CC BY
66
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ВЫЯВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ НАРУШЕНИЙ СЕРДЕЧНОГО РИТМА
© Аль-Дхамари Джалал Халед Мохаммед*,
Аль-Г абри Вадах Мохаммед Нассер, Аль-Ахноми Монтасер Али Хуссейн
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Для изучения, анализа и выявления различных нарушений сердечного ритма, в нашей работе, была использована среда графического программирования LabVIEW. Работа делится на два этапа: сбор ЭКГ сигнала и его фильтрация, для удаления нежелательного шума и помех. Следующий этап фокусируется на выявлении особенности ЭКГ сигнала. В заключении, различные виды нарушений сердечного ритма выявляются, такие как, синусовая брадикардия, синусовая тахикардия, наджелудочковая тахикардия, трепетание предсердий.
Таким образом, разработанная система может прогнозировать сердечные нарушения у больных до консультации врача (предварительное расследование). Достоинствами данной системы являются удобное использование, низкая стоимость.
Ключевые слова: ЭКГ сигнал, LabVIEW, особенности ЭКГ, фильтрация, синусовая тахикардия, трепетание предсердий.
I. Введение
Разработанная экспертная система включает в себе анализ ЭКГ сигнала [1] и выявление нарушений сердечного ритма с помощью LabVIEW [2]. Анализ ЭКГ сигнала включает в себя фильтрацию исходного ЭКГ сигнала для удаления нежелательных шумов и помех [5], а также изучение отфильтрованного сигнала и выявление любых отклонений (в основном аритмий), таких как синусовая брадикардия, синусовая тахикардия, наджелудочковая тахикардия, трепетание предсердий и Атриовентрикулярная блокада 1-й степени.
А. Форма нормального ЭКГ сигнала и различные формы сердечных нарушений.
- Нормальный синусовый ритм.
Аспирант кафедры Кибербезопасности информационных систем.
60
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2015
- Синусовая тахикардия.
При сердечном нарушении, показанное на рис. 2, частота сердечных сокращений человека меньше, чем 60 ударов в минуту [3]. Это число является нормальным для атлетического, здорового человека, но для других это может быть вызвано увеличением блуждающего тона от наркомании, гипогликемии и травмы головного мозга с увеличением внутричерепного давления.
- Наджелудочковая тахикардия.
Тахикардия или предсердная тахикардия, показанная на рис. 3, происходит в предсердии, но не находится под прямым контролем синоатриального узла. Это нарушение может происходить у лиц всех возрастных групп. - Синусовая брадикардия.
Рис. 4. Синусовая брадикардия
Медицинские науки
61
Уменьшение ЧСС человека ниже 60 ударов в минуту, является признаком нарушения сердечного ритма, известного как синусовая брадикардия (рис. 4). Это происходит в основном из-за стресса, беспокойства, сильных физических упражнений.
- Трепетание предсердий.
Трепетание предсердий является признаком нарушения сердечного ритма (рис. 5), оно возникает в предсердии сердца [4]. Это нарушение встречается чаще всего у лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями (например, гипертония, ишемическая болезнь сердца, кардиомиопатии), и у больных с сахарным диабетом.
- Атриовентрикулярная блокада первой степени.
Атриовентрикулярная блокада первой степени (Рис. 6) вызывается задержкой проводимости атриовентрикулярного узла, все электрические сигналы достигают желудочков. Встречается часто у подготовленных спорт-
Рис. 6. Атриовентрикулярная блокада первой степени
II. Методология
Система решения вопроса об обнаружении нарушения сердечного ритма состоит из четырех этапов. Первый этап это сбор ЭКГ сигнала, здесь мы используем накопленный сигнал ЭКГ в системе, и передаем его в нашу программу для дальнейшего анализа. Второй этап представляет собой фильтрацию исходного ЭКГ сигнала [7], для удаления нежелательного шума и помех. Третий этап является основным этапом извлечения особенности сигнала, т.е. фактического анализа ЭКГ сигнала с точки зрения его параметров.
