца (ППЖ) [12]. При разработке спектрального критерия наличия или отсутствия ППЖ авторы опирались на амплитудно-временной метод Симсона, который был реализован на практике в виде кардиологической компьютерной системы [13].

Спектрально–временное картирование (СВК), или спектральное картирование множественных сегментов, одним из первых применил Haberl [14]. Принцип метода заключается в вычислении спектра движущегося во временной оси “окна” в конечной части QRS и сегменте ST . По результатам расчетов строится трехмерный график частоты, времени и амплитуды.

В последние годы все большее развитие получает ЭКГ высокого разрешения (ЭКГ ВР) — метод исследования, который позволяет с помощью компьютерной обработки ЭКГ-сигнала регистрировать низкоамплитудные высокочастотные сигналы, невидимые на обычной ЭКГ.

Наиболее распространенной к настоя­щему времени методикой для регистрации и исследований потенциалов замедленной де­поляризации желудочков сердца стала методика, предложенная амери­канским ученым М. Симсоном в 1981 г. и принятая в качестве соответ­ствующего стандарта обработки сигнала ЭКГ организацией American Heart Association в 1991 г.

В основе метода ЭКГ ВР лежит усреднение большого количества комплексов QRS (до 200 и более) после высокого усиления сигнала в 10 000 - 100 000 раз, фильтрации его (с использованием двунаправленных фильтров при частоте 40-250 Гц, т.е. от начала QRS – комплекса до максимума R-зубца фильтрация производится в прямом времени, а от конца ST-сегмента до максимума R-в инверсном времени) с последующим компьютерным анализом [15]. При этом случайные помехи и шумы нивелируются, а электрическая активность миокарда остается неизменной [16-18].

Авторы Латфуллин, И. А., Ким, З. Ф., Тептин, Г. М. в своей статье «Поздние потенциалы желудочков» рассматриваются причины появления поздних потенциалов желудочков, методику их регистрации с помощью сигнал-усредненной электрокардиограммы, делая вывод, что ЭКГ ВР может использоваться и самостоятельно, в качестве метода ранней досимптомной, доклинической диагностики поражения миокарда при различных соматических заболеваниях, а также для оценки степени возможного кардиотоксического и проаритмогенного воздействия препаратов.

Очевидным недостатком метода Симсона является невозможность анализа сигнала ЭКГ в реальном масштабе времени.

Метод дисперсионного картирования ЭКГ - это технология контроля низкоамплитудных колебаний ЭКГ-сигнала. Для анализа низкоамплитудных колебаний ЭКГ-сигнала используются принципы электродинамической модели миокарда. Данная модель практически реализована в серийно выпускаемом приборе "КардиоВизор-06с" [19,20].

Общие принципы, реализующие технологию анализа низкоамплитудных потенциалов описывается в литературе применительно к скрининговому прибору "КардиоВизор-06с".

При исследовании подходов к построению модели выявления изменений электрокардиографического сигнала микровольтового уровня с целью ранней диагностики патологий сердечно-сосудистой системы был сделан следующий вывод, что для данной модели ключевым звеном является система регистрации сигнала, которая позволит зарегистрировать электрокардиографический сигнал с высоким разрешением, с минимальным уровнем шума, а также без искажения морфологии зубцов ЭКГ.

Модель должна решать задачу надежного обнаружения как можно более слабых компонент ЭКГ.

Актуальность создания такой модели является очевидной, так как на данном этапе развитие метода электрокардиографии связано с повышением разрешающей способности аппаратуры, используемой для регистрации биоэлектрической активности сердца человека, поскольку обнаружение и оценивание низкоамплитудных составляющих ЭКС обеспечивает возможность выявления заболеваний сердца на ранних стадиях развития, а отслеживание динамических изменений их параметров позволяет производить объективный и оперативный контроль течения заболевания и эффективности предпринимаемых терапевтических мероприятий [21].

Итак, условно модель можно поделить на две основные составляющие: аппаратная и программная (рис.10).

Рис. 10. Обобщенная модель

Стоить отметить, что большинство коллективов, занимающихся исследованием низкоамплитудных составляющих, уделяют внимание лишь программной обработке электрокардиографических сигналов. Несомненно, что данные методы имеют свои преимущества, но не решают задачи регистрации истинной биоэлектрической активности сердца человека. Оценка параметров (амплитуды, формы) заведомо искаженного сигнала, может привести к ошибочному диагнозу. Данный факт подтверждается исследованиями разных коллективов ученых, например, в отношении влияния различных видов фильтров на сигнал ЭКГ. В этом случае, авторы подчеркивают, что ошибочный диагноз может быть поставлен по уже давно изученным зубцам и комплексам электрокардиограммы (P, Q, R, S, T, U, а также интервалы P-Q, S-T, комплекс QRS и др.). Когда речь идет о низкоамплитудных составляющих ЭКГ – сигнала, необходим более тонкий подход, учитывающий весь процесс, начиная от съема биоэлектрического сигнала (т.е. аппаратной реализации) до его конечной обработки при помощи программных средств.

