Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Кафедра Систем Сбора и Обработки Данных

Курсовой проект

По дисциплине «Системы сбора и обработки данных»

Измеритель временных интервалов ЭКГ сигнала

Группа АО-01

Студентка: Шуваева Я.В.

Преподаватель: Полубинский В.Л.

Новосибирск 2014



Содержание

Введение

1. Обзор методик и аппаратов для анализа сердечной деятельности

1.1. Возникновение и снятие биопотенциалов сердечной мышцы

1.2. Анализ полученной электрокардиограммы

1.3. Современные методы анализа ЭКГ

1.4. Сравнительный анализ моделей электрокардиографов

2. Алгоритм определения временных интервалов ЭКГ сигнала

2.1. Исходные предпосылки и ограничения

2.2. Описание алгоритма

3. Реализации и результаты работы алгоритма обработки кардиограммы в инструментальном пакете LabView

3.1. Общая схема программы

3.2. Блок моделирование ЭКГ сигнала

3.3. Блок фильтрации сигнала

3.4. Блок измерения R-R интервала

3.5. Блок измерения P-Q интервала

3.6. Блок измерения QRS комплекса

3.7. Блок измерения Q-T интервала и S-T сегмента

3.8. Результаты работы программы

Заключение

Список литературы



Введение

В настоящее время в медицинских учреждениях обновляется парк измерительно-диагностических и лечебных приборов. Это связано с необходимостью обеспечить своевременную постановку диагноза и выбор метода лечения. Автоматизация медицинских исследований существенно облегчается бурным развитием электронной вычислительной техники и проникновением ее во все области медицины. Медицинские приборы на основе ЭВМ способны самостоятельно провести цикл необходимых измерений, поставить диагноз и провести требуемые лечебные процедуры. Кроме того, наличие сетевых коммуникаций и банка данных по пациентам позволяет обеспечить получение информации об изменении состояния больного в разные периоды времени, таким образом прослеживать динамику развития болезни.

Модернизация оборудования затронула и область электрокардиографии. В клиническую практику вошли новые способы снятия ЭКГ: длительная регистрация электрокардиограммы на магнитную ленту или в память ЭВМ, передача электрокардиограммы по телефону, телеэлектрокардиография и др. Были разработаны встраиваемые в компьютер электрокардиографы, цифровые кардиомониторы, холтеровские системы длительного сбора данных. Однако часто ЭКГ снимают по-прежнему при помощи самописца, что хотя и является достаточно простым, проверенным временем способом, но обладает рядом недостатков: трудность сравнительного анализа электрокардиограмм в разные периоды времени, необходимость использования специальной диаграммной бумаги, отсутствие автоматизированной диагностики и хранения данных о пациентах.

Целью работы является создание устройства, обеспецивающего съём ЭКГ сигнала с пациента, его усиление, фильтрацию, оцифровку и передачу в ЭВМ для измерения временных интервалов.

1. Обзор методик и аппаратов для анализа сердечной деятельности

1.1 Возникновение и снятие биопотенциалов сердечной мышцы

Возникновение электрических потенциалов в сердечной мышце связано с движением ионов через клеточную мембрану. Основную роль при этом играют катионы натрия и калия. [1] В процессе возбуждения клетки миокарда появляется разность потенциалов между различными участками ее поверхности. Эта разность потенциалов будет меняться во времени в зависимости от изменения трансмембранного потенциала действия клетки миокарда.

Амплитуды суммарных биопотенциалов целого нерва, мышцы и любого другого органа, включающего возбудимые ткани, зависят от соотношения фаз потенциалов действия отдельных клеток (волокон), так как биопотенциалы представляют собой сложные сигналы, образующиеся вследствие сложения (суперпозиции) более простых колебаний, связанных с распространением возбуждения по мембранам отдельных клеток (волокон).

В электрокардиографии наиболее распространены отведения биопотенциалов от различных участков поверхности тела. Эти отведения называются поверхностными. При регистрации ЭКГ обычно используют 12 общепринятых отведений: 6 от конечностей и 6 грудных. Первые 3 стандартных отведений были предложены еще Эйнтговеном. Электроды при этом накладываются следующим образом (рис.1):

I отведение: левая рука (+) и правая рука (-);

II отведение: левая нога (+) и правая рука (-);

III отведение: левая нога (+) и левая рука (-).

