У статті розглянуто кореляційний метод обробки електрокардіосігнала (ЕКС) для визначення аритмій за першим стандартному відведення, необхідний для побудови пристрою портативного аналізатора аритмій. Обробка полягає в пошуку і аналізі форми зубців електрокардіосігнала з використанням математичної моделі електричної активності серця. Крім того, розроблений метод дозволяє обчислити тривалості QRS-комплексу виходячи з певної на реальному сигналі тривалості R-зубця, з використанням рівнянь лінійної регресії.

Анотація наукової статті з комп'ютерних та інформаційних наук, автор наукової роботи - Горохів С.Н., Галимзянов Е.Р.


CORRELATION METHOD OF ELECTROCARDIOSIGNAL PROCESSING FOR BUILDING A ARRHYTHMIA ANALYZER

The article proposes a correlation method of electrocardiosignal (ECS) processing for diagnosing arrhythmias by the first standard lead required for building a portable arrhythmia analyzer. The device searches and analyzes the shape of electrocardiosignal peaks using the mathematical model of the cardiac electrical activity. In addition, this method allows calculating the length of the QRS-complex based on the R-peak length determined based on the actual signal by using linear regression equations.


Область наук:
  • Комп'ютер та інформатика
  • Рік видавництва діє до: 2016
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал

    Наукова стаття на тему 'кореляційний метод ОБРОБКИ ЕЛЕКТРОКАРДІОСІГНАЛА ДЛЯ ПОБУДОВИ ПРИСТРОЇВ АНАЛІЗУ АРИТМІЙ'

    Текст наукової роботи на тему «кореляційний метод ОБРОБКИ ЕЛЕКТРОКАРДІОСІГНАЛА ДЛЯ ПОБУДОВИ ПРИСТРОЇВ АНАЛІЗУ АРИТМІЙ»

    ?DOI: 10.18454 / IRJ.2016.50.208 Горохів С.Н.1, Галимзянов Е.Р.2

    1ORCID: 0000-0001-6152-9483, кандидат технічних наук, доцент, 2старшій викладач, Казанський національний дослідницький технічний університет ім. А.Н. Туполєва-КАИ кореляційний метод ОБРОБКИ ЕЛЕКТРОКАРДІОСІГНАЛА ДЛЯ ПОБУДОВИ

    ПРИСТРОЇ АНАЛІЗУ АРИТМІЙ

    анотація

    У статті розглянуто кореляційний метод обробки електрокардіосігнала (ЕКС) для визначення аритмій за першим стандартному відведення, необхідний для побудови пристрою - портативного аналізатора аритмій. Обробка полягає в пошуку і аналізі форми зубців електрокардіосігнала з використанням математичної моделі електричної активності серця. Крім того, розроблений метод дозволяє обчислити тривалості QRS-комплексу виходячи з певної на реальному сигналі тривалості R-зубця, з використанням рівнянь лінійної регресії.

    Ключові слова: електрокардіосигнал, математична модель ЕКС, кореляційний аналіз, пристрій аналізу аритмій.

    Gorohov S.N.1, Galimzyanov E.R.2 10RCID: 0000-0001-6152-9483, PhD in Engineering, assosiate professor, 2Senior Lecturer, Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev - KAI CORRELATION METHOD OF ELECTROCARDIOSIGNAL PROCESSING FOR BUILDING

    A ARRHYTHMIA ANALYZER

    Abstract

    The article proposes a correlation method of electrocardiosignal (ECS) processing for diagnosing arrhythmias by the first standard lead required for building a portable arrhythmia analyzer. The device searches and analyzes the shape of electrocardiosignal peaks using the mathematical model of the cardiac electrical activity. In addition, this method allows calculating the length of the QRS-complex based on the R-peak length determined based on the actual signal by using linear regression equations.

    Keywords: electrocardiosignal, mathematical cardiosignal model, correlation analysis, arrhythmia analysis device.

