Analiza nieprawidłowości w sygnale EKG - PL-Grid

Analiza nieprawidłowości w sygnale EKG - PL-Grid

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Praca magisterska
Mariola Czuchry
kierunek studiów: fizyka medyczna
specjalność: techniki obrazowania i biometria
Analiza nieprawidłowości w sygnale
EKG
Opiekun:
prof. dr hab. inż. Khalid Saeed
Kraków, wrzesień 2014
Oświadczam, świadomy(-a) odpowiedzialności karnej za poświadczenie nieprawdy, że
niniejsza˛ prace˛ dyplomowa˛ wykonałem(-am) osobiście i samodzielnie i nie korzystałem(am) ze źródeł innych niż wymienione w pracy.
.................................................................
(czytelny podpis)
Pragn¦
serdecznie
podzi¦kowa¢
wszystkim osobom, które wspieraªy
mnie podczas pisania niniejszej pracy,
a w szczególno±ci Panu Prof. dr hab.
in». Khalidowi Saeedowi oraz m¦»owi
Maciejowi.
Prac¦ t¦ dedykuj¦ mojemu synowi Michaªowi.
2
Kraków, wrzesie« 2014
Tematyka pracy magisterskiej i praktyki dyplomowej Marioli Czuchry, studenta
II roku studiów II stopnia kierunku zyka medyczna, specjalno±ci techniki
obrazowania i biometria
Temat pracy magisterskiej: Analiza nieprawidªowo±ci w sygnale EKG
Opiekun pracy:
Recenzent pracy:
Miejsce praktyki dyplomowej:
prof. dr hab. in». Khalid Saeed
dr in». Joanna ‘wiebocka-Wi¦k
WFiIS AGH, Kraków
Program pracy magisterskiej i praktyki dyplomowej
1. Omówienie realizacji pracy magisterskiej z opiekunem.
2. Zebranie i opracowanie literatury dotycz¡cej tematu pracy.
3. Praktyka dyplomowa:
• zapoznanie si¦ z ide¡ automatycznej analizy sygnaªu EKG,
• przygotowanie wersji beta GUI,
• zaplanowanie kolejnych kroków,
• sporz¡dzenie sprawozdania z praktyki.
4. Kontynuacja tworzenia programu zwi¡zanego z tematem pracy magisterskiej.
5. Wykonanie analizy wybranych sygnaªów EKG.
6. Zebranie i opracowanie wyników oblicze«.
7. Analiza wyników, ich omówienie i zatwierdzenie przez opiekuna.
8. Opracowanie redakcyjne pracy.
Termin oddania w dziekanacie: wrzesie« 2014
..............................................................
(podpis kierownika katedry)
..............................................................
(podpis opiekuna)
3
4
5
Spis tre±ci
1 Wst¦p
8
2 Podstawy elektrozjologii komórki
9
2.1
Przewodzenie bod¹ców . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2
Depolaryzacja bªony komórkowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3 Anatomia mi¦±nia sercowego
12
3.1
Anatomia ukªadu bod¹cotwórczo - bod¹coprzewodz¡cego . . . . . . . . . . . . .
13
3.2
Cykl pracy serca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4 Elektrokardiograa
16
4.1
Parametry diagnostyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.2
Warunki przeprowadzania badania EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.3
Rodzaje odprowadze« w badaniu EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
5 Automatyczna analiza sygnaªu EKG wybrane metody
27
5.1
Okre±lenie jako±ci sygnaªu i ltracja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
5.2
O± elektryczna serca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.3
Analiza zaªamków i odcinków oraz ich nieprawidªowy obraz . . . . . . . . . . . .
31
5.4
Cz¦sto±¢ akcji serca, miarowo±¢ rytmu oraz wzorzec uderzenia . . . . . . . . . .
38
5.5
Klasykacja uderze« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.6
Detekcja arytmii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
6 Automatyczna analiza nieprawidªowo±ci wyst¦puj¡cych w sygnale EKG metoda autora
40
6.1
Jako±¢ sygnaªu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.2
Filtracja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.3
O± elektryczna serca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.4
Zaªamek P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
6.5
Odcinek PQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.6
Zespóª QRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
6.7
Odcinek ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
6.8
Zaªamek T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
6.9
Odst¦p QT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
6.10 Cz¦sto±¢ akcji serca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.11 Rytm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.12 Klasykacja uderze« . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.13 Detekcja arytmii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6
7 Testowanie programu
47
7.1
Baza sygnaªów elektrokardiogracznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
7.2
Test poprawno±ci wyszukiwania zaªamka R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
8 Opis programu komputerowego
8.1
48
Przykªad zastosowania programu do analizy sygnaªu . . . . . . . . . . . . . . . .
9 Podsumowanie
48
62
7
1
Wst¦p
Post¦p technologiczny w medycynie wymaga poszukiwania nowych rozwi¡za« w terapii i diagnostyce. Jednym z podstawowych bada« wykonywanym przez lekarzy jest badanie elektrokardiograczne (EKG), poniewa» jest nieinwazyjnym, tanim, powtarzalnym i ªatwo dost¦pnym
narz¦dziem.
Pojawienie si¦ komputerów umo»liwiªo wykorzystanie elektrokardiografów do dalszego poznawania charakterystyki pracy mi¦±nia sercowego. Analiza komputerowa zapisu biopotencjaªów serca pozwala na szybsze i lepsze rozpoznawanie zjawisk zachodz¡cych w trakcie aktywno±ci serca. Metoda opiera si¦ na identykacji pojawiaj¡cych si¦ pr¡dów o niewielkim nat¦»eniu.
Rozpoznanie to ma na celu m.in. wykrycie nieprawidªowo±ci pracy mi¦±nia sercowego b¦d¡cych
przyczyn¡ wielu schorze«. Wczesna diagnostyka pozwala na przyspieszenie procedury wdro»enia
terapii oraz leczenia, a w rezultacie pozwala na przywrócenie pacjenta do zdrowia.
Niezb¦dnymi narz¦dziami pracy staj¡ si¦ programy potra¡ce przetwarza¢ podany sygnaª
EKG i w mo»liwie krótkim czasie dokona¢ jego peªnej analizy. Aplikacje potra¡ równie» porównywa¢ wzorce sygnaªów z zadanej bazy i mog¡ stanowi¢ pomoc dla lekarzy kardiologów.
Nie mog¡ one zast¡pi¢ pracowników sªu»by zdrowia, jednak mog¡ upro±ci¢ ich prac¦ poprzez
pokazywanie w przyst¦pnej formie wyników przeprowadzonych analiz.
Programy takie mog¡ by¢ równie» przydatne dla samych pacjentów. Osoba posiadaj¡ca
urz¡dzenie sªu»¡ce odczytywaniu i przetwarzaniu sygnaªu EKG mogªaby by¢ przez to urz¡dzenie informowana o aktualnym kondycji swojego mi¦±nia sercowego. Dzi¦ki temu, po wykryciu
pierwszych objawów nieprawidªowo±ci i powiadomieniu przez aplikacj¦ o tym fakcie pacjenta,
ten mógªby natychmiast podj¡¢ odpowiednie kroki, np. za»y¢ farmaceutyk. Z danych statystycznych wynika, »e choroby ukªadu kr¡»enia s¡ przyczynami zgonów w±ród m¦»czyzn w 51,8%
przypadków, a w±ród kobiet w 40,8% [1]. Z tego powodu konieczne jest opracowywanie aktywno±ci i programów zmniejszaj¡cych ryzyko zgonu w wyniku dolegliwo±ci ze strony ukªadu
kr¡»enia. Ich nieustanne ulepszanie, szczególnie przy tak du»ym odsetku osób cierpi¡cych na
schorzenia ukªadu kr¡»enia, powinno by¢ dziaªaniem priorytetowym.
8
2
Podstawy elektrozjologii komórki
Najmniejsz¡ autonomiczn¡ struktur¡ »yw¡ buduj¡c¡ organizm ludzki jest komórka otoczona
bªon¡ komórkowa. Bªona ta jest póªprzepuszczalna i ma grubo±¢ ok. 100 Ȧ. Zapewnia tak»e
oddzielenie komórki od innych struktur, ochron¦ przed czynnikami mechanicznymi i chemicznymi, kontakt ze ±rodowiskiem zewn¦trznym, odbiór i generacj¦ bod¹ców, regulacj¦ dwustronnego
transportu substancji oraz zachowanie ksztaªtu samej komórki [2, 3]. Jej rol¡ jest równie» zachowanie w swoim wn¦trzu takich warunków, które umo»liwi¡ zachodzenie wszystkich procesów
»yciowych [4].
Transport substancji przez bªon¦ zapewnia usuwanie szkodliwych zwi¡zków przemiany materii, a tak»e gromadzenie niezb¦dnych elementów, w wi¦kszo±ci postaci jonów. Gradient koncentracji no±ników ªadunku (ró»nica potencjaªów pomi¦dzy ±rodowiskiem zewn¦trznym a wewn¦trznym komórki) w stanie spoczynkowym wynosi -90 mV, przy ujemnym biegunie znajduj¡cym si¦ we wn¦trzu komórki. Usuwanie lub napªyw jonów mo»e przebiega¢ czynnie przy udziale
pompy sodowo-potasowej (N a+ -K + ) lub biernie bez udziaªu innych elementów. Aktywny mechanizm transportu prowadzony jest wbrew gradientowi st¦»e« i kosztem energii pochodz¡cej
z rozkªadu cz¡steczek kwasu adenozynotrójfosforanowego (ATP) [2, 5, 6].
2.1 Przewodzenie bod¹ców
Bezpo±redni wpªyw na zjawiska zachodz¡ce na powierzchni bªony komórkowej maj¡ zmiany
stanu elektrycznego, chemicznego, termicznego lub mechanicznego, zwane bod¹cami. Bodziec
elektryczny powoduj¡cy miejscowe, niedu»e zmiany napi¦cia bªonowego, to bodziec podprogowy.
Nie przekracza on warto±ci 65 mV, a zachodz¡ce zmiany s¡ wyrównywane dziaªaniem pompy
N a+ -K + . Drugim rodzajem impulsów wyró»nianym ze wzgl¦du na rodzaj oddziaªywania jest
bodziec ponadprogowy, stanowi¡cy ¹ródªo lawinowej depolaryzacji bªony komórkowej [5, 7].
Podstaw¡ przekazywania bod¹ców elektrycznych jest przewodzenie depolaryzacja jednej
komórki powoduje depolaryzacj¦ kolejnych s¡siaduj¡cych z ni¡ komórek, pod warunkiem, »e
zostanie przekroczony potencjaª progowy. Przewodzenie spontaniczne (jest mo»liwe np. dla komórek mi¦±nia sercowego) wi¡»e si¦ z frontem pobudzenia, dziel¡cym komórki spolaryzowane
(takie, do których nie dotarª jeszcze bodziec) od zdepolaryzowanych [5]. Na szczycie potencjaªu czynno±ciowego zachodzi tzw. zjawisko odwrócenia potencjaªu. Polega ono na zmianie
znaku warto±ci potencjaªu we wn¦trzu komórki [5, 6]. W danej obj¦to±ci, w której znajduje si¦
sko«czona liczba komórek, front pobudzenia skurczy si¦ po przekazaniu impulsu ostatniej nie
zdepolaryzowanej jeszcze komórce [5]. W efekcie zanika pole elektryczne i rozpoczyna si¦ krótki
okres refrakcji bezwzgl¦dnej, w czasie której ponowne pobudzenie jest niemo»liwe [5, 6].
9
2.2 Depolaryzacja bªony komórkowej
Proces depolaryzacji bªony komórkowej podzielony jest na kilka etapów [4, 5]:
• Faza 0
Pocz¡tek depolaryzacji; wzrost napi¦cia bªonowego od -90 mV do -65 mV powoduje gwaªtowny napªyw jonów sodu (N a+ ) i wzrost napi¦cia do 30 mV;
• Faza 1
Wst¦pna szybka repolaryzacja; napªyw jonów chloru (Cl− ) i jednoczesny wypªyw jonów
potasu (K + );
• Faza 2
Powolna repolaryzacja; jony K + nadal wypªywaj¡ z komórki, ale s¡ do niej dostarczane
jony N a+ i wapnia (Ca++ );
• Faza 3
Pocz¡tek fazy szybkiej repolaryzacji; pr¡d zwi¡zany z wypªywaniem jonów K + przewa»a
nad pr¡dem napªywu jonów N a+ i Ca++ , spadek napi¦cia do ok. -65 mV;
• Faza 4
Przekroczenie warto±ci progowej, wª¡czenie aktywnego mechanizmu transportu. Osi¡gni¦cie i utrzymanie danego potencjaªu.
Pogl¡dowe schematy, ilustruj¡ce wy»ej opisane procesy zachodz¡ce w poszczególnych fazach,
zostaªy przedstawione poni»ej (Rysunek 1, Rysunek 2).
Rysunek 1: Zmiany jonowe w poszczególnych fazach potencjaªu czynno±ciowego wg [5].
10
Rysunek 2: Potencjaªy czynno±ciowe odbierane z wn¦trza komórki mi¦±nia komorowego wg [8].