Рис.1. Расположение электродов при снятии ЭКГ с первых трех отведений

Эти отведения дают представление о распределении биопотенциалов сердечной мышцы в вертикальной плоскости

Регистрируют также усиленные отведения от конечностей: aVR - от правой руки, aVL - от левой руки и aVF - от левой ноги. К положительному полюсу аппарата подсоединяют проводник электрода от соответствующей конечности, а к отрицательному полюсу - объединенный проводник электродов от двух других конечностей.

Для наблюдения за работой сердца в горизонтальной плоскости используют шесть грудных отведений, которые обозначают V₁ - V₆ (рис.2 на котором показаны места установки положительных электродов).

Рис. 2. Расположение электродов при снятии ЭКГ с шести грудных отведений.

К отрицательному полюсу аппарата подводится электрод Вильсона, объединяющий потенциалы от правого и левого предплечий и левой голени через сопротивление, что позволяет свести к минимуму влияние этих потенциалов на форму ЭКГ.

1.2 Анализ полученной электрокардиограммы

Основные исследования при установлении анализа больному по ЭКГ сводятся к измерению характерных временных интервалов, определению изолиний и измерению амплитуды зубцов ЭКГ. Выделяют зубец Р, зубцы Q, R и S, образующие комплекс QRS, зубцы Т и U, а также интервалы P - Q(P - R), S - T, Q - T, Q - U и Т - Р (рис.3).

Рис. 3. Компоненты ЭКГ и их нормальные величины

Зубец Р отражает возбуждение предсердий. Он начинает регистрироваться сразу после того, как импульс выходит из синусового узла. В норме зубец Р чаще положителен (направлен вверх) во всех отведениях, кроме aVR. Первые 0,02 - 0,03 с отражают возбуждение левого предсердия, последние 0,02 - 0,03 с обусловлены только левопредсердным компонентом зубца. Общая продолжительность зубца P составляет до 0,1с.

Интервал P - Q (P - R) соответствует времени от начала возбуждения (сокращения) предсердий до начала возбуждения желудочков и характеризует предсердно-желудочковую проводимость. Продолжительность интервала зависит от частоты сердечных сокращений (чем она меньше, тем длиннее интервал), однако в норме этот интервал не должен быть короче 0,12 с и продолжительнее 0,2 с.

Зубец Q отражает деполяризацию межжелудочковой перегородки. Это необязательный элемент ЭКГ. У многих лиц он отсутствует. В норме ширина зубца Q не должна превышать 0,03 с, а его амплитуда в каждом отведении должна быть меньше ј амплитуды следующего за ним зубца R в этом отведении.

Зубец R - обычно основной зубец ЭКГ. Он отражает деполяризацию верхушки, передней, задней и боковой стенок желудочков сердца.

Важное значение для анализа ЭКГ имеет показатель, именуемый временем внутреннего отклонения (интервал Q - R), который измеряется расстоянием от начала желудочкового комплекса (зубца Q или R) до проекции вершины зубца R на изоэлектрическую линию. Считается, что этот показатель характеризует время распространения возбуждения от эндокарда до эпикарда в месте расположения электрода, его используют для оценки последовательности возбуждения желудочков.

Зубец S обусловлен конечным возбуждением основания левого желудочка сердца. Его амплитуда изменяется в широких пределах в зависимости от отведения, положения электрической оси сердца и других факторов. Это непостоянный зубец ЭКГ, т.е он может отсутствовать, особенно в отведениях от конечностей.

Комплекс QRS отражает процесс деполяризации желудочков. Ширину комплекса QRS измеряют от начала зубца Q до конца зубца S. В норме эта ширина не превышает 0,1 с.

Сегмент ST соответствует тому периоду сердечного цикла, когда оба желудочка полностью охвачены возбуждением, деполяризованы.

Зубец Т отражает процесс быстрой реполяризации желудочков. Амплитуда этого зубца в норме обычно составляет 1/8 - 2/3 амплитуды зубца R, хотя бывают отклонения в ту или другую сторону. Ширина зубца Т обычно не превышает 0,25 с, но эта величина не имеет существенного значения в анализе ЭКГ.

Интервал Q - T соответствует электрической систоле желудочков. Продолжительность этого интервала зависит от частоты сердечных сокращений и ряда других факторов.

Зубец U выявляется не всегда. В норме он следует спустя 0,02 - 0,04 с после зубца Т. Происхождение этого зубца окончательно не выяснено. Считают, что он отражает последовую реполяризацию волокон проводящей системы сердца, но имеются и другие гипотезы.

Интервал Т - Р соответствует состоянию покоя миокарда. При отсутствии зубца U этот интервал полностью совпадает с изоэлектрической линией. [1]

Все вышесказанное сгруппируем в Таблицу 1.

