Глава 2. Технология информационного анализа электрокардиосигналов

Из раздела: Монографии Успенского В. М.
10-04-2014

Российская академия космонавтики имени К.Э.Циолковского
Центр научных исследований биоинформационных проблем (ЦНИБИП)
Государственный институт усовершенствования врачей МО РФ
Кафедра терапии усовершенствования врачей (с курсом военно-морской терапии)
ООО «Медэлком», ООО «Медскрин»

В.М.УСПЕНСКИЙ

2.1 Технические требования к устройствам съёма электрокардиосигналов
2.2 Методика и условия съёма электрокардиосигналов
2.3 Параметры измерений
2.4 Кодирование (преобразование) электрокардиосигналов
2.5 Банк Диагностических эталонов
2.6 Основные этапы технологии информационного анализа электрокардиосигналов
Заключение

Учитывая единый механизм модуляции одних и тех же параметров кардиоимпульсов как электрической, магнитной, так и гидродинамической природы, мы сочли целесообразным разработку технологии информационного анализа осуществить применительно к электрокардиосигналам. При этом мы исходили из того, что динамика основных параметров кардиосигналов, подвергнутых модуляции, представляет собой случайный процесс, который, с целью выяснения семантики заложенной в них информации, не подлежит анализу с помощью математических методов.

По В.И.Дмитриеву [24] случайный (стохастический) процесс может быть нестационарным или стационарным. Нестационарный процесс предполагает такую случайную функцию (времени, амплитуды, фазы), значения которой в каждый момент времени случайны. Случайный стационарный процесс отличается тем, что имеется однородность по одному из параметров сигналов, например, постоянная частота следования импульсов. При случайном стационарном процессе могут иметь место семантические связи между ближайшими сигналами. Они проявляется в том, что каждая реализация случайного процесса достаточной продолжительности может нести практически полную информацию о свойствах всего ансамбля реализаций.

В технических средствах связи, как утверждает С.Голдман [19], при случайном процессе, несмотря на случайный характер динамики основных параметров сигналов, ближайшие сигналы, в первую очередь, предшествующий и последующий могут обладать семантической связью. Однако, как подчеркивает автор, это свойственно только тем случайным процессам, которые по своей сути стационарны, т.е. имеют хотя бы одну стабильную (однородную) функцию.

В отличие от технических информационных систем в информационных системах живых организмов в любом информационном сообщении, представленном случайным процессом, по нашему мнению, должны присутствовать семантические связи между ближайшими сигналами.

Данное допущение, сделанное нами, принято в качестве базового постулата информационного анализа кардиосигналов, согласно которому сообщения, закладываемые в поток кардиосигналов, должны обладать семантическими связями между ближайшими сигналами, что соответствует закону взаимосвязи процессов и явлений в организме человека.

Данная особенность может быть реализована при информационном анализе кодограмм, полученных на основе преобразования динамики основных параметров кардиосигналов в символы. Кодограмма близка по своей сути к лингвистическому тексту, в котором семантические связи объединяют буквенные символы в слова, представляющие дискретную информацию.

При случайном процессе взаимосвязанные сигналы выявляются не методами статистического анализа параметров электрокардиосигналов, показатели которых при нестационарности случайного процесса сами варьируют по закону случайности, но их можно определить на основе кодирования динамики этих параметров с последующей обработкой кодограммы в соответствии с принципом “кода Морзе”.

Приступая к разработке технологии информационного анализа электрокардиосигналов мы также осознавали, что методом выявления устойчивых комбинаций символов кодирования открывается возможность  получения «кодов» тех или иных состояний, семантика которых может закладываться при модуляции кардиоимпульсов. В случае получения специфических «кодов» их можно рассматривать в качестве условных образов, эквивалентно отражающих информационную сущность (семантику) того или иного состояния.