11
3
Anatomia mi¦±nia sercowego
Serce dorosªego czªowieka wa»y 250-350 g i ma wielko±¢ zaci±ni¦tej pi¦±ci. Poªo»one jest w ±ródpiersiu w jamie klatki piersiowej za mostkiem po lewej stronie, zwrócone koniuszkiem w lewo
(koniuszek serca le»y za pi¡t¡ przestrzeni¡ mi¦dzy»ebrow¡), a podstaw¡ w prawo [9, 10].
Serce dzieli si¦ na lew¡ i praw¡ cz¦±¢, a pomi¦dzy nimi znajduje si¦ przegroda mi¦dzykomorowa. W obydwu cz¦±ciach znajduj¡ si¦ jeden przedsionek oraz jedna komora. Cienko±cienne
przedsionki zbieraj¡ krew »yln¡ i poprzez zastawki wypychaj¡ krew do grubo±ciennych komór.
Zastawki zbudowane s¡ z mocnej tkanki wªóknistej i zapobiegaj¡ cofaniu si¦ krwi w fazie rozkurczu (nast¦puj¡cym po skurczu) [9].
Ograniczone jest z czterech stron [9]:
• z prawej przez prawy przedsionek,
• z lewej gªównie lew¡ komor¡,
• od góry granica jest tworzona przez przedsionki wraz z du»ymi naczyniami,
• od doªu ogranicza j¡ przede wszystkim prawa komora.
Wyró»niamy cztery powierzchnie serca [9]:
• mostkowo-»ebrow¡ poªo»on¡ za mostkiem, tworzon¡ gªównie przez praw¡ komor¦,
• pªucn¡ le»¡c¡ w zagª¦bieniu lewego pªuca, zªo»on¡ w przewa»aj¡cej cz¦±ci z lewej komory,
• przeponow¡ znajduj¡c¡ si¦ w dolnej cz¦±ci mi¦±nia sercowego, skªadaj¡cej si¦ z obu
komór,
• podstaw¦ u góry, skierowan¡ ku tyªowi, budowan¡ przez lewy przedsionek.
Rol¦ ochronn¡ mi¦±nia sercowego stanowi klatka piersiowa (zbudowana z tkanki chrz¦stnej i kostnej) oraz bezpo±rednio osªania go worek osierdziowy. Osierdzie skªada si¦ z dwóch
zasadniczych cz¦±ci [6, 9]:
• z osierdzia surowiczego charakteryzuj¡cego si¦ o dwuwarstwow¡ budow¡: blaszka trzewna i blaszka ±cienna pªynnie na siebie zachodz¡; wolna w¡ska przestrze« mi¦dzy skªadowymi wypeªniona jest pªynem zmniejszaj¡cym tarcie komór w trakcie ich skurczu,
• z osierdzia wªóknistego zewn¦trznej nieelastycznej warstwy zªo»onej z tkanki ª¡cznej,
ma gwarantowa¢ nie tylko ochron¦ w trakcie urazu, ale równie» zapewni¢ poª¡czenie
mi¦dzy s¡siaduj¡cymi strukturami, np. naczyniami krwiono±nymi oraz ma zapobiega¢
przepeªnianiu si¦ serca.
12
3.1 Anatomia ukªadu bod¹cotwórczo - bod¹coprzewodz¡cego
Mi¦sie« serca posiada zdolno±¢ spontanicznego przekazywania pobudze« i ich wytwarzania
(ukªad bod¹cotwórczo-bod¹coprzewodz¡cy). Szybko±¢ przewodzenia wynosi ok. 400
wªókien i ok. 200
mm
s
mm
s
wzdªu»
w poprzek wªókien mi¦±niowych [5].
W warunkach zjologicznych generatorem pobudzenia jest w¦zeª zatokowo-przedsionkowy
(SA) o pr¦dko±ci przenoszenia 0, 05
m
s
i powierzchni 1 mm2 , le»¡cy u uj±cia »yªy gªównej do
prawego przedsionka. Zbudowany jest z komórek nale»¡cych do prawego przedsionka. Ka»dy
skurcz komórek skutkuje generacj¡ impulsu elektrycznego [5, 6, 9]. Sterowanie kilkoma tysi¡cami
komórek jest rol¡ antagonistycznie dziaªaj¡cych ukªadów sympatycznego (odpowiadaj¡cego za
pobudzenie), parasympatycznego (jego rol¡ jest hamowanie) i hormonalnego (wª¡czanego do
sterowania adrenalin¡ czy tyroksyn¡) [5].
Pobudzenie rozchodzi si¦ poprzez szlak mi¦dzyw¦zªowy (wi¡zka Bachmanna) do lewego
przedsionka oraz przez przedni szklak mi¦dzyw¦zªowy (pozostaªe dwa: ±rodkowy (Weckebacha)
i tylny (Thorela) s¡ zapasowymi drogami bod¹coprzewodz¡cymi) [6]. Kolejnym punktem jest
w¦zeª przedsionkowo - komorowy (AV), zwany zapasowym generatorem rytmu (o cz¦stotliwo±ci
45-60
1
).
min
Umiejscowiony jest pod wsierdziem prawego przedsionka, a jego cech¡ charakte-
rystyczn¡ jest bardzo wolne przewodzenie bod¹ca, co skutkuje ok. 120 milisekundowym opó¹nieniem skurczu komór wzgl¦dem przedsionków (ten czas, w którym brak jest jakiejkolwiek
aktywno±ci elektrycznej uwidacznia si¦ na wykresie elektrokardiogracznym w postaci linii izoelektrycznej serca) [5, 9]. Impuls przechodzi dalej przez p¦czek Hisa z pr¦dko±ci¡ ok. 200
mm
.
s
Ten na wysoko±ci przegrody mi¦dzykomorowej dzieli si¦ na dwie odnogi, z których ka»da posiada zdolno±ci bod¹cotwórcze (cz¦stotliwo±¢ ok. 40
1
)
min
[5]:
• praw¡ (w¡sk¡):
- przedni¡
- tyln¡
- przegrodow¡.
• lew¡ (szerok¡).
Ostatnim elementem opisywanego ukªadu s¡ wªókna Purkiniego b¦d¡ce rozgaª¦zionymi zako«czeniami wi¡zek p¦czka Hisa. W warunkach zjologicznych przenosz¡ bodziec w sposób bezpo±redni na roboczy mi¦sie« komór, a w warunkach patologicznych mog¡ wytwarza¢ impulsy
z cz¦stotliwo±ci¡ ok. 20
1
min
[5, 6, 9].
13
Rysunek 3: Schemat ukªadu bod¹cotwórczo - bod¹coprzewodz¡cego wg [6].
3.2 Cykl pracy serca
Cyklem pracy serca nazywa si¦ zespóª nast¦puj¡cych po sobie zjawisk sªu»¡cych rozprowadzaniu
krwi po organizmie. Zjawiska te zwane prac¡ serca, dzielimy na fazy skurczu i rozkurczu [6, 9,
10]:
1. faza pierwsza rozkurcz komór; krew napªywa z »yª do przedsionków, a nast¦pnie przez
otwarte zastawki (trójdzieln¡ i dwudzieln¡) do komór;
2. faza druga skurcz przedsionków nast¦puje pod koniec pierwszej fazy; krew caªkowicie
wypeªnia pozostaªe wolne przestrzenie w komorach;
3. faza trzecia skurcz komór przy zamkni¦tych zastawkach przedsionkowo-komorowych,
a otwartych zastawkach aorty i t¦tnicy pªucnej; krew wtªaczana jest do t¦tnic pod du»ym
ci±nieniem, czemu towarzyszy rozkurcz przedsionków;
4. faza czwarta - przerwa, krótki odpoczynek serca, po którym mo»e ono podj¡¢ dalsz¡ prac¦.
Naczynia krwiono±ne tworz¡ w organizmie dwa obiegi krwi: maªy (pªucny) i du»y. Obieg
pªucny bierze pocz¡tek w prawej komorze, której skurcz skutkuje wyrzutem krwi odtlenowanej
do pnia pªucnego t¦tniczego. Krew przepªywa dalej coraz mniejszymi t¦tnicami a» dociera do
naczy« otaczaj¡cych p¦cherzyki pªucne. Tu nast¦puje wymiana gazowa - krew zostaje oczyszczona z dwutlenku w¦gla (CO2 ), natlenowana (O2 ) i powraca »yªami do lewego przedsionka
[3, 6].
14
Du»y obieg krwi rozpoczyna si¦ w lewej komorze - natlenowana krew jest wyrzucana do
aorty, a nast¦pnie dociera do komórek ciaªa, gdzie nast¦puje jej odtlenowanie oraz pozostawienie
skªadników pokarmowych i pobranie dwutlenku w¦gla. Po zaj±ciu tych procesów krew powraca
»yªami do prawego przedsionka [3, 6].
Rysunek 4: Schemat ukªadu sercowo-naczyniowego: obieg du»y i pªucny wg [2, 6, 9].
15
4
Elektrokardiograa
Fundamentalne podstawy znanego nam dzi± badania elektrokardiogracznego zostaªy wprowadzone przez Einthovena na pocz¡tku XX wieku i do tej pory metoda ta jest powszechnie
i ch¦tnie stosowana ze wzgl¦du na nieinwazyjno±¢, ªatwo±¢ jej przeprowadzania (sprz¦t mo»e
by¢ przeno±ny), czy na dostarczanie w krótkim czasie wielu informacji na temat zaburze« (lub
ich braku) w funkcjonowaniu mi¦±nia sercowego [11] [I].
EKG, to zapis czynno±ci bioelektrycznych komórek roboczych serca w trakcie powtarzaj¡cego si¦ cyklu pracy serca [5]. Aktywno±¢ elektryczna serca zachodz¡ca w okre±lonym czasie
jest zapisywana w postaci krzywej EKG, stanowi¡cej odzwierciedlenie ró»nic potencjaªów istniej¡cych w poszczególnych cz¦±ciach ciaªa. Sygnaª mo»e by¢ zbierany z ró»nych miejsc na ciele,
poniewa» ró»nice napi¦¢ wynikaj¡ z ró»nych pr¡dów czynno±ciowych powstaj¡cych w mi¦±niu
sercowym. W ten sposób uzyskuje si¦ obraz zmiennego przestrzennego pola elektrycznego, co
odpowiada w du»ym przybli»eniu polu wytwarzanemu przez dipol napi¦cia [11].
4.1 Parametry diagnostyczne
Najwa»niejszymi wska¹nikami diagnostycznymi s¡ parametry wymienione poni»ej [12, 13]:
• czasowe - reprezentacja zjawisk zwi¡zanych z pobudzeniem i relaksacj¡ mi¦±nia sercowego
pozwalaj¡ca okre±li¢ czas ich trwania,
• morfologiczne - reprezentacja miejsca powstania i drogi przewodzenia impulsów,
• amplituda - dla ka»dego zaªamka to odpowiednik warto±ci napi¦cia wytwarzanego w czasie akcji serca (im wi¦ksza warto±¢ napi¦cia, tym zaªamek na wi¦ksz¡ warto±¢); zawiera
informacje o zjawiskach niekardiologicznych i jest zale»na od zmiennych warunków rejestracji, ale i ona niesie pewne informacje, cho¢ na ich podstawie nie zwykªo si¦ stawia¢
diagnozy.
Wynikiem przeprowadzanego badania EKG jest krzywa przedstawiona na Rysunku 5:
16
Rysunek 5: Wzorcowy zapis EKG wg [14, 15].