    У багатьох країнах, у тому числи і в Росії, велика кількість людей страждає від серцево-судинних захворювань, в зв'язку з чим, актуальною стає розробка ефективних методів діагностики стану серця, особливо методів аналізу аритмій серця, так як аритмії не тільки є маркерами більш серйозних серцевих захворювань, але і самі можуть носити жізнеугрожающіх характер.

    Розвиток радіотехнічних систем дозволяє створювати недорогі сучасні медико-діагностичні прилади, що дозволяють в автоматичному режимі, з високим ступенем достовірності розпізнавати аритмії серця, а використання блоків бездротової передачі даних дозволить проектувати мережі віддаленого спостереження за пацієнтами.

    У застосовуваних в даний час анализаторах аритмій для визначення інформаційних параметрів використовується 11-е стандартне відведення. Це пов'язано з тим, що проекція вектора ЕРС серця на дане відведення має велику амплітуду і менші індивідуальні особливості. Однак в портативних приладах використання 11-го стандартного відведення (ліва нога - права рука) ускладнює оперативний з'їм сигналу в порівнянні з 1-м стандартним відведенням (ліва рука - права рука), яке є ортогональним з 11-м. Тому використовувати стандартні методи і алгоритми аналізу ЕКС для задачі визначення аритмій по 1-му стандартному відведення не представляється можливим.

    Для виділення більш слабких сигналів складної форми в радіотехнічних системах широко застосовуються кореляційні методи і алгоритми [2]. В даний час вони вже багаторазово використовуються і стосовно ЕКС. Основною складністю для застосування кореляційних методів в електрокардіографії є ​​визначення образів еталонних сигналів.

    Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є застосування моделей елементів ЕКС, з подальшою оцінкою їх параметрів і прийняття рішення по обчисленим параметрам моделі. Серед великої кількості математичних моделей сигналу електричної активності серця необхідно вибрати модель, що володіє необхідною адекватністю опису ЕКС і в той же час достатній простотою реалізації. Наприклад, існують моделі ЕКС для застосування, яких необхідне знання фізіологічних параметрів тіла людини, які найчастіше невідомі. Тому була обрана модель електрокардіосігнала, позбавлена ​​даного недоліку, але в той же час адекватно описує сигнали електричної активності серця [1, 3].

    Застосування зазначеного підходу вимагає визначення початкових параметрів моделі, які можуть бути отримані шляхом аналізу сигналів відкритих кардіографічних бібліотек з уже відомими діагностичними висновками [5].

    Таким чином, передбачається в якості основного методу аналізу ЕКС для завдання аналізу аритмій використовувати кореляційний метод виявлення елементів ЕКС і визначення їх параметрів.

    В якості моделі елемента ЕКС використовується Експоненціальна модель кардіосигналу [1, 4]:

    f (t) = A • e

    -(T-M) 2

    C>2, t >M (1)

    де А - амплітуда зубця, / - тимчасове положення зубця, 7 ^, 72 - коефіцієнти масштабу лівого і

    правого «плечей» зубця відповідно.

    Для первісної оцінки тимчасового положення кардиоцикла / можна застосувати існуючі методи пошуку рЯЕ-комплексу, наприклад на основі аналізу амплітудних значень і оцінок збільшень ЕКС. У зазначеному методі проводиться пошук вершини Я зубця, як найпотужнішого і має максимальну крутизну.

    У дискретному часі оцінку / і початкових значень (і 72 отримують, використовуючи початкові значення л 0 Л 0 Л 0

    /, 7, 72. Вважаючи шум вимірювання гаусовим, показник критерію максимального правдоподібності можна визначити, використовуючи опис елемента ЕКС моделлю (1), як:

    / I

    1 {/) = 2-й + 2 - ± [і, про-

    -0 .2

    -о. - е

    / + Г

    - 2) -1 [

    -270-г2, -270 --2

    ,0 + 2 -х і, 0 |-е "71-г + і ^ .. - е 72") -У, \ е ( '+ е 7 г) (2)

    ')

    1 = 1 1 = 1

    де N - інтервал аналізу.