Таблица 1. Параметры элементов нормальной ЭКГ

Параметр	Значение параметра элемента ЭКГ
	Зубец P	Интервал PQ	QRS- комплекс	Интервал QT	Сегмент ST	Зубец, U
Амплитуда, мВ	0-0,25	-	0,3-0,5	-	0,4-1	0-0,1
Длительность, с	0,07-0,11	0,12-0,2	0,06-0,1	0,35 -0,44	0,1-0,2	-

1.3 Современные методы анализа ЭКГ

Широкое распространение сердечно-сосудистых заболеваний обусловило необходимость новых подходов, обеспечивающих проведение массовых обследований без снижения их качества. Одним из таких подходов является автоматизация обработки и анализа ЭКГ. Исследования в этом направлении ведутся достаточно интенсивно и в нашей стране, и за рубежом. [2]

Автоматизация электрокардиографии используется для решения следующих практических задач:

Рационализировать наиболее громоздкую и однообразную часть работы кардиолога, освободив время, достаточное как для контроля за работой автоматической системы, так и для "творческой работы", поскольку машина, которая может интерпретировать ЭКГ соответственно заданной программе, вместе с тем не способна к индивидуальному анализу состояния больного;

Унифицировать изменчивость врачебных заключений по ЭКГ (надежность врачебных заключений составляет 80%);

Обеспечить более высокую производительность диагностической процедуры;

Осуществлять сортировку ЭКГ больших групп населения. [3]

Около 40 лет назад H. V. Ripberger создал первую систему компьютерной обработки ЭКГ.

Эта система была еще несовершенна, но позволила ускорить процесс обработки ЭКГ и увеличить объем исследований. В течение многих лет она видоизменялась, создавались новые компьютерные системы. Наиболее широко использовались следующие программы: IBM/Bonner, Telemed, Marquette, Cro-Med/Pordy. В последнее время компьютерная обработка ЭКГ получает все более широкое распространение.

При наличии определенных различий в количестве измеряемых компонентов, методов анализа в основе всех программ лежит однотипная схема обработки: ввод данных - измерение комплексов и интервалов - анализ полученных данных - оценка и классификация морфологии QRS - вывод результатов исследования.

Технологический прогресс последних лет позволил создать новую систему, сочетающую автоматическое управление записью ЭКГ, перевод данных ЭКГ в цифровые значения, обработку данных, выдачу результатов и накопление их в памяти. [2] Были разработаны различные способы регистрации и анализа электрокардиограмм.

Широкое распространение в клинической практике получило длительное мониторирование ЭКГ по Холтеру. Метод применяется в основном для диагностики преходящих нарушений ритма сердца, а также для выявления ишемических изменений ЭКГ у больных ИПС. Существенным преимуществом метода является возможность длительной (в течение 1 - 2 суток) регистрации ЭКГ в привычных для пациента условиях. Прибор для длительного мониторирования ЭКГ по Холтеру состоит из системы отведений, специального устройства, регистрирующего ЭКГ во встроенную память, и стационарного электрокардиоанализатора. Миниатюрное регистрирующее устройство и электроды укрепляются на теле пациента. Обычно используют от двух до четырех прекардиальных биполярных отведений, соответствующих, например, стандартным позициям грудных электродов V₁ и V₅. При проведении исследования пациент ведет дневник, в который вносятся данные о характере выполняемой пациентом нагрузки и о субъективных неприятных ощущениях (боли в области сердца, одышка, перебои, сердцебиения и др.) с указанием точного времени их возникновения.

После окончания исследования данные заносят в электрокардиоанализатор, который в автоматическом режиме осуществляет анализ сердечного ритма и изменений конечной части желудочкового комплекса, в частности, сегмента RS - T. Одновременно производится автоматическая распечатка эпизодов суточной ЭКГ, квалифицированных прибором как нарушения ритма или изменения процесса реполяризации желудочков. Информация может быть представлена также в цифровом виде и в виде гистограмм, отражающих распределение в течение суток различных частот сердечного ритма и (или) эпизодов аритмий. [4]

Особое значение в настоящее время придается анализу сердечного ритма - RR-интервала. При этом ритмическую структуру ЭКГ удобнее представлять в образном виде из-за большого объема обрабатываемой информации, которую трудно полностью охватить. Для этого применяют копмьютерную обработку ЭКГ. Примерами образного представления служат интервалограммы, скаттерграммы, спектрограммы и др. [5]

Изменения ЭКГ в соответствии с фазами дыхания впервые наблюдал А. Ф. Самойлов. Он заметил, что перемещения ртутного столбика, находящегося в капиллярном электрокардиографе, при каждом сокращении во время выдоха становились больше, а во время вдоха уменьшались. Вскоре Эйнтговен, подвергнув замеченное Самойловым явление систематическому изучению, пришел к выводу, что главный фактор, определяющий дыхательные изменения ЭКГ - это изменение положения сердца.

