Автоматична діагностика порушень ритму серцевої діяльності є традиційною завданням медичної кібернетики. До теперішнього часу в цій області накопичено значний досвід, який свідчить, зокрема, про неспроможність на сьогоднішній день спроб повної автоматизації діагностики ритму серця. Рішення задачі базується в основному на лікарському досвіді, з одного боку, і на статистичній обробці з іншого. Проте, як відомо, лікарський досвід далекий від необхідної формалізації, точніше, формалізації піддається деяка частина стійких знань, що розділяються більшістю фахівців, в той час як інша частина лікарського досвіду носить нечіткий і суб'єктивний характер, який частонеотделім від самого фахівця. Статистичний же підхід носить занадто абстрактний характер, мало враховуючи специфіку завдання. Тому більшість існуючих автоматизованих систем або не володіє достатнім ступенем переконливості, або є малоефективними, охоплюючи лише невелике коло патологій.
У своїй професійній діяльності фахівець завжди випереджає можливості автоматичної системи, тому доцільним видається створення напівавтоматичних систем, які передбачають участь фахівця у прийнятті рішення. Основу автоматичної обробки повинні складати знання, піддаються загальноприйнятої формалізації, а що утворюється при цьому обмеженість кола діагностованих патологій можна компенсувати деяким образним уявленням оброблюваних даних, що полегшує уточнення діагнозу фахівця, взаимодействующему з ЕОМ в інтерактивному режіме.Такая тенденція спостерігається в різних областях наукової діяльності [1, 2, 4, 6].
Образне уявлення ритмічної структури ЕКГ є особливо актуальним через большог ооб'ема оброблюваної інформації, який важко повністю охопити. У зв'язку з цим давно робляться спроби подібного подання. Прикладом такого підходу могутслужіть широко відомі ритмограми: інтервалограмми, скаттерграмми, спектрограми та ін, однак вони не враховують ритму передсердь і носять скоріше статистичний характер, що ускладнює їх детальну інтерпретацію (3, 5].
У даній роботі запропоновано ряд способів образного аналізу ритму ЕКГ. Основним елементом будь-якого аналізу ритмічної структури ЕКГ є зіставлення між собою різних імпульсів, циклів, фрагментів. Бажання використовувати графічні можливості комп'ютера для більш ефективного здійснення подібних операцій лягло в основу пропонованого нижче комплексу моделей образного аналізу ритму серця, званих вдань роботі також ритмограма. Даний підхід орієнтований на виявлення періодичних властивостей ЕКГ і характеру взаємодії імпульсів Р і R. Запропоновані методи реалізовані у вигляді програмної системи для ЕОМ IBM РС, за допомогою якої одержано наведений у роботі ілюстративний матеріал. Вхідний інформацією системи може служити як сама вихідна електрокардіограма, так і різні її характеристики, головним чином моменти реєстрації імпульсів і тимчасові співвідношення, що зв'язують ці імпульси.
При розгляді запропонованих ритмограм зручно мати на увазі поряд з реальною і деяку умовну ЕКГ, яка містить лише інформацію про ритмічній структурі ЕКГ, зображення якої представимо у вигляді тимчасової осі із зазначеними на ній моментами появи імпульсів Р і R (на екрані дисплея для цього може бути використана колірна чи інша символіка). Наведені малюнки зроблені з екрана кольорового дисплея, у зв'язку з чим втрачена цветоваяінформація частково заповнена позначеннями різних символів.
Один з можливих способів просторового уявлення ЕКГ з метою аналізу ритму полягає в тому, щоб "скрутити" її в кільце деякого діаметру або щоб уникнути втрати інформації в плоску спіраль з невеликим кроком по радіусу. Таке подання може бути використано як для умовної, так і для реальної ЕКГ. Якщо при етомвибрать початковий радіус звернення спіралі досить великим, а крок досить малим, то збільшенням довжини витка можна знехтувати, вважаючи всі витки спіралі однакової довжини. У такому випадку ритмічно правильна ЕКГ буде представлена спіраллю з розташуванням однойменних зубців по своїх радіусів, в той час як патологічна ЕКГ буде мати позиції зубців, розподілені по довжині спіралі з тією чи іншою регулярністю вже другого по відношенню до циклів ЕКГ рівня.
Підкреслимо ще раз, що галактика ритмограма може працювати не тільки з умовною, але і з реальною ЕКГ. При цьому значення потенціалу ЕКГ квантуються і зображуються різними квітами або різними градаціями яскравості при використанні чорно-білого дисплея. У цьому випадку не потрібно рішення складної задачі ідентифікації зубців.