Najistotniejsze komponenty krzywej sygnaªu EKG u zdrowej osoby dorosªej [8, 14, 15, 16,
17]:
• zaªamek P
Odpowiada depolaryzacji mi¦±niówki czynnej skurczowo przedsionków; pierwsze wychylenie linii izoelektrycznej wyznaczaj¡ce koniec odcinka TP, a poprzedzaj¡ce zespóª QRS; o±
elektryczna najcz¦±ciej skierowana ku doªowi w lewo, co ma swoje ¹ródªo w rozchodzeniu
si¦ impulsu elektrycznego z w¦zªa SA do w¦zªa AV i ku uszkom przedsionków. Amplituda
(Tabela 1) i czas trwania zaªamka (Tabela 2), s¡ parametrami zale»nymi od wieku i pªci:
Tabela 1: Amplituda zaªamka P [ms] - zjologicznie prawidªowa: warto±ci referencyjne wg [18]
Odprowadzenie
II
V1
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
0,12 (0,22)*
0,12 (0,22)*
0,13 (0,24)*
K
0,12 (0,24)*
0,14 (0,24)*
0,15 (0,26)*
M
0,12 (0,20)*
0,11 (0,19)*
0,11 (0,18)*
M
0,11 (0,18)*
0,11 (0,19)*
0,10 (0,17)*
*±rednia (2-98 centyl)
17
Osoby dorosªe
odprowadzenia ko«czynowe ≤ 0, 25
faza (+) ≤ 0, 15
faza (-)≤ 0, 10
Tabela 2: Czas trwania zaªamka P [ms] - zjologiczne normy: warto±ci referencyjne wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
92 (73, 108)*
98 (78, 117)*
100 (82, 118)*
K
89 (71, 107)*
94 (75, 114)*
98 (78, 122)*
Osoby dorosªe
≤ 120
*±rednia (2-98 centyl)
• odcinek PQ
Fragment krzywej EKG znajduj¡cy si¦ w linii izoelektrycznej (mo»e wyst¦powa¢ niewielkie obni»enie wzgl¦dem niej); mie±ci si¦ pomi¦dzy ko«cem zaªamka P a pocz¡tkiem
zespoªu QRS; odpowiada przesyªowi sygnaªu bioelektrycznego przez w¦zeª przedsionkowokomorowy, p¦czek Hisa i jego odnogi oraz wªókna Purkiniego; prawidªowy czas trwania
dla poszcególnych grup wiekowych zawiera Tabela 3:
Tabela 3: Czas trwania odst¦pu PQ u osób zdrowych [ms]: warto±ci referencyjne wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
129 (99, 160)*
134 (105, 174)*
139 (107, 178)*
K
124 (92, 156)*
129 (103, 163)*
135 (106, 176)*
Osoby dorosªe
120-200
*±rednia (2-98 centyl)
• zaªamek Q
Punkt pocz¡tkowy zespoªu QRS; dodatkowej ocenie podlega jego amplituda - warto±ci
prawidªowe przedstawia Tabela 4:
Tabela 4: Amplituda zaªamka Q [mV]: warto±ci referencyjne wg [18]
Odprowadzenie
III
V6
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
0,15 (0,36)*
0,10 (0,28)*
0,10 (0,29)*
K
0,16 (0,38)*
0,10 (0,27)*
0,10 (0,21)*
M
0,12 (0,39)*
0,12 (0,43)*
0,11 (0,43)*
M
0,10 (0,41)*
0·11 (0,34)*
0,09 (0,23)*
*±rednia (2-98 centyl)
18
Osoby dorosªe
odprowadzenia ko«czynowe
(poza aVR) ≤ 0, 21
≤ 14 zalamkaR
• odst¦p PR
Odpowiada przesyªowi sygnaªu bioelektrycznego przez w¦zeª przedsionkowo-komorowy,
p¦czek Hisa i wªókna Purkiniego, czyli niesie informacje o czasie depolaryzacji przedsionków; ma ±ci±le okre±lony i staªy czas trwania, b¦d¡cy parametrem indywidualnym;
• zespóª QRS
Informuje o depolaryzacji mi¦±niówki czynnej skurczowo komór serca; o± skierowana ku
doªowi i w lewo; prawidªowy czas trwania mie±ci si¦ w granicach zawartych w Tabeli 5:
Tabela 5: Czas trwania zespoªu QRS [ms]: warto±ci referencyjne wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
80 (63, 98)*
85 (67, 103)*
91 (78, 111)*
K
77 (59, 95)*
82 (66, 99)*
87 (72, 106)*
Osoby dorosªe
70-110
*±rednia (2-98 centyl)
• odst¦p QT
Jest cz¦±ci¡ krzywej od pocz¡tku zespoªu QRS do ko«ca zaªamka T; opisuje skurcz komór
od depolaryzacji po repolaryzacj¦; jego dªugo±¢ zale»y m. in. od wieku, pªci, cz¦sto±ci
rytmu serca, ale powinien by¢ krótszy ni» poªowa dªugo±ci odst¦pu RR:
Tabela 6: Czas trwania zespoªu QT [ms]: warto±ci referencyjne wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
Osoby dorosªe
M
411 (371, 443)*
411 (373, 440)*
407 (362, 449)*
360-450 (470)**
K
409 (375, 449)*
410 (365, 447)*
414 (370, 457)*
370-460 (480)**
*±rednia (2-98 centyl); **górna granica normy u sportowców)
• zaªamek Tp
Jest on obserwowalny w postaci obni»enia odcinka PQ lub ST, jednak»e jest przesªoni¦ty
przez zaªamki zespoªu QRS, wi¦c niewidoczny; odpowiada repolaryzacji przedsionków,
a jego wychylenie jest przeciwstawne do zaªamka P;
• odcinek ST
Le»y w linii izoelektrycznej i jest obrazem elektrokardiogracznej ciszy; wyst¦puje pomi¦dzy faz¡ depolaryzacji a repolaryzacji komór; cz¦sto mo»na si¦ spotka¢ z wychyleniem
poªo»enia wzgl¦dem linii, a dopuszczalne odchylenia od normy przedstawia Tabela 7:
19
Tabela 7: Granice normy dla odcinka ST [mV] - wychylenie lub obni»enie wzgl¦dem linii izoelektrycznej [18]
Obni»enie
≤ 0, 05
Odprowadzenie V2-V3
Uniesienie
M
0,2-0,25
K
≤ 0, 15
Pozostaªe odprowadzenia
≤ 0, 1
• fala U
Ma niesprecyzowane pochodzenie - mo»e wyst¦powa¢ w przypadku hipokaliemii lub mo»e
by¢ wywoªana depolaryzacj¡ komór b¡d¹ repolaryzacj¡ wsierdzia; jest widoczna tylko
u cz¦±ci populacji po zaªamku T a przed zaªamkiem P; posiada maª¡ dodatni¡ amplitud¦;
• linia izoelektryczna
Linia ª¡cz¡ca jeden odcinek TP z kolejnym odcinkiem; zarejestrowana w czasie, gdy w sercu brak pobudzenia; w stosunku do niej wyznacza si¦ przemieszczenia wszystkich odcinków i amplitud¦ zaªamków;
• zaªamek T
Odzwierciedla repolaryzacj¦ czynnej skurczowo mi¦±niówki komór serca (powrót komór
serca do elektrycznego stanu wyj±ciowego); jest to pierwsze wychylenie za odcinkiem ST
skierowane w tym samym kierunku, co zespóª QRS (o± ku doªowi i w lewo); górne granice
amplitudy przedstawione w Tabeli 8:
Tabela 8: Amplituda zaªamka T [mV]: warto±ci referencyjne wg [18]
Odprowadzenie
Amplituda [mV]
Ko«czynowe
≤ 0, 6
Przedsercowe
≤ 1, 0
*±rednia (2-98 centyl)
20
Pozostaªe wa»ne diagnostycznie elementy buduj¡ce krzyw¡ EKG:
• stosunek
R
S
warto±ci referencyjne w Tabeli 9:
Tabela 9: Stosunek
Odprowadzenie
R
S
w odprowadzeniach przedsercowych - warto±ci prawidªowe wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
0,6 (÷0, 11, 7)*
0,4 (÷0, 11, 2)*
0,4 (÷0, 11, 1)*
K
0,5 (÷0, 11, 4)*
0,4 (÷0, 11, 1)*
0,3 (÷0, 11, 0)*
M
5,9 (÷1, 8S = 0)*
6,2 (÷1, 7S = 0)*
5,5 (÷2, 0S = 0)*
K
6,8 (÷1, 7S = 0)*
7,2 (÷2, 0S = 0)*
5,4 (÷1, 3S = 0)*
V1
V6
Osoby dorosªe
< 1, 0
> 1, 0
*±rednia (2-98 centyl)
• zaªamek S - ocenie podlega jego amplituda (Tabela 10):
Tabela 10: Amplituda zaªamka S w odprowadzeniach przedsercowych - warto±ci referencyjne
wg [18]
Odprowadzenie
V1
V6
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
1,15 (2,29)*
1,30 (2,46)*
1,30 (2,44)*
K
1,23 (2,49)*
1,32 (2,58)*
1,15 (2,05)*
M
0,34 (0,89)*
0,34 (0,79)*
0,37 (0,85)*
K
0,29 (0,77)*
0,27 (0,75)*
0,30 (0,67)*
Osoby dorosªe
≤ 0, 26
mo»e nie wyst¡pi¢
*±rednia (98 centyl)
• zaªamek R - ocenie podlega ampituda (Tabela 11):
Tabela 11: Amplituda zaªamka R [mV]: odprowadzenia przedsercowe - warto±ci referencyjne wg
[24]
Odprowadzenie
V1
V6
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
0,63 (1,48)*
0,54 (1,14)*
0,48 (1,18)*
K
0,55 (1,24)*
0,49 (1,14)*
0,35 (1,10)*
M
1,97 (2,98)*
2,18 (3,24)*
2,02 (3,05)*
K
2,05 (3,25)*
2,00 (3,04)*
1,65 (2,52)*
*±rednia (98 centyl)
21
Osoby dorosªe
≤ 0, 6
• interwaª RR jest odlegªo±ci¡ pomi¦dzy szczytami dwóch kolejnych zaªamków R; ró»nice
w dªugo±ci trwania kolejnych interwaªów mog¡ ±wiadczy¢ o obecno±ci arytmii schorzenia;
• interwaª PP jest odlegªo±ci¡ pomi¦dzy szczytami dwóch kolejnych zaªamków P.
4.2 Warunki przeprowadzania badania EKG
Elektrokardiograa jest podstawowym badaniem wykorzystywanym we wst¦pnej diagnostyce
w ramach opieki podstawowej i przez oddziaªy medycyny ratunkowej [10]. Najpopularniejszy
test EKG wykonuje si¦ w pozycji le»¡cej w spoczynku przez 10-15 s w temperaturze otoczenia
ok. 22◦ C . Pacjent powinien le»e¢ spokojnie, nie napina¢ mi¦±ni, ko«czyny górne nie powinny
przylega¢ do tuªowia, a dolne nie mog¡ wzajemnie si¦ dotyka¢ [16]. Stopie« relaksacji pacjenta ma ogromny wpªyw na otrzymywany obraz - im mniej komfortowe warunki, tym wi¦ksze
zakªócenia, które pó¹niej otrzymywane s¡ na wykresie [13].
Rysunek 6: Ró»nica pomi¦dzy sygnaªem rejestrowanym u pacjenta napi¦tego i zrelaksowanego
z [13].
Do przeprowadzania badania jest u»ywany sprz¦t, którego uogólniony schemat blokowy
zostaª przedstawiony na Rysunku 7.
Rysunek 7: Schemat blokowy rejestratora biosygnaªów wg [5].
22
Elektrody pomiarowe s¡ czujnikami mierz¡cymi aktywno±¢ elektryczn¡ nast¦puj¡c¡ pod
nimi. Umieszczane s¡ na skórze pacjenta odpowiednio wcze±niej przygotowanej: oczyszczonej
(usuni¦cie nieprzewodz¡cej warstwy naskórka sªu»y obni»eniu oporu elektrycznego i eliminacji artefaktów) oraz posmarowanej »elem (zapewnia to zwi¦kszenie przewodzenia). Elektrody
znajduj¡ce si¦ w dwóch punktach na powierzchni ciaªa, a poª¡czone s¡ z galwanometrem (mierz¡cym ró»nic¦ potencjaªów wyst¦puj¡cych na powierzchni) - taki obwód elektryczny nazywamy
odprowadzeniem. Je±li dodatni impuls elektryczny oddala si¦ od elektrody, to na elektrokardiogramie wyrysowuje si¦ zaªamek skierowany w dóª, w przeciwnym razie, elektrokardiograf
zapisuje zaªamek skierowany ku górze [8, 17].
Wzmacniacz wst¦pny rejestratora EKG (o podwy»szonym wspóªczynniku tªumienia sygnaªu
wspóªbie»nego CMRR, z wyprzedzaj¡cym sprz¦»eniem zwrotnym albo z aktywnym ekranem)
odbiera sygnaª z elektrod pomiarowych i wyznacza jako±¢ caªego rejestratora. Musi on speªnia¢
kilka warunków:
- posiadana impedancja wej±ciowa musi by¢ du»a zazwyczaj stosuje si¦ impedancj¦ wej±ciow¡ ok. 1015 Ω, która gwarantuje znikome obci¡»enie ¹ródªa sygnaªu
- musi by¢ odporny na impuls z debrylatora (ok. 17 kV) i znaczne przesterowanie (mo»e
to by¢ zrealizowane przez doª¡czenie równolegle do wej±cia diod póªprzewodnikowych,
które maj¡ utrzyma¢ potencjaª ró»nicowy poni»ej 0,7 V albo poprzez szeregowe wª¡czenie
oporników 0.5 − 1 M Ω, chroni¡cych diody przed uszkodzeniem)
- powinien dyskryminowa¢ typowe zakªócenia (pomiar dokonywany jest metod¡ ró»nicow¡,
co ma na celu minimalizacj¦ czuªo±ci na zakªócenia sieciowe drgania mi¦±ni, impulsy
nerwowe, czy szumy sieciowe)
- powinien mie¢ dopasowane wzmocnienie i impedancj¦ wyj±ciow¡ do nast¦pnego stopnia
(jest to zabezpieczenie w wypadku pojawienia si¦ znacznych zakªóce«).
Wa»nym zagadnieniem jest równie» zabezpieczenie przeciwpo»arowe pacjenta, która ma jednocze±nie nie dopu±ci¢ do zniszczenia sprz¦tu. W rejestratorach o zasilaniu sieciowym stosuje
si¦ barier¦ galwaniczn¡ w analogowej cz¦±ci toru sygnaªowego. Realizowana jest przy u»yciu
nieelektrycznego medium transmituj¡cego informacj¦ optoelektronicznie (medium jest ±wiatªo)
lub magnetycznie (medium stanowi pole magnetyczne) ewentualnie logicznie (podª¡czenie urz¡dzenia do sieci uniemo»liwia rejestracj¦, a w trakcie badania zasilane jest tylko z akumulatora)
[5].
W elektrokardiograi u»ywa si¦ ltru dolnoprzepustowego o nachyleniu charakterystyki
12 dB/okt i cz¦stotliwo±ci 35 Hz (odcinaj¡cego napi¦cie generowane przez mi¦±nie) oraz ltru pasmowo-zaporowego o cz¦stotliwo±ci ±rodkowej 50 lub 60 Hz (eliminuj¡cego zakªócenia
o naturze sieciowej) [5].
