CC BY
188
ОСНОВА МЕТОДА РАСПОЗНАВАНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛОВ ЭКГ ПРИ ОЦЕНКЕ ИНФАРКТА МИОКАРДА
А.Ю. Кривцов, В.В. Лавлинский
В статье рассматривается метод распознавания графических файлов электрокардиограмм, базируемый на формировании матриц определенной размерности с целью их дальнейшего использования в среде МЛТЬЛБ. Особенностью метода является дальнейшая возможность распознавания графических файлов электрокардиограмм в среде МЛТЬЛБ с целью принятия решения о наличии инфаркта Миокарда на основе аппарата нейронных сетей
Ключевые слова: метод, распознавание графических файлов, метод оценки инфаркта Миокарда
В настоящее время возникают задачи распознавания образов, присущих к различным областям применения. Одной из таких областей являются информационные системы в медицине, позволяющие помогать при формировании диагноза. Наиболее важными с точки зрения формирования диагноза является диагностика сердечно - сосудистых заболеваний и в том числе инфаркта миокарда.
В рамках задачи анализа параметров ЭКГ предлагается разрабатывать модуль распознавания их графических файлов с целью возможности постановки диагноза. С этой целью необходимо:
изучить форму и обозначения зубцов на графическом представлении ЭКГ, а также стандарты представления самой электрокардиограммы;
выделить параметры ЭКГ для здорового сердца человека;
изучить методы постановки диагноза инфаркта миокарда для формирования правил принятия решения;
осуществить программную реализацию предлагаемого метода.
Исходя из того, что биоэлектрические явления, происходящие в сердце, регистрируются современными приборами, позволяющими хранить результаты в графическом виде с характерной кривой, то, следовательно, имеется возможность осуществлять распознавание ЭКГ как графического объекта.
Ввиду этого необходимо определить идеальные графические образы, отражающие её основные параметры в виде отдельных зубцов.
Схематично графическое представление ЭКГ состоит из следующих основных образов:
трех направленных вверх положительных зубцов Р,Я и Т;
Кривцов Алексей Юрьевич - ВГУ, аспирант, тел. 8-920-401-79-16
Лавлинский Валерий Викторович - ВИВТ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (473) 220-56-50
двух отрицательных зубцов 0 и 8; непостоянного, направленного вверх зубца и.
Кроме того, при распознавании отдельных графических образов зубцов, необходимо различать следующие интервалы: Р - 0, 0 - Т, 8 - Т, Т - Р, Я - Я и два ком-
Рис. 1. Зубцы и интервалы эталонной ЭКГ
Обозначенные особенности являются стандартами описания электрокардиограммы сердца человека на основе которой делается постановка диагноза.
Поэтому в данной статье предлагается метод, позволяющий формировать матрицы строго определенной размерности для соответствующих стандартных отведений - I, II, III, отведений от конечностей - аУЯ, аУЬ и аУБ и однополюсных грудных отведений -У1, У2, У3, У4, У5, У6.
Исходя из того, что в работе И.Л. Бережновой и Е.А. Романовой даны ЭКГ -признаки инфаркта миокарда, которые определяют с точки зрения теории нечеткой логики следующие нечеткие параметры (ниже отмечены курсивом) для различных стадий инфаркта миокарда: ишемическая, повреждения, некроза (острая), подострая и рубцовая.
Ишемическая стадия инфаркта миокарда (длится 15-30 мин) - формирование очага субэндокардиальной ишемии, увеличение амплитуды зубца Т (высокий, заостренный). Регистрируется редко.
Стадия повреждения инфаркта миокарда (от нескольких часов до 2-3 суток) - в зоне ишемии возникает очаг субэндокарди-ального повреждения, смещение интервала
8Т ниже изолинии. Ишемия и повреждение быстро распространяются на всю толщу миокарда, интервал 8Т смещается куполом кверху, зубец Т снижается и сливается с интервалом 8Т.
Острая стадия инфаркта миокарда
(2-3 недели) в центре поврежденной зоны, формируется очаг некроза. Отличается появлением патологического зубца 0, глубина которого превышает четверть зубца Я, ширина больше 0,03 с; снижением (комплекс 0Я8) или полным отсутствием (комплекс 08) зубца Я при трансмуральном инфаркте; куполообразным смещением сегмента 8Т выше изолинии, отрицательным зубцом Т.
