CC BY
45
УДК 615.471 А. С. Красичков
Мобильная система тревожной сигнализации для больных ишемической болезнью сердца
Ключевые слова: электрокардиосигнал, ишемия миокарда, классификация кардиокомплексов, миографическая помеха, дрейф изолинии, тревожная сигнализация.
Keywords: electrocardio signal, myocardial ischemia, classify ECG complexes, myographic noise, base line drift, alarm system.
Представлены основные принципы построения мобильных систем тревожной сигнализации для больных ишемической болезнью сердца. Определено алгоритмическое обеспечение данной системы для эффективной работы в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки. В качестве узла системы, отвечающего за выработку сигнала тревоги о начале развития эпизода ишемии, используется стандартный смартфон, сопрягаемый с датчиками кардио-сигнала с помощью беспроводной связи стандарта Bluetooth. Приведено описание разработанного модуля съема кардиосигнала.
Ишемическая болезнь сердца (ИБС) — очень распространенное и опасное заболевание сердечно-сосудистой системы. Последние десятилетия неотъемлемыми элементами лечения больных ИБС являются мониторинг кардиосигнала пациента и выдача ему сигнала тревоги при возникновении и развитии ише-мического эпизода. Необходимость таких устройств обусловлена тем, что эпизоды ишемии могут возникать без явно выраженного провоцирующего фактора, без изменения частоты сердечных сокращений (ЧСС) и без болевых ощущений в начальной стадии. Между тем существует серьезная проблема надежной идентификации признаков ишемии миокарда, а соответственно и своевременности выработки сигнала тревоги при физической активности пациентов, когда появление ишемии наиболее вероятно, однако кардиосигнал подвержен воздействию значительного числа помех, что может как имитировать, так и скрывать ишемическое смещение сегмента ST (сегмент кардиокомплекса).
Основное влияние оказывают миографическая помеха, обусловленная шумами электрической активности мышц (такая помеха не устраняется какой-либо полосовой фильтрацией), и дрейф изо-электрической линии, образующейся из-за поля-
ризации электродов, влияния движения грудной клетки (в случае использования грудных отведений), поляризации электродов или плохого контакта электродов с кожей [1].
Специфика заболевания позволяет однозначно сформулировать требования, предъявляемые к мобильной системе длительного мониторинга ЭКГ с функцией тревожной сигнализации.
• Система должна надежно функционировать на длительном временном интервале для обеспечения непрерывного контроля состояния больных ИБС.
• Устройство съема и обработки сигналов должно иметь малые размеры, поскольку именно компактность прибора не мешает пациенту выполнять привычные для него нагрузки и вести повседневный образ жизни.
• Существующие методы синтеза устройств мониторинга кардиосигнала с выработкой рекомендаций пациенту с алгоритмами обработки кардио-сигнала, рассчитанными на широкую группу лиц, пришли в противоречие с основной тенденцией в кардиологии — индивидуальным подходом к лечению пациента. Необходим учет данных предварительного обследования больного, которые должны быть заложены в систему обработки.
• Модули системы должны поддерживать единый мировой стандарт обмена информацией (для этих типов устройств), чтобы могли интегрироваться в признанные мировым сообществом системы.
• Система должна иметь возможность установки обновлений программного продукта для ее непрерывного совершенствования.
Сформулированные требования к системе непрерывного контроля состояния больного ИБС позволяют сделать заключение, что отпала необходимость создания различных схемотехнических решений. В инженерную практику вошло использование стандартных узлов (модулей) с высочайшей степенью интеграции на базе микропроцессоров. Такие устройства способны синтезировать любую
Начало
Оце отнош сигна нка пения л/шум
*
Оце порог нка а ^пор
Выбор опорного сигнала с минимальным значением миографической помехи
Сорти ровка*
1
База 1 накопленных сигналов
Выбор опорного
сигнала с минимальным значением миографической помехи. Выбор опорного сигнала из базы 1 с максимальным количеством КК
Сорти ровка*
1 г
База 2 накопленных сигналов
Рис. 1
Структурная схема алгоритма сортировки кардиокомплексов (КК) для анализа длительных записей кардиосигнала (* этот фрагмент блок-схемы приведен отдельно, см. рис. 2)
'Вывод полученных данных на монитор
Конец
обработку кардиосигнала в реальном масштабе времени. Это открывает технические возможности реализации индивидуальных алгоритмов мониторинга кардиосигнала и подачи сигнала тревоги пациенту в виде программного продукта на серийной аппаратуре. Поэтому основной акцент ставится на создание алгоритма.
