Способы и средства анализа электрокардиосигналов для определения электрической активности сердца

Актуальность исследования. В настоящее время в России и за рубежом активно развивается компьютерная диагностика сердечно-сосудистых заболеваний, особенно в ситуациях скорой и неотложной помощи, так как именно эта категория болезней согласно данным Госкомстата занимает одно из первых мест среди заболеваний и причин смерти трудоспособного населения. Достижения отечественных ученых М. П. Рощевского, Е. П. Чазова, О. В. Баума, JI. И. Титомира, А. Н. Волобуева и других внесли значительный вклад в развитие диагностики состояния сердца.

Самым распространенным и доступным методом исследования сердечнососудистой системы является электрокардиография, в котором для оценки электрической активности сердца применяется амплитудно-временной анализ. Несмотря на широкое применение электрокардиографии в диагностике сердечнососудистой системы, не всегда удается охарактеризовать границы и степень поражения сердечной мышцы, так как применяемые врачами информационные параметры электрокардиосигналов позволяют лишь косвенно связать отклонения в них с конкретными областями сердца.

Другим возможным подходом является представление сердца в виде эквивалентного электрического генератора, характеристики которого отражают электрическое состояние сердца. Таким образом, более детальное представление сердца позволит получить более полную информацию об электрической активности сердца в целом и отдельных его областей, а следовательно, повысить точность определения повреждения миокарда. В связи с этим актуальной задачей является повышение разрешающей способности локализации повреждения миокарда за счет разработки новых способов и средств анализа электрокардиосигналов для определения электрической активности сердца.

Объектом исследования являются способы и средства диагностики состояния сердечно-сосудистой системы.

Предметом исследования являются математические методы анализа и моделирования электрической активности сердца.

Целью исследования является повышение разрешающей способности выявления места повреждения миокарда по сравнению с существующей в функциональной диагностике методикой амплитудно-временного анализа электрокардиосигналов путем определения и исследования характеристик электрической активности сердца пациента.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать и исследовать способы анализа электрокардиосигналов для определения характеристик электрической активности сердца (обратная задача электрокардиографии) на основе модели эквивалентного электрического генератора сердца, компьютерной модели сердца и индивидуальных размеров торса и сердца пациента.

2. В рамках компьютерной диагностической системы разработать и исследовать средства анализа электрокардиосигналов для определения характеристик электрической активности сердца на основе разработанных способов.

3. Разработать способ верификации определения характеристик электрической активности сердца на основе синтеза электрокардиосигналов с использованием альтернативной модели эквивалентного электрического генератора сердца (прямая задача электрокардиографии).

4. Оценить достоверность расположения места повреждения миокарда на основе полученных характеристик электрической активности сердца.

5. Разработать методику исследования электрической активности сердца, позволяющую на основе совместного решения обратной и прямой задач электрокардиографии повысить разрешающую способность выявления места повреждения миокарда по сравнению с существующей в функциональной диагностике методикой амплитудно-временного анализа электрокардиосигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические основы диагностики состояния сердечно-сосудистой системы, теории электромагнитного поля и электродинамики сплошных сред, аналитическая геометрия, линейная алгебра и численные методы, методы решения некорректных задач.

Научная новизна исследования:

1. На основе многодипольной модели эквивалентного электрического генератора сердца разработаны способы и средства анализа стандартных электрокардиосигналов для определения характеристик электрической активности сердца, отличительной особенностью которых является использование смещений электрически активных областей на поверхности сердца и пространственного распределения потенциалов сердца на торсе пациента.

2. Впервые установлена взаимосвязь между полученными в ходе анализа электрокардиосигналов характеристиками электрической активности сердца и параметрами мультипольной модели эквивалентного электрического генератора сердца.

3. Предложен алгоритм определения места повреждения миокарда на основе анализа полученных характеристик электрической активности сердца, результаты которого используются при моделировании и визуализации распространения возбуждения на компьютерной модели сердца пациента.

4. Предложена методика исследования электрической активности сердца, включающая в себя способы и средства анализа электрокардиосигналов для определения характеристик электрической активности сердца и позволяющая восьмикратно повысить разрешающую способность выявления места повреждения миокарда по сравнению с существующей в функциональной диагностике методикой амплитудно-временного анализа электрокардиосигналов.

Практическая значимость исследования заключается в том, что:

1. Предложенная методика исследования электрической активности сердца позволяет повысить разрешающую способность определения места повреждения миокарда и может быть использована как основа для разработки систем диагностики сердца.

2. Предложенные способы решения обратной задачи электрокардиографии позволяют получить дополнительные характеристики электрической активности сердца и повысить эффективность диагностики состояния сердца.

Использование результатов, внедрение.

1. Предложенные способы и средства анализа электрокардиосигналов для определения электрической активности сердца используются в учебном процессе Медицинского института ГОУВПО «Пензенский государственный университет».

2. Предложенная методика исследования электрической активности сердца используется в учебном процессе ГОУ ДПО «Пензенский институт усовершенствования врачей».

