Диагностика нарушений в системах постоянных электрокардиостимуляторов

Большое значение имеет постоянство нулевой (или базовой) линии, от которой производится отсчет амплитуды зубцов. Стабильность нулевой линии зависит от наличия достаточно высокого входного сопротивления усилительной системы и минимального кожного сопротивления.

Нередко основная линия электрокардиограммы колеблется вместе с элементами кривой. Подобную электрокардиограмму не следует считать патологической, так как причиной могут быть нарушения режима питания аппарата, форсированное дыхание пациента, кашель, икота, чиханье, перистальтика кишечника. В грудных отведениях подобные изменения нередко проявляются при трении электрода о выступающие ребра.

Уменьшенная амплитуда зубцов иногда обусловливается плохим контактом электродов с кожей. Значительные помехи вызывают токи наводки от осветительной сети, распознаваемые по частоте колебаний 50 Гц. Подобные помехи могут появиться при плохом контакте электродов с кожей. Нетрудно распознать локализацию возникновения помех. Например, если "наводка" видна во II и III отведении, а в I отведении ее нет, то провод от левой ноги имеет плохой контакт с электродом, или последний неплотно прилегает к коже. Если "наводка" видна в I и II отведении, то имеется плохой контакт на правой руке. Для устранения "наводки" часто прибегают к различным фильтрам.

Для оценки соотношений между полезным сигналом и помехами в таблице 2 приведены значения амплитудно-временных параметров ЭКГ, соответствующих норме.

Таблица 2 - Параметры элементов нормальной ЭКГ

Параметр	Значение параметра элемента ЭКГ
	Зубец Р	Интервал PQ	QRS- комплекс	Интервал QT	Сегмент ST	Зубец T	Зубец U
Амплитуда, мВ	0-0,25	-	0,3-5	-	-	0,4-1	0-0,1
Длитель- ность, с	0,07-0,11	0,12-0,2	0,06-0, 1	0,35-0,44	0,06-0,15	0,1-0,2

Теория обнаружения особенностей сигнала и оценивания его параметров достаточно хорошо разработана, однако прямое применение ряда классических решений к исследованию биоэлектрических сигналов затруднено, а часто невозможно. В первую очередь это обусловлено значительной степенью априорной неопределенности свойств сигналов и помех, которые определяется индивидуальными особенностями пациентов.

3.2 Обработка полученных результатов

Мной был проанализирован алгоритм выделения положение R пиков при анализе сигнала ЭКГ с помощью вейвлет-декомпозиции в среде Matlab.

Работа алгоритма будет показана на примере анализа данных ЭКГ, полученных из базы данных MIT-BIH в формате.mat.

Прежде всего, необходимо выбрать файл.mat и загрузить его:

[fname path]=uigetfile('*.mat');=strcat(path,fname);(fname);

Отобразим график исходного сигнала средствами Matlab (рисунок 10).

Рисунок 10 - Окно программы Matlab c демонстрацией исходного сигнала ЭКГ

Добавим 100 нулей до и после сигнала, чтобы избежать выхода окна за пределы границ сигнала во время поиска пиков.

=zeros(100,1);=[z;A;z];

Произведём вейвлет-декомпозицию, после которой я буду рассматривать сигнал с гораздо более низкой частотой, чем в оригинале, что означает отсутствие лишних деталей при сохранении QRS-комплекса.

[c,l]=wavedec(s,4,'db4');

Извлечём коэффициенты после преобразования:

=appcoef(c,l,'db4',1); =appcoef(c,l,'db4',2); =appcoef(c,l,'db4',3); =appcoef(c,l,'db4',4);

Если мы отобразим (рисунок 11) полученные коэффициенты, мы увидим разделение частотных диапазонов, сигналы ca1, ca2, ca3 и ca4 оказываются чище, чем исходный сигнал, однако они также будут иметь меньшее количество значений вследствие вейвлет-преобразования.