Вместе с тем построение индивидуальных алгоритмов может повысить достоверность выработки сигнала тревоги о критическом уровне развития эпизода ишемии благодаря более полному использованию информации о структуре и параметрах кардиосигнала конкретного человека [2].
В современной медицинской практике для предварительного анализа состояния сердечно-сосудистой системы необходимо анализировать записи
электрокардиосигнала за длительный промежуток времени (от одного до нескольких дней). Для постановки точного диагноза врачу необходимо проанализировать огромное число кардиокомплексов (около 80 000 кардиокомплексов за сутки). Этот процесс занимает большое количество времени, и врач не способен тщательно исследовать каждый кардиокомплекс. Все это может привести к ошибочному диагнозу.
Наиболее удобным способом анализа является представление врачу основных типов кардиоком-плексов, присутствующих в мониторограмме, т. е. сортировка кардиокомплексов каждого вида по соответствующим группам с их одновременным накоплением в группе, что приводит к увеличению отношения сигнал/шум [3].
биотехносфера
| № 5(41)/2015
Подобная сортировка значительно уменьшает нагрузку на врачебный персонал, делает возможной оперативную оценку состояния сердечно-сосудистой системы человека, повышает достоверность поставленного диагноза за счет уменьшения влияния помех, присутствующих в электрокардио-сигнале.
Для эффективной реализации алгоритма в качестве критериев сортировки использовались: частота сердечных сокращений1 (введение сетки частот), уровень энергии сигнала и коэффициент взаимной корреляции2 гI уср. Если коэффициент взаимной корреляции оказывается большим или равным наперед заданного порога (г| уср > гпор), то выносится решение о принадлежности анализируемого кар-диокомплекса к конкретному типу и заново определяется опорный кардиокомплекс путем усреднения предыдущих кардиокомплексов, входящих в данную группу, и текущего кардиокомплекса. Затем операция выполняется для оставшихся кар-диокомплексов.
На рис. 1 и 2 приведены структурная схема алгоритма сортировки кардиокомплексов и структурная схема блока сортировки.
Для уменьшения чувствительности процедуры сортировки кардиокомплексов к случайным отклонениям кардиосигнала, вызванным миографической помехой, коэффициент взаимной корреляции оценивался не с непосредственно наблюдаемым фрагментом ЭКС, а с его аппроксимацией. Сглаживание сигнала путем аппроксимации уменьшает влияние случайных отклонений и выбросов, присутствующих в анализируемом фрагменте, на коэффициент взаимной корреляции [6].
После ослабления влияния миографической помехи устраняется дрейф изоэлектрической линии на основе медианного фильтра.
Дальнейшая сортировка кардиокомплексов разбивается на две части: сортировка кардиокомплек-сов с синусовым ритмом и сортировка кардиоком-плексов с несинусовым ритмом. Такой подход позволяет использовать информацию о ритмической структуре сигнала и значительно повышает достоверность сортировки кардиокомплексов.
В настоящее время существуют методы, направленные на борьбу с дрейфом изоэлектрической линии [7, 8].
Первый метод (наиболее простой) основан на устранении дрейфа изоэлектрической линии с помощью фильтра верхних частот. Его недостатком является то, что вместе с дрейфом изолинии из смеси ЭКС и помехи удаляется часть спектральных составляющих электрокардиосигнала. Подавление составляющих в низкочастотной части спек-
1 Данная оценка необходима для выделения кардиоком-плексов сопоставимой длительности [3-5].
