Диссертация (Реконструкция эквивалентных электрических источников сердца по выделенным высокочастотным низкоамплитудным составляющим кардиосигналов), страница 8

Величина порога rп от значений шума на PQсегменте, как показано на рисунке 1.20.Рисунок 1.20. Зависимость значения порога rп от значений шума на PQ-сегментах48Показанный график на рисунке 1.20 построен по результатам пороговыхзначений для кардиозаписи одного испытуемого.Для этого исследования наибольшую информативную значимость имеетзависимость порога rп от отношения сигнал/шум q.

Были получены зависимостидля каждого из шести испытуемых и при десяти разных уровнях сигнал/шум вотдельности и сведены в общую зависимость. В результате было определено 960значений порога отбраковки rп и соответствующие им значения отношениясигнал/шум q в диапазоне от 2 до 56. Данный диапазон значений отношениясигнал/шум определяется типовыми уровнями кардиосигналов в различныхотведениях,атакжетиповымипараметрамифильтровпредварительнойобработки ЭКГ-сигналов.Так как полученные пороговые величины rп имеют некоторый разброс дляодного и того же значения отношения сигнал/шум q, то для определенияхарактера зависимости rп(q) были использованы средние значения порогаотбраковки на интервалах отношений сигнал/шум длительностью Δq = 2.5.Полученные средние значения пороговой величины коэффициента взаимнойкорреляции rп представлены на рисунке 1.21 точками в центрах соответствующихинтервалов отношения сигнал/шум.Далее, путем аппроксимации средних значений можно получить ваналитическом виде зависимость пороговой величины rп от отношениясигнал/шум q.

В качестве возможного варианта аппроксимации предложеноследующее выражение:п =1(0.7) + 0.93[1 − exp(−0.2)](1.11)На рисунке 1.21 зависимость (1.11) показана сплошной линией.49Рисунок 1.21. График зависимость оптимальной величины порога rп от отношениясигнал/шум qТаким образом, для нахождения первоначального порогового значения,достаточно определить отношение сигнал/шум q исходного ЭКГ-сигнала и повыражению (1.11)найтисоответствующеезначениеrпдляпроведенияотбраковки.1.4.3.

Синхронное накопление кардиосигналаСледующим этапом после отбраковки нетипичных кардиоциклов являетсясинхронное накопление ЭКГ сигнала.Структурнаясхемаалгоритманакопления (усреднения)кардиоцикловпредставлена на рисунке 1.22.Рисунок 1.22. Структурная схема алгоритма накопления кардиосигналов50Целью накопления является увеличение отношения сигнал/шум.

Еслидлительность кардиозаписи равна 5 минут, то в каждом отведении присутствуетпримерно 400 кардиоциклов. Путем синхронного накопления этих кардиоциклов,удается увеличить отношение сигнал/шум в √400 = 20 раз.Для накопления необходимо определить координаты вершин R-пиков длявсех кардиоциклов. На рисунке 1.23 представлены результаты совмещения Rпиков всех кардиоциклов одного ЭКГ-сигнала. Для наглядности изображенинтервал времени, соответствующий QRS-комплексу и ST-сегменту. Именно наэтом интервале определяются признаки ППЖ в ЭКГ ВР.Данный результат может быть получен одним из двух способов, описанныхниже.

Первый метод используется в настоящей работе для предварительногопоиска R-зубцов при разбиении ЭКГ-сигнала на одиночные кардиоциклы, второй,более точный, непосредственно для синхронного накопления кардиоциклов.Рисунок 1.23. Массив QRST-частей всех кардиоциклов одного отведения51Метод скользящего порога для поиска координат вершин R-зубцаЭтот метод разработан на кафедре ОРТ НИУ «МЭИ» и применяется дляпоиска координат вершин R-зубцов ЭКГ-сигналах (рисунок 1.24) [18].Рисунок 1.24.