Благодаря возросшей в последние годы доступности ЭВМ явление Самойлова-Эйнтговена начали использовать в практических целях. Появились компьютерные программы, предназначенные для извлечения из холтеровской записи ЭКГ данных о частоте и ритмичности дыхания. Эти данные использовали для изучения динамики дыхания Чейна-Стокса при сердечной недостаточности, для обнаружения изменения дыхания при мышечной работе, наконец, для выявления особых колебаний дыхания при острой гипокалемии в условиях восхождения на большие высоты, в горах.

В последние годы был создан способ, определения частоты дыхания путем компьютерной обработки ЭКГ. Для этого при помощи ЭВМ измеряют амплитуды последовательности комплексов QRS в трех отведениях, выводят все три кривые изменения этих амплитуд на экран и наиболее представительную из них подвергают векторному анализу, на основании которого определяют частоту дыхания и пределы отклонения от нее. [6]

1.4 Сравнительный анализ моделей электрокардиографов

Для реализации этих и других способов анализа сердечной деятельности человека было разработано множество устройств. При этом для обеспечения надежности диагностики необходима была нормировка основных параметров и погрешностей электрокардиографов.

Электрокардиограф представляет собой прибор, регистрирующий напряжение как функцию времени. Поэтому основными параметрами следует считать погрешность измерения напряжения, интервалов времени, а также чувствительность и скорость движения носителя записи (масштаб регистрации интервалов времени).

Следует отметить, что погрешности измерения напряжения и интервалов времени являются динамическими погрешностями, включающими в себя погрешности отдельных параметров электрокардиографа. Так, погрешность измерения напряжения зависит от погрешности чувствительности, степени нелинейности амплитудной характеристики, степени и характера неравномерности АЧХ и от некоторых других факторов. Погрешность измерения интервалов времени зависит от погрешности скорости движения носителя записи. Поэтому погрешности измерения напряжения и интервалов времени могут рассматриваться как основные погрешности, характеризующие класс точности электрокардиографа.

Особенностью работы электрокардиографа является необходимость усиления полезного сигнала в условиях воздействия на его вход внешних электрических синфазных помех, иногда значительно превышающих по величине усиливаемый сигнал. Поэтому в числе основных параметров нормируется эквивалентное сопротивление синфазных помех , причем следует иметь в виду, что является параметром, характеризующим систему пациент - электрокардиограф.

Основные параметры электрокардиографов в зависимости от класса точности приведены в Таблице 2.



Таблица 2. Основные параметры электрокардиографов в зависимости от класса точности.

Пункт	Параметр	Норма для класса точности
		Первый	Второй	Третий
1	Диапазон измерения напряжения U (в мВ)	От 0,03 до 5	От 0,03 до 4
2	Чувствительность в мм/мВ
	Минимальная	5
	Средняя	10
	Максимальная	20
3	Погрешность измерения (в мВ)	Не более	Не более	Не более
4	Скорость движения носителя записи V (в мм/с)	1; 2,5; 5; 10; 25; 50; 100; 250	25; 50; 100;	25; 50
5	Погрешность измерения интервалов времени (в с)	Не более	Не более
6	Эффективная ширина записи канала Е (в мм)	Не менее 100	Не менее 40
7	Пределы смещения нулевой линии от среднего положения (в мм)	Не менее	Не менее
8	Выброс на переходной характеристике (в %)	Не более 5	Не более 10

Так как электрокардиограф представляет собой измерительный прибор, метрологические параметры которого гарантируются техническим паспортом, отпадает необходимость во встроенном источнике калибровочного сигнала и плавного регулятора чувствительности. Поэтому в число основных параметров не включены величины, их характеризующие.

Нижняя граничная частота 0,05 Гц, реализуемая для электрокардиографов всех классов точности, соответствует завалу вершины переходной характеристики на 60 % за время 2,2 с.