2 Корреляция между анализируемым |-м кардиокомплек-сом и опорным кардиокомплексом, полученным усреднением кардиокомплексов в определенной группе.
Рис. 2 \ Структурная схема блока «Сортировка»
тра ЭКС, в свою очередь, искажает форму ЭКС на выходе фильтра верхних частот, что может повлиять на результаты анализа ЭКС.
Второй метод оценки дрейфа изоэлектрической линии электрокардиосигнала заключается в том, что на электрокардиосигнале в каждом цикле сер-
дечных сокращений выделяются опорные точки, например на PQ- или ТР-сегменте. Предполагается, что отличие сигналов на соответствующих сегментах от нулевой линии обусловлено дрейфом изо-электрической линии.
Далее в зависимости от разновидности способа либо непосредственно через выбранные характерные точки проводятся аппроксимирующие полиномы, или осуществляется сплайн-аппроксимация, или на их основе формируют импульсные сигналы сложной формы и фильтруют последние фильтром нижних частот.
Недостатки метода связаны с тем, что:
• не всегда в электрокардиосигнале присутствует явно выраженный и стабильно лежащий на изолинии сегмент PQ или ТР (например, желудочковые экстрасистолы не имеют PQ-сегмента, ТР-сегмент на высокой частоте сердечных сокращений может вообще отсутствовать);
• не используется информация о дрейфе изоэлек-трической линии, сосредоточенная на всей длительности кардиокомплекса.
Третий метод устранения дрейфа изоэлектриче-ской линии базируется на использовании эмпирической модовой декомпозиции, медианных фильтров и фильтров на основе скользящего среднего и не требует выделения характерных точек, что особенно важно при первичной обработке сигнала, например: медианный фильтр успешно используется для коррекции изолинии в задаче группировки близких по форме кардиокомплексов, содержащихся в длительных записях кардиосигнала.
Однако такие подходы не могут быть применены для выявления эпизодов ишемии, так как приводят к смещению уровня сигнала на сегменте ST. Кроме того, во всех рассмотренных подходах оценка дрейфа изоэлектрической линии осуществляется без учета влияния миографической помехи.
С позиций оптимальной обработки информации такой путь нельзя считать корректным, поскольку подобные способы предварительной обработки приводят к разрушению полезной информации, сосредоточенной на сегменте ST кардиосигнала.
Автором был предложен принципиально иной подход к разрешению этой ситуации [8], состоящий в использовании информации о форме зубцов кар-диосигнала, полученной на этапе предварительного обследования. Миографическая помеха и дрейф изоэлектрической линии включаются в статистическую модель наблюдаемого сигнала [9] для определения функции правдоподобия и оптимизации процедуры обработки на ее основе с учетом помех.
Разработанный подход позволяет для анализируемого j-го кардиокомплекса найти оценку дрейфа изоэлектрической линии в виде
hj (i) = aj2i2 + ajii + ajo,
где a jk — коэффициенты, входящие в полином аппроксимации и определяемые на основании оцен-
ки по максимуму правдоподобия (считается, что дрейф изоэлектрической линии в пределах наблюдаемого кардиокомплекса описывается полиномом 2-го порядка).
Для выявления эпизодов ишемии используется технология взвешенного накопления сегментов ST [10].
Система тревожной сигнализации функционирует следующим образом.
