автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Исследование методов и алгоритмов автоматизированного анализа электрокардиосигнала при кардиостимуляции

ВВЕДЕНИЕ

АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛОВ ПРИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСТИМУЛЯЦИИ

1.1 Электрокардиостимуляция и нарушения сердечной деятельности.

1.2 Электрокардиограмма при электрокардиостимуляции в норме и при нарушениях в системе электрокардиостимулятор-сердце.

1.3 Задачи автоматического мониторного контроля электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции.

1.4 Системы мониторного контроля ЭКГ при электрокардиостимуляции.

Выводы.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ АРТЕФАКТОВ СТИМУЛИРУЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ

2.1 Исследование методов цифровой фильтрации для выделения артефактов стимулирующих импульсов.

2.1.1 Составляющие электрокардиосигнала

2.1.2 Разработка методов цифровой фильтрации для выделения артефактов стимулирующих импульсов

2.1.3 Оценка качества выделения артефактов стимулирующих импульсов методами цифровой фильтрации

2.1.4 Набор реализаций ЭКГ при кардиостимуляции

2.1.5 Выбор оптимального метода цифровой фильтрации для выделения артефактов стимулирующих импульсов

2.2 Разработка алгоритма обнаружения артефактов стимулирующих импульсов в электрокардиосигнале при электрокардиостимуляции.

2.2.1 Изыскание предпосылок для разработки алгоритма

2.2.2 Разработка метода получения усредненной оценки амплитуды желудочковых комплексов

2.2.3 Выбор коэффициента для соотношений амплитуды артефактов импульсов к усредненной оценке амплитуды желудочковых комплексов

2.3 Алгоритм обнаружения артефактов стимулирующих импульсов в электрокардиосигнале.

2.4 Экспериментальные исследования алгоритма обнаружения артефактов стимулирующих импульсов.

Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КЛАССИФИКАЦИИ ЖЕЛУДОЧКОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСТИМУЛЯЦИИ

3.1 Задачи классификации желудочковых комплексов при электрокардиостимуляции.

3.2 Исследование распределения временных интервалов для желудочковых комплексов различного происхождения.

3.3 Алгоритмы классификации желудочковых комплексов при электрокардиостимуляции.

3.4 Экспериментальные исследования алгоритмов классификации желудочковых комплексов.

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ КАРДИОМОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОКАРДИОСИГНАЛА ПРИ ЭЛЕКТРОКАРДИОСТИМУЛЯЦИИ

4.1 Особенности реализации алгоритмов анализа ЭКГ при электрокардиостимуляции в микропроцессорной кардиомониторной системе.

4.2 Кардиомониторная система "Ритмон" с возможностью контроля электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции.

4.3 Реализация алгоритмов анализа ЭКГ при электрокардиостимуляции в системе "Ритмон".

Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В ряду важнейших задач современной медицины одно из первых мест занимает борьба с заболеваниями сердечно-сосудистой системы человека, которые являются причиной смертности людей трудоспособного возраста в подавляющем большинстве случаев. Значительную долю нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы составляют нарушения ритма и проводимости сердца. Для лечения подобных нарушений в настоящее время широко применяется электрокардиостимуляция, как способ адекватной замены естественных водителей ритма сердца человека.

Появление большого числа пациентов с имплантированными электрокардиостимуляторами создает потребность в средствах автоматизированного наблюдения и диагностики нарушений в системе стимулятор-сердце. Особую значимость это приобретает при необходимости обеспечения круглосуточного наблюдения больных с имплантированными электрокардиостимуляторами в палатах интенсивной терапии и реанимации кардиологического профиля. Использование большинства существующих методов и систем автоматического анализа электрокардиосигнала у больного с имплантированным электрокардиостимулятором является неэффективным, что связано как с особенностями электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции так и со специфическим кругом диагностических задач, требующих адекватных решений. Таким образом, становится актуальной задача разработки методов автоматического анализа электрокардиосигнала, позволяющих повысить качество систем мониторного наблюдения за кардиологическими больными за счет обеспечения возможности мониторного наблюдения в случае применения электрокардиостимуляции .