При установлении нормативов на основные погрешности измерения следует исходить из необходимости обеспечения достоверности информации. Диапазоны измерения напряжения и интервалов времени, приводимые в таблице, обусловлены параметрами ЭКГ в норме и патологии. [7]

Сведения о выпускающихся в настоящее время электрокардиографах приведены в Таблице 3:

Таблица 3. Некоторые из выпускающихся в настоящее время электрокардиографов.

Название	Фирма-изготовитель	Число каналов	Связь с компьютером	Собственные устройства вывода	Применение
Кардиокомплекс ЭКГСЗТ-01 [9,10]		3	Внешний, интерфейс RS-232	Нет	Исследование ЭКГ
ЭКГ-анализатор «ЦН3052»	«Интрон»	12	Внешний	Самописец	Исследование ЭКГ
ЭКГ «ПК3060»	«Интрон» и «Програн»	2 или 4	Встраиваемый	Нет	Исследование ЭКГ
Лаборатория клинической нейрофизиологии	«Нейрософт ЛТД»	2	Встраиваемый	Нет	Машины «Скорой помощи»
ЭКГ-монитор «Поли-Спектр»	«Нейрософт ЛТД»	2 - 6		Нет	Операционные, реанимации, палаты интенсивной терапии
Монитор прикроватный МПР-01 «ТРИТОН»	ГУП «ТИСО»	1	Внешний	Дисплей	Холтеровский мониторинг, машины «Скорой помощи»
Монитор реаниматолога МПР5-02 «ТРИТОН»	ГУП «ТИСО»	1	Нет	Дисплей, возможность подключения принтера	Реанимация
Система централизованного мониторинга «ТРИТОН»	ГУП «ТИСО»		16 внешних приборов	Дисплей	Реанимация, палаты интенсивной терапии
Цифровой монитор ЭКГ DP-EK23	СП «Геолинк»	3	Внешний	Дисплей, принтер	Реанимация, интенсивная терапия, холтеровский мониторинг
Диагностический комплекс ЭКГ-12 - 1.1	СП «Геолинк»		Встроенный с внешним выносным блоком	Нет	Исследование ЭКГ
ЭКГ «КАРДИ»		12	Внешний	Нет	Исследование ЭКГ, ЭКГ высокого разрешения
ЭКГ-анализатор «АНКАР-131»		12	Внешний, интерфейс RS-232	Нет	Холтеровский мониторинг, исследование ЭКГ

Практически во всех компьютерных электрокардиографах есть автоматизированная обработка ЭКГ и постановка диагноза, что облегчает работу врача-кардиолога.[7]



2. Алгоритм определения временных интервалов ЭКГ сигнала

В настоящее время разработано большое количество различных алгоритмов обработки ЭКГ сигнала: нейронные сети, волновое преобразование, частотно-временные алгоритмы. Проведя их анализ, было принято решение использовать итеративный алгоритм идентификации кардиографических комплексов.

Алгоритм организован в виде последовательности отдельных этапов обработки [9] .

1. Этап предварительного обучения.

Определяются значения максимумов, минимумов и средних значений сигнала на интервале, заведомо большем одного периода кардиограммы. Экстремальное значение максимумамодуля отклонения от среднего значения отождествляются с R-зубцом. Определяется знаковая асимметрия кардиограммы (знак R-зубца). Эти значения используются на последующих этапах анализа.

2. Этап оценки периода и относительной фазы.

Этот этап состоит из двух подэтапов:

2.1. Ищется первая экстремальная точка сигнала, амплитуда которой близка к ранее полученному значению экстремали. Запоминается положение этой точки на временной оси.

2.2. Ищется вторая экстремальная точка сигнала с амплитудой, близкой к ранее полученному значению экстремали. Запоминается положение второй точки на временной оси. При поиске второй точки накладываются априорные ограничения на минимальное и максимальное расстояния между точками экстремалей (период) по времени.

2.3. Делается первая оценка периода кардиограммы по расстоянию между двумя соседними экстремалями (R-зубцами). С этого момента появляется возможность обращения к элементам кардиограммы в терминах относительной фазы внутри периода. Фазу кардиограммы удобно выбрать так, что бы R-зубец находился посередине периода.

3. Этап анализа комплекса элементов кардиограммы.

На этом этапе проводится оценка отдельных элементов PQRST-комплекса вблизи ожидаемых (прогнозируемых) временных точек появления этих комплексов. Например, мы получили прогнозную оценку периода и момента появления R-зубца в следующем периоде кардиограммы. Используя оценку периода и априорные данные по относительному положению фаз PQRST-комплексов, мы можем спрогнозировать время появления определенного комплекса и выполнить соответствующую обработку на необходимом временном интервале.

