Высокоточное измерение ЭКГ
Последние годы ознаменовались быстрым развитием кардиологии в области как диагностики, так и лечения сердечно‑сосудистых заболеваний. При этом электрокардиография, как и прежде, остается простым, но важным методом исследования.
История клинической электрокардиографии начинается с 1906 г., когда голландский физиолог Биллем Эйнтховен при помощи сконструированного им струнного гальванометра зарегистрировал у больного с патологией сердца первую ЭКГ. Тем самым Эйнтховен стал основателем современной электрокардиографии; за это достижение ему в 1924 г. была присвоена Нобелевская премия в области медицины.
Со времени гениального труда Эйнтховена объем знаний в области электрокардиографии в результате многочисленных экспериментов на животных и клинических исследований колоссально возрос.
Современная электрокардиография ориентирована на новые методы прямой и инвазивной регистрации, которые убедительно доказали ее надежность и ценность.
Электрокардиография — незаменимый метод диагностики сердечных заболеваний, широкому распространению которого во всем мире способствовали следующие 3 ее особенности:
Снять ЭКГ легко и просто. Ее можно регистрировать в любое время и так часто, насколько это необходимо. Исследование необременительно для пациента и может быть выполнено как в амбулаторных условиях, так и в стационаре.
Регистрация ЭКГ не требует больших расходов, многочисленного персонала и специальных знаний.
Электрокардиография отличается большими диагностическими возможностями и высокой информативностью
Модель зубца ЭКГ в норме
Источник
ЭКГ представляет собой зарегистрированную кривую электрического тока в сердце, отражающую особенности распространения возбуждения по предсердиям и желудочкам.
ЭКГ позволяет диагностировать различные заболевания сердца и патологические изменения в нем, которые можно отнести к одной из следующих трех категорий:
Во‑первых, это изменения, укладывающиеся в понятие «острый коронарный синдром» (ОКС) и имеющие важное клиническое значение.
В настоящее время в индустриальных странах инфаркт миокарда (ИМ) является наиболее частой причиной смерти. Прогноз при этом заболевании во многом зависит от того, насколько быстро и точно поставлен диагноз. По ЭКГ ИМ можно диагностировать очень рано и с большой точностью.
Вторая категория изменений, регистрируемых при помощи электрокардиографии, относится к нарушениям ритма сердца. Электрокардиография за весь период своего существования оказалась лучшим методом диагностики сердечных аритмий.
Значение этих нарушений в повседневной практике врача в последние годы значительно возросло, что связано, прежде всего, с тем, что в связи с возможностью точной диагностики аритмий появились многочисленные новые методы лечения. Следует отметить также, что точная оценка водителей ритма без знания электрокардиографии невозможна.
К третьей категории изменений относится гипертрофия одного или обоих желудочков. Признаки гипертрофии на ЭКГ появляются у больных с клапанной недостаточностью сердца и сердечными заболеваниями без нарушения функции клапанов, например, при артериальной гипертензии (АГ), легочном сердце и кардиомиопатии.
Некоторые электрокардиографические феномены, такие как блокады правой и левой ножек пучка Гиса (ПГ), синдром удлиненного интервала QT, синдром WPW, а также синдром Лауна‑Ганонга‑Левина (LGL), можно диагностировать только при помощи электрокардиографии.
Кроме того, ЭКГ дает ценную диагностическую информацию и при многих внутренних болезнях, например при тромбоэмболии легочной артерии (ТЭЛА), перикардите, миокардите, хроническом легочном сердце, гипер‑ и гипокалиемии и гипер‑ и гипокальциемии.
Недавно решил обследоваться и снять ЭКГ, что делал второй раз в жизни. Не буду рассказывать весь процесс, но скажу лишь, что результат получил аж через неделю.
Когда получал результат, то меня успокоили, сказав, что, если бы у меня было что‑то серьезное, то мне бы позвонили.
Естественно, у меня возник вопрос, почему процесс диагностики состояния сердца по ЭКГ может быть таким длительным, насколько точно этот диагноз может быть выполнен в обычной поликлинике и насколько технически сложно реализовать высокоточную регистрацию ЭКГ для дальнейшей компьютерной диагностике, желательно в реальном масштабе времени.