Методика определения опорных точек с помощьюметода скользящего порога.При первом поиске, за начало скользящего порога берется значение 0.4 мВ,при переходе к каждому следующему отсчету времени скользящий порогумножается на коэффициент k, рассчитанный по формуле:k   N1 / 2(1.12)где N1 – это примерное число отсчетов в записи между соседними R-зубцами, иопределяется как:N1 =60  f дNR(1.13)srгде 60∙fд – количество отсчетов в минуту, fд – частота дискретизации, равная 2 кГц,а NRsr – среднее количество сердечных сокращений в минуту в норме, в программепринято 75.

Таким образом, осуществляется постепенное снижение пороговогоуровня, что позволяет регистрировать R-зубцы с меньшей амплитудой. Такжесуществует «зона нечувствительности» – временной отрезок, когда не происходитрегистрация.«Зонанечувствительности»позволяетизбежатьповторнойрегистрации R-зубца по его спаду и составляет 3 мс.При поиске опорной точки (вершины R-пика) в первую очередь определяетсяточка, в которой значение порога становится впервые меньше или равнымзначению потенциала электрода, по которому определяются точки. В качестве52такого электрода выбран электрод С5.

Запись из этого отведения была выбрана всвязи с тем, что амплитуда R-зубца положительна и на фоне других элементовкардиосигнала наиболее ярко выражена. Далее производится поиск максимумапутем сравнения последующих отсчетов, если следующий отсчет оказываетсяменьше текущего, то выполняется проверка текущего значения. Для этогосравниваются значения кардиосигнала в следующие 5 мс.

Если максимумоказывается ложным (то есть на интервале в пять миллисекунд значениепотенциала начинает возрастать), то поиск продолжается. Иначе максимумсчитается определенным правильно, и становится опорной точкой. Значениепорога устанавливается равным амплитуде зарегистрированного R-зубца иначинается новый поиск пересечения порога и потенциала электрода. Этиоперации повторяются до завершения записи. В результате регистрируетсяколичество R-зубцов и моменты времени, в которые обнаружены R-зубцы. Спомощью этих данных можно определить значения периодов сокращениясердечной мышцы (TRR -интервал) за время сигнала, которые понадобятся длядальнейших расчетов: определения среднего значения длительности RRинтервала для формирования массива кардиоциклов.Накопление кардиоциклов по максимуму корреляцииПоскольку в спектре кардиозаписи присутствует высокочастотная помеха ина вершине R-пиков имеет место некоторая раздвоенность (рисунок 1.25), неудается с большой точностью обозначить вершины R-пиков, и поэтомудальнейшее накопление по этому принципу получается с погрешностью.

Естьвероятность того, что из-за неправильного определения координат вершин Rпиков, полученный при этом усредненный кардиоцикл «сглаживается» и полезнаяинформация внутри записи будет искажена.53Рисунок 1.25. Раздвоенность на вершине R-пика.Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что целесообразноиспользовать иной способ для накопления. Поэтому был использован методвзаимнойкорреляциидлянахождениямаксимумакоррелированностикардиоциклов и сдвиг, при котором этот максимум достигается.

Для этого,каждый раз, для двух кардиоциклов вычисляется функция взаимной корреляции ипри этом фиксируются значение максимума корреляции и координата (сдвиг, прикотором взаимная корреляция максимальна).Как было приведено в начале этого раздела, нетипичные кардиоциклы сболее низкими коэффициентами корреляции отбрасываются, и все прошедшиекардиоциклы накапливаются по признаку максимума корреляции с учетом сдвига.Таким образом, получаем усредненный кардиоцикл для каждого отведения.Усреднение проводится по формуле (1.14):∑=1 ( )(1.14)где – усредненный кардиоцикл i-ого отведения; ( ) – j-й кардиоцикл в i =ом отведении, сдвинутый на − момент максимума ВКФ; n – количествокардиоциклов в i-ом отведении.54В качестве примера, на рисунке 1.26 приведен вид QRST-части усредненногокардиоциклаодногоотведения,полученногопомассивукардиоциклов,представленных на рисунке 1.23.Рисунок 1.26.