Не менее важной проблемой мы считали тщательный клинический анализ физиологических и патологических состояний добровольцев и больных людей, у которых осуществляли регистрацию электрокардиосигналов. При этом было принято правилом обязательное всестороннее обследование с применением современных клинических, лабораторных и инструментальных методов исследования. Верификацию заболеваний и состояний у всех обследуемых мы рассматривали в качестве обязательного условия в достижении корректности исследования. Разработка и длительная апробация (более 10 лет) технологии информационного анализа электрокардиосигналов позволили определить алгоритм процедур, сформулировать и предложить основные её положения, которые могут быть предметом дальнейшего обсуждения и совершенствования.

2.1. Технические требования к устройствам съёма электрокардиосигналов

Технические требования к устройствам съёма электрокардиосигналов (электрокардиоблоку) формировались в процессе длительной апробации приборов и научных экспериментов, направленных на достижение максимально эффективного информационного анализа электрокардиосигналов. Итогом явился следующий перечень технических требований к электрокардиоблоку:

  • высокая степень помехозащищенности и помехоустойчивости на всех этапах съёма, транспорта и обработки электрокардиосигналов;
  • наличие полосы входного сигнала не менее 500Гц.;
  • достаточно широкий динамический диапазон колебания входного сигнала в пределах не менее от 5 mkV (микровольт) до 5 mV (милливольт), что соответствует динамическому диапазону в 60 dB (децибел);
  • высокая частота дискретизации входного сигнала, обеспечивающая измерение основных параметров QRS-комплексов, с точностью: амплитуды до 5mkV и интервалов времени между QRS-комплексами до 0,01 мс (миллисекунды).

Перечисленные технические требования свидетельствуют о том, что большинство выпускаемых фирмами электрокардиографов не соответствуют вышеизложенным техническим требованиям и не могут быть использованы для съёма электрокардиосигналов, подлежащих информационному анализу.

2.1.1. Варианты устройств

Технические требования к электрокардиоблоку, предназначенному для съёма электрокардиосигналов, подлежащих информационному анализу, реализованы в двух моделях: «Поток», разработан фирмой «Медэлком» (рисунок 7) и «Скринфакс», разработан фирмой «Медскрин» (рисунок 8).

Принципиальное отличие этих устройств заключается в том, что кардиоблок «Поток» позволяет осуществлять съём электрокардиосигналов в последовательном режиме использования трех стандартных биполярных или униполярных отведений от конечностей, а кардиоблок «Скринфакс» — в параллельном, т.е. одновременном режиме съёма в указанных отведениях. Данное обстоятельство определяет разную продолжительность исследования. При наборе базы данных, включающей 600 QRS-комплексов, продолжительность исследования с помощью прибора «Поток» с учётом частоты пульса составляет 20 — 35 минут. Прибор «Скринфакс» позволяет сократить время набора базы данных в три раза (до 8-12 минут).

diagn1

diagn2

2.2. Методика и условия съёма электрокардиосигналов

Съём электрокардиосигналов осуществляется по общепринятой методике регистрации электрокардиограммы. Используются, как правило, стандартные биполярные отведения по Эйнтховену и (или) униполярные усиленные отведения от конечностей по Гольдбергеру.

Количество QRS-комплексов, регистрируемых при съёме электрокардиограммы, ограничивается определением на программном уровне информационной достаточности в каждом конкретном случае исследования и колеблется от 300 до 1200. Соответственно продолжительность исследования в зависимости от частоты пульса может составлять от 5-8 до 20 минут. В большинстве случаев, по нашему опыту, корректное исследование достигается при наборе базы данных, включающей не менее 600 электрокардиографических комплексов.

Во время съёма электрокардиосигналов обследуемый должен находиться в состоянии физического и психо-эмоционального покоя в положении лежа на кровати (кушетке) или сидя в удобном кресле. Исследование проводится не ранее чем через один час после приема пищи, сильнодействующих лекарств и курения. Обследованию не подлежат люди, находящиеся под воздействием алкоголя, наркотиков, седативных препаратов и психотропных веществ, а также больные с выраженной лихорадкой и в крайне тяжелом состоянии. Перечисленные ограничения имеют относительное значение.