4. Этап анализа регулярности кардиограммы.

При выполнении анализа всего комплекса кардиограммы на текущем периоде, полученные фактические значения элементов могут отличаться от прогнозируемых. Если отклонения находятся в пределах заданных допусков, то прогноз кардиограммы и ее интерпретация верна. Принимается решение о регулярности кардиограммы. Если отклонения выходят за допуски, принимается решение о нерегулярности и осуществляется либо возврат к этапу обучения, либо данный период исключается. Чаще всего нерегулярная кардиограмма может возникнуть в присутствии различных артефактов, таких как неплотное прилегание электродов, импульсная электромагнитная помеха и другие помеховые факторы.

5. Этап адаптации.

Полученные значения элементов кардиограммы, прежде всего, экстремальные значения амплитуд, периода и фазы используются для уточнения прогноза на следующий период. После этого осуществляется переход к этапу анализа следующего периода (п. 3).Таким образом, в регулярном режиме циклически выполняются этапы анализа текущего и прогноза следующего периодов кардиограммы с адаптацией к ее небольшим вариациям. В момент запуска алгоритма и при сбоях выполняется обучение алгоритма, и несколько первых периодов кардиограммы пропускается (точнее используется для целей самообучения).

Ниже приводится описание реализованного итеративного алгоритма идентификации кардиографических комплексов.

2.1 Исходные предпосылки и ограничения

· Стационарность параметров ЭКГ на интервале предварительного обучения и оценки параметров ЭКГ, составляющем 8 максимальных периодов ЭКГ или 60*8/40 = 12 с;

· Параметры ЭКГ близки к параметрам нормальной ЭКГ;

· Амплитуда зубца R максимальна в сравнении с амплитудой других зубцов[9].

2.2 Описание алгоритма

Блок-схема алгоритма представлена на рис. 4. Алгоритм состоит из двух частей: предварительного обучения (блок 1) и оценки параметров ЭКГ (блоки 2 и 3)[9].

Рис. 4. Блок-схема итеративного алгоритма идентификации кардиографических комплексов

На этапе предварительного обучения по текущим входным значениям амплитуды ЭКГ A_i, поступающим с частотой дискретизации fdis, оцениваются среднее значение амплитуды, максимальна и минимальная амплитуда (В, А_min, A_max - соответственно). Этап предварительного обучения выполняется постоянно и длится 6 с или 4 максимальных периода ЭКГ (RRmax), который соответствует сердечному ритму 40 ударов в минуту.

Оценка параметров ЭКГ начинается после того, как закончится первый после старта программы этап предварительного обучения (условие <StartВ?> выполняется) и также длится 6 с. По окончанию очередного этапа предвари-тельного обучения производится сброс алгоритма оценки параметров ЭКГ, т.е., оценка параметров ЭКГ производится сначала с учетом новых значений В, А_min, A_max. электрокардиографический компьютер labview

Работу алгоритма оценки параметров ЭКГ иллюстрирует схема на рис. 5.

Рис. 5. Схема обозначений оцениваемых параметров ЭКГ

Для определенности ниже будем рассматривать случай, представленный на рис. 4, когда зубец R направлен вверх. Истинное направление зубца R определяется по величине асимметрии А_min, и A_max относительно среднего значения В.

Идентификация кардиологических комплексов начинается с получения оценки пульса pulse как расстояния между максимумами амплитуды зубца R. Положение t_R зубца R определяется исходя из следующих двух условий. Первое:наличие локального максимума амплитуды ЭКГ, удовлетворяющего условию a_R > A_П, где А_П = A_max - (В - A_min). Второе: амплитуда других локальный максимумов на интервале времени длительностью от t_R до t_R + RRmin меньше a_R, где RRmin - минимальный периоду ЭКГ, соответствующий частоте сердечного ритма, равной 200 ударам в минуту.

Положение двух последних зубцов R (текущего t_R1 и предыдущего t_R0) запоминаются. Как только расстояние между текущим моментом времени и t_R1 превысит RRmin, по величине разности (t_R1 - t_R0) производится оценка пульса. Если же (t_R1 - t_R0) превышает RRmax, то оценка пульса не производится, и все вычисления в блоках 2 и 3 начинаются сначала.