Подострая стадия инфаркта миокарда характеризуется возвращением сегмента 8Т к изолинии и положительной динамикой зубца Т: вначале он симметричный отрицательный, затем постепенно амплитуда снижается с переходом в изоэлектричный или слабоположительный (в ряде случаев остается отрицательным пожизненно).
Рубцовая стадия инфаркта миокарда: наличие патологического зубца 0; зубец Т положительный, сглаженный или отрицательный (в последнем случае его амплитуда не должна превышать 5 мм и половины зубца Я или 0 в соответствующих отведениях), динамики этих изменений нет. Если отрицательный зубец Т не удовлетворяет заданным параметрам, то ишемия миокарда в той же области сохраняется. Рубцовая стадия длится пожизненно.
Изменения ЭКГ при мелкоочаговом инфаркте: зубец Т обычно отрицательный, иногда двухфазный; сохраняется таким до 1-2 месяцев, затем становится положитель-
ным, или его отрицательная фаза уменьшается. В ряде случаев, помимо этого, регистрируется снижение амплитуды зубца Я, смещение сегмента БТ ниже изолинии (субэндокардиальный инфаркт).
Распространенный передний инфаркт: наличие ЭКГ - признаков острой стадии в отведениях I и II стандартных, ЛУЯ, У! У2, У3, У4.
Переднебоковой инфаркт: изменения в отведениях I и II стандартных, ЛУЬ, У 5, У6.
Заднедиафрагмальный инфаркт:
ЭКГ-признаки в отведениях II стандартном и III стандартном на вдохе, ЛУБ; заднебоковой - в отведениях III, аУБ, У5-У6, кроме того, высокий зубец Т в У1-У2, 8Т смещен ниже изолинии в У1-У3.
Передне-перегородочный инфаркт: изменения в отведениях У1—У2 (У3), верхушечный - в У4.
Крупноочаговый инфаркт диагностируют при наличии патогномоничных изменений ЭКГ (патологического зубца 0 или комплекса 08) и гиперферментемии даже при отсутствии типичной клиники.
Мелкоочаговый инфаркт диагностируют на основании изменений сегмента 8Т и зубца Т и их динамики (без нарушений в комплексе 0Я8) при соответствующих изменениях ферментов сыворотки крови.
Кроме того, учитывая факт допустимой амплитуды зубцов для соответствующих отведений (таблица) можно определить взаимосвязь между параметрами нечеткой логики и числовыми значениями ЭКГ здорового или больного сердца человека.
Допустимые амплитуды зубцов для соответствующих отведений
Отведения Амплитуда зубцов, мм
Р 0 Я 8
тах тт тах тт тах тт тах тт тах тт
I 1.0 0.3 1.0 0.0 12.0 2.0 5.0 0.0 3.5 0.8
II 2.1 0.9 1.0 0.0 17.0 3.0 3.0 0.0 6.0 1.4
III 1.0 -0.2 2.0 0.0 15.0 0.5 4.0 0.0 4.9 -1.4
аУЯ -0.2 -1.5 13.0 2.0 3.0 0.0 0.0 0.0 -1.0 -5.2
аУЬ 0.9 0.0 2.5 0.0 9.0 0.5 9.0 0.0 2.0 -0.5
аУБ 2.0 0.5 1.2 0.0 15.0 1.0 5.5 0.0 4.0 0.8
У1 0.5 -1.0 0.0 0.0 5.2 0.5 15.0 3.0 2.0 -3.8
У2 1.0 0.0 0.0 0.0 12.0 0.9 16.0 3.0 11.0 -2.0
У3 1.0 0.0 0.0 0.0 19.1 1.1 16.0 0.0 13.3 -2.0
У4 1.0 0.2 1.0 0.0 26.0 6.0 13.0 0.0 8.5 2.0
У5 1.0 0.2 1.0 0.0 24.7 5.0 7.0 0.0 6.8 1.8
У6 1.0 0.2 1.2 0.0 24.5 3.0 4.0 0.0 3.9 1.0
Однако, для этого необходимо определить точность представления данных параметров на графическом представлении любого ЭКГ и выявить зависимость точности представления образов зубцов. С этой целью в данной статье предлагается точность оценивать разрешающей способностью экрана монитора. Такая зависимость показана на рис. 2.
Из этой зависимости видно, что размеры пикселов на мониторах изменяются от
0,303 мм (максимальный размер для монитора с характеристиками диагонали 27 дюймов, разрешением 1920*1200) до
0,1245 мм (минимальный размер для монитора с характеристиками диагонали 22.2 дюймов, разрешением 3840*2400). Таким образом один миллиметр графического образа зубцов ЭКГ как по вертикали, так и по горизонтали может быть представлен от трех до восьми пикселов, то есть 1 мм2 можно представить в виде матрицы пикселей 3*3 (для максимального размера пиксела и наихудшей точности представления графического образа зубцов ЭКГ) и 8*8 ((для минимального размера пиксела и наилучшей точности представления графического образа зубцов ЭКГ).
Диагональ,' Разрешение Обозначение Формат Пикселей на дюйм, (РРІ) Размер пикселя, мм
15.0 1024x768 ХвА 4:3 85.5 0.297
17.0 1280x1024 БХЬА 5:4 96.2 0.264
17.0 1440x900 \^ХОА+ 16:10 99.6 0.255
19.0 1280x1024 5ХйД 5:4 86.3 0.294
19.0 1440x900 ШЬА+ 16:10 89.4 0.284
20.1 1400x1050 5Х6А+ 4:3 87.1 0.291
20.1 1680x1050 16:10 98.4 0.258
20.1 1600x1200 ІІХСА 4:3 99.6 0.255
20.8 2048x1536 ОХйА 4:3 122.7 0.207
21.0 1680x1050 И/5ХСА+ 16:10 94.3 0.270
21.3 1600x1200 ІІХСА 4:3 94.0 0.270
22.0 1680x1050 У/5ХСА+ 16:10 90.1 0.282
22.2 3840x2400 \VQLJXGA 16:10 204.0 0.1245
23.0 1920x1200 \yUXGA 16:10 98.4 0.25В
24.0 1920x1200 \VUXGA 16:10 94.3 0.269
25.5 1920x1200 \VUXGA 16:10 87.1 0.2865
27.0 1920x1200 ШХСА 16:10 83.9 0.303
30.0 2560x1600 У^0?(ОА+ 16:10 101.0 0.251
Рис. 2. Зависимости размеров пикселов от характеристик мониторов
Ввиду этого для наиболее часто используемых в настоящее время на практике мониторы с диагональю 17 дюймов и разрешением 1440*900 размер имеют размер пикселя 0.255, то есть формируемая для них матрица имеет размерность 4*4 пиксела. Это позволит отображать максимальные отклонения для положительных зубцов (в таблице это отведение У4 равное 26.0 мм) и для отрицательных зубцов (в таблице это отведение У1 равное -3.8 мм). Исходя из этого общая амплитуда ЭКГ должна быть не менее 30 мм. С учетом отклонений от нормы эта суммарная амплитуда может быть ещё больше, поэтому желательно иметь возможность анализировать около 45 мм графического образа зубцов ЭКГ или при пересчете на пикселы не менее 180 пикселов для монитора с указанными ранее характеристиками.
Кроме того, необходимо учитывать факт скорости бумажной ленты, которая соответствует 25 мм/с и условия соответствия 1 мВ электрического сигнала 10 мм его графического отображения. Таким образом для пикселей 1 мВ соответствует 40 пикселам для монитора с указанными ранее характеристиками.
Исходя из того, что необходимо отобразить определенный графический файл, его размерность должна быть не менее её длины умноженной на 4.
С этой целью предлагается преобразовать графический файл ЭКГ из формата БМР в матрицу нулей и единиц размерностью 194*900, где значение 0 соответствует фону ЭКГ, а значение 1 соответствует самой ЭКГ.