Таким чином, галактика ритмограма націлена на відділення діагностично неінформативною природної циклічності, виявляючи характер відхилення від неї. Разом з тим самі ці відхилення можуть формувати періодичність більш високих рівнів, пов'язаних з повторюваністю груп циклів повністю або за окремими характеристиками. У цьому випадку спіральну ритмограми можна налаштувати на таку групу циклів, здійснюючи тим самим пошук макроперіода ЕКГ (схожість ритмічних малюнків великих фрагментів ЕКГ), значення якого саме по собі є одним з основних діагностичних параметрів.
Наступна ритмограма (віялова, рис. 2), також заснована на круговій розгортці, спеціально орієнтована на вирішення такого завдання. Паралельно з дослідженням часовій послідовності відліків ЕКГ ця ритмограма викреслює віялоподібно петлі (пелюстки), що виходять з деякого центру та повертаються в цей центр. Величина пелюстки відповідає поточному міжпередсердної інтервалу Р - Р. Імпульси шлуночків, розташовані між двома імпульсами передсердь, породжують свої петлі Р - R всередині петлі Р Р. Кількість петель Р - Р, що розгортаються віялом на кутовому інтервалі (0,2), визначається параметром внутрішньої макроперіодікі ЕКГ.
Всі цикли ідеально нормальної ЕКГ у віялової ритмограми повторюють один одного і для всіх циклів ритмограма проходить по траєкторії першого циклу, тому параметр періодики в даному випадку може бути будь-яким, досить едінічного.В випадку патологічної ЕКГ, що відповідає, наприклад, регулярної екстрасістологіі, гдев каждомтретьем ціклепоявляется додатковий імпульс R, ритмограма складається з трьох пелюсток (К = 3), два з яких відносяться до нормальних циклів, а третій - до патологічного, містить зайву петлю Р - R.
Управління віялової ритмограми полягає в маніпулюванні параметром періодики К, що означає перебудову її на різне число пелюсток розгортки. Як приклад можна привести ЕКГ з порушеннями у вигляді неповної атріовентрикулярної блокади, яка полягає у тому, що періодично протягом декількох циклів інтервал Р - R збільшується, поки не зникне зовсім. У даному випадку цей макроперіод складається з п'яти циклів, тому настроювання на будь-яку періодику, не кратну п'яти, дає зміщення траєкторії від обороту до обороту (див. рис. 2, а) і лише при правильному підборі після одного обороту розгортки пелюсток на плоскостітраекторія стабілізується.
Влаштована описаним способом віялова ритмограма інформаційно еквівалентна такий інтервалограмме, де образотворчими елементами, що характеризують окремі цикли, є відрізки, рівні по величині відповідним інтервалам Р - Р і Р - R. Однак безпосередньо таке подання було б недостатньо наочним, оскільки необхідність зобразити на одному відрізку інтервалу Р - Р ще в загальному випадку кілька інтервалів Р - R призводило б до злиття цих позначок при накладенні циклів один на одного.
Періодична структура ЕКГ може бути складною, внаслідок чого для її дослідження може знадобитися багаторівневий ієрархічний аналіз, в якому визначення макроперіода відбувається на верхньому рівні. Таку схему реалізує описувана нижче матрична ритмограма.
Ця ритмограма на відміну від інших побудована на інтегральних характеристиках циклу. Кожен цикл аналізується з ряду довільно задаються ознак і класифікується за двома (можливо, й більше) градаціях: "норма" або "не норма". Образне уявлення ЕКГ в даному випадку полягає в тому, що кожному циклу відповідає певний фрагмент площині (наприклад, квадрат), що дозволяє вибудовувати їх у вигляді прямокутної матриці, яка містить рядки і стовпці. На екрані кольорового дисплея нормальний цикл ЕКГ зображується на ритмограми квадратом одного кольору, а патологічний - квадратом іншого кольору.
У загальному випадку ЕКГ буде представлена на екрані прямокутної мозаїкою, складеної з різнокольорових квадратів, причому структура розташування квадратів одного кольору вийде регулярній або хаотичною, як, наприклад, на рис. 3, а. Змінюючи модуль, можна перетворити матрицю таким чином, щоб квадрати одного кольору вишикувалися в якусь регулярну структуру, виявляючи її періодику.