    Спочатку послідовним методом покоордінатного спуску визначаються параметри Я зубця, спочатку

    / Л, а потім (і 72:

    / = Аг§шах

    Л

    / (

    2 - і, 0 + 2 -I [і / 0 "- е" 7 ' "+ і

    ,0

    | е

    з

    7 '= аг§шах

    N

    1 = 1 г

    2-I

    г = 1

    V V

    З N

    / -р

    2 Л Г 2 ЛЛ

    N

    ")

    і 0 - е "7 / -р

    0

    I

    72 = аг§шах

    г = 1

    2-I [і / 0 + пана е-7 »г2) -1 е-270 ')

    г = 1 г = 1

    70

    е 1

    V у у л

    (3)

    (4)

    (5)

    а амплітуда А визначається як:

    і / +

    А =

    УI

    I Л-г

    г = 1

    + і

    Л-0 -2? -72

    / Л + г

    *)

    I [е

    1 + 1 \ е

    = 1

    0 2 0 2 -271-г + е ~ 271 '

    2)

    (6)

    / V / V / V. / V "/ V" / V "

    Отримані параметри / Л, 71, 72, А приймаються за параметри Я зубця / Л, 7 ", 7", А .

    Далі проводиться пошук Р зубця. Для цього відповідно до методики викладеної в [1] вихідні відліки кардиоцикла

    ЕКС до / I пропускаються через цифровий ФНЧ з частотою зрізу 30 Гц і проводиться пошук екстремумів отриманої послідовності в зворотному напрямку.

    В якості стартової оцінки для пошуку Р зубця береться тимчасове положення 2-го від Я зубця екстремуму. Якщо кількість екстремумів менше 2 приймається рішення про відсутність Р зубця.

    При наявності 2-го екстремуму, проводиться оцінка його параметрів за аналогією з Я зубцем за допомогою

    Л Р ~ Р ~ Р ЛР ЛР

    виразів (2-6) і формується вектор параметрів Р зубця / I, 7, 72, А. Якщо А лежить в межах норми,

    приймається рішення про нормальному типі Р зубця, в іншому випадку приймається рішення про спотвореному типі Р зубця.

    Інтервал Р-Я визначається як = Т - [/ "- /), де Т - період дискретизації ЕКС. Я-Я інтервал

    "-1

    т-[р "- / - 1).

    визначається як Т -

    Отримані дані збираються в масив по всьому кардиоцикла за період спостереження. Для перевірки працездатності та ефективності розробленої методики було розроблено алгоритм математичного моделювання.

    В якості вихідних даних для алгоритму беруться записи ЕКС по 12 стандартним відведенням з бази [5], для яких уже лікарями зроблені висновки про тип аритмій. З цих записів вибираються тільки реалізації з 1-го стандартного відведення. Для кожної з них реалізацій проводиться аналіз відповідно до запропонованої методики і приймається постанова про наявність і тип аритмій. Після винесення висновку воно порівнюється із заздалегідь відомим. За результатами порівняння визначається число правильних і помилкових висновків.

    Для автоматичного аналізу ритму серця (зокрема, для розпізнавання шлуночкових екстрасистол) необхідна інформація не тільки про длительностях послідовних ЯЯ-інтервалів, а й про характер форми РЯ8-

    1

    2

    02

    71 - г

    е

    комплексів. Найбільш важливо при цьому визначити, чи є черговий комплекс нормальним або ж спотвореним, патологічним.

    Одним з важливих параметрів при визначенні шлуночкових аритмій є тривалість QRS-комплексу, що включає тривалості трьох зубців Q, R і S. Для визначення цього параметра лікарями використовується другий кардіографічних відведення.