Диагностика может быть некорректна при тахикардии более 120 ударов в 1 минуту. Исключают возможность обследования такие нарушения сердечного ритма, как трепетание и мерцание предсердий, трепетание и фибрилляция желудочков, пароксизмальная тахикардия, частая, особенно политопная экстрасистолия, а также нарушения предсердно-желудочковой проводимости (периоды Венкебаха, неполная или полная атриовентрикулярная блокада), наличие искусственного водителя ритма.

2.3. Параметры измерений

Параметры измерения желудочкового QRS- комплекса, который составляет основной вклад в электрокардиоимпульс, определяются известными в теории и практике связи видами модуляции: амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), интервало-импульсной модуляцией (ИИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и фазово-импульсной модуляцией (ФИМ). Применительно к сердцу, как было уже отмечено (1.3.2), интервало-импульсная модуляция может совмещать в себе частотно-импульсную и фазово-импульсную модуляции. Исходя из изложенного, параметрами измерения являются амплитуда Rn желудочкового QRS-комплекса и интервал времени Tn между tRnи tRn+1(рисунок 2).

Следующим параметром измерения мы сочли уместным использовать так называемую меру вероятности тех или иных событий, применяемую в квантовой электродинамике. По Р.Фрейнману [58] мера вероятности события определяется с помощью геометрического построения векторов амплитуд вероятностей, соответствующих тому или иному событию. Применительно к нашему случаю – это повторяющиеся через неопределенные промежутки времени электрокардиоимпульсы, амплитуды которых носят вероятностный характер.

Составляющие данного события можно представить в виде двух векторов-амплитуд, величина которых имеет вероятностный характер: вектора- амплитуды (A) электрокардиоимпульса, представленного амплитудой его QRS-комплекса и вектора-амплитуды (I) интервала времени после предыдущего электрокардиоимпульса (рисунок 9а). Причем направленность векторов относительно друг друга имеет перпендикулярный характер и составляет 90º. Чтобы получить меру вероятности (X) данного события необходимо в соответствии с правилом сложения векторов осуществить геометрическое построение, расположив векторы A и I, сохраняя их направленность, как представлено на рисунке 9б. Согласно правилу сложения векторов квадрат длины результирующей линии, соединяющей начало вектора I с концом вектора, отражающего вторую составляющую события – амплитуду A и есть мера вероятности (X) всего события.

diagn3

Ввиду того, что составляющие события имеют разную метрику и разный физический смысл, мы сочли более адаптивным для нашего исследования определение величины tg угла α противолежащего первой составляющей, т.е. вектору интервала времени и рассматривать ее в качестве меры вероятности всего события. Основанием для правомерности такого решения могут быть приведенные на рисунке 10 варианты соотношения векторов, при которых сохраняются постоянными как результирующая Х-линия (рисунок 10а так и tg угла α (рисунок 10б). Из рисунка 10 следует и другой важный вывод: мера вероятности не зависит от величины амплитуды векторов, но зависит от их соотношения. Действительно, как следует из рисунка 10, одна и та же вероятность события (постоянство величины Х и tg угла α) наблюдается при разных величинах векторов амплитуд, составляющих данное событие, но при условии однозначности их соотношения.

diagn4

Для достижения достоверности информационного анализа в каждом конкретном случае имеет значение  сохранение стандартных условий на период съёма электрокардиосигналов: масштаба времени и электрического напряжения. Абсолютные показатели основных параметров электрокардиоимпульсов необходимы только для определения их динамики.

Информационное пространство внутренней среды человека соответствует его объёму. Электрический импульс, как и магнитный, возникают одновременно в любой точке организма человека. Исполняя роль сигнала, они, соответственно, несут в себе ту или иную информацию, которая при одномоментном съеме в разных отведениях однородна и свидетельствует о том, что она является достоянием всего организма.