На цій стадії ієрархічного аналізу нічого більшого про аналізованої ЕКГ сказати не можна. На наступному рівні матричної ритмограми кожен квадрат, відповідний одному циклу, у свою чергу містить аналогічне відображення станів ряду ознак даного циклу. В результаті переходу на другий рівень матрична мозаїка виявляється складеної з тих же квадратів, але які мають власну структуру з кольорових фрагментів. Етопозволяет, по-перше, налаштовувати всю матрицю за допомогою одного з фрагментів другого рівня і, по-друге, розглядати більш докладно зміна значень параметрів від циклу до циклу вже не для всієї ЕКГ, а лише для групи циклів, виділеної на попередньому етапі. На рис. 3, б представлена матрична ритмограма другого рівня для тієї ж ЕКГ, що й на рис. 3, і, звідки видно, що інтервал Р - Р зберігає свою стабільність, а інтервал Р - R у чотирьох циклах нормальний, а в п'ятому циклі - збільшений, що характерно, наприклад, для вислизає імпульсу.
Подальше уточнення діагнозу може використовувати інші, більш тонкі параметри, наприклад форму імпульсів, що зажадає переходу на ще більш високий рівень.
Останні дві ритмограми на відміну від попередніх орієнтовані в першу чергу на виявлення характеру взаємодії двох джерел імпульсів: передсердного і шлуночкового. Вони є динамічними в тому сенсі, що представляють собою траєкторію руху на площині деякої точки, параметри якої визначаються ритмічною структурою ЕКГ. На відміну від самої ЕКГ, яка також представляє собою деяку траєкторію, протяжну в часі, ця траєкторія, подібно вектор-кардіограмі, згорнута на площині, займаючи на ній обмежену область. Така згортка, так само як і у випадку спіральним і віялової ритмограм, є результатом свого роду накладення циклу на цикл для більш зручного зіставлення їх між собою.
Ритмограма, названа лінійної (рис. 4), являє собою кусково-лінійну траєкторію точки, кожен лінійний ділянка цієї траєкторії відповідає послідовності часових відліків ЕКГ між сусідніми імпульсами, причому по одній із осей (х) відкладається час, що відраховується від останнього імпульсу Р, а по іншій осі (y) - час від останнього імпульсу R. Для випадку ідеальної ЕКГ лінійна динамічна ритмограма являє собою безперервний рух по одній і тій же замкнутої кусково-лінійної траєкторії, що складається з чотирьох фаз (див. рис. 4, а). Вертикальні і горизонтальні скачки траєкторії відображають поява на ЕКГ зубців Р (вертикальні) і R (горизонтальні), а похилі ділянки відповідають відліках ЕКГ в інтервалах Р - R і R - Р.
Сталості тимчасових інтервалів Р - Р, Р - R і R - R та їхньої рівності недостатньо для нормальності ЕКГ, потрібно ще, щоб значення інтервалів лежали в заданих межах. На ритмограми кутові точки такий ЕКГ повинні розташовуватися у зазначених на малюнку областях, відповідних нормальних значень інтервалів. Прикладом порушень кількісного характеру може служити брадикардія, ритмічна структура ЕКГ якої не відрізняється якісно від нормальної, але пов'язана зі збільшенням інтервалів Р-Р і R - R за рахунок збільшення інтервалів R - Р. На ритмограми при цьому спостерігається, як і внорме, кусково- лінійна самопересекаться петля тієї ж форми, але зі збільшенням окремих розмірів.
Якщо кількісні зміни інтервалів ЕКГ призводять лише до диспропорції ритмограми, то зміни характеру взаємодії джерел призводять до якісних змін форми траєкторії. Прикладом може слугувати один з випадків неповної (3: 1) атріовентрикулярної блокади. На ритмограми (див. рис. 4, б) вказаний випадок блокади виражається у вигляді циклу, що складається з вертикально розташованої пилкоподібної лінії з трьома горизонтальними стрибками, відповідними трьом імпульсам Р, і одного вертикального стрибка, соответствующегоімпульсу R.
Розташування кутових точок траєкторії свідчить про нормальність інтервалів Р - Р і значному відхиленні від норми інтервалів R - R. Зворотна картина з горизонтально розташованої пилкоподібної лінією спостерігається при екстрасистолії. При цьому горизонтальні закачки за величиною відповідають нормальним інтервалам Р - Р, а вертикальні - укороченим інтервалам R - R, що характерно для даної патології.
Гармонічна ритмограма, як і лінійна, орієнтована в першу очередьна виявлення характеру взаємодії двох джерел. Траєкторія ритмограми задається системою періодичних функцій з параметрами, обумовленими ритмічною структурою ЕКГ.
Для ідеальної ЕКГ, де спостерігається взаємно однозначна відповідність зубців Р і R з рівними по всій ЕКГ інтервалами, траєкторія ритмограми кожного циклу являє собою еліпс (див. рис. 5, а), відношення півосей якого задається інтервалом Р - R. Кількісні відхилення від норми зберігають форму еліпса, змінюючи співвідношення півосей. Наприклад, у разі тахікардії він буде вже. Якісні порушення ритмічної структури ЕКГ приведуть до руйнування стандартної форми траєкторії.
