Стандарты описания и обозначения ЭКГ.
Электрокардиограмма (ЭКГ) человека – сигнал, считываемый в результате распространения волны деполяризации и реполяризации по сердечной мышце. Электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой некоторый сигнал, имеющий пять характерных пиков - P, Q, R, S и T:
Обозначенные особенности (пики и интервалы) и являются стандартами описания электрокардиограммы человека.
Постановка задачи идентификации.
По временным и амплитудным характеристикам пиков и интервалов врач может определить наличие тех или иных заболеваний у исследуемого пациента. Наиболее важную информацию несет пик R, в частности, именно по этому пику можно найти частоту сердечных сокращений.
В зависимости от конфигурации электродов на теле пациента различают, так называемые, отведения. В медицинской практике используются 12 стандартных отведений, 8 из которых линейно независимы, а еще 4 являются их линейной комбинацией.
В линейных методах для определения временных характеристик ЭКГ (то есть для решения задачи идентификации) обычно используют второе отведение.
Под задачей идентификации, обычно, понимают вычисление временных положений пиков. Также определяют частоты, присутствующие в сигнале, так как, например, присутствие в сигнале определенных высокочастотных компонент может свидетельствовать о ненормальной работе сердца. Поэтому появилась необходимость использования методов частотного анализа, одним из которых является вейвлет-преобразование.
Построение модели идеальной ЭКГ
В медицинских источниках есть сведения о параметрах ЭКГ здорового человека. Обычно эти данные и являются отправной точкой при анализе очередной электрокардиограммы. Для выработки подходов к автоматической идентификации нарушений в работе сердца необходимо построить модель сигнала В результате в ходе выполнения работы были построены две модели идеальной ЭКГ. Первая – для системы Matlab. Вторая – в рамках спецификации компьютерного кардиологического комплекса для анализа ЭКГ человека (для модуля “Vision”). В обоих случаях модель представляет собой одномерный массив чисел, с частотой дискретизации 225 Гц. Длительность выбрана из расчета 2-3 сердечных сокращений.
Анализ модели ЭКГ.
Процедура анализа модели дает представление об эффективности и целесообразности применения соответствующих программных средств и алгоритмов с целью решения той или иной задачи. В связи с этим данному разделу уделено особое внимание.
4.3.1 В системе Matlab.
В системе Matlab с использованием стандартных средств данной системы построена модель двух сокращений сердечной мышцы. Графически она имеет следующий вид:
рис 7. Модель ЭКГ в системе Matlab.
Результаты применения аппарата непрерывного вейвлет-преобразования к данной модели выглядят следующим образом:
рис 7. Вейвлет-преобразование в Matlab.
4.3.2 С использованием “Vision”.
Модель электрокардиограмы в данном случае имеет те же параметры, однако ее длительность увеличена до 3 секунд. Результаты ее обработки в модуле “Vision” выглядят следующим образом:
рис 8. Вейвлет-преобразование в “Vision”.
В данном случае темный оттенок свидетельствует о присутствии соответствующей частоты в сигнале в данный момент времени. Частота, в максимальной степени присутствующая в сигнале, выделена особо.
4.3.3 Сравнительный анализ полученных результатов.
Результат, полученный в среде Matlab хорошо локализует особенности ЭКГ, однако возникают проблемы с “чтением” масштаба как по временной оси, так и по частотной. Видно, что продвижение по времени осуществляется не по секундам (или другим временным единицам), а по индексу в массиве, содержащим сигнал. О частотных характеристиках сигнала можно судить лишь приблизительно, ввиду их значительной “размазанности” (см приложение 1.). Все это позволяет сделать вывод о том, что аппарат непрерывного вейвлет-преобразования в среде Matlab не слишком эффективен для решения задачи идентификации.
“Vision” дает наглядную частотно-временную развертку, позволяющую быстро и без дополнительных расчетов определить степень присутствия той или иной частоты в конкретный момент времени. Этому в определенной степени способствует удобный масштаб (Гц,Сек). Помощь при решении задачи идентификации оказывает механизм выделения максимально присутствующей частоты (см. рис 8). Неудобство составляют небольшие искажения в области малых времен, связанные с особенностями непрерывного вейвлет-преобразования.
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
Структура программы
Программа содержит несколько модулей выполняющих различные функции: описание формата данных, прорисовка “миллиметровки” на которую непосредственно наносится ЭКГ, вычисление непрерывного вейвлет-преобразования, визуализация частотно-временной развертки.
“Vision” читает файлы формата “*.1sf”, содержащие записанную на кардиографе электрокардиограмму. При непосредственном считывании сигнал автоматически отображается в окне на “миллиметровой бумаге”. С помощью полосы скроллинга можно просмотреть все двенадцать отведений. На странице “Анализ” представлены необходимые инструменты для построения частотно-временного спектра. Имеется возможность выбора отведения для анализа (1-12), по умолчанию предлагается второе, как наиболее часто используемое. При проведении анализа измеряется время продолжительности процесса.
Форматы данных
Формат файла “*.1sf” в начале содержит заголовок, который описывает параметры, а также форму записи электрокардиограммы.
Здесь используется структура имеющая вид:
type
OtvData = array [0..MaxArrayOtv] of SmallInt;
OtvPointer = ^ OtvData;
OtvNumber = array [0..MaxNumberOtv] of OtvPointer;
OtvYLineP = array [0..MaxNumberOtv] of Integer;
PtrOtvYLineP = ^ OtvYLineP;
DataPointer = ^ OtvNumber;
LocationType = (Vertical, Horizontal);
WorkStyleType = (Standart12, Franc, Aculinichev, Reserved);
ECGType = record
Frequency: Word;
Time: Single;
OtvQuantity: Byte;
Location: LocationType;
WorkStyle: WorkStyleType;
MultipleCoef: Single;
end;
Frequency – частота съема ЭКГ, Time – продолжительность съема, OtvQuantity – количество отведений, Location – формат записи (Vertical – предусматривает параллельную запись всех отведений, применяется при считывании данных с кардиографа, Horizontal – последовательная запись отведений: сначала первое, затем второе и т.д.), MultipleCoef – коэффициент числового ряда сигнала.
Оценка временных затрат
Основными критериями, определяющими скорость работы программы являются: частота съема ЭКГ и параметры аппаратной части.