Рисунок 11 - Окно программы Matlab c демонстрацией четырёх уровней вейвлет-декомпозиции исходного сигнала ЭКГ

Можно заметить, что первый сигнал (верхний левый график на рисунке 11) имеет некоторое сходство с исходным сигналом, но включает только четвертую часть значений исходного сигнала, подвергшегося четырехуровневой декомпозиции.

Сигнал второго уровня (верхний справа) включает половину значений сигнала первого уровня. Сигнал третьего уровня (нижний слева) включает половину значений второго и т.д.

Видно, что данные второго уровня декомпозиции свободны от шума. Значит, именно эти данные были бы оптимальны для определения QRS. Однако, первый Rпик расположен на третьем уровне декомпозиции приблизительно на 40 значении, в то же время как этот же пик расположен в исходном сигнале на 260 позиции. Следовательно, поскольку R-пик обнаружен на третьем уровне декомпозиции, именно он должен быть соотнесён с исходным сигналом.

Определим R-пик в преобразованном сигнале. Сначала найдём значения, которые превышают 60% максимального уровня исходного сигнала. Несомненно, это будут R-пики. Вначале, мы обнаруживаем R-пики в незашумлённом декомпозированном сигнале, а затем соотносим их с исходным сигналом.

Пусть y1 - наш декомпозированный сигнал. Введём следующие команды:

=max(y1)*.60;=find(y1>=m1);

Таким образом, P будет набором точек, которые удовлетворяют нашему критерию.

Если рассмотреть сигнал очень внимательно, можно заметить, что R-пик не является одиночным значением, следовательно, есть вероятность, что в наш набор попадёт множество точек, удовлетворяющих критерию, на одном и том же пике. Удалим значения, которые слишком близки:

=P; =[]; =P1(1);=[P2 last];(i=2:1:length(P1))(P1(i)>(last+10))

% На этом шаге мы находим R-пики, которые отстоят друг от друга % хотя бы на 10 позиций =P1(i);=[P2 last];

Теперь переменная P2 отражает позиции R-пиков в декомпозированном сигнале.

Перейдём к определению R-пиков в исходном сигнале.

Помня о том, что позиции R-пиков в преобразованном сигнале являются, по крайне мере, ј от соответствующих значений в исходном сигнале, умножим содержащиеся в P2 значения на 4: P3=P2*4;

Однако, процесс декомпозиции также смещает позиции R-пиков, поэтому нам нужно будет найти максимальные значения в исходном сигнале в окне +- 20 значений от позиции соответствующего R-пика во множестве P3:

=[];(i=1:1:length(P3))= [P3(i)-20:P3(i)+20] = max(A(range)); =find(A(range)==m);=range(l);=[Rloc pos];=A(Rloc);

Ясно, что Ramp и Rloc содержат теперь амплитуды и позиции R-пиков в исходном сигнале. Отобразим их на графике (рисунок 12).

Рисунок 12 - Найденные R-пики на графике исходного сигнала

Таким образом, с помощью проанализированного мной алгоритма, использующего вейвлет-декомпозицию для очистки исходного сигнала от шума, мы автоматизировано распознаём положение R пиков в сигнале ЭКГ в среде Matlab.

Заключение

Мировое лидерство среди заболеваний принадлежит сердечно-сосудистым. Наличие биотехнических систем, которые способны диагностировать параметры электрокардиостимулятора с высокой точностью позволят своевременно приступить к лечению, тем самым резко снижая опасность развития заболеваний сердца. Представленная работа направлена на решение данной проблемы путем разработки биотехнической системы для диагностики электрокардиостимуляторов.

В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Произведен анализ существующих методов диагностики и мониторинга электрокардиостимуляторов. Выделены основные причины нарушения электрокардиостимуляции.

2. На основе анализа современных технологий и требований к программаторам электрокардиостимуляторов подобрана элементная база, разработаны структурная, принципиальные электрические схемы.