Таким образом, в кардиосигналах любой биофизической природы несмотря на регистрацию их в разных точках организма человека содержится вся полнота  информации, закладываемой в них. В этом находят реализацию такие свойства биологической системы, как диалектическое единство общего и частного, единичного и целого. Данное обстоятельство дает основание использовать для информационного анализа электрокардиосигналы, регистрируемые в любой точке организма человека. Однако при этом возникает необходимость стандартизации условий информационного анализа. Она связана с тем, что конфигурации QRS-комплекса в разных точках съёма электрокардиосигналов весьма значительно различаются и не всегда могут быть «удобны» для точного измерения параметров сигнала.   Существенные различия конфигураций QRS-комплексов могут сопровождаться принципиально разными соотношениями в динамике параметров электрокардиосигналов, которые используются в технологии информационного анализа. В отведениях может регистрироваться разная по выраженности и по структуре несущая волна. Поэтому съём сигналов целесообразно проводить в нескольких отведениях, что дает возможность, с одной стороны, делать выбор для информационного анализа того отведения, в котором регистрируются наиболее «удобные» для измерений конфигурации QRS-комплексов, а с другой, определять приемлемый вариант технологии информационного анализа.

Учитывая вариации конфигурации желудочкового комплекса, в таблице № 1 представлены основные варианты измерений амплитуды и интервалов времени. Помимо выбора отведения, в котором регистрируется «удобный» для измерения QRS-комплекс, можно добиться приемлемого для измерения варианта конфигурации желудочкового комплекса изменением положения обследуемого во время съёма электрокардиосигналов. В качестве примера на рисунке 11 приведена электрокардиограмма больного В-ч в положении сидя (рисунок 11а) и в положении лежа (рисунок 11б). Желудочковый комплекс, регистрируемый в положении лежа во втором стандартном отведении, имеет значительно более «удобную» конфигурацию для измерения его амплитуды, чем в положении сидя.

diagn5

diagn6

2.3.1. Стандартизация электрокардиосигналов

Существенные различия конфигурации электрокардиосигналов в различных точках его съёма при одной и той же их семантике ставят перед необходимостью унификации как условий съёма электрокардиоимпульсов, так и стандартизации электрокардиосигналов с учетом конфигурации желудочкового комплекса. Опыт разработки технологии информационного анализа свидетельствует о том, что унифицированными условиями съёма электрокардиосигналов могут служить известные в практике электрокардиографии стандартные биполярные отведения по Эйнтховену, а также униполярные усиленные отведения от конечностей по Гольдбергеру. Характерные для каждого отведения электрокардиографические конфигурации желудочкового комплекса с учётом направленности электрической оси сердца позволяют обеспечить необходимую для информационного анализа их стандартизацию. Возможны и другие способы стандартизации электрокардиосигналов.

2.4.Кодирование (преобразование) электрокардиосигналов

Анализ способов кодирования, известных в технических средствах связи и подробно изложенных во многих руководствах [43,48,75], привел нас к выводу, что ни один из них не может быть использован в полной мере при разработке технологии информационного анализа кардиосигналов. Учитывая особенности функционирования сердца как генератора кардиоимпульсов со свойствами сигналов, которые могут соответствовать различным вариантам случайных стохастических процессов, мы сочли необходимым разработать оригинальный способ кодирования, адаптированный к информационной функции сердца. При этом стремились учесть особенности семантических связей между сигналами, которые свойственны только биологической системе.

Рассматривая биологическую систему, существующую согласно второму закону термодинамики, мы стремились также  понять роль и место информационной функции сердца в общей информационной системе организма. Нами сделана попытка оценить вклад генерируемой сердцем информации в поддержание функциональной активности, в адаптацию и  эволюцию, в обеспечение выживаемости человека как  живой открытой термодинамической системы.

Совершенствование кодирования, являющегося основой информационного анализа электрокардиосигналов с учетом вышеизложенного, по-видимому, длительный процесс, началом которого можно признать, с определенной мерой осторожности, предлагаемое нами исследование.

 

2.4.1. Принцип кодирования

Кодирование – это процесс преобразования динамики основных параметров сигналов любой физической природы в семантический текст, называемый кодограммой. Для осуществления кодирования необходим алфавит символов определенной мерности и семантики. Символ кодированияпредставляет собой отдельный дискретный буквенный или цифровой символ элементарной исходной единицы информации, который может быть одно-, двух-, трех- и более мерным.

