Способ диагностики электрокардиосигнала на основе определения фрактальной размерности Российский патент 2024 года по МПК A61B5/346 G16H10/00 

Настоящий способ относится к медицине, а именно к методам функциональной диагностики в кардиологии.

Известен способ, при котором регистрируют электрокардиограмму в 12 отведениях, устанавливают электрод для чреспищеводной электрической стимуляции сердца, укладывают пациента для проведения велоэргометрии в горизонтальной позиции. В тех случаях, когда первоначально выбранная частота стимуляции сердца оказывается недостаточной для получения достоверных диагностических критериев ишемической болезни сердца, ее увеличивают (вплоть до 180 в минуту), не прерывая выполнение велоэргометрической нагрузки (RU2233614C2, опубл. 10.08.2004).

Недостатком данного способа является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью использования для выполнения самоконтроля пациентами и врачебного контроля состояния здоровья населения в процессе диспансеризации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ оценки функционального состояния сердца на основании анализа электрокардиограммы (ЭКГ), заключающийся в регистрации посредством кардиографа ЭКГ обследуемого пациента и определении посредством аппаратных и программных средств фактической частоты сердечных сокращений (ЧСС) и амплитудно-временных параметров кардиологических циклов, включающих фактические интервалы R-R, Q-T и P-Q (RU2635775C1, опубл. 16.11.2016).

Недостатком данного способа является прямой подход к анализу электрокардиограммы без учета физиологических особенностей пациентов, к которым относятся ритм сердечных сокращений и длительность сердечного цикла.

Таким образом, известные способы не позволяют в полной мере диагностировать наличие отклонений от нормы и требуют врачебного контроля.

Техническим результатом предлагаемого способа являются диагностика и анализ электрокардиосигнала, выявление отклонений от нормы, постановка предварительного диагноза без необходимости в диспансеризации, а также при анализе электрокардиосигнала учитываются физиологические особенности сердечно-сосудистой системы пациента.

Указанный технический результат применения предлагаемого способа достигается посредством определения фрактальной размерности сигнала и заключается в том, что при анализе электрокардиосигнала регистрируются амплитудно-временные параметры кардиологических циклов электрокардиограммы в 12 отведениях, включающих фактические интервалы R-R, Q-T и P-Q посредством кардиографа и аппаратных и программных средств. Предложенный способ отличается тем, что анализ электрокардиосигнала осуществляется путем анализа фрактальной размерности электрокардиосигнала (ЭКС), полученной на основе оцифрованных амплитудно-временных параметров кардиосигнала в программной среде MatLAB, построения графика спектра мощности логарифмированных значений электрокардиосигнала и определения угла наклона аппроксимирующей прямой к этому графику, в результате чего выражается числовой эквивалент фрактальной размерности электрокардиосигнала на основе которого формируется заключение о наличие отклонений в работе сердечно-сосудистой системы пациента. После применения программного алгоритма к электрокардиосигналу, прошедшему предварительную обработку, определяется его фрактальная размерность.

График электрокардиосигнала (фиг.1, а) представляет собой один кардиоцикл, выделенный из всего электрокардиосигнала. По оси абсцисс отображена длительность электрокардиоцикла в миллисекундах, по оси ординат - амплитуда кардиоцикла, выраженная в микрометрах. График спектра мощности данного кардиоцикла представлен на фиг. 1 б, где по оси абсцисс отложено число дискретизации, выраженное в Гц, по оси ординат - мощность спектра, выраженная в децибелах. По графику спектра мощности определяется значимая часть спектра мощности (в данном примере на отрезке от 0 до 40 Гц), к которой строится аппроксимирующая прямая. Спектр мощности сигнала рассчитывается посредством преобразования Фурье, которое отобразится в спектральном представлении сверткой Фурье-образов этих функций.

На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма, реализующего способ диагностики элекрокардиосигнала на основе определения фрактальной размерности.

На фиг. 3 представлен график взаимного расположения функции спектра мощности и ее аппроксимирующей прямой.