    У розробляється приладі аналіз кардіосигналу проводиться за першим стандартному відведення, виділення Q і S зубців для якого є скрутним. У той же час визначення тривалості R-зубця не викликає ускладнень. Тому, нами був запропонований метод розрахунку тривалості QRS-комплексу на основі вимірювання тривалості R-зубця. З цією метою була висунута гіпотеза про лінійну залежність даних параметрів. Тривалість R-зубця визначається на рівні 0,1. Для цього пропонується за допомогою рівняння парної регресії розрахувати тривалість QRS-комплексу на основі тривалості R-зубця. В якості вихідних даних були взяті 99 реальних QRS-комплексів з відкритої бази ЕКС St.-Petersburg Institute of Cardiological Technics 12-lead Arrhythmia Database [5] .

    Для визначення параметрів рівняння регресії застосовується метод найменших квадратів, так як він дає найкращі (заможні, ефективні і незсунені) оцінки параметрів рівняння регресії.

    В результаті обчислень оцінок параметрів, рівняння регресії є такий вигляд:

    TQRS = 1,86 1 8- TR + 8 1 .4945, (7)

    де Tqrs - тривалість QRS-комплеса, TR - тривалість R-зубця

    При цьому аналіз якості рівняння регресії підтвердив адекватність рівняння емпіричним даним.

    Таким чином, запропонований метод обробки електрокардіосигналів, що полягає у виявленні та аналізі характерних зубців ЕКС, на основі математичної моделі, дозволяє проводити пошук і визначати форму P-зубця і QRS-комплексу, а також розраховувати тривалість QRS-комплексу.

    література

    1. Абрамов М.В. Апроксимації експонентами тимчасового кардіологічного ряду на основі ЕКГ // Вісник кібернетики. - Тюмень: Вид-во ІПОС СО РАН - №9 (2010) - С.85-91.

    2. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Виділення сигналів на тлі випадкових перешкод. Госенергоіздат, 1960 г. - 448 с.

    3. Галимзянов Е.Р. Оптимізація методу виділення низькоамплітудних потенціалів з використанням моделі електричної активності серця // Біомедична радіоелектроніка. 2012. № 11. С. 49-54.

    4. Застосування експоненційної моделі електричної активності серця для аналізу електрокардіосигналів. / Е.Р. Галимзянов, С.В. Козлов // Проблеми техніки і технологій телекомунікацій ПТіТТ 2014: матеріали XV Міжнародної науково-технічної конференції. - Казань. - 2014. - Т.1. - С.68-70.

    5. PhysioNet [Electronic resource] / St.-Petersburg Institute of Cardiological Technics 12-lead Arrhythmia Database. -URL: http://www.physionet.org/physiobank/database/incartdb/

    References

    1. Abramov M.V. Approximations using exponents of time cardiological series basing on ecg // Cybernetics Bulletin. -Tyumen: Izd-vo IPOS SO RAN - №9 (2010) - p.85-91.

    2. Vaynshteyn L.A., Zubakov V.D. Vydelenie signalov na fone sluchaynyh pomeh. Gosenergoizdat, 1960 - 448 p.

    3. Galimzyanov E.R. Optimization of the method for allocation of low-amplitude potentials using heart electrical activities models // Biomedical electronics. 2012. №11. P. 49-54.

    4. The use of the exponential model of the electrical activity of the heart for electrocardiosignals analysis./ Galimzyanov E.R., Kozlov S.V. // Problemy tehniki i tehnologiy telekommunikaciy PTiTT 2014: materialy XV Mejdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. - Kazan. - 2014. - T.1. - P.68-70.

    5. PhysioNet [Electronic resource] / St.-Petersburg Institute of Cardiological Technics 12-lead Arrhythmia Database. -URL: http://www.physionet.org/physiobank/database/incartdb/


    Ключові слова: електрокардіосігнала / ELECTROCARDIOSIGNAL / МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ЕКС / MATHEMATICAL CARDIOSIGNAL MODEL / кореляційний аналіз / CORRELATION ANALYSIS / ПРИСТРІЙ АНАЛІЗУ АРИТМІЙ / ARRHYTHMIA ANALYSIS DEVICE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити