Автореферат (Реконструкция эквивалентных электрических источников сердца по выделенным высокочастотным низкоамплитудным составляющим кардиосигналов)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Радиотехнические методы анализа сигналов с цельювыделения полезной информации находят широкое применение в различных областях жизни человека. Одним из таких важных направлений является применениерадиотехнических методов в медицине, в частности, в электрокардиографии (ЭКГ). ЭКГ методы обследования просты, надежны и безопасны. С моментазарождения и до сегодняшнего времени они совершенствуются и развиваются.Однако подавляющее большинство методик, широко внедренных в клиническуюпрактику, основано только на анализе электрокардиографических сигналов (ЭКС),т.е. на эмпирическом анализе распределений потенциалов, являющихся интегральными характеристиками электрической активности сердца.Сегодня в России и за рубежом активно развиваются алгоритмы решенияобратной задачи ЭКГ – определения характеристик эквивалентного электрического генератора сердца (ЭГС) по электрическим потенциалам, измеренным на поверхности грудной клетки.

Такой подход позволяет перейти от анализа электрических потенциалов на поверхности грудной клетки непосредственно к анализу характеристик ЭГС, и призван повысить чувствительность ЭКГ диагностики, особенно, на ранних стадиях нарушения электрической деятельности сердца. Обратная задача ЭКГ является обратной задачей электродинамики квазистационарныхтоков (труды Л.

И. Титомира). При этом ЭГС определяют, как правило, в одной изследующих форм:– в виде распределений электрического потенциала, плотности электрическихисточников или ансамбля точечных источников на поверхности сердца, при этомсамуповерхность(Л. А. Бокерия,определяютА. Ш. Ревишвили,другимиинструментальнымиВ. В. Калининидр.;методамиО. Н.

Бодин,А. В. Кузьмин, Н. Ю. Митрохина и др.; D. Farina, O. Skipa, О. Dössel и др.; B. He,D. Wu, G. Li и др.; C. Ramanathan, R. N. Ghanem , Р Jia. и др.; T. Berger, G. Fisher,B. Pfeifer и др.);– в виде точечного дипольного источника: определяются величина и ориентация дипольного момента (E. Frank, Л. И. Титомир, П. Кнеппо), а также может3определятьсяипространственноеположениеисточника(Л. И. Титомир,П.

Кнеппо и др.; В. В. Лебедев, М. Н. Крамм, Д. С. Винокуров, Н. О. Стрелков идр.; C. G. Xanthis, P. M. Bonovas, G. A. Kyriacou; Y. Fukuoka, T. F. Oostendorp,D. A. Sherman, A. A. Armoundas; D. Gabor, C. V. Nelson).В настоящей работе для реконструкции выбран второй тип ЭГС, т.к. поле диполя, расположенного в грудной клетке хорошо аппроксимирует поле сердца, дляопределения пространственного положения такого ЭГC не требуются дополнительные инструментальные методы, к тому же, на кафедре основ радиотехникиНИУ «МЭИ» накоплен богатый опыт реконструкции характеристик эквивалентного дипольного источника сердца по электрическим потенциалам, измеренным наповерхности грудной клетки (В.

В. Лебедев, М. Н. Крамм, Д. С. Винокуров,Н. О. Стрелков и др.).На современном уровне развития технических и вычислительных средствстало возможным получение ЭКС при малом уровне шумов. Это обстоятельствоиспользовано в новейших методах электрокардиографии, работающих с высокочастотными низкоамплитудными (ВЧ НА) составляющими ЭКС и относящимся кметодам ранней диагностики нарушения сердечной деятельности (Г. Г. Иванов,С.

В. Грачев, А. Л. Сыркин и др.; А. С. Сула, Г. В. Рябыкина, В. Г. Гришин и др.;К. В. Зайченко, Т. В. Сергеев, М. М. Галагудза и др.; М. В. Simson и др.;G. Breithardt и др.; J. A. Gomes, M. Martinson и др.). При этом анализируются временные зависимости ВЧ НА составляющих ЭКС или их спектры, поскольку именно ВЧ НА составляющие содержат информацию о наличии областей миокарда снарушением проведения возбуждения (патологии). В настоящей работе предложено перейти от анализа ЭКС к анализу характеристик ЭГС, реконструированных поЭКС и по их ВЧ НА составляющим, что позволит более полно использовать информацию сигналов многоэлектродных ЭКГ-систем и способствовать повышениюэффективности ЭКГ-обследований.Актуальность темы настоящей работы состоит в получении дополнительной информации для ранней диагностики нарушений проведения возбуждения в миокарде путем решения обратной задачи ЭКГ – реконструкции харак4теристик ЭГС по ЭКС и их ВЧ НА составляющим.

Комплексный анализ результатов реконструкции призван учесть индивидуальные особенности работысердца человека (содержатся в результатах реконструкции характеристик ЭГС поЭКС), а также получить дополнительную информацию о возможном присутствии ранних патологических изменений миокарда (содержится в результатахреконструкции характеристик ЭГС по ВЧ НА составляющим ЭКС).Целью работы является разработка и анализ алгоритмов реконструкции ЭГСпо ЭКС и их ВЧ НА составляющим многоэлектродной ЭКГ-системы для получения информации о возможном наличии ранних патологических изменений в миокарде. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:1.