Усредненный кардиоцикл1.4.4. Алгоритм выделения высокочастотных низкоамплитудныхсоставляющих ЭКГ-сигналовПосленакопленияЭКГ-сигналафактическизавершаетсяпроцедурапредварительной обработки. Далее можно выделить интересующую нас частьспектра сигналов, а именно ВЧ НА составляющие ЭКГ-сигналов. Структурнаясхема алгоритма выделения этих составляющих представлена на рисунке 1.27.Рисунок 1.27.

Структурная схема алгоритма выделения ВЧ НА составляющихкардиосигналовКак видно из рисунка 1.27, накопленный кардиосигнал каждого отведенияпроходит фильтрацию сначала ФНЧ (фильтром нижних частот) 250 Гц, а затемодним из фильтров верхних частот 25, 40, 60 или 80 Гц. В настоящей работе дляобработки данных ЭКГ используются фильтры Чебышева (Equiripple) верхнихчастот 40 Гц порядка 44 и нижних частот 250 Гц порядка 24.

Данные параметры55фильтров были подобраны экспериментально путем сравнения результатовфильтрациииопределенияпризнаковППЖ,полученныхспомощьюразработанной программы и с помощью программы методики ЭКГ ВР.1.4.5. Определение признаков поздних потенциалов желудочковПоздние потенциалы желудочков (ППЖ) представляют собой низкоамплитудные высокочастотные составляющие ЭКГ-сигнала, локализованные в концеQRS-комплекса и на протяжении ST-сегмента. Для выделения ППЖ израссчитанныхортогональныхотведенийЭ. Франка,осуществляютихфильтрацию в частотном диапазоне 40-250 Гц и анализируют графики дипольногомомента = √2 + 2 + 2 [27].Классический метод выделения ППЖ позволяет получить начальнуюинформацию о наличии или отсутствии ППЖ в исследуемых ЭКГ-сигналахортогональных отведений по Франку.В основе метода регистрации ППЖ, так называемого временного (time–domain) анализа (метод Симсона), лежит усреднение ЭКГ сигналов Vx, Vy, Vz трехортогональных отведений X, Y, Z:NTVxср, i Vx, ikNk 1(1.15)NTNTVyср, i Vy, ikNk 1(1.16)NTNTVzср, i Vz , ikNk 1(1.17)NTгде i  1..N ; Vx,i − i-й отсчет на периоде сердцебиения в отведении X; Vy,i − i-йотсчет на периоде сердцебиения в отведении Y; Vz,i − i-й отсчет на периоде56сердцебиения в отведении Z; N − количество отсчетов на периоде сердцебиения;NT − количество периодов сердцебиения в исследуемом кардиосигнале.Далее производится фильтрация усредненных сигналов Vxср, Vyср, Vzср вчастотном диапазоне 40–250 Гц, и получаем Vxф, Vyф, Vzф.

На последнем этапепроизводится анализ модуля электрического вектора сердца по Э. Франку.Проекции этого вектора ассоциируются с сигналами ортогональных отведений:V  (VXф )2  (VYф )2  (VZф )2(1.18)Путем анализа отсчетов Vi и находятся три параметра, описанных ниже, наосновании значений которых делается заключение о наличии или отсутствиипризнаков ППЖ.Весь алгоритм выявления признаков ППЖ разбит на три основных этапа:1. Усреднение. Этап состоит из операции нахождения временных координатR-зубцов кардиосигнала путем определения максимума ВКФ и, используя этикоординаты, нахождения усредненных кардиосигналов X, Y и Z-отведений.Усреднение производится для увеличения отношения сигнал/шум и проводитсяпо формулам (1.15)-(1.17).2. Фильтрация. На этом этапе усредненные кардиосигналы подвергаютсяцифровой фильтрации двумя фильтрами: ФНЧ 250 Гц и ФВЧ 40 Гц.