В заключительном этапе производится обнаружение различных типов нарушений сердечного ритма на основе полученных значений параметров ЭКГ сигнала.
62
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2015
А. Сбор ЭКГ сигнал
На рис. 7 показан виртуальный прибор, содержащий файл ЭКГ сигнала в формате TDMS, для его чтения. Выходной сигнал подается на выход прибора для последующих этапов.
Read Bkrsignal
file path group name in channel name? in error in [ns error) initialize? (F)
9гоирпэше out channel names out error out
EOF?
biosignals
Рис. 7. Виртуальный прибор чтения сигнала
B. Фильтрация и устранение ЭКГ сигнала
Для фильтрации ЭКГ сигнала был использован виртуальный прибор, изображенный на рис. 8. В настройке прибора можно использовать и выбрать различные типы фильтров, такие как фильтры нижних, верхних частот, полосовой, Чебышева, Баттерворта и т.д. Методом проб и ошибок, самым лучшим вариантом для нашей работы был фильтр «Окно Дольф-Чебы-шева». Для определения среднего значения выпрямленного сигнала мы использовали виртуальный прибор (рис. 9).
Рис. 8. Фильтрация ЭКГ сигнала
initialize? [F) biosignal “=3; window info error in [no error) average rectified value Lrt-f — ■■■■■■■■! error out
Рис. 9. Виртуальный прибор, используемый для определения среднего выпрямленного значения ЭКГ сигнала
С. Выявление особенности ЭКГ сигнала
Виртуальный прибор, используемый для извлечения особенности ЭКГ сигнала, показан на рис. 10. Особенности и характеристики QRS комплекса
Медицинские науки
63
ЭКГ сигнала извлекаются из электрокардиограммы (ЭКГ). Чтобы извлечь особенности ЭКГ сигнала, нужна только часть QRS комплекса.
Рис. 10. Виртуальный прибор, применяемый для извлечения особенностей ЭКГ сигнала
Таблица 1
Параметры виртуального прибора, применяемые для извлечения особенностей ЭКГ сигнала
Выходные особенности Их значение
Амплитуда Возвращает амплитуду волны QRS
Уровень Возвращает изоэлектрический уровень
Начало QRS комплекса Возвращает время начала QRS волны
Конец QRS комплекса Возвращает смещение времени QRS волны.
Начало зубца P Возвращает время начала зубца Р. Это начало периода биения.
Конец зубца T Возвращает смещение времени зубца Т Это конец периода биения
Начало зубца T Возвращает время начала зубца Т.
Конец зубца P Возвращает смещение времени Р волны.
Зубец R Возвращает время зубца R
Рис. 11. Виртуальный прибор, используемый для преобразования особенностей ЭКГ сигнала
Эти особенности не могут быть напрямую использованы для анализа ЭКГ сигнала, для решения этой проблемы вычисляется значение величины среднего и стандартного отклонения каждой особенности, затем преобра-
64
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2015
зуются в соответствующие параметры ЭКГ сигнала с помощью виртуального прибора, показанного на рис. 11. Эти значения подаются в различные тематические структуры, с целью выявления различных нарушений сердечного ритма.
D. Удаление дрейфа нулевой линии
Дрейф нулевой линии приводит к смещению всего сигнала от горизонтальной оси. Дрейф нулевой линии обычно вызывается неисправностью электродов, движением пациентов, или механической деформацией электродных проводников.
Дрейф нулевой линии также вызывается неправильностью использования геля между электродом и кожей, что может привести к некорректным результатам. Для решения этой проблемы необходимо принять дополнительные меры защиты аппаратуры для исключения возникновения дрейфа нулевой линии. Артефакт выявляется, когда амплитуда QRS комплекса пересекает пороговое значение больше, чем необходимое количество раз, в течение определенного периода.
Используемый пиковый детектор показан на рис. 13. Сначала ЭКГ сигнал разделяется на несколько компонентов, затем эти компоненты подаются на вход пикового детектора, где установлено пороговое значение. Фиксируется, сколько раз сигнал пересекает заданное пороговое значение. Если число является большим, то система выдает сообщение об ошибке (рис. 12), с требованием повторения измерения.
Рис. 12. Сообщение об ошибке
Рис. 13. Пиковый детектор
Медицинские науки
65
Ш. Результаты
Основные нарушения сердечного ритма, выявленные нашим методом:
1. Синусовая тахикардия.
2. Наджелудочковая тахикардия.
3. Синусовая брадикардия.
4. Трепетание предсердий.
5. Атриовентрикулярная блокада первой степени.
Основным определяющим фактором различных аритмий в экспертной системе является частота сердечных сокращений заданного ЭКГ сигнала. Диапазоны приведены в табл. 2.
Таблица 2
Диапазон частоты сердечных сокращений для различных условий аритмий
Аритмия ЧСС
Нормальный синусовый ритм 60-100
Синусовая брадикардия < 60
Синусовая тахикардия 100-140
Наджелудочковая тахикардия 140-220
Выявление трепетания предсердий возникает в случае невозможности измерения PR интервала, то есть когда PR интервал не может быть вычислен.
Атриовентрикулярная блокада первой степени выявляется в случае, когда PR интервал превышает 0,20 секунд. На передней панели экспертной системы отображается аритмия в зависимости от особенности получаемого ЭКГ сигнала (рис. 14).
LABVIEW BASED EXPERT SYSTEM FOR HEART ABNORMALITIES.
— ECG Signal and Extracted Features ■
Heart Rate Mean 81.56 bpm
QRS Amplitude Mean 1.438 mV QRS Time Mean 04)91 s
PR Interval Mean PR Interval Std 0197 s 0.062 s
QT Interval Mean QT Interval Std 0339 s 0.025 s
Heart Rate Std 934bpm
QRS Amplitude Std 04)7 mV QRS Time Std 04)08 s
congratulation NORMAL SINUS RHYTHM
abnormalities that is ruled out are:-
1st Oegree AV Block Sinus Tachycardia
superventricular tachycardia (SVT) abnormalities sinus bradycardia Atrial Flutter
Рис. 14. Передняя панель экспертной системы
66
НАУКА И СОВРЕМЕННОСТЬ - 2015
IV. Заключение
В нашей работе, мы проанализировали наличие у больных различных нарушений сердечного ритма. После полного анализа, мы смогли установить и рассчитать основные параметры с высокой точностью и применять эти параметры с целью выявления сердечных нарушений.
Проверили наличие дрейфа нулевой линии, связанного с артефактом движения пациента или электрода. Метод является очень эффективным, работает очень быстро. Система может выявлять нарушение на ранней стадии. Достоинствами системы являются низкая стоимость, легкость работы без присутствия специалиста. В работе эффективно были рассчитаны различные параметры ЭКГ сигнала. Эти параметры могут быть использованы более эффективно, с целью выявления других нарушений сердечного ритма с более высокой точностью.
Список литературы:
1. Акимова Е.В., Кузнецов В. А., Гафаров В.В. Динамика распространенности ишемической болезни сердца и риск сердечнососудистой смерти в открытой популяции Тюмени // Кардиология. - 2006. - № 1. - С. 14-18.
2. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2007.
3. Беленков Ю.Н., Оганов Р.Г. Кардиология: Клинические рекомендации. М.: Гэотар-Медиа, 2007. - 640 с.; Белялов Ф.И. Аритмии сердца: Руководство для врачей. - М.: Медицина, 2006. - 352 с.
4. Бокерия Л.А., Ступаков И.Н., Самородская И.В. Хирургическая помощь при заболеваниях сердца: некоторые аспекты организации, доступности, эффективности // Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. - 2006. -№ 5. - С. 4-12.
5. Correia S., Miranda J., Silva L., and Barreto A. LabVIEW and Matlab for ECG Acquisition, Filtering and Processing. 3rd International Conference on Integrity, Reliability and Failure. - Porto / Portugal, 2009. - Р. 20-24.
6. Wikipedia «Electrocardiography» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography.
7. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEWOTn радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2007.