23
Stopie« ko«cowy wzmacnia sygnaª, który w caªo±ci gromadzony jest w pami¦ci urz¡dzenia
rejestruj¡cego. Równolegle dokonywane s¡ dwie operacje: konwersja napi¦cie-pr¡d oraz wydruk
sygnaªu. Warto±ci wychyle« urz¡dzenia pisz¡cego s¡ proporcjonalne do warto±ci pr¡du [5].
Przetworniki A/C dziaªaj¡ w oparciu o bezpo±rednie porównywanie ze wzorcami, wielokrotne caªkowanie sygnaªu lub metod¦ kolejnych przybli»e« (wykorzystywana w EKG). Przej±cie
sygnaªu przez przetwornik A/C umo»liwia udost¦pnienie go urz¡dzeniom zewn¦trznym, np. na
monitor (interfejs) [5].
4.3 Rodzaje odprowadze« w badaniu EKG
Odprowadzenia rejestruj¡ aktywno±¢ elektryczn¡ w postaci wektorów, co na elektrokardiograe
jest widoczne w postaci zaªamków [8]. Rozró»niamy trzy rodzaje odprowadze« [3, 5, 6, 16]:
• odprowadzenia ko«czynowe dwubiegunowe (Einthovena) - tu nast¦puje rzutowanie p¦tli trójwymiarowych zataczanych przez koniec wektora pola elektrycznego serca w przestrzeni na pªaszczyzn¦ pionow¡ i na tej pªaszczy¹nie na boki; miejsca rejestracji ró»nic
potencjaªów przez poszczególne elektrody zostaªy wymienione poni»ej:
I - mi¦dzy lewym przedramieniem(+) a prawym przedramieniem( - ) ;
II - pomi¦dzy lewym podudziem(+) a prawym przedramieniem( - ) ;
III - mi¦dzy lewym podudziem(+) a lewym przedramieniem( - ) .
Rysunek 8: Odprowadzenia ko«czynowe dwubiegunowe (Einthovena) wg [19].
24
• odprowadzenia jednobiegunowe ko«czynowe (Goldbergera) - w tym rodzaju odprowadze«
nast¦puje rzutowanie p¦tli trójwymiarowych zataczanych przez koniec wektora pola elektrycznego serca w przestrzeni na pªaszczyzn¦ pionow¡ i na tej pªaszczy¹nie na wysoko±ci;
pomiar jest dokonywany wzgl¦dem elektrody odniesienia; poªo»enie poszczególnych elektrod:
aVR - umieszczona na prawym przedramieniu;
aVL - znajduj¡ca si¦ na lewym przedramieniu;
aVF - zbieraj¡ca sygnaª z lewego podudzia.
Rysunek 9: Odprowadzenia jednobiegunowe ko«czynowe (Goldbergera) wg [19].
• odprowadzenia jednobiegunowe przedsercowe (Wilsona) - w tym przypadku obserwuje si¦
rzutowanie p¦tli trójwymiarowych zataczanych przez koniec pola elektrycznego na pªaszczyzn¦ poziom¡ i na niej na p¦k póªprostych wyznaczonych punktami poªo»enia elektrod;
rejestruje si¦ bezwzgl¦dn¡ warto±¢ potencjaªu w punktach le»¡cych na klatce piersiowej;
elektrod¦ oboj¦tn¡ stanowi¡ spi¦te przewody trzech odprowadze« ko«czynowych; umiejscowienie elektrod pomiarowych:
V1 - IV przestrze« mi¦dzy»ebrowa przy prawym brzegu mostka;
V2 - IV przestrze« mi¦dzy»ebrowa przy lewym brzegu mostka;
V3 - w poªowie odlegªo±ci mi¦dzy V2 i V4;
V4 - V przestrze« mi¦dzy»ebrowa w linii ±rodkowoobojczykowej;
V5 - V przestrze« mi¦dzy»ebrowa w linii pachowej przedniej;
V6 - V przestrze« mi¦dzy»ebrowa w linii pachowej ±rodkowej.
25
Rysunek 10: Odprowadzenia jednobiegunowe przedsercowe (Wilsona) wg [19].
26
5
Automatyczna analiza sygnaªu EKG wybrane metody
Rejestrowany sygnaª EKG jest przekazywany do pami¦ci urz¡dzenia rejestruj¡cego i tam przechowywany. Automatyczna analiza sygnaªu rozpoczyna si¦ po snalizowaniu procesu rejestracji,
a wynik jest drukowany i/lub udost¦pniany na interfejs [5]. Najwa»niejszymi parametrami, które nale»y zmierzy¢ s¡ regularno±¢ akcji serca, odlegªo±ci czasowe pomi¦dzy charakterystycznymi
punktami oraz rozmiary zaªamków [20].
5.1 Okre±lenie jako±ci sygnaªu i ltracja
Okre±lenie jako±ci sygnaªu EKG wykonywane jest przy u»yciu prostych metod. Jedno z rozwi¡za« opiera si¦ na testowaniu caªego sygnaªu pod k¡tem przekroczenia przez stosunek energii
w pa±mie powy»ej 35 Hz (lub ok. 50 Hz) do caªkowitej energii sygnaªu ustalonej warto±ci progowej.
Je»eli jako±¢ sygnaªu b¦dzie niezadowalaj¡ca nale»y zredukowa¢ szumy poprzez wybór s¡siedniego kanaªu o lepszych parametrach lub poprzez zastosowanie ltrów [5, 19]. Maj¡c do
czynienia z zakªóceniami pozakardiogennymi, których ¹ródªami mog¡ by¢ potencjaªy czynno±ciowe mi¦±ni, interferencje elektromagnetyczne o cz¦stotliwo±ci sieci zasilaj¡cej czy niestabilno±¢ kontaktu elektrod, stosujemy model czasowo-cz¦stotliwo±ciowy polegaj¡cy na redukcji szumu poprzez arytmetyczne odejmowanie warto±ci modelu szumu od warto±ci sygnaªu surowego
w dziedzinie cz¦stotliwo±ci, co opisuje poni»sza zale»no±¢ [19].
D(j, n) = R(j, n) − N 0 (j, n)
(1)
R(j, n) - atomy reprezentuj¡ce sygnaª surowy
N'(j, n) - atomy reprezentuj¡ce czasowocz¦stotliwo±ciowy model szumu
Szumy sieciowe redukuje si¦ u»ywaj¡c np. ltru adaptacyjnego o schemacie zaprezentowanym na Rysunku 11:
Rysunek 11: Schemat automatycznej ltracji adaptacyjnej artefaktów pochodzenia sieciowego
wg [21].
27
Sygnaª wej±ciowy (xk ) jest ltrowany w taki sposób, aby byª jak najbardziej zbli»ony do
sygnaªu wzorcowego (dk , rozpatrywanego jako suma dwóch niekoreluj¡cych ¹ródeª sk oraz n0k ).
Rezultatem jest wytworzenie sygnaªu wyj±ciowego (yk ). Sygnaª niepewno±ci (ek ) okre±la dalsze
dziaªania jakie zostaj¡ podejmowane w nast¦pnej kolejno±ci algorytm d¡»y do zminimalizowania niepewno±ci, otrzymania optymalnego przebiegu sygnaªów stacjonarnych oraz ±ledzenia
zmiany sygnaªów niestacjonarnych [16]. Iteracyjne przybli»anie wspóªczynników ltru poprzez
minimalizacj¦ bª¦du ±redniokwadratowego stosuje si¦ aby zapewni¢ minimum energii sygnaªu
yk przy zastosowaniu operacji statystycznej [5]:
y k = dk − e k
(2)
dk = sk + n0k
(3)
yk2 = s2k + (n0k − ex )2 + 2s(n0k − ek )
(4)
E[yk2 ] = E[s2k ] + E[(n0k − ex )2 ] + 2E[s(n0k − ek )]
(5)
Adaptacja ltru n0k = ek dla czªonu 2E[s(n0k − ek )]:
E[yk2 ] = E[s2k ] + E[(n0k − ex )2 ]
(6)
minE[yk2 ] = E[s2k ] + minE[(n0k − ex )2 ]
(7)
Oprócz wy»ej opisanych metod odszumiania elektrokardiogramu istnieje wiele innych np.
transformata falkowa.
5.2 O± elektryczna serca
Osi¡ elektryczn¡ serca nazywamy prost¡ w przestrzeni, na której le»y ±redni wektor pola elektrycznego wytwarzanego przez depolaryzacj¦ komór w momencie osi¡gni¦cia warto±ci maksymalnej. [8, 17] Informuje nas ona o poªo»eniu mi¦±nia sercowego wewn¡trz jamy ciaªa, o wzajemnym stosunku mas komór serca oraz o wielko±ci obszaru martwiczego [2] .
Przyjmuje si¦ normogram zgodnie z danymi w Tabeli 12:
28
Tabela 12: Warto±ci zjologicznie prawidªowe w [◦ ] wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
70 (-10, 112)*
70 (-21, 114)*
65 (-9, 112)*
K
74 (27, 117)*
66 (5, 117)*
66 (5, 101)*
osoby dorosªe
-30 ± + 90
*±rednia (2-98 centyl)
W warunkach zjologicznych odchylenie od normogramu mo»e mie¢ miejsce u dzieci, kobiet
ci¦»arnych (poªo»enie bardziej poziome) lub u osób starszych (bardziej pionowe) [6, 13].
Zakres patologiczny - dekstrogram (odchylenie osi w prawo) mie±ci si¦ w granicach +90◦
s + 180◦ , a sinistrogram (zmiany w odchyleniu osi w lew¡ stron¦) w zakresie 0◦ −90◦
[13]. Przyczynami patologicznych odchyle« osi elektrycznej serca mog¡ by¢ np. przerost prawej
lub lewej komory serca, zaburzenie przewodzenia wewn¡trzkomorowego albo ±ródkomorowego,
nadci±nienie t¦tnicze, zawaª, b¡d¹ otyªo±¢ [17].
Opisywane odchylenia osi maj¡ niewielki wpªyw na prac¦ serca, ale konieczne jest wyznaczane ich warto±ci w celu okre±lenia prawidªowo±ci sygnaªu EKG. Dzi¦ki temu lekarz mo»e
rozró»ni¢ stan patologiczny od zjologicznie poprawnego [5]. O± elektryczn¡ serca mo»na wyznaczy¢ posªuguj¡c si¦ trzema zaªo»eniami Einthovena [II]:
1. Serce jest dipolem - porównanie do najprostszego generatora energii elektrycznej;
2. Serce znajduje si¦ w ±rodku geometrycznym tkanek, w których panuj¡ identyczne warunki
przewodzenia pr¡du;
3. Punkty poª¡cze« obu ko«czyn górnych i lewej ko«czyny dolnej z tuªowiem s¡ wierzchoªkami trójk¡ta równobocznego, w ±rodku którego znajduje si¦ mi¦sie« serca.
Post¦puj¡c zgodnie z poni»sz¡ instrukcj¡ wyznacza si¦ nachylenie osi elektrycznej serca [17]:
1. Obliczy¢ sum¦ algebraiczn¡ amplitudy zaªamków zespoªu QRS w odprowadzeniu I i odªo»y¢ jej warto±¢ na osi I odprowadzenia trójk¡ta. W wyznaczonym punkcie przeprowadzi¢
prost¡ prostopadª¡ do osi tego odprowadzenia;
2. Obliczy¢ sum¦ algebraiczn¡ amplitudy zaªamków zespoªu QRS w odprowadzeniu III
i odªo»y¢ jej warto±¢ na osi III odprowadzenia trójk¡ta. W wyznaczonym punkcie przeprowadzi¢ prost¡ prostopadª¡ do osi tego odprowadzenia;
3. Poprowadzi¢ póªprost¡ od ±rodka okr¦gu przez punkt przeci¦cia prostopadªych wyznaczonych w punkcie 1 i 2;
4. Warto±¢ nachylenia osi elektrycznej serca wyznacza punkt przeci¦cia póªprostej z punktu
3 z okr¦giem;
29
W praktyce pracownicy medyczni stosuj¡ trójk¡t Einthovena wpisany w okr¡g, czyli tzw.
nomogram osi serca ukazany na Rysunku 12:
Rysunek 12: Nomogram osi elektrycznej serca z [5].
Dokªadne wyznaczenie osi jest mo»liwe w zapisie wektokardiogracznym o± serca jest
równocze±nie osi¡ zespoªu QRS, natomiast w zapisie 12odprowadzeniowym poªo»enie to mo»e
by¢ jedynie szacowane [12].