Заявленный способ реализуется посредством выполнения представленных далее действий:

1. Определяется способ получения электрокардиограммы пациента непосредственно в режиме реального времени при снятии показаний с пациента, либо анализ уже отснятых в условиях стационара кардиограмм.

2. Если анализируются заранее оцифрованные данные электрокардиограммы пациента, то создаются базы данных электрокардиосигнала каждого исследуемого пациента, что используется для дальнейшего анализа, мониторинга, нейросетевого анализа на базе машинного обучения.

3. Для повышения достоверности и исключения случайных погрешностей исследуется и вычисляется фрактальная размерность не всей кардиограммы, а кардиосигнала.

4. Если предварительно кардиоцикл не выделен, например, при снятии показаний работы сердечно-сосудистой системы в режиме реального времени, то происходит программное выделение кардиоцикла на основе частоты биения сердца и пиков R-R интервала, а именно временного интервала между двумя последовательными R-зубцами на ЭКГ. Он используется для измерения частоты сердечных сокращений и для оценки регулярности сердечного ритма.

5. После того, как кардиоцикл выделен, его необходимо привести к единому количеству значений. Так как у всех пациентов ритм сердца индивидуальный, количество значений у всех кардиоциклов различно. Поэтому формируется электрокардиосигнал (ЭКС).

6. Для единства параметра дискретизации принято, что число значений на один ЭКС равно 500. Это обусловлено тем, что при таком числе дискретизации сохраняется достаточная точность и детализация, необходимые для анализа ЭКС, а также во многих электрокардиографах используется данное значение параметра дискретизации.

7. В случаях, когда число значений ЭКС отлично от 500 применяется цифровая обработка сигнала, при которой сохраняется вся полезная информация исходного ЭКС.

8. Если в кардиоцикле число значений более 500, то применяется операция децимации сигнала.

9. Если в кардиоцикле число значений менее 500, то применяется операция интерполяции сигнала.

10. Далее к ЭКС применяется программный алгоритм вычисления фрактальной размерности электрокардиосигнала. Данный алгоритм реализован в программной среде MatLAB, в ходе которого сигнал логарифмируется, вычисляется его спектр мощности, строится аппроксимирующая прямая и вычисляется фрактальная размерность.

11. При помощи команды «pspectrum» определятся спектр мощности в программной среде MatLAB. Спектр мощности сигнала рассчитывается преобразованием Фурье. Данная команда разбивает сигнал на сегменты равной длины. Сегменты должны быть короткими, чтобы частота кардиосигнала не сильно менялась на данном отрезке. Далее вычисляется спектр каждого сегмента, далее эти спектры совмещаются в один, из чего и складывается спектр мощности сигнала. При формировании спектра мощности учитывается, что частоты свыше 500 Гц существенно не влияют на определение параметров кардиосигнала и не несут в себе информации, поэтому они исключаются из рассмотрения.

12. Далее выводится график спектра мощности для визуального анализа значимых частот, определения пиковых значений и дальнейшего формирования рабочего интервала спектра мощности.

13. Для того, чтобы зависимость функции спектра мощности от частоты была линейной, полученные значения логарифмируют.

14. Построение аппроксимирующей прямой выполняется путем нахождения промежуточных значений спектра мощности по имеющемуся набору данных. График спектра разбивается на совокупность точек, между которыми находится их усредненное значение. Поэтапно интерполируя значения этих точек, строится прямая, определяющая среднее значение спектра на протяжении всего графика.

15. Выводится график взаимного расположения функции спектра мощности и ее аппроксимирующей прямой для визуальной оценки корректной работы алгоритма.

16. На основе геометрических законов определяется угол наклона s аппроксимирующей прямой графика спектра мощности. Используется функция atan (принимается на вход один аргумент и возвращается значение в радианах в диапазоне от -π/2 до π/2) для нахождения угла наклона аппроксимирующей прямой, который выражен в радианах. Чтобы перевести угол наклона в градусы, он умножается на 180 / π.

,

где р(1) - тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей функцию спектра мощности (фиг. 3).