Набор символов составляет алфавит символов кодирования, количество которых определяется тем числом, которое необходимо для достижения полноты преобразования всех возможных вариантов пространственно-временной динамики основных параметров кардиосигналов. При этом символы кодирования хотя и обозначают дискретную информацию, имеющую разную семантику, однако характеризуются одинаковой мерностью и семантической однородностью. Мерность, семантическая однородность и алфавит символов в совокупности составляют специфическую сущность кодирования и определяют его возможности.

 

2.4.2. Варианты кодирования

Процедуру кодирования можно осуществлять в двух принципиально отличающихся друг от друга вариантах: с учетом характера волнового процесса, на основе которого происходит генерация кардиосигналов и без учета его. При первом варианте, когда имеет место четко дифференцированный волновой процесс (рисунок 12а), осуществляется кодирование последовательной динамики каждого отклонения фактических параметров электрокардиосигнала относительно аналогичных показателей соответствующего «среднеарифметического» электрокардиосигнала по отношению к предшествующим таким же отклонениям.

Методика получения «среднеарифметической» амплитудо — или интервалограммы изложена в разделе 1.3.2. При втором варианте, когда дыхательную или иную волну не представляется возможным дифференцировать, а огибающая линия амплитудо — и интервалограмм приближается к прямой линии (рисунок 12б), допустимо кодирование динамики непосредственно фактических величин амплитуд зубцов Rn, интервалов времени Tn и tg угла α противолежащего интервалу времени (рисунок 9).

diagn7

2.4.3. Первичная кодограмма

Итогом кодирования является первичная (исходная) кодограмма, которую следует рассматривать в качестве кодового эквивалента информации, закладываемой модулирующим механизмом сердца в электрокардиосигналы (рисунок 13). Исходная кодограмма напоминает лингвистический текст, в котором ликвидированы разделительные промежутки между словами и смысловые разделительные знаки препинания.

Кодирование, как процесс преобразования сигналов в кодовый текст открывает большие возможности для информационного анализа этих сигналов. Варьируя мерностью и семантикой символов можно использовать кодирование как инструмент, с помощью которого на основе компьютерной техники сравнительно легко осуществлять всесторонний и разной степени сложности информационный анализ.

diagn8

2.4.4. Структурированная кодограмма

Ключом к информационному анализу исходной (первичной) кодограммы является допущение, сделанное нами, согласно которому в биологических системах в любом информационном потоке существуют семантические связи между ближайшими сигналами. Такое свойство открывает возможность выявления наиболее устойчивых и часто повторяющихся комбинаций символов, которые могут соответствовать значимой специфической семантике сообщения, заложенного в электрокардиосигналы. Решение данной задачи может быть обеспечено структурированием первичной кодограммы. Для этого осуществляется процедура формирования n-членных комбинаций символов путем последовательного перемещения на один символ «окна», включающего то или иное установленное число (n-) символов, от начала до конца первичной кодограммы (рисунок 14а). Последующий подсчет полученных комбинаций символов и распределение их, согласно с частотой встречаемости в первичной кодограмме, позволяет получить структурированную (вторичную) кодограмму (рисунок 14б).

diagn9

2.4.5. Эталонные кодограммы

Сравнение структурированных кодограмм людей с учетом их физиологических состояний, наличия тех или иных заболеваний открывает возможность получения специфичных «эталонных кодограмм, кодовых портретов, кодов», представляющих собой совокупности n-членных комбинаций символов со 100%-ной встречаемостью в однородной группе обследованных. Эталонная кодограмма в каждой группе обследованных определяется на основе сравнительного анализа вторичных структурированных кодограмм всех людей, входящих в группу, с учетом варианта кодирования и в соответствии с результатами стандартизации электрокардиосигналов. На рисунке 15 представлены варианты эталонных кодограмм при желчекаменной болезни (рисунок 15а), сахарном диабете (рисунок 15б), язвенной болезни (рисунок 15в) и гипертонической болезни (рисунок 15г).