Algorytm analizuj¡cy zapis EKG zakªada staªe przyporz¡dkowanie odprowadze« elektrokardiogracznych i kanaªów rejestracji, a samo wyznaczenie osi sprowadza si¦ do rozwi¡zania
równania trygonometrycznego wedªug poni»szej instrukcji [22]:
1. Wybór dwóch odprowadze« ko«czynowych o najkorzystniejszym odst¦pie od szumów b¡d¹
o najwi¦kszej amplitudzie;
2. Wyliczenie pseudomoduªu kolejnych próbek odprowadze« opisanych w punkcie pierwszym
w obr¦bie zespoªu QRS;
3. Dopasowanie paraboli dªu»szej ni» 60 ms w otoczeniu warto±ci maksymalnej funkcji pierwiastka sumy kwadratów;
4. Odczytanie warto±ci odprowadze« w maksimum lokalnym paraboli;
5. Wyznaczenie k¡ta nachylenia osi przez rozwi¡zanie równania trygonometrycznego.
30
5.3 Analiza zaªamków i odcinków oraz ich nieprawidªowy obraz
Zmiany ksztaªtu skªadowych sygnaªu EKG mog¡ mie¢ ró»n¡ genez¦ - przyczyny chorobowe lub
zjologiczne. Istnieje szereg nieprawidªowo±ci charakterystycznych dla danych stanów patologicznych, a pozostaªa cz¦±¢ wymaga peªnego wywiadu b¡d¹ dalszej diagnostyki, np. zestawienia
z danymi z bada« laboratoryjnych [13].
Najcz¦±ciej spotykane zmiany ksztaªtów wraz z list¡ mo»liwych przyczyn przedstawiono
poni»ej [15, 17, 22]:
• zmiany zaªamka P
Detekcj¦ punktów wyznaczaj¡cych granice zaªamka zaleca si¦ przeprowadza¢ przy u»yciu
zapisu wieloodprowadzeniowego. W dost¦pnej autorowi literaturze nie znaleziono szczegóªów dotycz¡cych implementacji proponowanego rozwi¡zania.
nieprawidªowy ksztaªt
Rysunek 13: Zmiany zaªamka P - nieprawidªowy ksztaªt wg [17].
31
zaªamek niewidoczny lub nie wyst¦puj¡cy w sygnale
Rysunek 14: Zmiany zaªamka P - zaªamek niewidoczny wg [17].
• zmiany odcinka PQ
Analiza zmian odcinka PQ jest ±ci±le zwi¡zana ze stwierdzeniem obecno±ci zaªamka P
i wyznaczeniem jego punktu pocz¡tkowego. Dlatego dªugo±¢ tego odcinka jest dodatkow¡
informacj¡ sªu»¡c¡ werykacji wcze±niej przypisanej morfologii ewolucji.
Rysunek 15: Zmiany odcinka PQ wg [17].
32
• zmiany zespoªu QRS
Detekcja zespoªu QRS pozwala na lokalizacj¦ w sygnale EKG zespoªów skurczowych mi¦±nia serca. Prowadzona jest zazwyczaj dwuetapowo przy speªnieniu poni»szych zaªo»e«
[2]:
ka»dy zespóª QRS oznaczany jest raz;
oznaczane s¡ wszystkie zespoªy QRS;
punkt sygnaªu wykryty przez detektor le»y w obr¦bie zespoªu QRS;
punkt detekcji dwu takich samych zespoªów le»y w identycznej odlegªo±ci od pocz¡tku zespoªu QRS;
funkcja detekcyjna ma mo»liwie najwi¦ksze warto±ci w obr¦bie zespoªów QRS i jak
najmniejsze poza nimi;
funkcja detekcyjna posiada jedno maksimum na ka»dy zespóª QRS.
Pierwszym etapem detekcji zespoªów QRS jest dokonanie przeksztaªce« matematycznych,
prowadz¡cych do wyró»nienia cech tych zespoªów, a jednocze±nie do dyskryminacji pozostaªych elementów. Nast¦pnie dobierany jest adaptacyjnie odpowiedni próg, pozwalaj¡cy
na odnajdowanie punktów le»¡cych w obr¦bie zespoªu QRS. Korekta progu detekcji jest
uzale»niona od funkcji detekcyjnej przez poszukiwanie w s¡siedztwie ekstremów lokalnych funkcji (z wykorzystaniem zmiany znaku pochodnej) i w miejscu, w którym funkcja
osi¡gn¦ªa maksimum nast¦puje stwierdzenie przekroczenia warto±ci progu detekcji. Je±li
stwierdzenie jest pozytywne, to punkt taki jest kandydatem na punkt detekcji, w przeciwnym razie warto±¢ ta jest uznawana za maksimum szumu, co mo»e wpªyn¡¢ na korekt¦
warto±ci progowej. Warto±¢ w danym punkcie jest porównywana z warto±ci¡ poprzedniego i nast¦pnego maksimum celem odrzucenia zaªamków P i T jako le»¡cych w obr¦bie
zespoªu QRS.
33
Rysunek 16: Zmiany zespoªu QRS wg [17].
• zmiany odcinka ST
Zaawansowane systemy diagnostyczne modykuj¡ okre±lenie poªo»enia punktów pocz¡tkowych i ko«cowych odcinków ST w uzale»nieniu od aktualnej warto±ci rytmu serca (HR).
34
Nale»y skupi¢ si¦ na badaniu poziomu odcinka wzgl¦dem linii izoelektrycznej i jego nachylenia okre±la si¦ ró»nice warto±ci w punktach BL, J oraz ST. Interpretacja ogranicza
si¦ do podania informacji czy odcinek jest narastaj¡cy, poziomy b¡d¹ opadaj¡cy. Program
musi uwzgl¦dnia¢ praktyk¦ lekarsk¡ i warto±ci te s¡ podawane w milimetrach (Rysunek
17).
Rysunek 17: Analiza odcinka ST wg [17].
Po okre±leniu stopnia nachylenia wykrywa si¦ epizody ST. Wedªug Polskiego Towarzystwa
Kardiologicznego denicja "epizodu ST" brzmi: "Za epizod ST jest uwa»any odcinek
czasu o dªugo±ci 60 s odlegªy od poprzedniego epizodu ST o co najmniej 30 s, na którym
warto±¢ uniesienia przekracza 1 mm i odcinek jest narastaj¡cy lub warto±¢ uniesienia
przekracza 2 mm". Detekcja momentu wyst¡pienia, warto±ci maksymalnych parametrów
odcinka ST, warto±ci rytmu serca w trakcie i po zako«czeniu epizodu oraz czasu trwania
sªu»y odnajdywaniu fragmentów zapisu ±wiadcz¡cych o zaistniaªym niebezpiecze«stwie
(Rysunek 18).
35
Rysunek 18: Zmiany odcinka ST wg [17].
• zmiany zaªamka T
Wyznaczenie dyspersji ko«ca zaªamka T sªu»y ocenie ryzyka wyst¡pienia arytmii spowodowanej za»ywaniem farmaceutyków, arytmii komorowej i nagªej ±mierci oraz oceny
skuteczno±ci. Wykorzystywane s¡ techniki aproksymacyjne, dla przykªadu jedna z nich
sprowadza si¦ do "wyznaczenia punktu o maksymalnej pr¦dko±ci na zst¦puj¡cym ramieniu zaªamka T, wyznaczeniu najlepiej dopasowanej paraboli do punktów chronologicznie
pó¹niejszych, ale poprzedzaj¡cych globalnie wyznaczony koniec zaªamka T, na koniec
okre±lenie poªo»enia wierzchoªka takiej paraboli, a poªo»enie to jest ko«cem zaªamka T"
z [5].
36
Rysunek 19: Zmiany zaªamka T wg [17].
• zmiany odst¦pu QT
Parametry odst¦pu QT (przede wszystkim czas jego trwania) nios¡ informacje o procesach
repolaryzacyjnych w mi¦±niu serca. Wyst¦powanie niejednorodno±ci ±wiadczy o stanie
zagro»enia »ycia (migotanie komór) lub o ryzyku wyst¡pienia arytmii komorowych.
Rysunek 20: Zmiany odst¦pu QT wg [17].
37
5.4 Cz¦sto±¢ akcji serca, miarowo±¢ rytmu oraz wzorzec uderzenia
Pomiar cz¦sto±ci akcji serca wykonujemy mierz¡c cz¦sto±¢ wyst¦powania zespoªów QRS w zapisie EKG. Jest to zagadnienie ±ci±le powi¡zane z rytmem serca je±li rytm mo»emy okre±li¢ jako
miarowy, to algorytm zlicza ilo±¢ wyst¦puj¡cych zaªamków R w czasie jednej minuty [13, 23].
Niemiarowo±¢ determinuje zliczanie kolejnych zespoªów QRS w czasie dªu»szym [13]. Za norm¦ przyjmuje si¦ puls 60-100 uderze« na minut¦, ale nale»y pami¦ta¢, »e jest to parametr
indywidualny [15].
1
Tabela 13: Cz¦sto±¢ rytmu zatokowego [ min
]: warto±ci referencyjne wg [18]
Pªe¢
5-8 lat
8-12 lat
12-16 lat
M
88 (62-113)*
78 (55-101)*
73 (48-99)*
K
89 (68-115)
80 (58-110)*
76 (54-107)*
osoby dorosªe
60-100
*±rednia (2-98 centyl)
Rytm mo»emy nazwa¢ miarowym, je»eli interwaªy RR wyst¦puj¡ w oczekiwanych odst¦pach
czasowych. Za norm¦ przyjmuje si¦ zakres warto±ci przedstawiony w Tabeli 14:
Tabela 14: Miarowo±¢ rytmu [ms]: warto±ci referencyjne wg [18]
dzieci
osoby dorosªe
80-100
120-160
5.5 Klasykacja uderze«
Klasykacja prowadzi do wyodr¦bnienia grup ksztaªtów zespoªów podobnych. Za pomoc¡ algorytmu klasykacji zespoªy QRS s¡ przyporz¡dkowywane do klas zespoªów prawidªowych, tj.
o morfologii nadkomorowej oraz nieprawidªowych. Odmienny ksztaªt informuje o przebiegu pobudzenia, którego ¹ródªo le»y poza podstawowym generatorem rytmu.[2] Dokonywane jest to
na podstawie szeroko±ci pola pod wykresem i korelacji ze wzorcem, co skªada si¦ na ksztaªt
uderzenia oraz interwaªu R-R, czyli rytmu uderze«. Porównanie przebiega jednokrotnie.
Okre±lenie morfologii reprezentantów klas nale»y do zada« trudnych, ale niezb¦dnych np.
do prawidªowego oddzielania pobudze« nadkomorowych i komorowych, detekcji arytmii, czy
zmienno±ci rytmu zatokowego. Mo»na tego dokona¢ poprzez stwierdzenie obecno±ci zaªamka P
w odlegªo±ci okre±lonej zjologi¡ w¦zªa przedsionkowo-komorowego. Tylko w tym przypadku
nabiera si¦ pewno±ci, »e kolejny zespóª QRS jest pochodzenia nadkomorowego.[5]
38
5.6 Detekcja arytmii
Arytmia jest zaburzeniem, w którym skurcze serca s¡ nieregularne [II]. Zaburzenia rytmu serca
mog¡ nie powodowa¢ »adnych dolegliwo±ci, najcz¦±ciej jednak s¡ odczuwalne jako zatrzymanie
serca, ucisk w gardle, czy koªatanie poª¡czone z niepokojem. Odczucia te wyst¦puj¡ nie tylko u
ludzi cierpi¡cych na ró»ne schorzenia, ale tak»e u ludzi zdrowych. Za stan zagro»enia »ycia uznaje si¦ arytmi¦ o cz¦stotliwo±ci nie mieszcz¡cej si¦ w "bezpiecznym" przedziale 60-100 uderze«
na minut¦ [24] [II]. Przekroczenie górnej warto±ci przedziaªu wyst¦puje w cz¦stoskurczu (tachykardii), natomiast spadek poni»ej dolnej granicy przedziaªu, to rzadkoskurcz (bradykardia)
[25]. Przyczyn¡ powstania arytmii mo»e by¢ zdenerwowanie, obci¡»enie zyczne, stosowanie
u»ywek (np. kawa, alkohol, tyto«), dziaªania uboczne leków, urazy, czy choroby (np. dusznica
bolesna, reumatyzm, nadczynno±¢ tarczycy) [26, 27]. Zmiana rytmu pracy serca mo»e by¢ tak»e
spowodowana przej¦ciem roli w¦zªa zatokowo-przedsionkowego przez inne o±rodki pobudzenia
[24].
Detekcja arytmii polega na odszukaniu pewnej oczekiwanej sekwencji pobudze« oraz jej
pocz¡tku i ko«ca (czas trwania arytmii) [IV]. Jednym ze sposobów jest odszukiwanie zakresów
czasu trwania QRS skorelowanego z interwaªem RR [22]. Metoda ta nie jest jednak wystarczaj¡ca, poniewa» nie uwzgl¦dnia morfologii uderze«.
39
6
Automatyczna analiza nieprawidªowo±ci wyst¦puj¡cych
w sygnale EKG metoda autora
W kolejnych podsekcjach tego rozdziaªu zostan¡ opisane metody stosowane w niniejszej pracy.
Na ko«cu wszystkich podrozdziaªów zostaªy umieszczone pseudokody lub wzory realizuj¡ce
dane zagadnienie.