3. Разработанные способы и средства анализа электрокардиосигналов, а также методика исследования электрической активности сердца использованы при разработке, настройке и испытаниях макетного образца компьютерной диагностической системы (КДС) «Кардиовид».

Факты внедрения подтверждены соответствующими документами.

На защитувыносятся:

1. Способы анализа электрокардиосигналов, позволяющие определить характеристики электрической активности сердца.

2. Моделирование электрической активности сердца, позволяющее на основе синтеза электрокардиосигналов оценить достоверность определения полученных характеристик электрической активности сердца.

3. Алгоритм анализа полученных характеристик электрической активности сердца, позволяющий оценить достоверность расположения места повреждения миокарда.

4. Методика исследования электрической активности сердца, позволяющая восьмикратно повысить разрешающую способность выявления места повреждения миокарда по сравнению с существующей в функциональной диагностике методикой амплитудно-временного анализа электрокардиосигналов.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы прошли апробацию на научных на 8-м и 9-м Конгрессах Российского общества 9 холтеровского мониторирования и неинвазивной электрофизиологии (РОХМиНЭ) (Москва, 2007, Суздаль, 2008), VI Международной научно-практической конференции «Новые медицинские технологии в охране здоровья здоровых, в диагностике, лечении и реабилитации больных» (Пенза, 2008), Международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» (Казань, 2008), VII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (Пенза, 2007), Всероссийском научном школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине — 2008» (Саратов, 2008), II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные и управленческие технологии в медицине» (Пенза, 2008), XVIII и XIX Конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов ПТУ (Пенза, 2007, 2008).

Публикации. Основные положения работы были представлены в 8 публикациях: [10, 11, 13, 15, 16, 48, 49, 50], в том числе 6 статьях и тезисах конференций, из них 1 — в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патенте РФ, 1 зарегистрированной программной разработке.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 3 приложений. Общий объем составляет 142 страницы машинописного текста, включающего 65 рисунков, 8 таблиц, 99 наименований списка использованных источников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Разработаны способы анализа электрокардиосигналов в 12 стандартных отведениях для определения характеристик электрической активности сердца на основе выбранной много дипольной модели эквивалентного электрического генератора сердца с использованием смещений электрически активных областей поверхности сердца и пространственного распределения потенциалов на поверхности торса пациента. Эти способы позволяют решить обратную задачу электрокардиографии путем построения систем линейных алгебраических уравнений.

2. Разработаны алгоритмы и средства решения систем линейных алгебраических уравнений на основе сингулярного разложения и регуляризации Тихонова, обеспечивающие решение обратной задачи электрокардиографии.

3. Разработан способ верификации решения обратной задачи электрокардиографии на основе установленной взаимосвязи параметров мультипольной модели эквивалентного электрического генератора сердца (прямая задача электрокардиографии) и полученных характеристик электрической активности сердца, что позволяет путем сравнения синтезированных модельных электрокардиосигналов с зарегистрированными оценить достоверность определения характеристик электрической активности сердца. Относительная погрешность предложенных способов определения характеристик электрической активности сердца не превышает 4%.

4. Предложен алгоритм определения места повреждения миокарда на основе анализа полученных характеристик электрической активности сердца, тестирование которого на базе электрокардиосигналов PhysioNet с известным диагнозом подтверждает корректность выявления места повреждения миокарда. Результаты алгоритма используются при моделировании и визуализации распространения возбуждения на компьютерной модели сердца пациента.

5. Разработана методика исследования электрической активности сердца с учетом геометрии сердца и торса пациента, отличительной особенностью которой является совместное решение обратной и прямой задач электрокардиографии. Методика обеспечивает повышение разрешающей способности определения повреждения миокарда приблизительно в 8 раз по сравнению с существующей в функциональной диагностике методикой амплитудно-временного анализа.

6. Разработанные способы анализа электрокардиосигналов реализованы в макете КДС «Кардиовид». Использование предложенной методики исследования электрической активности сердца в КДС «Кардиовид» показывает эффективность определения места повреждения миокарда и подтверждает возможность создания на ее основе отечественной диагностической аппаратуры нового поколения, обладающей оперативностью и наглядностью представления результатов анализа электрокардиосигналов.

Заключение

.

Отображение модели сердца.

Отображение патологии.

Отображение расл ространения возбуждения.

Рисунок 58 — Структура программных средств КДС.

Рисунок 59 — Взаимодействие модуля определения ЭАС с другими модулями.

КДС.

4.3 Программные и аппаратные средства реализации системы определения электрической активности сердца.

4.3.1 Аппаратные средства.

Для реализации модуля определения ЭАС используются стандартные программные и аппаратные средства. Конфигурация ПК для вычислений и работы с графикой приведена в таблице 6. Так как изначально все методы подсистемы определения ЭАС были ориентированы на стандартный набор аппаратных средств ПК, без использования дорогостоящего специализированного оборудования, то приведенная конфигурация является стандартной для большинства современных ПК, ориентированных на широкий круг задач.