Ряд патологій імеетв гармонійної ритмограми добре інтерпретується вигляд. Прикладом може служити зображена на рис. 5, б ритмограма для ЕКГ, використаної вище для ілюстрації лінійної ритмограми. Так як в цьому випадку одному інтервалу R - R відповідають три інтервалу Р - Р, то кожен період обертання траєкторії виходить трифазним.
Особливістю двох останніх ритмограм є те, що для найбільш ефективного їх використання необхідно спостерігати динаміку простежування синхронно зі зняттям ЕКГ.
Реалізовані на ЕВМпрограмми є скоріше науковою розробкою, ніж прикладною системою, придатною для негайного використання в медичній практиці. Подальший розвиток пропонованого підходу видається доцільним, оскільки прікладнойкомплекс ритмограми обіцяє виявитися корисним при вирішенні ряду задач медичної діагностики.
Однією з таких завдань є завдання моніторингу.
Використання, наприклад, двох останніх ритмограм дозволяє значно полегшити спостереження за ритмом серцевої діяльності. Зображуючи ритмічну структуру ЕКГ на екрані у вигляді замкнутої траєкторії простого для нормальної ЕКГ виду, ритмограма дозволяє замінити тривалий простежування з безперервним оцінюванням тимчасових співвідношень на спостереження за збереженням стабільності форми траєкторії. Слід зазначити, що з цієї ж причини використання запропонованих ритмограм для цілей скринінгу ставить мінімальні вимоги до медичної кваліфікації оператора, так як виявлення відхилень від норми не вимагає спеціальних знань з електрокардіографії. Іншим завданням, розв'язуваної за допомогою розробленого комплексу, є визначення різних періодики в структурі ЕКГ як в цілому, так і за окремими ознаками, що мають важливе діагностичне значення. Нарешті, комплекс ритмограм може допомогти провести докладний аналіз ритмічної структури ЕКГ, використовуючи як окремі універсальні ритмограми, так і поєднання різних ритмограм.
Істотна перевага пропонованого підходу в порівнянні савтоматіческім полягає в тому, що автоматичні системи засновані, як правило, на порогових критеріях і як би ретельно не були обрані пороги, не можна гарантувати розумну оцінку прикордонних ситуацій, що є причиною певної недовіри до них. Наприклад, в деяких ситуаціях фахівець може знехтувати випадковим викидом, що перевершує поріг, у той час як автоматична система кваліфікувала б його як ознака патології. Пропонована система, перетворення вкоторой відбуваються в основному без втрати інформації, дозволяє спеціалісту в процесі аналізу самому правильно розставити акценти. Пропонований підхід не відкидає інші засоби діагностики, розроблені до цього моменту в медичній кібернетиці. Він являє собою ще один інструмент, який, апелюючи до образно-інтуїтивного мислення фахівця, може бути використаний паралельно з іншими.
Застосування опісанногов статті методу передбачає попередню ідентифікацію зубців ЕКГ. Для цього може бути використана будь-яка з існуючих розробок. Разом з тим слід зазначити, що ряд можливостей описуваної системи може бути використаний для аналізу ЕКГ і без виділення зубців.
Наведені в роботі приклади не вичерпують усіх патологій, що виявляються за допомогою описаних ритмограм. Розширення області застосування викладених методів вимагає їх розвитку з метою збільшення кола складних патологій, що виявляються ритмограма. Подальші дослідження повинні бути націлені на забезпечення фахівця більш широким спектром засобів наочного подання ритмічної інформації, що дозволить виявляти більш тонкі порушення ритму серцевої діяльності.
Список літератури
1. Гришин В. Г. Образний аналіз експериментальних даних. -
М., 1982.
2. Зенкін А. А. / / Изв. АН СРСР. Техн. кібернетика. - 1987. -
N 5. - С.29-36.
3. Янушкявічус 3., Жемайтії Д. / / Статистичні проблеми
управління. - Вільнюс, 1977. - Вип. 22. - С.9-22.
4. Chernoff М. / / J. Amer. Statist. Ass. -1973. - Vol. 68, N
342. - Р. 361-368.
5. Schwela Н., Reinhardt Н., Franke Th., Knorre М. / / Ber.
Ges. inn. Med. - 1982. - Bd 13. - S. 127 - 129.
6. Schultz В. / / Comput. Pictures. - 1988. - N1. - Р. 11-16.
7. Т. А. Ракчеева. Образний аналіз ритму ЕКГ.