6.1 Jako±¢ sygnaªu
Rozpatrywane s¡ dwie pocz¡tkowe sekundy sygnaªu, w których zakªada si¦ wyst¦powanie co
najmniej jednego zespoªu QRS. Porównuje si¦ maksimum z ww. odcinka z najmniejszym z maksimów z kolejnych 250 ms na odcinku pocz¡tkowych dwóch sekund sygnaªu, gdzie zakªada si¦
wyst¡pienie co najmniej jednego odcinka nie zawieraj¡cego zespoªu QRS [5]. Porównanie to jest
okre±lane mianem obliczania stosunku sygnaªu do szumu.
signalMax = max( s i g n a l ( 1 : ( 2 ∗ f s ) ) ) ;
noiseMax = min ( local_max ( s i g n a l ( ( 2 ∗ f s + 1 ) : ( 2 ∗ f s+f l o o r ( f s / 4 ) ) ;
s i g n a l Q u a l i t y = signalMax / noiseMax ;
6.2 Filtracja
Eliminacja szumów jest zgodna z ltracj¡ stosowan¡ w metodzie Pana-Tompkinsa niwelowany jest wpªyw zaªamka T i faluj¡cej linii izoelektrycznej, usuwane s¡ zakªócenia spowodowane
dr»eniem mi¦±ni w zakresie 5-15 Hz oraz powstaj¡ce na skutek wpªywu sieci elektroenergetycznej w pa±mie 50/60 Hz. Realizacja ltru pasmowo-przepustowego jest dokonywana przez
poª¡czenie ltru dolnoprzepustowego oraz górnoprzepustowego, co zapisuje si¦ w dziedzinie
czasu dyskretnego [III]:
y(nT ) = 2y(nT − T ) − y(nT − 2T ) + x(nT ) − 2x(nT − 6T ) + x(nT − 12T )
(8)
y(nT ) = 32x(nT − 16T ) − [y(nT − T ) + x(nT ) − x(nT − 32T )]
(9)
T-okres próbkowania
6.3 O± elektryczna serca
Wykorzystano rozwi¡zanie polegaj¡ce na obliczaniu warto±ci pól pod zespoªami QRS (PQRS )
w staªym oknie czasowym centrowanym na zaªamku R w dwóch odprowadzeniach, co przedstawia si¦ nast¦puj¡co [21]:
Oś = arctan
40
PQRS I
PQRS II
(10)
Proponowana metoda jest maªo skomplikowana algorytmicznie i ªatwa obliczeniowo analizowane s¡ pola powierzchni pod zespoªami QRS odprowadze« I i II. Poniewa» odprowadzenia
te s¡ w przybli»eniu przestrzennie ortogonalne, arctangens stosunków zmierzonych powierzchni
daje w wyniku ±redni¡ o± elektryczn¡ serca. Otrzymane warto±ci s¡ dyskretne w czasie [21].
for i =1: length ( Rloc )
s t a r t R a n g e = Rloc ( i )− f l o o r ( window / 2 ) ;
endRange = Rloc ( i )+ f l o o r ( window / 2 ) ;
a r e a 1 ( i ) = sum ( signal1QRS ( s t a r t R a n g e : endRange ) ) ;
a r e a 2 ( i ) = sum ( signal2QRS ( s t a r t R a n g e : endRange ) ) ;
end
h e a r t A x i s = ( 1 8 0 / Π ) ∗ atan ( a r e a 1 . / a r e a 2 ) ;
6.4 Zaªamek P
Zaªamek P jest bardzo istotn¡ komponent¡ krzywej EKG, a sposób jego prawidªowej analizy
jest pilnie strze»on¡ tajemnic¡. Autor, w dost¦pnej mu literaturze, nie odnalazª dokªadnego
opisu stosowanych metod, dlatego proponuje wªasne rozwi¡zanie.
Analiza zmian zaªamka jest uzale»niona od prawidªowego okre±lenia jego punktu pocz¡tkowego i ko«cowego. Punkt ko«cowy zaªamka P jest wyznaczany wzgl¦dem zaªamka Q na
odcinku -0,2 s poszukiwano maksimum o najwy»szej warto±ci i klasykowano je jako maksimum
zaªamka P (Pmax ). Od tego punktu na odcinku -0,07 s poszukiwano minimum. Minimum posiadaj¡ce najmniejsz¡ warto±¢ amplitudy przyjmowano za punkt pocz¡tkowy (Pstart ). Nast¦pnie
przyst¡piono do sprawdzenia wyst¦powania ekstremów lokalnych na odcinku P-Q. Sªu»yªo to
skontrolowaniu poprawno±ci wcze±niej wyznaczonego punktu Pmax je±li maksimum o najwi¦kszej warto±ci nie pokrywaªo si¦ z wcze±niej wyznaczonym punktem, nast¦powaªa korekta
umiejscowienia Pmax . W kolejnym kroku poszukiwano minimów lokalnych na odcinku Pmax -Q.
Warto±ci bezwzgl¦dne wybranych amplitud sortowano w kolejno±ci od najwi¦kszej do najmniejszej. Zaªamek Q posiadaª najmniejsz¡ warto±¢ (ostatnia pozycja na li±cie), natomiast minimum
znajduj¡ce si¦ na przedostatniej pozycji uznawano za punkt ko«cowy zaªamka P (Pend ).
41
for i =1: length ( Rloc )
P_max( i ) = max( s i g n a l ( ( Rloc ( i )− f l o o r ( 0 . 2 ∗ f s ) ) : Rloc ( i ) ) ) ;
P_start ( i ) = min ( s i g n a l ( (P_max( i )− f l o o r ( 0 . 0 7 ∗ f s ) ) : P_max( i ) ) ) ;
localMax ( i ) = local_max ( periodPQ ) ;
i f localMax ( i ) ~= P_max( i )
c o r r e c t (P_max( i ) ) ;
end
l o c a l M i n ( i ) = local_min ( periodPQ ) ;
sLM( i ) = sort ( local_min , ' d e s c ' ) ;
P_end ( i ) = sLM( end − 1);
end
6.5 Odcinek PQ
Zaimplementowany algorytm analizuje dªugo±¢ odcinka Pstart -Q i ocenia czy zawiera si¦ on
w granicach (0,12 s - 0,2 s) oraz czy jest miarowy [18].
for i =1: length ( periodP_startQ )
i f 0 . 1 2 < periodP_startQ < 0 . 2
cadence ( i ) = 1 ;
else
cadence ( i ) = 0 ;
end
end
cad0 = c a d e n c e ( c a d e n c e = 0 ) ;
cad1 = c a d e n c e ( c a d e n c e = 1 ) ;
check = length ( cad1 ) / length ( cad0 ) ;
i f check < p a t t e r n
finalPQCadence = 0 ;
else
finalPQCadence = 1 ;
end
42
6.6 Zespóª QRS
W pracy zostaªa wykorzystana metoda oparta na algorytmie Pana-Tompkinsa. Przeprowadza si¦ ró»niczkowanie sygnaªu, sªu»¡ce wytªumieniu niskocz¦stotliwo±ciowych komponentów
(zaªamków P i T) i wzmocnieniu wysokocz¦stotliwo±ciowych, reprezentuj¡cych nachylenia zespoªów QRS [III]:
1
y(nT ) = [−x(nT − 2T ) − 2x(nT − T ) + 2x(nT + T ) + x(nT + 2T )]
(11)
8
Kolejnym krokiem jest pot¦gowanie sygnaªu w celu silniejszego wytªumienia zaªamków P
i T (posiadaj¡cych nisk¡ amplitud¦) oraz wzmocnienia próbek sygnaªu reprezentuj¡cych zespóª QRS (zaªamek R - wysoka amplituda). Ujemne zaªamki R (dla prawidªowej osi serca,
w odprowadzeniu aVR) s¡ uwzgl¦dniane w dalszej analizie.
y(nT ) = [x(nT )]2
(12)
Po wzmocnieniu cech nast¦puje caªkowanie sygnaªu w ruchomym prostok¡tnym oknie czasowym, co w efekcie prowadzi do uzyskania pojedynczej "fali" w obr¦bie zespoªu QRS. Tak
przygotowany sygnaª jest progowany w celu odci¦cia wyra¹nie wy»szych warto±ci symbolizuj¡cych poªo»enie zaªamków R.
Analiz¦ zmian zespoªów QRS opiera si¦ przede wszystkim o badanie wyekstrahowanych
z sygnaªu cech zaªamków R: amplituda, warto±¢ pola pod pikiem, wyst¡pienie dodatkowego
zaªamka.
signal1 = differentation ( signal0 );
signal2 = signal12
signal3 = integration ( signal2 );
signal4 = binarize ( signal3 );
Rloc = g e t R l o c ( s i g n a l 4 ) ;
[ Qloc , S l o c ] = g e t Q S l o c ( Rloc ) ;
6.7 Odcinek ST
Tak jak zostaªo to przyj¦te w nieskomplikowanych systemach, kilka warto±ci przyjmuje si¦
arbitralnie: poªo»enie punktu J zakªada si¦ w odlegªo±ci 45 ms od maksimum zaªamka R,
a punkt ST 60 ms pó¹niej. Pó¹niej nast¦puje stwierdzenie czy odcinek jest narastaj¡cy czy
opadaj¡cy oraz podaje si¦ informacj¦ o wielko±ci wyst¦puj¡cego nachylenia [22].
43
for i =1: length ( Rloc )
J l o c ( i ) = Rloc ( i ) + 0 . 0 4 5 ∗ f s ;
STloc ( i ) = J l o c ( i ) + 0 . 0 6 ∗ f s ;
d i f f e r e n c e ( i ) = s i g n a l ( J l o c ( i )) − s i g n a l ( STloc ( i ) ) ;
i f d i f f e r e n c e ( i ) >= 0
periodSlope ( i ) = 1;
else
p e r i o d S l o p e ( i ) = − 1;
end
end
6.8 Zaªamek T
Podobnie jak w przypadku zaªamka P, autor w dost¦pnej literaturze nie znalazª szczegóªowego
opisu metod wykorzystywanych do wyznaczania jego punktów charakterystycznych. Na potrzeby metody zaproponowanej przez autora zakªada si¦ istnienie tylko zaªamków T dodatnich.
Algorytm wyznaczaª odcinki Q-S, po czym eliminowaª je (zerowaª) z sygnaªu. Wszystkie warto±ci, które przyjmowaªy warto±ci ujemne byªy przenoszone na lini¦ zerow¡ (przypisywano im
warto±¢ 0) i tak wst¦pnie przygotowany sygnaª normalizowano. Korzystaj¡c z funkcji oferowanej przez ±rodowisko MATLAB ndpeaks z parametrami minpeakhigh = SignalT mpsr oraz
minpeakdistance = RsrLocDif f (SignalT mpsr okre±la ±redni¡ warto±¢ wspomnianego sygnaªu
bez odcinków Q-S; RsrLocDif f oznacza ±redni¡ odlegªo±¢ pomi¦dzy zaªamkami R) wyszukiwano zaªamek T. Je»eli zaªamek nie zostaª odnaleziony, byª on wstawiany sztucznie w poªowie
odlegªo±ci dziel¡cej dwa s¡siednie zaªamki R.
s i g n a l ( Q_loc : S_loc ) = 0 ;
s i g n a l ( s i g n a l <0) = 0 ;
Tloc = f i n d p e a k s ( s i g n a l , 'MINPEAKHIGH ' , mean ( s i g n a l ) , . . .
'MINPEAKDISTANCE ' , f l o o r ( mean ( d i f f ( Rloc ) ) ) ) ;
c o r r e c t ( Tloc ) ;
6.9 Odst¦p QT
Algorytm ocenia czy poszczególne odcinki QT s¡ niemiarowe oraz czy ich dªugo±¢ trwania
jest mniejsza od poªowy dªugo±ci interwaªu RR, co mo»e ±wiadczy¢ o powa»nych zaburzeniach
wyst¦puj¡cych w organizmie [18].
44
for i =1: length ( Qloc )
periodQT ( i ) = Tloc ( i )− Qloc ( i ) ;
i f perriodQT ( i ) < R R i n t e r v a l /2
warning = 1 ;
end
i f low < periodQT < h i g h
cadence ( i ) = 1 ;
else
cadence ( i ) = 0 ;
end
cad0 = c a d e n c e ( c a d e n c e = 0 ) ;
cad1 = c a d e n c e ( c a d e n c e = 1 ) ;
check = length ( cad1 ) / length ( cad0 ) ;
i f check < p a t t e r n
finalQTCadence = 0 ;
else
finalQTCadence = 1 ;
end
end
6.10 Cz¦sto±¢ akcji serca
Program wylicza cz¦sto±¢ akcji serca (f) na podstawie istniej¡cych zespoªów QRS (Rpeaks ) w sygnale oraz czasu trwania badania (t). Jest ilorazem ilo±ci uderze« serca na jednostk¦ czasu [22]:
Rpeaks
t
Nast¦pnie uzyskane warto±ci s¡ porównywane z przyj¦tymi normami [18].
f=
(13)
f = length ( R_peaks ( 1 : ( 6 0 ∗ f s ) ) ) ;
6.11 Rytm
Ocenie podlegaªa ilo±¢ interwaªów RR speªniaj¡cych warunek wyst¦powania po sobie kolejnych
interwaªów w oczekiwanej odlegªo±ci czasowej do ilo±ci interwaªów wykazuj¡cych odchylenia od
przyj¦tej normy [22].
p u l s e = length ( g o o d R R i n t e r v a l s ) / length ( b a d R R i n t e r v a l s ) ;
45
6.12 Klasykacja uderze«
Wykorzystano powszechnie stosowan¡ metod¦ wyznaczania dªugo±ci caªego zespoªu QRS. Na
potrzeby pracy przyj¦to, »e zespoªy o dªugo±ci mniejszej ni» 100 ms odzwierciedlaj¡ uderzenia
nadkomorowe, a dªu»sze ni» 130 ms komorowe [5].
for i =1: length ( QRSloc )
i f QRSlen ( i ) < 0 . 0 1
QRStype ( i ) = ' sv ' ;
e l s e i f QRSlen ( i ) > 0 . 0 1 3
QRStype ( i ) = ' v ' ;
end
end
6.13 Detekcja arytmii
Zaimplementowana w pracy metoda oparta jest na analizie czasu trwania zespoªów QRS, morfologii i interwaªu mi¦dzyuderzeniowego [28]. Jest to proste rozwi¡zanie, jednak»e wystarcza do
wykrywania kilku podstawowych arytmii:
• tachykardia komorowa,
• tachykardia nadkomorowa,
• bradykardia zatokowa,
• pauza,
• para,
• bigeminia,
• trigeminia.