17. На основе предыдущих вычислений определяется фрактальная размерность электрокардиосигнала. При этом угол наклона аппроксимирующей прямой спектра мощности может быть, как положительным, так и отрицательным. Фрактальная размерность электрокардиосигнала вычисляется по формуле

18. Зависимость между фрактальной размерностью и углом наклона аппроксимирующей линии спектра мощности (s) определяется по методу наименьших квадратов.

19. Если угол положительный, то фрактальная размерность считается как сумма половины угла наклона и 1,5.

20. Если угол отрицательный, то фрактальная размерность считается как сумма половины угла наклона и 2,5.

21. При анализе фрактальной размерности кардиоцикла существует погрешность изменений, при которых полученная размерность сильно отличается от ранее полученных значений. Это происходит из-за того, что при получении ЭКГ возникает случайная погрешность (ее причины: не правильно установленные электроды кардиографа, нарушение целостности проводов и другие механические повреждения кардиографа, движения пациента во время процедуры и т.д.) Поэтому вводится определенный интервал значений фрактальной размерности, значение которого варьируется для каждого пациента в зависимости от диагноза, пола, возраста и других. Если полученная размерность не входит в интервал значений от 1,4500 до 1,5000 формируется новый ЭКС со следующего кардиоцикла.

22. После выполнения всех перечисленных действий алгоритма выводится итоговое значение фрактальной размерности электрокардиосигнала.

Перспективным направлением дальнейшего использования представленного способа диагностики элекрокардиосигнала на основе определения фрактальной размерности является составление базы данных, в которой определены диапазоны значений фрактальных размерностей для различных заболеваний сердца с целью установления диагноза пациента.

Предложенный способ апробирован посредством анализа более двухсот сорока кардиоциклов и расчета их фрактальных размерностей.

Областью применения предложенного способа является медицинская практика, поскольку способ обеспечивает возможность постановки предварительного диагноза на основе полученной фрактальной размерности, позволяет определить состояние сердечно-сосудистой системы.

Технико-экономический эффект, достигаемый при реализации предлагаемого способа, заключается в автоматизированном расчете фрактальной размерности электрокардиосиганалов, что позволяет исключить субъективные погрешности при анализе электрокардиосиганалов, повысить достоверность параметров электрокардиосигнала, на основе которых ставится диагноз пациента.

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике в кардиологии. Предложен способ анализа электрокардиосигнала, в котором осуществляют регистрацию амплитудно-временных параметров кардиологических циклов электрокардиограммы в 12 отведениях посредством кардиографа и аппаратных и программных средств. Анализ электрокардиосигнала осуществляется путем получения фрактальной размерности ЭКС, полученной на основе оцифрованных амплитудно-временных параметров кардиосигнала в программной среде MatLAB, построения графика спектра мощности логарифмированных значений электрокардиосигнала и определения угла наклона аппроксимирующей прямой к этому графику, в результате чего выражается числовой эквивалент фрактальной размерности электрокардиосигнала, на основе которого формируется заключение о наличии отклонений в работе сердечно-сосудистой системы пациента. За счет возможности применения способа в диагностике и анализе электрокардиосигнала возможны выявление отклонений от нормы с учетом физиологических особенностей сердечно-сосудистой системы пациента, а также постановка предварительного диагноза без необходимости в диспансеризации. Изобретение обеспечивает диагностику и анализ электрокардиосигнала, выявление отклонений от нормы, постановку предварительного диагноза без необходимости в диспансеризации. 3 ил., 1 табл.

Способ анализа электрокардиосигнала, заключающийся в том, что регистрируются амплитудно-временные параметры кардиологических циклов электрокардиограммы в 12 отведениях, включающих фактические интервалы R-R, Q-T и P-Q, посредством кардиографа и аппаратных и программных средств, отличающийся тем, что анализ электрокардиосигнала осуществляется путем получения фрактальной размерности ЭКС, полученной на основе оцифрованных амплитудно-временных параметров кардиосигнала в программной среде MatLAB, построения графика спектра мощности логарифмированных значений электрокардиосигнала и определения угла наклона аппроксимирующей прямой к этому графику, в результате чего выражается числовой эквивалент фрактальной размерности электрокардиосигнала, на основе которого формируется заключение о наличии отклонений в работе сердечно-сосудистой системы пациента.