3. В ходе проведения исследовательской части была разработана методика выделения характерных точек электрокардиосигнала.

Список литературы

1. Гуков О.А. Использование кардиостимуляторов с функцией автоматического переключения режимов стимуляции при операциях радиочастотной абляции АВ-соединения / О.А. Гуков, С.А. Термосесов, А.М. Жданов // Progress in Biomedical Research. - 2000.

2. Оганов Р.Г., Фомина И.Г. Болезни сердца. Руководство для врачей. М.: Литтерра, 2006. - 1344 с.

3. Воробьев А.С., Электрокардиография. СПб.: Сова, 2003. - 543 с. - ISBN 5-699-04808-1.

4. Кестер У. [Kester W.] Аналого-цифровое преобразование. Изд-во: Техносфера. Год: 2007

5. Хемминг Р.В. [Hamming R.W.] Цифровые фильтры / пер. с англ. Ермишина В.И.: Москва, "Советское радио", 1980.

6. Техническая документация фирмы Analog Devices на операционный усилитель OP1177 (Datasheet).

7. Техническая документация фирмы Analog Devices на операционный усилитель AD8626 (Datasheet).

8. Техническая документация на микроконтроллер STM32F373xx (Datasheet).

9. Акчурин Р.С. Рентгенотелеметрический метод диагностики микродислокации эндокардиального электрода / Р.С. Акчурин, В. Л.Козлов, И. 3. Коробкова // Progress in Biomedical Research. - 2001.

10. Элленбоген К.А. Синдром электрокардиостимулятора: клинические, гемодинамические и нейрогуморальные характеристики / К.А. Элленбоген, М.А. Вуд, Б. Стемблер. - Санкт-Петербург: Сильван, 1995.

11. Шальдах М. Развитие электротерапии сердца - перспективы / М.Шальдах // Progress in Biomedical Research. - 1999.

12. Чирейкин Л.В. Чреспищеводная электрическая стимуляция сердца / Л.В. Чирейкин, В.А. Сулимов, В.И. Маколкин - Москва: Медицина, 2001.

13. Чирейкин Л.В. Чреспищеводная электрокардиография и электрокардиостимуляция / Л.В. Чирейкин, Ю В.М. М. Шубик - Санкт-Петербург: Инкарт, 1999.

14. Хирманов В.Н. Электрокардиотерапия сердечной недостаточности / В.Н. Хирманов, С.А. Юзвинкевич, М. Шальдах // Progress in Biomedical Research. - 2001.

15. Сгарбосса Е.Б. Новые перспективы в электрокардиостимуляции. Побочные эффекты и ограничения частотно-адаптивной электрокардиостимуляции / Е . Б. Сгарбосса, С.Л. Пински, Э. Чинг. Санкт-Петербург: Сильван, 1995.

16. Отчет об исследовании фирмы БИОТРОНИК: Стимуляция в режиме VDD с использованием единого электрода "Single Lead" с фрактальным покрытием // Progress in Biomedical Research. - 1996.

17. Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. - М: ДМК Пресс, 2008.

18. Инструкция к программатору ПРОГРЕКС-04 (Электронный ресурс) URL: http://www.elestim-cardio.ru/to_doctors/manual_progreks-04m/ (дата обращения: 25.02.2015)

19. Инструкция к программатору Medtronic Vitatron (Электронный ресурс) URL: http://www.volynka.ru/Equipment/Details/48 (дата обращения: 5.03.2015)

20. Описание ИКД (Электронный ресурс) URL: http://intercardio.ru/opisanie-ikd (дата обращения: 27.02.2015)

Приложение 1. Структурная схема

Приложение 2. Вид общий

Приложение 3. Схема БТС

Приложение 4. Анализ биообъекта

Приложение 5. Электрическая принципиальная схема

Приложение 6. Блок-схема

Размещено на Allbest.ru