Распространение микропроцессорных устройств с повышенной вычислительной мощностью сделало возможным существенно расширить функциональные возможности систем кардиомониторного наблюдения путем применения в них более точных и надежных методов, имеющих повышенную вычислительную сложность. В связи с этим появилась возможность разработки новых методов автоматического анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции, обладающих большей точностью и надежностью, дающих более детальную информацию о состоянии системы электрокардиостимулятор-сердце. Таким образом исследование и разработка методов и алгоритмов автоматического анализа электрокардиосигнала при кардиостимуляции представляет собой актуальную научную задачу.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является повышение качества компьютерных кардиомониторных систем за счет использования более эффективных методов автоматической диагностики электрокардиосигнала при кардиостимуляции.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи :

- исследование и разработка эффективных методов цифровой фильтрации для решения задач выделения артефактов стимулирующих импульсов;

- разработка и исследование алгоритма обнаружения артефактов стимулирующих импульсов;

- разработка и исследование методов и алгоритмов классификации желудочковых комплексов при электрокардиостимуляции по критерию их происхождения;

- разработка алгоритмов и программ автоматической диагностики электрокардиосигнала при кардиостимуляции для использования в составе программно-алгоритмического обеспечения компьютерных систем мониторного контроля электрокардиосигнала .

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретическая часть диссертационной работы выполнена с использованием теории цифровой фильтрации и математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились по составленным на языке Си программам и выбранным методикам с использованием наборов реализаций ЭКГ при электрокардиостимуляции, снятых с реальных пациентов. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с использованием аппарата математической статистики.

НОВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. На защиту выносятся новые научные результаты, которые были получены автором в процессе решения поставленных задач: по результатам теоретических и экспериментальных исследований методов цифровой фильтрации электрокардиосигнала при кардиостимуляции предложена оптимальная структура цифровой обработки электрокардиосигнала с применением дифференцирующих фильтров для решения задачи выделения артефактов стимулирующих импульсов; предложен и экспериментально исследован алгоритм обнаружения артефактов стимулирующих импульсов в электрокардиосиг-нале при кардиостимуляции; предложено и экспериментально исследовано два алгоритма классификации желудочковых комплексов в электрокардиосигнале при кардиостимуляции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные в диссертации алгоритмы обработки электрокардиосигнала при кардиостимуляции могут широко использоваться в составе программного обеспечения кардиомониторных систем и позволяют обеспечить эффективную диагностику нарушений в работе системы кардиостимулятор-сердце .

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Диссертационная работа связана с выполнением проекта РФФИ 97-01-00260 "Исследование методов распознавания образов для анализа биомедицинских сигналов" и проекта ГНТП "Перспективные информационные технологии" 05.05.1077 "Разработка и реализация методов распознавания образов и анализа изображений для интеллектуальных компьютерных биомедицинских систем".

Разработанные в диссертации методы, алгоритмы и программы обработки ЭКГ при кардиостимуляции вошли в состав математического обеспечения компьютерной кардиомониторной системы "РИТМОН", имеющей рекомендацию Минздрава РФ к тиражированию и применению в медицинской практике № 29/16 664-97, данная система промышленно выпускается ТОО "Биосигнал" и используется для длительного наблюдения за тяжелыми кардиологическими больными во многих больницах России.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: двух научно-технических конференциях "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность" (С.-Петербург, 1996, 1997); Международном симпозиуме по биомедицинской технике "ЗУМВ10318'97" (Брно, Чехия, 1997); Международном семинаре по биомедицинской инженерии и медицинской информатике (Гливице, Польша, 1997); Международном конгрессе "Кардиостим

98" (С.-Петербург, 1998); Международном симпозиуме "Компьютерная электрокардиография на рубеже столетий XX-XXI" (Москва, 1999); заседаниях кафедры медико-технических систем и безопасности жизнедеятельности Северо-Западного заочного политехнического института (С-Петербург, 1996-1999); заседании секции системных исследований С.-Петербургского Дома ученых им. Горького ( 1999).