После того, как оценка пульса получена (условие <pulse ?> выполняется, см. рис. 4) в блоке 3 начинается определение следующих параметров ЭКГ (см. рис. 5):

Z - уровень изоэлектрической линии;

a_P, [t_PSt, t_PEnd] - амплитуда и положение на оси времени зубца Р;

a_Q, [t_QSt, t_QEnd] - амплитуда и положение на оси времени зубца Q;

a_R, [t_RSt, t_REnd] - амплитуда и положение на оси времени зубца R;

a_S, [t_SSt, t_SEnd] - амплитуда и положение на оси времени зубца S;

a_T, [t_TSt, t_TEnd] - амплитуда и положение на оси времени зубца T.

Перечисленные выше параметры ЭКГ определяются строго в том порядке, как они указаны выше.

Уровень изоэлектрической линии Z полагается равным среднему значению амплитуды ЭКГ на интервале времени [t_ZSt, t_ZEnd], избранному для оценки уровня изоэлектрической линии. Момент времени t_ZSt выбирается таким образом, чтобы он следовал после зубца Т текущегокомплекса, а момент t_ZEnd - предшествовал зубцуР следующего комплекса PQRST:

t_ZSt = t_TEnd + L_QRS0.5,X, (1)

t_ZEnd = t_R + pulse - (L_RT + L_QRS0.5,X), (2)

где t_R = t_R0 - время, соответствующее максимуму текущего зубца R, полученное в блоке 2;

L_QRS0.5,X - половина максимально возможной длительности комплекса QRS, равная 0,1 с;

L_RT =(t_T - t_R) - расстояние между максимумами зубцов R и T;

t_T - время, соответствующее максимуму текущего зубца T.

В случае начала оценок в блоке 3, время t_T текущего зубца Т определяется на интервале [t_R+L_QRS0.5,X, t_R + L_QRST,X] и соответствует максимальному локальному максимуму на этом интервале, а время t_TEnd - окончания зубца Т, полагается равным t_TEnd = t_R+L_QRST,X, где L_QRST,X -максимально возможная длительность комплекса QRST, равная 0,42 с.

После того, как получена оценка уровня изоэлектрической линии Z, начинается поиск и оценка параметров зубцов P, Q, R, S и T.

Предполагается, что в кардиограмме зубцы P, R и T всегда присутствуют, а S и Q - могут отсутствовать.

Для зубцов, направленных вверх, находятся интервалы времени, для которых амплитуда ЭКГ выше изоэлектрической линии (A_i > Z), а для зубцов направленных вниз - ниже изоэлектрической линии (A_i < Z). Одновременно определяются амплитуда и положение вершины зубца, равные амплитуде и положению соответствующего экстремума.

Учитывая строгую хронологическую последовательность зубцов, первыми определяются параметры зубца P. Параметры зубцов S и R определяются только после того, как найдены параметры зубца P, а параметры зубцов Q и T -только после того, как найдены параметры зубца R. Если при этом амплитуда зубца R меньше порога A_П, то обнаруженный участок ЭКГ относится к зубцу P, а поиск зубцов Q и R возобновляется сначала. Полученные ранее параметры зубца P могут быть заменены параметрами отбракованного зубца R, если его амплитуда меньше, чем амплитуда отбракованного зубца R.

Для полной идентификации зубцов P, Q, S и T используется привязка их времени существования к периоду сердечного ритма, а именно, оценка параметров этих зубцов производится в интервалах времени, привязанных к положению на временной оси зубцов R:

[(t_R + pulse - L_QRS0.5,X - L_PQ,X), (t_R + pulse)] -интервал поиска зубца P;

[(t_R + pulse - L_QRS0.5,X), (t_R + pulse)] - интервал поиска зубца Q;

[t_R, t_R +L_QRS0.5,X] - интервал поиска зубца S;

[t_R, t_R + L_QRST,X] - интервал поиска зубца T.

В приведенных выше выражениях tR -положение на оси времени зубца R предыдущего (зубцы P и Q), или текущего (зубцы S и T) комплексов, а L_PQ,X - максимально возможная длительность комплекса PQ, равная 0,2 с.

Отметим, что для полной идентификациизубца R в блоке 3 не задается явно временной интервал поиска. Как это было описано выше, его положение на оси времени ищется с применением процедуры отбраковки по амплитуде только после того, как найден зубец P. Длительности комплексов PQ, QRS и QRST полагаются равными разности времен окончания и начала крайних зубцов, составляющих комплекс.[9]



3. Реализации и результаты работы алгоритма обработки кардиограммы в инструментальном пакете LabView

3.1 Общая схема программы

В созданной программе используется 1 основной прибор и 7 подприборов. Разбиение на подприборы необходимо, потому что программа получается очень большой и проводить ее отладку затруднительно.