diagn10

2.5. Банк диагностических эталонов

Набор эталонных кодограмм, специфичных для здоровых людей и больных с определенными заболеваниями, составляет банк диагностических эталонов. Банк эталонов играет решающую роль в диагностическом процессе и его значение трудно переоценить. По мере увеличения и расширения базы данных банк следует пополнять эталонными кодограммами новых заболеваний. Необходимо периодически уточнять также имеющиеся эталонные кодограммы. Разработка и внедрение новых более эффективных вариантов кодирования создает необходимость отработки соответствующих эталонов по всем заболеваниям, эталоны которых имеются в банке. Банк эталонов, таким образом, требует постоянного внимания, направленного на его совершенствование и пополнение.

 

2.5.1. Методика получения диагностических эталонов

Получение эталонных кодограмм предусматривает формирование групп здоровых людей и больных с определенными заболеваниями на основе всестороннего предварительного обследования с использованием современных клинических и лабораторно-инструментальных методов исследования. Тщательная верификация нормы и заболеваний – необходимое условие для получения высокоспецифичных эталонных кодограмм.

 

2.5.2. Классификация диагностических эталонов

Классификация диагностических эталонов в банке осуществлена по нозологическому, в отдельных случаях по синдромному принципу (стеатоз печени, стеатоз поджелудочной железы, дискинезия желчевыводящих путей и т.п.).

В каждой нозологии диагностические эталоны распределяются в соответствии с видом кодирования и с учетом варианта стандартизации электрокардиосигналов по типу отведения и вида конфигурации желудочкового QRS-комплекса. Согласно данной стандартизации осуществляется распределение архивного материала.

2.6. Основные этапы технологии информационного анализа электрокардиосигналов

Основные этапы информационного анализа электрокардиосигналов представлены в рисунках 13, 14,  15. Суть их следующая: получение первичной кодограммы с помощью выбранного кодирования; структурирование первичной кодограммы на двух-, трех-, четырех- и более членные комбинации символов методом последовательного перемещения на один символ соответствующего окна от начала до конца первичной кодограммы; подсчет одинаковых комбинаций символов и распределение их с учетом частоты встречаемости; сравнение структурированной кодограммы с эталонными кодограммами нормы и заболеваний. Возможность того или иного заболевания признается только при наличии в составе структурированной кодограммы всех комбинаций символов, входящих в специфический эталон диагностируемого заболевания. На рисунке 15 представлена процедура сравнения структурированной кодограммы без комбинаций символов, входящих в эталон нормы с эталонами желчекаменной болезни, сахарного диабета, язвенной и гипертонической болезней. Из рисунка следует, что 100% присутствие имеют только комбинации символов, составляющие эталон желчекаменной болезни. Предположение о наличии желчнокаменной болезни получило подтверждение при последующем ультразвуковом исследовании желчного пузыря.

 

Заключение

Таким образом, технология информационного анализа кардиосигналов (электрокардиосигналов) — это совокупность методов регистрации и обработки кардиосигналов с целью получения кодовых текстов и расшифровки их семантики с помощью банка эталонных кодограмм (кодов, “кодовых портретов”) физиологических состояний, нормы и заболеваний внутренних органов, а также способов хранения и повторного использования полученной информации.

В процессе разработки технологии информационного анализа электрокардиосигналов затронута важная проблема – характер семантики сигналов, генерируемых сердцем. Возможность получения эталонных высокоспецифичных кодограмм нормы и заболеваний внутренних органов свидетельствует о том, что кардиосигналы несут во внутреннюю среду организма человека информацию, в которой присутствует семантика здоровья и болезней. Что же касается специфичных эталонных наборов комбинаций символов, то их следует рассматривать в качестве эквивалента информационной сущности нормы и заболеваний. Данный факт логично наводит на мысль об использовании технологии информационного анализа электрокардиосигналов в качестве нового метода диагностики заболеваний и разработки на её основе принципиально нового класса диагностических систем.