Pola tablicy zespoªów QRS, zawieraj¡cych dane o interwale RR oraz morfologii s¡ kilkukrotnie przeszukiwane: za pierwszym razem wykrywane s¡ arytmie pierwszego rodzaju, za drugim
- arytmie drugiego rodzaju, a za trzecim - arytmie trzeciego rodzaju.
for i =1: length ( QRSloc )
v1 ( i ) = checkQRSlen ( QRSloc ( i ) ) ;
v2 ( i ) = c h e c k R R i n t e r v a l s ( QRSloc ( i ) ) ;
v3 ( i ) = checkQRStype ( QRSloc ( i ) ) ;
end
r e s u l t = checkArythmia ( v1 , v2 , v3 ) ;
46
7
Testowanie programu
Testowanie programu to aktywno±¢ podstawowa i bardzo wa»ne jest, aby byªo przeprowadzone
na mo»liwie najwi¦kszej ilo±ci próbek, w tym przypadku sygnaªów EKG.
7.1 Baza sygnaªów elektrokardiogracznych
Wszystkie sygnaªy, na których przeprowadzono testy, pobierane byªy z ogólnodost¦pnej bazy
danych PhysioBank Database Archive Index (PhysioNet).
Zgromadzone tam dane s¡ udost¦pniane nieodpªatnie. U»ywaj¡c PhysioBank Automated
Teller Machine (PhysioBank ATM) mo»na pobra¢ sygnaªy EKG o okre±lonej dªugo±ci: 10sekundowe, 1-minutowe, 1-godzinne, 12-godzinne oraz peªne zapisy (o ró»nym czasie trwania).
Sygnaªy w formacie CSV, u»ywane w pracy, pobierane byªy bezpo±rednio przy u»yciu WaveForm DataBase (WFDB). Chc¡c pobra¢ plik o mgh003.csv mo»na ustawi¢ parametry zapisane
poni»ej:
rdsamp -r mghdb/mgh015 -c -H -f 0 -v -Ps > mgh015.csv
lub po±rednio poprzez interfejs przegl¡darki internetowej (ograniczenie czasu trwania sygnaªu do 1 minuty).
Analizowane pliki zawieraªy informacj¦ o czasie trwania badania [s], o warto±ciach odprowadze« I oraz II [mV], a tak»e dane, które nie byªy wykorzystywane (np. inne odprowadzenia).
7.2 Test poprawno±ci wyszukiwania zaªamka R
Testowanie poprawno±ci zostaªo wykonane poprzez porównanie poªo»enia zaªamków R z poªo»eniem wzorcowym udost¦pnionym w bazie PhysioNet ATM MGHDB. Uzyskano poprawno±¢
rz¦du 98%, co jest bardzo dobrym wynikiem (np. na 96 zaªamków poprawnie zostaªo wykrytych
95), tym bardziej, »e od poprawnego wykrycia zaªamka R uzale»nione jest caªy dalszy proces
analizy sygnaªu.
47
8
Opis programu komputerowego
Program zostaª napisany w ±rodowisku Matlab, a dla wygody u»ytkownika stworzone zostaªo
Graphical User Intarface (GUI) w GUIDE.
Program ma budow¦ modularn¡ przygotowane funkcje zostaªy napisane niezale»nie od
GUI. Odpowiednie akcje powi¡zane z interfejsem gracznym wywoªuj¡ funkcje i zbieraj¡ warto±ci zwracane. Niektóre zmienne zostaªy oznaczone jako globalne, aby ªatwiejszym byªo odwoªywanie si¦ do nich w poszczególnych cz¦±ciach programu. Funkcje zostaªy napisane zgodnie
z konwencj¡ Pomocy programu Matlab, »eby ich opis byª dost¦pny w dokumentacji.
Sygnaª, który zostaª wykorzystany do przedstawienia dziaªania programu pochodzi z bazy
sygnaªów EKG PhysioBank.
8.1 Przykªad zastosowania programu do analizy sygnaªu
Po uruchomieniu programu pojawia si¦ okno, przedstawione na Rysunku 21
Rysunek 21: Wygl¡d okna startowego.
Po lewej stronie okna w bloku "Parametry" znajduj¡ cztery sekcje:
• Dane pacjenta
Po klikni¦ciu przycisku Wpisz otwiera si¦ nowe okno, w którym mo»na wpisa¢ podstawowe dane: imi¦ lub imiona, nazwisko, uwagi oraz numer PESEL, na podstawie którego
automatycznie nast¦puje wyliczenie faktycznego wieku, daty urodzenia i pªci. Przycisk
Zapisz powoduje zapisanie danych do pami¦ci oraz przekazanie ich do startowego okna
programu, gdzie s¡ wy±wietlane. Przycisk Anuluj powoduje zamkni¦cie okna Panelu Edy-
cji Danych Pacjenta.
Podawanie danych nie jest wymagane. W tym przypadku warto±ci okre±laj¡ce zakresy
norm dla poszczególnych elementów krzywej odpowiadaj¡ normom dla dorosªego m¦»czyzny.
48
Rysunek 22: Panel edycji danych pacjenta.
Wprowadzane dane s¡ walidowane. Przewidziano mo»liwo±¢ pomyªki w trakcie ich wpisywania, dlatego nast¦puje automatyczna zamiana pierwszych liter imienia i nazwiska
na wielkie, je»eli te byªy wpisane jako maªe. Komunikat bª¦du jest wy±wietlany w przypadku u»ycia innych znaków ni» litery. Sprawdzane jest czy wpisany numer PESEL ma
odpowiedni¡ ilo±¢ znaków, czy zªo»ony jest z samych cyfr, czy taki istnieje. Je»eli które± z powy»szych kryteriów nie zostanie speªnione, u»ytkownik jest proszony o ponowne
podanie poprawnych danych.
• O± elektryczna serca
U»ytkownik dokonuje wyboru jednej z czterech dost¦pnych opcji okre±laj¡cych "prawidªowy zakres normy". Mo»liwe jest równie» wpisanie wªasnego przedziaªu - warto±¢ minimalna osi w polu Od, a warto±¢ maksymalna w kratce Do. Wybrany zakres normy jest
przekazywany do programu jako zmienna. Wyliczona na podstawie dziaªaj¡cego algorytmu rzeczywista warto±¢ osi powinna mie±ci¢ si¦ w zakresie [Od ; Do ] i jest oznaczana jako
prawidªowa, w przeciwnym razie jako nieprawidªowa.
• Wzorzec nieprawidªowo±ci
Klikni¦cie przycisku powoduje otwarcie nowego okna zawieraj¡cego obraz wzorcowych
nieprawidªowo±ci. Wszystkie pojawiaj¡ce si¦ tutaj wzorce zostaªy opisane w Rozdziale
5.3: zaªamek P, odcinek PQ, zespóª QRS, odcinek ST, zaªamek T lub odst¦p QT.
• Wczytaj plik
Wci±ni¦cie przycisku powoduje otwarcie okna, w którym uzyskujemy mo»liwo±¢ wybrania
z dowolnego miejsca na dysku pliku z rozszerzeniem .csv zawieraj¡cego zapis sygnaªu
EKG, który chcemy analizowa¢. Nad wczytanym i wy±wietlanym w oknie gªównym wykresem wypisana jest jego nazwa.
49
Rysunek 23: Wybór sygnaªu do analizy.
Po prawej stronie w bloku znajduj¡ si¦ cztery sekcje i dwa przyciski:
• Dane pacjenta
W tej cz¦±ci wy±wietlane s¡ dane wpisywane w wy»ej opisanym Panelu Edycji Danych
Pacjenta.
• O± elektryczna i cz¦sto±¢ akcji serca
Po dokonaniu odpowiednich operacji analizy sygnaªu EKG, wy±wietlane s¡ informacje
o zakresie, w jakim mie±ci si¦ o± elektryczna. Algorytm sprawdza czy wyliczona warto±¢
zawiera si¦ w zdeniowanym zakresie, a je±li tak, to w polu pojawia si¦ sªowo prawidªowa
w kolorze zielonym w przeciwnym razie sªowo nieprawidªowa w kolorze czerwonym.
Pod t¡ informacj¡ pojawia wiadomo±¢ o cz¦sto±ci akcji serca
• Wpisz diagnoz¦
Jest to pole edytowalne, w którym mo»liwe jest wpisywanie tekstu.
• Przycisk Zapisz
B¦dzie umo»liwiaª zapisanie wyników do pliku .mcz w wybranej przez U»ytkownika lokalizacji.
• Przycisk Drukuj
B¦dzie wywoªywaª polecenie drukowania wyników
• Wykresy
W zakªadce Narz¦dzia, po wybraniu polecenia Ustawienia, u»ytkownik decyduje czy wy±wietla¢ efekty dziaªania algorytmu (aktywne pole Rysuj wykresy ) oraz deniuje zakres
normy interwaªów RR i kryterium ilo±ci wymaganego odsetku interwaªów RR speªniaj¡cych warunek, aby mo»na byªo uzna¢ sygnaª za prawidªowy pod k¡tem interwaªów RR.
50
Rysunek 24: Narz¦dzia : Ustawienia.
Operacje wst¦pnego przetwarzania sygnaªu:
• U±rednienie i normalizacja sygnaªu nast¦puje po wyborze Sygnaª: Preprocessing: U±rednij
i normalizuj
Rysunek 25: Sygnaª po operacji u±rednienia i normalizacji.
• U»ytkownik mo»e zapozna¢ si¦ z dziaªaniem ltru dolno- i górnoprzepustowego wybieraj¡c
odpowiednio Sygnaª: Preprocessing: Filtr dolnoprzepustowy i Sygnaª: Preprocessing: Filtr
górnoprzepustowy
51
Rysunek 26: Zastosowanie ltru dolnoprzepustowego.
Rysunek 27: Zastosowanie ltru górnoprzepustowego.
• Wyliczenie pochodnej nast¦puje po wybraniu polecenia: Sygnaª: Wylicz zaªamki: Oblicz
pochodn¡
Rysunek 28: Operacja wyliczania pochodnej.
52
• Pot¦gowanie sygnaªu ma miejsce po klikni¦ciu Sygnaª: Wylicz zaªamki: Podnie± warto±ci
do kwadratu
Rysunek 29: Operacja podnoszenia warto±ci sygnaªu do drugiej pot¦gi.
• Caªkowanie sygnaªu jest mo»liwe po wybraniu Sygnaª: Wylicz zaªamki: Caªkowanie
Rysunek 30: Operacja caªkowania sygnaªu.
53
• Progowanie jest operacj¡, która jest uruchamiana w zakªadce Sygnaª: Wylicz zaªamki:
Proguj
Rysunek 31: Progowanie sygnaªu.
Opisane operacje nie musz¡ by¢ wykonywane pojedynczo wystarczy wybra¢ Sygnaª: Pre-
processing: Wykonaj wszystko, aby przeprowadzi¢ w jednym kroku u±rednienie i normalizacj¦
sygnaªu oraz odci¦cie warto±ci o okre±lonych cz¦stotliwo±ciach za pomoc¡ ltrów dolno- i górnoprzepustowego. Inne polecenie Sygnaª: Wylicz zaªamki: Wykonaj wszystko pozwala na wyliczenie pochodnej oraz pot¦gowanie, caªkowania i progowanie sygnaªu, a tak»e okre±lenie poªo»enia
poszczególnych zaªamków.
W celu uzyskania poszczególnych informacji o sygnale wybieramy polecenia:
• Okre±lenie jako±ci sygnaªu
Sygnaª : Jako±¢ sygnaªu.
Rysunek 32: Jako±¢ sygnaªu.
54
• Wyliczenie poªo»enia zaªamków
Sygnaª: Wylicz zaªamki: Oblicz poªo»enia zaªamków.
Rysunek 33: Lokalizacja zaªamków.
• Analiza interwaªów RR
Sygnaª: Wylicz zaªamki: Oblicz interwaªy RR.
Rysunek 34: Obliczanie odlegªo±ci pomi¦dzy s¡siednimi zaªamkami R.
55
• Klasykacja zespoªów QRS
Statystyki i wykresy: Klasykacja zespoªów QRS.
Rysunek 35: Sklasykowane zespoªy QRS.
• Statystyki czasowe sygnaªu
Statystyki i wykresy: Parametry czasowe sygnaªu.
Rysunek 36: Informacje na temat ilo±ci próbek sygnaªu, czasu trwania sygnaªu, warto±ci minimalnej, ±redniej i maksymalnej amplitudy.