Рис. 6. Общая схема программы

3.2 Блок моделирование ЭКГ сигнала

Для моделирования ЭКГ сигнала была использована математическая модель сигнала, описанная М.В. Абрамовым в статье “Аппроксимация экспонентами временного кардиологического ряда на основе ЭКГ”. Выглядит она следующим образом:

Генерация сигнала производится с помощью цикла For Loop с числом итерации 150. На рис. 6 можно увидеть часть созданной программы.

Рис. 7. Блок моделирование ЭКГ сигнала

3.3 Блок фильтрации сигнала

Рис. 8. Блок фильтрации сигнала



3.4 Блок измерения R-R интервала

Рис. 9. Блок измерения R-R интервала

3.5 Блок измерения P-Q интервала

Рис. 10. Нахождение P зубца

Рис. 11. Блок измерения P-Q интервал

3.6 Блок измерения QRS комплекса

Рис. 12. Блок измерения QRS комплекса

3.7 Блок измерения Q-T интервала и S-T сегмента

Рис. 13. Блок измерения Q-T интервала и S-T сегмента

3.8 Результаты работы программы



Заключение

В ходе разработки были приобретены практические навыки создания медицинских приборов. Произведены расчеты различных блоков измерителя временных интервалов ЭКГ сигнала, а также произведен подбор принципиальных элементов схемы.

Программное обеспечение для ЭВМ, написанное под операционную систему Windows с использованием программы LabVIEW.



Список литературы

1. Дощилин В. Л. Практическая электрокардиография. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1987. - 336 с.

2. Применение компьютерного электрокардиографа для электрокардиографического контроля пульс-терапии / Котельникова Г. П., Егорова Н. К., Соловьев С. К. и др. // Терапевтический архив. - 1986. - №3. - С. 29 - 31.

3. Дорофеева З. З. О некоторых предпосылках к автоматизации электрокардиографии // Кардиология. - 1986. - №11. - С. 5 - 11.

4. Мурашко В. В., Струтынская А. В. Электрокардиография: Учеб. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: МЕДпресс, 1999. - 312 с.

5. Ракчеева Т. А. Образный анализ ритма ЭКГ // Медицинская техника. - 1995. - №2. - С. 9 - 16.

6. Лукошкова Е. В., Хаютин В. М., Безбосынова М. С. QRS-амплитудограмма и ее частотный спектр: применение для оценки мощности колебания частоты сердцебиения // Кардиология. - 2000. - №9. - С. 54 - 57.

7. Аскин Е. Б. Нормировка и способы определения основных параметров электрокардиографов // Мед. техника. - 1974. - №1. - С. 14 - 20.

8. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях - М.: ВИНОМ, 1994 - 352 с.

9. Калюжный Н.А. ,Сливинский А.П. Алгоритм обработки электрокардиограмм для микроконтроллерных устройств с ограниченной емкостью памяти // Наукові праці - 2007. - №72. - С.84-92

10. М.В. Абрамов. Аппроксимации экспонентами временного кардиологического ряда на основе ЭКГ, Вестник кибернетики, Тюмень, ИПОС СО РАН, № 9, c. 85-91, 2010.

11. Высокоскоростные устройства сбора данных и управления: [Электронный ресурс]// Индустриальные технологии.Н., URL:http://www.i-techno.ru (Дата обращения: 10.04.2014).

12. SWAROMED REF 4009 [Электронный ресурс] // Комус Импекс: медицинские расходные материалы. М., URL: http://www.komus-med.ru/catalog/6275/12102/ (Дата обращения: 10.04.2014).

13. Кабель пациента для ЭКГ [Электронный ресурс] // Вилорд: расходные материалы и оборудование для медицины и косметологии. M., URL: http://www.velord.ru/?Id=432 (Дата обращения: 10.04.2014).

14. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. 4 е издание, переработанное и дополненное- М.: ДМК Пресс, 2011.

15. Балашов Ю.С., Козлов Д.В. Многофункциональный программируемый прибор регистрации электрокардиосигнала // Радиолокация, навигация, связь. Материалы 8-ой международной научно-технической конференции, Воронеж, 2010.

16. Сигма-дельта АЦП [Электронный ресурс]// Факультет "Радиофизики и Компьютерных технологий Белорусского государственного университета",Минск, URL: http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf4/publication/chudovski/AD-DA/AC-DC-05.pdf (Дата обращения: 27.04.2014).

17. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.

18. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru