BUNDLE BRANCH BLOCK DETECTION USING MATHEMATICAL ANALYSIS OF DIGITAL CARDIO SIGNAL

Full Text

В настоящее время, в связи с высокой смертностью населения от сердечнососуди- стых заболеваний, требуется разрабатывать новые метода диагностики этих заболеваний. Для достижения наибольшей мобильности и удобства, проверка пациента и контроль его состояния может осуществляться с примене- нием мобильных устройств [1]. Однако не все современные мобильные устройства об- ладают достаточной для быстрых и точных расчётов производительностью. Многие из существующих методов обнаружения QRS- комплекса основаны на дискретном вейвлет- преобразовании либо на иных алгоритмах, требующих больших вычислительных затрат [2; 3]. В связи с этим, было решено разрабо- тать алгоритм обнаружения признаков бло- кады ножек пучка Гиса на основе известных медицине диагностических признаков, свя- занных с QRS-комплексом [4]. Для выделеimage © Давыдов Н. С., 2016. Давыдов Никита Сергеевич, (amail9496@gmail.com), магистрант факультета информатики Самарского университета, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе,34. ния QRS-комплекса был доработан алгоритм выделения R-зубцов в ЭКГ-сигнале на осно- ве преобразования Гильберта [5]. В качестве обнаруживаемого заболевания была выбрана блокада ножек пучка Ги- са. Пучок Гиса является частью проводящей системы сердца, и в случае блокады одной из его ножек можно наблюдать искажение ком- плекса QRS на электрокардиограмме. QRS- сегмент ЭКГ-сигнала является интервалом, содержащим в себе пики Q, R и S, которые отображают прохождения электрического импульса от верхушки к кончику сердца. В связи с этим при блокаде левой или правой ножки комплекс деформируется. Диагности- ческие признаки этого заболевания следует искать во втором стандартном, первом, вто- ром, шестом и пятых грудных отведениях. Главным признаком наличия блокады ножек Гиса является уширение QRS- комплекса во втором стандартном отведении вследствие задержки прохождения электри- ческого импульса по пучку Гиса (рис. 1). В норме, длина QRS-комплекса пациента без нарушения проводимости сердца должна со- ставлять не более 0,08 секунд в случае полного отсутствия блокады. Так как в ЭКГсигнале регистрируется несколько комплек- 1 N2 1 N2 сов QRS, то для того, чтобы утверждать об image QRS  N image  X (i)  N Y (i), уширении требуется вычислить среднюю i1 i1 длину комплекса по второму стандартному отведению с помощью следующей формулы: N T  1 S(i)  Q(i), где QRS - среднее значение для QRSкомплекса, N1 - количество отсчётов между (i - 1)-ым S-зубцом и i-ым Q-зубцом, X (i) - отсчёт из промежутка между (i - 1)-ым S- N i1 где T - средняя протяжённость QRS- комплексов в сигнале, N - количество QRS- комплексов в ЭКГ-сигнале, S (i), Q (i) - ко- ординаты соответствующих зубцов i-ого комплекса. Следующие признаки блокады ножек пучка Гиса находятся в первом и втором грудных отведениях. При блокаде левой ножки пучка Гиса наблюдается деформация QRS-комплекса и изменение его формы. В случае этой аномалии QRS-комплекс обла- дает уменьшенной амплитудой зубца R и увеличенной амплитудой зубца Q. В норме зубец R обладает вчетверо большей ампли- тудой по сравнению с зубцом Q. Для вычис- ления амплитуды каждого из зубцов требу- ется найти среднюю линию QRS-комплекса по следующей формуле: зубцом и i-ым Q-зубцом, N2 - количество отсчётов между i-ым Q-зубцом и (i + 1)-ым Sзубцом, Y (i) - отсчёт из промежутка между i-ым Q-зубцом и (i + 1)-ым S-зубцом. Далее вычисляются амплитуды зубцов R и Q относительно средней линии всего комплекса и их значения сравниваются друг с другом. Для блокады правой ножки пучка Гиса характерно изменение формы QRS- комплекса на форму буквы «М» (рис. 2). В этом случае требуется провести поиск ло- кального максимума на промежутке в 0,05 секунд, так как именно на этом промежутке может находиться пик R1. Амплитуду этого зубца следует сравнить с зубцом S, так как согласно диагностическим признакам, после зубца S должен идти зубец T, не превышаю- щий S по