В качестве прототипа взял этот 3-х канальный регистратор ЭКГ.
3-х канальный регистратор ЭКГ. Емкость накопителя 2GB. Точность 12 бит, уровень шума 30 мкВ, минимальный измеряемый сигнал 50 мкВ.Погрешность скорости 5%.Постоянное поляризационное напряжение 300 мВ
Достигнутый мною результат поиска технического решения данного вопроса излагаю далее.
В настоящее время первичным носителем ЭКГ является бумажная лента.
Пример регистрации ЭКГ
Для типового регистратора ЭКГ размер получаемого графика составляет максимум 20 мм амплитуда импульса QRS и 50 мм/сек — длительность периода PQ. Эти графики с бумажного носителя либо измеряются врачом линейкой, либо считываются сканером в ПК для последующего измерения параметров ЭКГ.
Видимый шаг дискретизации в таких измерениях составляет примерно 1 мм, что дает погрешность измерения параметров не менее 5% по амплитуде и не менее 0.02 сек по времени, что для измерения интервала PQ составит не менее 10%.
Многочисленные исследования, оценивающие точность интерпретации, выявили значительное количество ошибок, которые приводили к неправильному пониманию клинической картины, в т.ч. к неспособности точного определения и установления очередности соответствующей медицинской помощи пациентам с острой ишемией миокарда и в других жизнеугрожающих ситуациях. Обзор литературы показал, что основные ошибки в заключениях ЭКГ присутствуют в 4–32% случаев.
American College Cardiology и American College of Physicians предложили стандарты минимально необходимой профессиональной подготовки и требования к квалификации для специалистов по ЭКГ, чтобы способствовать снижению потенциально серьезных ошибок, однако свидетельств о реализации этих специфических рекомендаций немного.
Компьютерные системы облегчают хранение большого количества ЭКГ, рутинного применения сложных диагностических алгоритмов и, поскольку диагностические алгоритмы становятся более точными, предоставляют важные дополнительные сведения для клинической интерпретации ЭКГ. Однако интерпретация с помощью компьютерных систем не всегда бывает правильной (особенно в случае сложных нарушений и в критической клинической ситуации) для вынесения надежного заключения без экспертной оценки специалиста.
Новые методы анализа, основанные на концепциях ИИ, могут привести к дальнейшему усовершенствованию, а новые технические возможности — к широкому распространению систем для быстрой и квалифицированной интерпретации.
Источник
Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) представляет собой один из наиболее распространенных методов количественной оценки активности вегетативной нервной системы. Метод основан на распознавании и измерении временных интервалов межу R зубцами ЭКГ (RRинтервалов), построении динамических рядов кардиоинтервалов и последующем анализе полученных числовых рядов математическими методами.
Американское общество кардиологов рекомендует использовать частоту дискретизации (ЧД) сигнала ЭКГ равной 500 Гц, что эквивалентно квантованию интервала на бумажном носителе с шагом 0.1 мм.
В последнее время появляется все больше статей, приводящих доказательства необходимости использования ЧД, равной 1000 Гц. Это связано с тем, что при невысокой вариабельности относительная ошибка вычисления спектральных параметров ВСР оказывается достаточно большой.
Для вычисления значения ВСР предложено много разнообразных методов, основанных на различных подходах к анализу сигналов. В частности, методы статистического анализа, спектральный анализ, методы нелинейной динамики, корреляционные методы. Анализ спектральной плотности мощности позволяет получить базовую информацию о том, как распределена мощность в зависимости от частоты. В спектре различают три основные спектральные компоненты: VLF (very low frequency, 0,0003÷0,04 Гц), LF (low frequency, 0,04÷0,15 Гц), HF (high frequency, 0,15÷0,4 Гц).
При регистрации не только ЭКГ, но и других видов сигналов биологических объектов, существует ряд общих особенностей, которые затрудняют процесс и создают помехи.
К таким помехам относится сигнал с частотой сети переменного тока, величина которого может составлять до тысячи милливольт, при максимальной амплитуде ЭКГ не более десяти милливольт. Кроме того, возможно наличие в сигнале постоянной составляющей в сотни милливольт, а также квази низкочастотных составляющих, синхронных с ритмом дыхания объекта.