Разработать алгоритм выделения ВЧ НА составляющих ЭКС 17-и электродной ЭКГ-системы.2. Провести реконструкцию ЭГС по ЭКС и их ВЧ НА составляющим.3. Провести анализ результатов реконструкции и определить информативныепараметры для количественной оценки и сравнения результатов реконструкции.4. Сформировать базу испытательных ЭКС с помощью модели генераторасердца с заведомо известными характеристиками: размером сердца, расположением в грудной клетке, отсутствием или наличием патологических изменений.5. Провести исследование информативных параметров, полученных по результатам реконструкции по моделированным ЭКС и их ВЧ НА составляющим,определить наиболее чувствительные к патологическим изменениям миокарда.6. Разработать методику определения наличия патологических изменениймиокарда по результатам анализа информативных параметров.7.

Провести апробацию разработанной методики на результатах реконструкции характеристик ЭГС по ЭКС с известным диагнозом.Методы исследования. Первичная обработка сигналов проводилась с привлечением методов цифровой фильтрации, спектрального и корреляционного анализов сигналов. При математическом описании электрического поля сердца использованы уравнения электродинамики квазистационарных токов в проводящейсреде.

При решении обратной задачи ЭКГ использованы методы нелинейной оп5тимизации для целевых функций нескольких переменных, а также теория решениянекорректных задач. Исследование работоспособности алгоритмов осуществлялось методами имитационного моделирования автоволн в активных средах с использованием теории клеточных автоматов.Научная новизна работы1.

При реконструкции характеристик ЭГС на этапе предварительной обработки ЭКС предложены алгоритм фильтрации сетевой помехи путем определения еепараметров, моделирования сигнала сетевой помехи и вычитания его из ЭКС и алгоритм автоматической отбраковки нетипичных кардиоциклов (КЦ), основанныйна взаимном корреляционном анализе КЦ.2. Разработана динамическая модель объемного электрического генераторасердца на базе клеточных автоматов (КА) для расчета испытательных ЭКС различных систем ЭКГ-отведений, в том числе и при патологических измененияхмиокарда, связанных с замедлением или полной блокировкой проведения возбуждения.3. Предложены информативные параметры, определяемые по результатам реконструкции ЭГС по ЭКС 17-и электродной ЭКГ-системы и их ВЧ НА составляющим, наиболее чувствительные к патологии миокарда.4. Предложена методика установления наличия патологии в миокарде на основе анализа значений информативных параметров, определяемых по результатамреконструкции.Практическая полезность работы1.

Предложенная модификация алгоритма реконструкции ЭГС, включающаяпредварительную обработку ЭКС с целью фильтрации помех, отбраковки нетипичных КЦ, накопления КЦ и выделения ВЧ НА составляющих, позволяет проводить реконструкцию характеристик ЭГС как по самим ЭКС, так и по их ВЧ НАсоставляющим.2. Разработанная программная реализация модели генератора сердца позволяет составить банк испытательных ЭКС при различном положении сердца в грудной клетке, а также содержащих информацию о наличии областей с замедленным6проведением возбуждения или полностью непроводящих областей (или их комбинации), расположенных в любой области миокарда и имеющих любую форму иразмер.3.

Составленный банк моделированных испытательных ЭКС в норме и приналичии различных патологий может быть использован для апробации алгоритмовобработки ЭКС с целью выделения информации о ранних патологических изменениях миокарда.4. Разработанная методика определения патологии миокарда на основе анализа значений информативных параметров, определяемых по результатам реконструкции, позволит повысить надежность ранней ЭКГ диагностики.Основные научные положения работы, выносимые на защиту:1.

Алгоритм предварительной обработки ЭКС с целью фильтрации помех, отбраковки нетипичных КЦ, накопления КЦ и выделения ВЧ НА составляющихЭКС.2. Алгоритм моделирования испытательных ЭКС в состоянии нормы и приналичии патологических областей миокарда разных размеров и расположений.3. Результаты реконструкции характеристик ЭГС по моделированным и реальным ЭКС и их ВЧ НА составляющим.4. Результаты исследования информативных параметров, определяемых похарактеристикам ЭГС, с целью выделения параметров, наиболее чувствительных кнарушению проведения возбуждения в миокарде.5.

Методика определения патологии в миокарде по характеристикам ЭГС.6. Результаты выявления патологии в миокарде по моделированным и реальным ЭКС.Достоверность результатов. Корректность работы процедуры предварительной обработки ЭКС и выделения ВЧ НА составляющих подтверждается получением результатов, идентичных результатам работы программы, используемойкардиологами в ЭКГ высокого разрешения (ВР). Адекватность моделирования испытательных ЭКС проверена путем сопоставления амплитудных, временных испектральных характеристик моделированных ЭКС с аналогичными характери7стиками типичных реальных ЭКС. Адекватность моделирования патологий подтверждена результатами анализа испытательных ЭКС по методике ЭКГ ВР.

Работоспособность методики определения патологии в миокарде подтверждаетсяапробацией на моделированных и реальных ЭКС с известным диагнозом.Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры основ радиотехники НИУ«МЭИ» (в 2015 г.); на 17-й, 19-й, 20-й и 21-й международных научно-техническихконференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника иэнергетика» (Москва, 2011, 2013, 2014 и 2015 гг.), 11-й международной научнойконференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир,2014 г.) и III Всероссийской Микроволновой конференции (Москва, 2015 г.).По теме диссертации опубликовано 8 работ, среди которых 2 статьи – внаучных изданиях из перечня ВАК РФ, 2 статьи – в сборниках трудов конференций и 4 работы – в сборниках тезисов докладов конференций.Реализация основных результатов.