В данной статье приводятся результаты преобразования образов зубцов ЭКГ из графического файла БМР в матрицу размерностью 194*900 с целью её дальнейшего использования в среде МЛТЬЛБ и использования её при функционировании нейронных сетей с обратной связью для обучения и формирования постановки диагноза сердечно - сосудистых заболеваний, в том числе инфаркта миокарда.
Примеры преобразованных графических файлов, полученных с помощью программы на языке С++, представлены на рис. 3.
Имя Дата изменения Тип Размер
09.03.201114:17 Файл МЛЇ К 18 КБ
09.03201114:17 Файл "МАТІ?" 18 КБ
09.03201114:17 Файл ”МАТ[Г 18 КБ
,_1 09.03201114:16 Файл "МАТІ?" 18 КБ
_п 09.03.201114:16 Файл "МАТРГ 18 КБ
09.03.201114:16 Файл МАЇ К 18 КБ
09.03.201114:18 Файл "МАТІ?" 18 КБ
^2 09.03.201114:18 Файл "МАТІ?" 18 КБ
И,® 09.03201114:18 Файл ”МАТ[Г 18 КБ
09.03201114:19 Файл "МАТІ?" 18 КБ
И,™ 09.03.201114:19 Файл "МАТРГ 18 КБ
09.03.201114:20 Файл "МАТІ?" 18 КБ
Рис. 3. Примеры преобразованных графических файлов, полученных с помощью программы на языке С++
Такое представление файла в виде матрицы дает явное преимущество по сравнению с хранением файла в виде формата БМР с точки зрения экономии дискового пространства памяти. Кроме того, такой формат позволит в дальнейшем использовать аппарат нейронных сетей для формирования решения с использованием среды МЛТЬЛБ, так как такие файлы могут быть использованы как входные величины для сформированных обучаемых нейронных сетей.
Внешний вид содержимого такого формата файла повторяет с достаточной точностью саму ЭКГ (рис. 4), тем не менее для человеческого глаза такое представление неудобно для анализа. Тем не менее, такой формат файла упрощает процедуру дальнейшего анализа и разработку правил принятия решения для автоматизированного способа.
ГГ, '*7" ,*7Г; Го 5Т7:
II31
ТЛІ
'іVо і-j'iїї ; Їvїї'
ь =• □ u = D b г b а 6 « а = b ь . a t o 1 й й > « а 9 b b b b
iiijll
ss I
iiiH
ss t
I
ііш
:r.ss
Рис.4. Внешний вид содержимого файла в матричном виде для отведения У4
Таким образом, предлагаемый метод распознавания заключается в следующих этапах:
1. Формируются файлы ЭКГ с расширением ВМР.
2. С использованием разработанной нами программы на языке С++ файл преобразуется в виде матрицы размерностью не менее 195*900 и хранится на любом носителе для дальнейшего его анализа.
Литература
1. Мурашко В. В., Струтынский А. В. Электрокардиография. 312 стр. 3-е изд. М. -1998 г.
2. Вайсман М. В., Прилуцкий Д. А., Се-лищев С. В. Алгоритм синтеза имитационных электрокардиосигналов для испытания цифровых электрокардиографов.Электроника.-2000.-N4.-0.21-24. http://www.vmark.ru/artic1es.shtm1
3. Малых Д. Компьютерная электрокардиография. Методы анализа электрокардиосигнала. Существующие методы автоматического анализа ЭКГ. Ьйр://Ма1укЬ.ш
Воронежский государственный университет Воронежский институт высоких технологий
BASE OF THE METHOD OF THE RECOGNITION OF THE GRAPHIC FILES EKG AT ESTIMATION OF THE HEART ATTACK OF THE MYOCARDIUM
A.Yu. Krivcov, V.V. Lavlinskiy
In the article is considered method of the recognition of the graphic files of the electrocardiograms, based on advantages-мнрованнн matrixes determined dimensionality for the reason their further use in ambience MATLAB. The particularly of the method is a most further possibility of the recognition of the graphic files of the electrocardiograms in ambience MATLAB for the reason decision making about presence of the heart attack of the Myocardium on base of the device Heft-poHHtix networks
Key words: method, recognition of the graphic files, method of the estimation of the heart attack of the Myocardium