Снимаемый кардиосигнал поступает на первый уровень контроля состояния здоровья человека. В качестве протокола радиоканала используется протокол Bluetooth, обладающий достаточными скоростями подключения и передачи сигнала и позволяющий использовать стандартные узлы приема информации. Первый уровень — индивидуальный контроль с функцией тревожной сигнализации о развитии эпизода ишемии. Этот узел системы строится на основе носимого вычислительного устройства с достаточно мощным вычислительным ресурсом для работы в режиме реального времени, с функцией подачи звукового сигнала тревоги и экраном для отображения показателей текущего состояния больного и индикации о резком развитии критической ситуации, сигнализирующих о необходимости уменьшить физическую нагрузку или прекратить тренировку. Устройство может пересылать поток информации в центр управления и получать ответные команды. Для этого необходимо использовать быстрый протокол передачи данных Wi—Fi. Дополнительно можно организовать «тревожную кнопку» для информирования центрального пункта о развитии критической ситуации. Для этого разумно использовать стандартный смартфон, сопрягаемый с кардиомонитором посредством беспроводной связи Bluetooth. Выбор именно мобильного телефона можно объяснить тем, что он компактен, прост в обращении и может постоянно находиться в зоне радиуса действия связи Bluetooth кардиомонито-ра (например, в сумке или кармане пациента, рис. 3).
Еще одним преимуществом использования мобильного телефона является то, что всю информацию об ЭКГ, записанную в течение определенного времени, можно непосредственно передать через интернет в стационар. Также по интернету на телефон пациента будут приходить корректировки критических уровней по мере накопления уже обработанных данных и осуществляться, в случае необходимости, непрерывный контроль состояния его здоровья.
Был разработан модуль съема кардиосигнала. Компоненты модуля выбирали из условий малой мощности (портативное использование), низкой цены, взаимной совместимости и необходимого быстродействия. На основе выбранных элементов созданы:
1) принципиальная схема устройства;
2) схема расположения компонентов платы с учетом габаритных размеров элементов и их электромагнитной совместимости;
биотехносфера
I № 5(41)/2015
Рис. 3
Диалоговое окно приложения для мобильных систем под платформой Android
3) макет платы;
4) опытный образец устройства (рис. 4). Устройство оцифровывает сигнал с выхода кар-
диоусилителя с частотой дискретизации 300 Гц, анализирует состояние «тревожной кнопки» и измеряет напряжение аккумулятора. При снижении напряжения аккумулятора ниже допустимого программа формирует сигнал управления светодиодом «Аккумулятор». Программное обеспечение разработанного модуля формирует цифровой пакет данных заданного объема (до 4 Кбайт) и передает его модулю Bluetooth со скоростью 115 200 бит/с. Пакет данных имеет единый мировой стандарт пересылаемых пакетов информации — пакеты переменной длины, которые заканчиваются 1 байтом контрольной суммы.
Структура пакета данных, байт
Заголовок пакета............................................6
Заголовок ЭКГ................................................5
Данные ЭКГ..................................................N
Заголовок акселерометра................................5
Данные акселерометра....................................N
Контрольная сумма........................................1
Специальное приложение, разработанное в ходе работы и установленное в мобильном телефоне, дает ряд преимуществ: с его помощью можно в реальном времени наблюдать картину электрокардиограммы, а также вырабатывать сигнал тревоги при развитии эпизодов ишемии.
Таким образом, после съема и отправки потока сигнала по радиоканалу дальнейшая обработка
Рис. 4
Опытный образец беспроводного модуля съема кардиосигнала
происходит на мобильном устройстве (например, на смартфоне или планшетном компьютере), функционирующем под платформой Android.
Была запрограммирована дополнительная возможность получать не только данные кардиосигна-ла, но и информацию иной физической природы, например данные трехосного акселерометра (планируемое усовершенствование системы). Данные акселерометра после соответствующей обработки дадут информацию о скорости движения части тела человека (например, ноги при тренировке на велотренажере) и соответственно о физической нагрузке.
Разработанная система тревожной сигнализации может быть использована в медицинских учреждениях для повышения эффективности мониторинга за состоянием здоровья пациентов в повседневной жизни, в ходе тренировочных процессов в профессиональном и любительском спорте, в том числе и спортсменами в процессе реабилитации после перенесенных травм и заболеваний, а также в различных видах профессиональной деятельности, связанной с работой в экстремальных условиях, где непрерывный контроль физиологического состояния человека более чем просто необходим. Система позволяет производить первичный анализ полученных данных непосредственно в самом телефоне, что предоставляет возможность построить эффективные носимые системы выявления жиз-неугрожающих состояний миокарда.