амплитуде. image Рис. 1. QRS-комплекс здорового пациента (слева) и пациента с блокадой (справа) image Рис. 2. QRS-комплекс в первом грудном отведении при правой блокаде пучка Гиса Если второе стандартное отведение и первые два грудных отведения отсутствуют, то признаки блокады ножек пучка Гиса можно проверить в пятом и шестом отведе- ниях электрокардиограммы. При блокаде ле- вой ножки пучка Гиса в этих отведениях на- блюдается небольшая зазубрина на нисхо- дящем или восходящем колене QRS- комплекса. Для обнаружения аномалии- зазубрины требуется применить любой из имеющихся методов поиска локального мак- симума или минимума на промежутке между пиками Q и R или R и S. При наличии хотя бы одного побочного пика можно утвер- ждать о наличии блокады левой ножки пучка Гиса. Блокада правой ножки пучка Гиса ха- рактеризуется уширением всего QRS- комплекса, обнаружение которого было опи- сано выше, и уширением S-зубца. В норме длина S-зубца составляет 0,02 секунды. Для обнаружения уширения этого зубца требует- ся сделать следующее: найти максимальное значение справа от S-зубца на промежутке в 0,01 секунды, найти значение слева от Sзубца на промежутке 0,01 секунды и срав- нить два этих значения. В случае, если зна- чение слева больше значения справа - ано- малия отсутствует, а в ином случае - можно утверждать о наличии патологии. Условия и методы исследования На основе сформулированных алгоритмов был написан программный комплекс на языке MATLAB с применением инстру- ментария WFDB для эффективного исполь- зования данных ЭКГ-сигнала. Все опытные образцы были взяты из открытой базы дан- ных Массачусетского технологического ин- ститута, и каждый из образцов имел диагноз, поставленный врачом-специалистом, и все двенадцать отведений. Всего было выбрано 39 записей, из которых 30 имели частоту дискретизации 1000 Гц и 8 имели частоту дискретизации 257 Гц. В процессе эксперимента объём считы- ваемой информации из цифрового ЭКГсигнала уменьшалось с целью выяснить, как объём информации влияет на вероятность верного обнаружения болезни. Результаты экспериментального исследования Таблица 1 Номер экспери- мента Число образ- цов Длитель- тель- ность, с Частота дискрети- зации, Гц Всего отсчё- тов Чувстви- тельность Специ- фичность 1 30 100 1000 100000 0,67 0,75 9 389 257 2 30 80 1000 80000 0,67 0,75 9 311 257 3 30 75 1000 75000 0,67 0,75 9 292 257 4 30 50 1000 50000 0,67 0,71 9 196 257 5 30 25 1000 25000 0,53 0,75 9 97 257 6 30 12,5 1000 12500 0,67 0,75 9 47 257 7 30 6,25 1000 6250 0,73 0,75 9 24 257 8 30 3,125 1000 3125 0,67 0,71 9 12 257 Результаты и их обсуждение В процессе проведения экспериментов алгоритм показал снижение уровня чувстви- тельности при уменьшении числа считывае- мых отсчётов ЭКГ-сигнала (табл. 1). Подоб- ное проведение алгоритма связано с тем, что большинство использованных методов осно- вывается на нахождении среднего значения по сигналу. Среднее значение тем ближе к своему истинному значению, чем больше входных данных имеется на входе, потому уменьшение точности алгоритма ожидаемо падает при уменьшении объёма входных данных. Также количество тестовых мате- риалов слишком мало, для точного опреде- ления чувствительности и специфичности алгоритма. Однако любая информация о па- циенте является строго конфиденциальной и получить доступ к записям ЭКГ можно толь- ко по согласию пациента, потому количество тестовых образцов в медицине мало. Заключение По результатам эксперимента можно сделать вывод, что сформулированный алго- ритм на основе анализа ЭКГ-сигнала являет- ся не достаточно точным и требует доработ- ки. Низкая чувствительность и специфичность обусловлена тем, что в качестве глав- ных признаков были взяты признаки, свя- занные с QRS-комплексом, однако в меди- цине используются и другие признаки, свя- занные с пиками, лежащими слева и справа от комплекса.

About the authors

Nikita Sergeevich Davydov

Samara University

Email: amail9496@gmail.com
443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

References

Supplementary files