56
• Statystyki czasowe odlegªo±ci pomi¦dzy kolejnymi zaªamkami R.
Statystyki i wykresy: Parametry czasowe interwaªów RR.
Rysunek 37: Przykªadowe statystyki czasowe interwaªów RR.
• Cz¦sto±¢ akcji serca
Statystyki i wykresy: Cz¦sto±¢ akcji serca.
Rysunek 38: Okno zawieraj¡ce informacj¦ o cz¦sto±ci akcji serca [1/min] oraz o miarowo±ci
rytmu.
57
• Ocena miarowo±ci odcinka PQ
Statystyki i wykresy: Miarowo±¢ PQ.
Rysunek 39: Okno zawieraj¡ce informacj¦ o miarowo±ci wyst¦powania odcinka PQ.
• O± elektryczna serca
Statystyki i wykresy: O± elektryczna serca.
Rysunek 40: Wykres przedstawiaj¡cy zmiany poªo»enia osi elektrycznej serca.
Rysunek 41: Komunikat wy±wietlany równocze±nie z 40.
58
• Nieprawidªowe interwaªy RR
Wybór polecenia Statystyki i wykresy: Nieprawidªowe interwaªy RR skutkuje wy±wietleniem trzech poni»ej przedstawionych okien:
Rysunek 42: Wykryty zbyt dªugi interwaª RR.
Rysunek 43: Wykryty zbyt krótki interwaª RR.
59
Rysunek 44: Podsumowanie wykrycia patologicznych interwaªów RR.
• Czas trwania zaªamka P
Statystyki i wykresy: Parametry zaªamka P
Rysunek 45: Parametry czasowe zaªamka P.
• Czas trwania zespoªów QRS
Statystyki i wykresy: Parametry zespoªu QRS
Rysunek 46: Parametry czasowe zespoªów QRS.
60
• Analiza odcinka ST
Statystyki i wykresy: Analiza ST
Rysunek 47: Parametry odcinka ST.
• Detekcja arytmii
Arytmie: Detekcja, Arytmie: Poka» na wykresie
Rysunek 48: Wykres przedstawiaj¡cy rodzaje wykrytych arytmii w zadanym sygnale EKG.
61
9
Podsumowanie
Praca zostaªa wykonana z wykorzystaniem Infrastruktury PL-Grid i pozwala na przeprowadzenie kompleksowej analizy sygnaªu pod k¡tem wykrycia wyst¦puj¡cych nieprawidªowo±ci w nim
ewentualnych. Jego obsªuga dzi¦ki nieskomplikowanemu GUI jest ªatwa i intuicyjna. Wszystkie
narz¦dzia, wykresy i statystyki s¡ dost¦pne z jednego menu, aby u»ytkownik nie musiaª szuka¢
ich w wielu zdeniowanych miejscach. Wyniki analizy sygnaªu s¡ ªatwe do interpretacji i b¦d¡
pomocne w okre±laniu nieprawidªowo±ci badanego sygnaªu EKG.
Przygotowany program jest dedykowany dla osób ucz¡cych si¦. U»ytkownik dzi¦ki mo»liwo±ci r¦cznego uruchamiania kolejnych etapów przetwarzania i analizowania sygnaªu mo»e np.
zapozna¢ si¦ z efektem dziaªania ltrów. Pozostawia mu si¦ decyzj¦ o wpisywaniu podstawowych danych pacjenta. Wyrabia to u osoby obsªuguj¡cej program ±wiadomo±¢, »e nawet od
tak prostej decyzji wiele zale»y. Wiele programów dedykowanych analizie danych uwzgl¦dnia
wiek i pªe¢ osoby badanej, wi¦c nie podanie tych informacji skutkuje przeprowadzeniem analizy
sygnaªu z uwzgl¦dnieniem pewnych norm tutaj obowi¡zuj¡cych dla dorosªego m¦»czyzny.
Drug¡ grup¦ odbiorców mog¡ stanowi¢ osoby zajmuj¡ce si¦ na co dzie« analiz¡ sygnaªów
EKG. Ten program mo»e by¢ im pomocny, poniewa» w efekcie jego dziaªania uzyskuje si¦
informacje umo»liwiaj¡ce postawienie diagnozy lub sªu»¡ce kontrolowaniu post¦pów w terapii.
Program umo»liwia wczytanie plików w formacie CSV, zawieraj¡cych skwantowane w czasie
warto±ci z odprowadze« EKG (przykªadowe pliki s¡ do pobrania z bazy danych PhysioBank).
Po wczytaniu jest mo»liwe sprawdzenie jako±ci sygnaªu na podstawie porównania opisanego
w [25]. Kontynuacj¡ preprocessingu dla wczytanego sygnaªu jest jego ltracja. Filtry dolnooraz górnoprzepustowe pozwalaj¡ na usuni¦cie szumów pozakardiogennych. Po kolejnych fazach zgodnych z algorytmem Pana-Tompkinsa dokonywana jest detekcja poªo»enia zaªamków
R, a na tej podstawie zaªamków Q oraz S. Maj¡c ustalone poªo»enie zaªamków wchodz¡cych
w skªad zespoªu QRS mo»liwe jest wykrycie poªo»enia innych zaªamków (P, wraz z okre±leniem
jego punktu pocz¡tkowego i ko«cowego oraz zaªamka T). Metoda detekcji tych dwóch elementów zostaªa opracowana przez autora, ró»ni si¦ od tych, które byªy opisywane w dost¦pnej mu
literaturze. Sygnaª mo»na powi¡za¢ z pacjentem na podstawie wpisanych przez niego danych
osobowych. Dane te maj¡ wpªyw na porównania wyników testów poprawno±ci sygnaªu zale»nych np. od wieku i pªci. Testy obejmuj¡ poprawno±¢ zakresu warto±ci osi elektrycznej serca,
cz¦sto±ci akcji serca, miarowo±ci odcinka PQ, nieprawidªowo±ci (zbyt dªugich lub zbyt krótkich)
interwaªów RR, parametrów zaªamka P, czasu trwania zespoªów QRS oraz analizy zaªamka ST.
Innymi parametrami mo»liwymi do sprawdzenia w programie s¡ klasykacja zespoªów QRS, detekcja kilku rodzajów arytmii oraz sprawdzenie parametrów czasowych sygnaªu i analiza HRV
w dziedzinie czasu.
W przyszªo±ci planowane jest udoskonalenie programu i uzupeªnienie go o kolejne elementy.
Jak zostaªo wykazane w rozdziale 4 wiele parametrów zale»y od wieku i pªci. Nale»y bardziej
szczegóªowo rozpatrywa¢ grupy wiekowe - wszystkie warto±ci referencyjne, na których bazuje
62
wiele prac nale»y zwerykowa¢. Nie mo»na wykluczy¢, »e rejestratory biopotencjaªów stosowane
obecnie ró»ni¡ si¦ od stosowanych kilkana±cie lat temu, kiedy to opracowano zestawienie, na
którym bazuje si¦ po dzie« dzisiejszy. Koniecznym jest podzielenie grup wiekowych 0-8 lat oraz
>16 lat na kilka mniejszych, co b¦dzie wymagaªo przeprowadzenia osobnych bada«.
Nie istnieje metoda wykrywaj¡ca w 100% poprawnie poªo»enie zespoªów QRS, wi¦c du»y
nacisk zostanie poªo»ony na jej udoskonalenie. Innym mo»liwym kierunkiem rozwoju pracy jest
skupienie si¦ na wykrywaniu punktów pocz¡tkowych i ko«cowych poszczególnych zaªamków,
a w pierwszej kolejno±ci planowane jest rozwini¦cie programu poprzez opracowanie algorytmu
badaj¡cego ksztaªt zaªamka P, poniewa» na tej podstawie mo»na wnioskowa¢ m. in. o tocz¡cym
si¦ procesie chorobowym (Rysunek 13, Rysunek 14).
Jeszcze jednym, nie mniej wa»nym aspektem jest ulepszenie funkcji wykrywaj¡cej zaªamki
T (wprowadzona b¦dzie ocena ksztaªtu zaªamka i warto±¢ jego amplitudy). Wyznaczenie pocz¡tku i ko«ca tego zaªamka umo»liwi analiz¦ odst¦pu QT oraz odcinka ST z uwzgl¦dnieniem
zmienno±ci rytmu serca (HRV).
Ostatecznym celem jest przystosowanie programu do dziedziny nauki jak¡ jest telemedycyna
i dopisanie klienta dla urz¡dze« mobilnych (wearable computers).
63
Literatura
[1] red. B. Wojtyniak, P. Gory«ski, B. Moskalowicz: Sytuacja zdrowotna ludno±ci
Polski, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego - Pa«stwowy Zakªad Higieny,
Warszawa 2012
[2] G. G. Matthews, Neurobiologia od cz¡steczek do ukªadów, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1998
[3] J. Koolman, K. H. Roehm, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thiemme,
New York 2005
[4] D. L. Nelson, M. M. Cox, Principles of Biochemistry, 5th edition, W.H.Freeman
& Company, New York 2008
[5] P. Augustyniak, Przetwarzanie sygnaªów elektrodiagnostycznych, Uczelniane
Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2001
[6] W. Z. Traczyk, Fizjologia czªowieka w zarysie, Wyd. VIII, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2010
[7] J. M. Berg, L. Stryer, J. L. Tymoczko, Biochemia, Wyd. IV, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
[8] T. B. Garcia, N. E. Holtz, EKG: sztuka interpretacji, MediPage, Warszawa 2007
[9] P. Abrahams, Atlas anatomii. Ciaªo czªowieka: budowa i funkcjonowanie, ‘wiat
Ksi¡»ki, Warszawa 2003
[10] J. R. Hampton, EKG to proste, Wyd. I polskie, Elsevier Urban & partner, Wrocªaw 2009
[11] Red. A. Siela«czyk, A. Siero«, Elektrogramy serca, ‘l¡ska Akademia Medyczna,
Katowice 2001
[12] P. Augustyniak, Adaptacyjna rozproszona interpretacja elektrokardiogramu,
Akademicka Ocyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2012
[13] A. R. Houghton, D. Gray, EKG - jasno i zrozumiale, Wyd. III, α-medica press,
Bielsko-Biaªa 2010
[14] S. A. Jones, ECG Notes. Interpretation and Management Guide, F.A.Davis Company, Philadephia 2005
[15] P. Gawro«ski, K. Saeed, K. Kuªakowski, Early Warning of Cardiac Problems in
a Crowd, Lect. Notes on Articial Intelligence 6071 (2010), 220-228
64
[16] M. Czuchry, Metody ekstrakcji sygnaªu oddechowego z elektrokardiogramu, praca
magisterska, WEAIiE AGH, Kraków 2012
[17] T. Tomasik, A. Windak, A. Skalska, J. Kulczycka-›yczkowska, J. Kocemba, Elektrokardiograa dla lekarza praktyka, Uniwersyteckie Wydawnictwo Medyczne
"Vesalius", Kraków 1998
[18] P. Rijnbeek, M. Witsenburg, E. Schrama i wsp.: New normal limits for the paediatric electrocardiogram. Eur. Heart J. 2001; 22, 702711
[19] P. Augustyniak, Adaptacyjna dyskretna reprezentacja elektrokardiogramu,
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003
[20] A. Szczepa«±ki, K. Saeed, A. Ferscha, A New Method for ECG Signal Feature
Extraction, Computer Vision and Graphics, Lecture Notes in Computer Science
Volume 6375, 2010, pp 334-341
[21] S. Sajja, D. V. S. Pallavi, V. Chaurey, Ch. Gangwar, A Study on deriving Respiratory Signals from ECG, Apollo: The International Magazine Of Art And
Antiques, Issue: 200101029. 2004:132
[22] P. Augustyniak, Elektrokardiograa dla InformatykaPraktyka, Wydawnictwo
Studenckiego Towarzystwa Naukowego, Kraków 2011
[23] A. Szczepa«ski, K. Saeed, A. Riener, A. Ferscha, Wearable Computers: A Study
on ECG Signal Changes During Everyday Activities, Published in: Biometrics
and Kansei Engineering (ICBAKE), 2011 International Conference on
[24] A. Cie±li«ski, J. Dubiel, L. Giec: Kardiologia, wyd. 2, Wydawnictwo Lekarskie
PZWL, Warszawa 2005
[25] praca zbiorowa: Encyklopedia PWN, wyd. 36, uaktualnione, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2011
[26] V. Corazza, R. Daimler, A. Ernst, K. Federspiel, V. Herbst, K. Langbein, H.
P. Martin, H. Weiss: Podr¦czna encyklopedia zdrowia. Dolegliwo±ci i objawy.
Choroby. Badania i leczenie. Jak sobie pomóc, Zysk i S-ka Wydawnictwo s. j.,
Pozna« 2002
[27] P. Wang, N. Mark Estes III: Supraventricular Tachycardia, Circulation. Journal
of the American Heart Association, 200; 106, 206-208
65
[28] S. Gradl, P. Krugler, C. Lohmuller, B. Eskoer, Real-time ECG monitoring and
arrythmia detection using Android-based mobile devices, Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the
IEEE (2012), 2452-2455
Strony internetowe:
I www.nobelprize.org
II www.slownikmedyczny.edu.pl
III home.agh.edu.pl/pieciak
IV www.kardiolo.pl
66