Литература
1. Rangayyan R. M. Biomedical signal analysis.Wiley-Inter-science. New York, 2002. 439 p.
2. Красичков А. С. Метод построения индивидуальных алгоритмов для мониторинговых устройств с выработкой сигнала тревоги пациенту с ишемической болезнью сердца// Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 5. C. 12-17.
3. Красичков А. С., Соколова А. А. Оценка точности воспроизведения кардиосигнала в процессе синхронного на-
копления // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2010. 7. Вып. 3. С. 48-53.
4. Красичков А. С., Нифонтов Е. М., Иванов В. С. Алгоритм сортировки кардиокомплексов для анализа длительных 8. записей электрокардиосигнала// Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 11. С. 24-28.
5. Красичков А. С. Оценка распределения коэффициента взаимной корреляции в задаче классификации кардио- 9. комплексов при длительном мониторировании ЭКГ// Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2012. № 1. С. 28-35.
6. Красичков А. С. Метод предварительной обработки элек- 10. трокардиосигнала для задачи сортировки кардиокомплек-
сов при длительном мониторировании // Биотехносфера. 2011. № 3-4. С. 105-109.
Кардиомониторы — аппаратура непрерывного контроля ЭКГ: учеб. пособие для вузов / Под ред. А. Л. Барановского, А. П. Немирко. М.: Радио и связь, 1993. 248 с. Красичков А. С. Алгоритм оценки дрейфа изоэлектриче-ской линии кардиосигнала при анализе длительных мони-торограмм // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2013. № 2. С. 25-32.
Красичков А. С. Анализ статистических закономерностей ЭКС // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 5. С. 18-23.
Красичков А. С. Алгоритм индивидуального мониторинга кардиосигнала пациента с ишемической болезнью сердца // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 1. С. 50-61.
г
АО «Издательство «Политехника» представляет: комплект из двух книг по теме «Биомедицинская инженерия»
БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
П. И. Бегун
Учебное пособие для вузов ISBN 978-5-7325-0914-4 Объем 464 с. Цена: 410 руб.
Учебное пособие составлено в соответствии с государственными образовательными стандартами для подготовки магистров по программе «Биотехнические системы и технологии управления состоянием человека и окружающей среды» по профилю «Биотехнические системы и технологии в протезировании и реабилитации».
В учебном пособии изложены теоретические основы математического и физического моделирования объектов протезирования и методы их моделирования с использованием пакетов прикладных программ в различных областях медицинской деятельности: кардиологии, ортопедии, отоларингологии, офтальмологии, урологии, герниологии, нейрологии.
БИОМЕДИЦИНСКАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА Л. В. Илясов
Учебное пособие для вузов ISBN 978-5-7325-1012-6 Объем 350 с. Цена: 450 руб.
В книге изложены принципы действия и описаны наиболее распространенные схемы современных механических, спектральных, электрохимических, хроматографических, электро-ферических, цитологических и других средств аналитической техники, применяемых медико-биологических исследованиях.
Предназначена для студентов, обучающихся по направлениям «Биомедицинская техника» и «Биомедицинская инженерия».
АКЦИЯ! ПРИ ПОКУПКЕ ДВУХ КНИГ КОМПЛЕКТОМ — цена 774 руб.
Эти и другие книги по медицине, биологии, а также науке и технике продаются по наличному и безналичному расчетам в издательстве «Политехника» по адресу: 191023, г. Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Возможен заказ книг в другой город. Тел.: (812) 312-44-95; факс: (812) 312-57-68 E-mail: [email protected], [email protected]. Сайт: http://polytechnics.ru/
J
биотехносфера
| № 5(413/2015