Литература

1. Шкарин В.В. Прогресс и проблемы современного этапа компьютерного анализа электрокардиограмм// «КАРДИОЛОГИЯ». Режим доступа: [http://www.diamant.spb.ru 16.12.2012]

2. Официальный сайт института кардиологической техники (ИНКАРТ).Режим доступа: [www.incart.ru 18.12.2012].

3. Куриков С.Ф., Прилуцкий Д.А., Селищев С.В. Применение сигма-дельта аналого-цифрового преобразования в многоканальных электрокардиографах. Информационный ресурс по электрокардиографии. Режим доступа: [http://www.ecg.ru 18.12.2012]

4. Орлов Ю.Н. Методы и технические средства для электрокардиографии: Учеб. Пособие.– М: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. –16 с.

5. Зайченко К.В., Жаринов О., Кулин А.Н., Кулыгин Л.А., Орлов А.П. Съем и обработка биоэлектрических сигналов: Учебное пособие/Под ред. Зайченко К.В. - СПбГУАП. -СПб.-2001.- 140 с.

6. Пеккер Я.С., Бразовский К.С. Компьютерные технологии в медико – Биологических исследованиях. Сигналы биологического происхождения и медицинские изображения / Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2002.–240с.

7. Акашева Д.У., Шевченко И.М., Сметнев А.С. с соавт. Использование отечественной установки для регистрации поздних потенциалов желудочков // Кардиология. - 1991. - N 12. - С. 71-74.

8. Исаков Р.В., Сушкова Л.Т., Лукьянова Ю.А. Обработка электрокардиосигналов с использованием нейронных сетей. Информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии. Режим доступа: [http://ilab.xmedtest.net/?q=node/40 18.10.2012].

9. Куламбаев Б.Б. и др. Электрокардиография высокого разрешения: некоторые методические подходы при анализе поздних потенциалов желудочков сердца. Кардиология, 1994, №5-6.

10. Рябыкина Г.В. Технические подходы к регистрации ЭКГ. // Кардиология. -2005. – Т.45, №2.-С.81-85.

11. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток: пер.с англ.-М.: Радио и связь, 1985.- 284 с.

12. Щербакова Т.Ф., Седов С.С., Козлов С.В., Култынов Ю.И. Инсаров А.Ю. Спектральный анализ электрокардиосигнала для обнаружения низкоамплитудных потенциалов // Фундаментальные исследования. – 2004. – № 2 – стр. 108-11. Режим доступа: [ www.rae.ru /fs/?section=content&op=show_article&article_id= 7779320 19.12.2012].

13. Седов С.С. Система анализа низкоамплитуд­ных потенциалов сердца на основе статистического алгоритма поиска характерных точек электрокардио­сигнала. Автореферат диссертации на соискание уче­ной степени кандидата технических наук, Казань, 1998.

14. Haberl R.,Jilge G.,Pulter R.,Steinbeck G. Spectral mappingof the electrocardiogram with Fourier transform foridentification of patients with sustained ventricular tachycardia and coronary artery disease //Europ. HeartJ - 1989 - Vol.10 - P.316-322.

15. Определение поздних желудочковых потенциалов на усредненных поверхностных ЭКГ Режим доступа: [http://www.cardioportal.ru/aritmii/329.html 19.12.2012].

16. Бодин О.Н. Системы неинвазивного контроля состояния сердца: дис. … докт. техн. наук – Пенза, 2008.

1. Измерения при анализе ЭКГ. Режим доступа: [http://www.krelib.com/files/Biology/Bioelektr_2_Zaitsh.pdf 19.12.2012].

1. Сигнал-усредненная электрокардиография. Режим доступа: [http://studentdoctorprofessor.com.ua/ru 19.12.2012].

1. Грачев С.В., Иванов Г.Г., Сыркин А.Л. Мир биологии и медицины. Новые методы электрокардиографии.Москва. – Издательство «Техносфера».-2007. –С.425.

2. Рябыкина Г.В. Метод дисперсионного картирования. Режим доступа: [http://www.consilium-medicum.com/article/7244 19.12.2012].

3. Жаринов О.О. Методика обнаружения и оценивания низкоамплитудных составляющих электрокардиосигнала/ Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. – С.-Пб.-2003г.

Код для цитирования: Скопировать