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, которые включены в общий список литературы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 115 машинописных страницах. Иллюстративный материал составляют 16 таблиц, 37 рисунков. Список литературы по теме работы включает 52 наименования.

Выводы.

1. Рассмотрены особенности реализации алгоритмов анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции в рамках программно-алгоритмического обеспечения кардиомони-торной системы. Сформулированы требования как по использованию вычислительных ресурсов данными алгоритмами, так и по структуре всего программного комплекса.

2. Обоснован выбор аппаратных средств и конфигурации программного обеспечения для реализации алгоритмов анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции в кар-диомониторной системе.

3. Выполнена реализация алгоритмов обнаружения артефактов стимулирующих импульсов и предобработки для выделения желудочковых комплексов в рамках программно-алгоритмического обеспечения кардиомониторной системы "Ритмон".

4. Обоснована и выполнена реализация алгоритмов анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции в кардиомониторной системе, охватывающая все стадии автоматической обработки электрокардиосигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложены и исследованы методы автоматического анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции . Основные результаты работы сводятся.к следующему :

1. Теоретически и экспериментально исследованы методы цифровой фильтрации для выделения артефактов стимулирующих импульсов в электрокардиосигнале при кардиостимуляции. На основании исследования выбран оптимальный метод цифровой фильтрации для решения задачи выделения артефактов стимулирующих импульсов.

2. Предложен и исследован на реальных записях электрокар-диосигналов алгоритм обнаружения артефактов стимулирующих импульсов, основанный на применении методов цифровой фильтрации. Получены результаты по достоверности обнаружения в зависимости от интенсивности случайных помех.

3. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей временных интервалов для желудочковых комплексов в электрокардиосигнале при электрокардиостимуляции. На основании проведенного исследования предложена система решающих правил для классификации желудочковых комплексов по критерию их происхождения.

4. Предложено и исследовано на реальных записях два алгоритма классификации желудочковых комплексов в электрокардиосигнале при электрокардиостимуляции. Получены результаты по разделяющей способности предложенных алгоритмов .

- (э

5. Обоснованы требования к реализации алгоритмов автоматического анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции в составе системы длительного непрерывного наблюдения за ритмом сердца в условиях отделений интенсивной терапии и реанимации.

6. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей кардиомониторной системы "Ритмон", широко применяющейся в клинической практике.

Реализация предложенных и исследованных в работе алгоритмов автоматизированного анализа электрокардиосигнала при электрокардиостимуляции в составе программно-алгорит-мического обеспечения компьютерных кардиомониторных систем позволяет повысить качество работы таких систем за счет представления врачу детальной информации о взаимодействии искусственного водителя ритма и сердца человека. \ —

1. Ахутин В. М., Немирко А. П., и др. Биотехнические системы: теория и проектирование. Под ред. Ахутина В. М. /Л.:- Изд. Ленингр. Университета. 1981.

2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов.; пер. с. англ./ М: Мир, 1974. 464 е., ил.

3. Бредикис Ю. Ю., Дрогайцей А. А., Стирбис П. П. Программируемая электростимуляция сердца (клинические аспекты)/ АМН СССР; М: Медицина, 1989, 160 е., ил.

4. Гаджаева Ф. У., Григорьянц Р. А., Масенко В. П., Хадарцев А. А. Электрокардиографические системы отведений. / Тула: НИИ новых мед. технл., ТППО, 1996, 115 с.

5. Гасанов М. Н. Разработка и исследование методов и технических средств для оперативного автоматического анализа ЭКГ при электрокардиостимуляции: дисс. . канд. техн. наук: 05.11.17, 05.13.09 /Л. 1986.

6. Григоров С. С., Вотчал Ф. Б., Костылева О. В. Электрокардиограмма при искусственном водителе ритма сердца./ М: Медицина, 1990. 240 е., ил.

7. Григорьянц Р. А., Лупанов В. П., Хадарцев А. А. Диагностика, лечение и прогноз больных с ишемической болезнью сердца. / Тула: НИИ новых мед. технл., ТППО, 1996, в 3-х томах, Т 1, 119 с.

8. Калиниченко А. Н., Ретнев С. В., Свешников К. В., Юзвинке-вич С. А. Мониторный контроль ЭКГ до и после имплантации электрокардиостимулятора. / тезисы докладов международной конференции "Кардиостим'98", С.-Петербург, 1998, с. 133.

9. Калиниченко А. Н., Свешников К. В. Алгоритм анализа ЭКГ при электрокардиостимуляции: Тезисы докладов научно5 ь технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность 96"/С.-Петербург 1996, с.287.

10. Калиниченко А. Н. Методы цифровой фильтрации электрокар-диосигнала в кардиомониторных системах: дисс. . канд. техн. наук: 05.13.09. /Л. 1989.

11. Киркутис А. А., Римша Э. Д., Нявяраускас Ю. В. Методика применения чреспищеводной стимуляции сердца. Учебно-методическое пособие.Перевод с литовского под ред. Г. А. Маринского/ Каунас, 1990, 82 е., ил.

12. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: Учеб. пособие для вузов /А. Л. Барановский, А. Н. Калиниченко, Л. А. Манило, и др.; Под. ред. А. Л. Барановского и А. П. Немирко. М.: Радио и связь, 1993. - 248 е., ил.

13. Коробков Д. В., Свешников К. В., Холуянов К. К., Шонуров С. А. Система кардиологического мониторинга. / Известия ТЭТУ, сб. научн. трудов. Радиоэлектронные средства, С.Петербург, 1997, с. 91-94.

14. Микрокомпьютерные медицинские системы: проектирование и применения. Под ред. Томпкинса У., Уэбстера Дж. / М.: Мир 1983,- 544 с.

15. Мурашко В. В., Струтынский А. В. Электрокардиография. / М.: Медицина, 1987, 256 с.

16. Немирко А. П. Микропроцессорные медицинские диагностические системы: Учеб. Пособие. / Л: ЛЭТИ.- 1984.

17. Немирко А. П. Цифровая обработка биологических сигналов. / М.: Наука, 1984, 144 с.

18. Немирко А. П., Гасанов M. Н., Егоров Д. Ф. Распознавание волн ЭКГ при кардиостимуляции. / Изв. ЛЭТИ 1986.-Вып. 367, - С 53-58.2О.Орлов В. Н. Руководство по электрокардиографии. / М.: Медицина, 1984. 528 с.

19. Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход: Пер. с англ./ М: Мир, 1991. 366 е., ил.

20. Подлесов А. М., Яшин С. М. Принципы электрокардиостимуляции. Электронная книга-справочник. Под ред. Д.Ф. Егорова. /С.-Петербург, 1993.

21. Программа холтеровского мониторирования BIOTRACE./ M.,: Progress in Biomedical Research, март 1997.

22. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. / М.: Мир, 1978, 848 с.

23. Рейдерман М.И. Неотложная электрокардиография: атлас-справочник. Под ред. Александрова В. Н. / М.: РИФ "Глория" 1993, 128 стр., ил.

24. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры: пер. с англ. / Под. ред. А. М. Трахтмана./ М.: Сов. радио, 1980. 224 е., ил.

25. Шальдах М., Хирманов В. Н., Ревишвили А. Ш. Технические возможности лечения гипертрофической кардиомиопатии. / М.,: Progress in Biomedical Research, март 1997.

26. Шальдах M. Электрокардиотерапия. Технические аспекты электрокардиостимуляции. Перевод с англ. и редакция издания Хирманов В. Н. / С.-Петербург,1992, 256 с. ил.

27. Шереметьев А. И. Электронные блоки выделения сигналов вызванной электроактивности сердца со стимулирующих электро- дов. / Техн. средств связи. Сер. ОТ. 1981.- Вып. 3(12). -С. 28-31.

28. Электрокардиотерапия обструктивной гипертрофической кар-диомиопатии: Методические рекомендации. / М.: Progress in Biomedical Research, март 1997.

29. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей. Под ред. Утямышева Р. И. и Враны В. / М.: Энергоатомиздат, 1983, 384 с.3212 Lead pacemaker patient testing system CPTS-86/12, inctruction manual, PACEART inc.

30. Alan B. Bond, E. Carl Greco et al. Robust and computational efficient QRS detection./ abstracts of Computers in Cardiology. 1993.

31. Ahlfeldt H., Tanaka H. et al. Computer simulation of cardiac pacing. / Pacing Clin. Electrophysiol. 1988, Feb.; 11(2): 174-184

32. Byrd C.B., Hallberg B.S., Byrd C.L. Computerized pacemaker patient analysis./ Pacing Clin. Electrophysiol, 1990 Dec; 13(12 Pt 2)-.1779-1781

33. Galecka J., Gacek A. et al. Measurement station for implanted cardiostimulators./ Abstracts of International Workshop Biomedical Engineering & Medical Informatics; Gliwice, Poland 1997.

34. Ghiringhelli S., Petrucci E., Vigano A. et al. Assessment of pacemaker function in ambulatory ECG recordings using real time analysis./ abstracts of Computers in Cardiology, Vienna, Austria 1995.

35. Garson A. Jr. Stepwise approach to the unknown pacemaker ECG. / Am. Heart. J. 1990 Apr;119(4):924-941.

36. Hesselson A.B., Parsonnet V. A new method for diagramming pacemaker electrocardiograms./ Pacing Clin. Electrophysiol. 1994 Aug;17(8):1332-1343.

37. Kalinichenko A., Sveshnikov K. Waveforms classification algorithm for the paced ECG. / abstracts of International Workshop Biomedical Engineering & Medical Informatics; Gliwice, Poland 1997, p. 44.

38. Kalinichenko A., Korobkov D., Sveshnikov K. The ECG analysis algorithm and software for noninvasive electrophysiologikal studies. / proceedings of 5' Internatoinal Symposium SYMBIOSIS'97. Brno, 1997, pp. 67-69.

39. Kargul W. et al. Simultaneous using of ECG and blood pressure Holter registration in patients with pacemaker syndrome./ HeartWeb. Vol. 2, № 1 November 1996. Article № 96110027.

40. Kindermann M. et al. Optimizing the AV delay in DDD-pacemaker with preserved AV-conduction. / HeartWeb. Vol. 1, № 1 November 1996. Article № 96110023.

41. Malik M., Camm A.J. Diagnosis of paced electrocardiograms by inverse computer modeling of pacemaker actions. / Pacing Clin. Electrophysiol. 1988 Nov;11(11 Pt 2):2093-2100.

42. Murray A., Jordan R., Analysis of ECG recordings from pacemaker patients./ abstracts of Computers in Cardiology. 1982.

43. Nowak B, Middeldorf T. et al. Holter recordings with continuous marker annotations : a new tool in pacemaker diagnostics. / Pacing Clin. Electrophysiol. 1996 Nov;19(11 Pt. 2 ) : 1791-1795.

44. Prochaczek F. et al. Significance of stimulator impulse artifact suppression for digital ECG recording quality during transesophageal heart stimulation. / HeartWeb. Vol. 2, № 1 November 1996. Article № 96110039.

45. SIRECUST 720/722/730/732 Bedside monitors, Documentation Package.

46. Thakor N.V., Zhu Y.S. Applications of adaptive filtering to ECG analysis: noise cancellation and arrhythmia detection. / IEEE Trans Biomed Eng 1991 Aug;38(8):785-794

47. Thakor N.V. et al. Estimation of QRS complex power spectra for design of QRS filter/ IEEE Trans. Biomed. Eng. 1984. v. 31, № 11. p. 702 706.

48. Watrous R. , Towell G. A patient-adaptive neural network ECG patient monitoring algorithm./ abstracts of Computers in Cardiology. 1995.