Для устранения указанных помех обычно используют дифференциальный вход и фильтры нижних и верхних частот. Дифференциальный вход компенсирует помеху лишь при условии полной синхронности помехи в точках установки электродов. Применение фильтров нижних частот на входе регистратора приводит к возникновению длительных переходных процессов. В результате, подобные технические решения существенно усложняют устройства регистрации, увеличивают их габариты и существенно повышают стоимость.
В результате проведения исследований данного вопроса и существующей элементной базы, была сформулирована следующая концепция построения регистратора ЭКГ. Устройство содержит до 16 дифференциальных входов (для ЭКГ надо максимум 12 входов) и обеспечивает дискретизацию сигнала по каждому входу с частотой до 1280 Гц.
Постоянная составляющая и сетевая помеха специально не подавляются. Поэтому для обеспечения большого динамического диапазона сигнал используется 24bit АЦП, а для обеспечения высокой точности измерения параметров ЭКГ используется АЦП с малошумящим PGA.
В результате был спроектирован один из возможных вариантов устройства со следующими техническими характеристиками: диапазон входного сигнала до 1.25 В и составляет 24 бита, погрешность измерения значения сигнала не более 10 мкВ, что соответствует точности измерения 17 bit. Такая погрешность для сигнала ЭКГ в 10 мВ обеспечивает погрешность измерения 0.1%.
Так как для измерения ЭКГ надо до 12 каналов, то возникает вопрос каким образом реализовать дискретизацию этих сигналов.
В случае использования одного быстродействующего АЦП и входного коммутатора, возникает проблема переходных процессов в коммутаторе и, как следствие, существенное увеличение времени преобразования, либо существенного усложнения коммутатора, так как требуется обеспечить погрешность на уровне 24 бит.
Кроме того, в таком варианте сигналы будут преобразовываться последовательно со сдвигом во времени. Применение УВХ для устранения временного сдвига сигналов резко усложняет устройство, так как требуется реализация хранения аналогового сигнала с высокой точностью на сравнительно длительном интервале дискретизации не менее 780 мкс.
В итоге выбрал вариант, в котором для каждого сигнала используется отдельное 24 битное АЦП. Работа всех каналов синхронизируется микропроцессором, который управляет АЦП и собирает данные по интерфейсу SPI с частотой 1МГЦ. Микроконтроллер записывает собранные с АЦП данные на SD карту.
Для записи секунды 12 канального ЭКГ с ЧД 1280 Гц потребуется 46 КБ, для записи данных за час — 165 МБ, а для мониторинга за сутки — 4 ГБ памяти SD карты.
В устройстве можно использовать карты емкостью 32 ГБ и более.
После завершения регистрации сигналов ЭКГ, данные могут быть считаны и отображены через USB порт в ПК или смартфон, переданы по Wi‑Fi на сервер обработки данных, либо на SD карте переданы для хранения и дальнейшей обработки.
Конструктивно 12-ти канальное устройство размещается в алюминиевом корпусе 12×9x3 см3, например, таком:
корпус устройства
powerbank 15×6 см2
Так как устройство используется для снятия сигналов с человека, то применение блока питания от сети, в период регистрации показаний, исключается.
Возможно несколько модификаций устройства.
В каждом конкретном случае, устройство собирается из однотипных модулей, размером 2×8 см2. На типовом модуле установлен 24-х битовый АЦП, модуль SoC и адаптер SD карты.
В простейшем случае SoC и SD карта устанавливаются лишь на одном из двенадцати модулей, но добавляется модуль синхронизации размером 2×4 cм2.
В самом сложном варианте устройства, каждый из сигналов ЭКГ обрабатывается своим процессором. При этом, каждый процессор может выполнять вторичную обработку своего сигнала и выполнять экспресс диагностику состояния больного. В критических ситуациях процессор может сообщить информацию по WiFi на диспетчерский пункт.
Кроме того, без существенного изменения схемы устройства, к любому модулю может быть дополнительно подключен внешний датчик по интерфейсу I2C или OneWire.
Достоинством данного технического решения является высокая точность, компактность и низкая стоимость даже при мало серийном производстве. Низкая стоимость обусловлена применением широкодоступных электронных компонент и простой, модульной конструкцией.
В настоящее время, данное устройство разработано на уровне НИР.
