1 ФГБОУ ВПО Національний дослідницький Томський політехнічний університет
3 ФГБУ «НДІ кардіології» Сибірського відділення РАМН
Проведено моделювання впливу впливу фільтрів високої частоти (ФВЧ) на реальний сигнал ЕКГ в системі MatLab, зареєстрований без фільтрів в смузі від 0 Гц до 100 Гц за допомогою спеціально розробленого електрокардіографа на наноелектродах. Показано, що фільтри спотворюють форму ЕКГ і її амплітудно-часові параметри, на підставі яких здійснюється медперсоналом діагностика стану серцево-судинної системи людини. Експериментально доведено, що фільтри високої частоти призводять до додаткового зміщення S-T комплексу на 30-40 мкв. В результаті такого зміщення лікарі - кардіологи отримують параметр, який можна інтерпретувати як ішемію міокарда (зміщення 100 мкв діагностується як ішемічна хвороба серця), хоча реальне зміщення сигналу становить близько 70 мкв. Розроблений електрокардіограф на наноелектродах дозволяє виміряти зміщення ST-комплексу, що становить одиниці і десятки мкВ без спотворення ізоелектричної лінії серця фільтром високої частоти, що призведе до підвищення точності діагностики ішемічної хвороби серця.
вимір біоелектричних потенціалів
параметри ЕКГ сигналу
електрокардіографи на наноелектродах
Метою дослідження є оцінка впливу фільтрів високих частот, змодельованих в системі MATLAB, на реальний сигал ЕКГ, зареєстрований за допомогою електрокардіографа на наноелектродах в смузі частот від 0 до 100 Гц.
Фільтрація - це вже само по собі навмисне зміна вихідного сигналу з метою виділити з нього корисну інформацію. Стандарт на електрокардіографи не регламентує набір фільтрів для електрокардіографа, а також їх характеристики в конкретної моделі приладів, отже, в різних електрокардіографах використовуються різні види фільтрів, які будуть по-різному впливати на сигнал ЕКГ. Саме різним впливом фільтрів на ЕКГ пояснюється розбіжність у свідченнях різних електрокардіографів.
На світовому і вітчизняному ринках присутня велика різноманітність електрокардіографічної техніки. Електрокардіографи працюють у вузькому діапазоні частот і мають обмеження в області низьких (від 0,05 Гц і вище) і високих частот (20, 40, 75, 150, 250 Гц).
В [1] наводиться огляд основних видів перешкод, способи їх усунення та побічні ефекти, що накладаються на ЕКГ (табл. 1). У таблиці представлено вплив ФВЧ на ЕКГ при усуненні дрейфу ізолінії.
Таблиця 1 - Вплив ФВЧ на ЕКГ при усуненні дрейфу ізолінії
У Томському політехнічному університеті в лабораторії медичного приладобудування розроблені медичні наноелектроди. На їх основі створена електрокардіографічна апаратура [2; 4].
- практично не поляризуються при токах до 0,5 мкА і мають низькі контактні потенціали;
- дрейф електродного потенціалу при струмі в 1 нА становить не більше 0,001 мкВ / с; при струмі в 100 нА - не більше 0,01 мкВ / с.
Звичайні електроди під впливом біоелектричної активності м'язів, що виникає в процесі життєдіяльності людини, поляризуються. З цієї причини або застосовують фільтри, що обмежують сигнали в області низьких частот, або розробляють систему, що стежить на цифро-аналогових перетворювачів для компенсації постійної складової біоелектричної активності у вхідному ланцюзі. Найчастіше йдуть по шляху обмеження смуги пропускання вимірювальної системи. Другий варіант застосовують в приладах з високою роздільною здатністю, схема ускладнюється, містить більшу кількість електронних компонентів, які призводять до збільшення рівня базового шуму і до зниження чутливості. Постійна напруга на виході ЦАПа в стежить системі створює постійні струми, що протікають через електроди, поляризуючи їх.
Наноелектроди дозволили створити електрокардіограф без фільтрів у вхідній вимірювального ланцюга, який забезпечує більш точну діагностику, з меншою кількістю помилок, що виникають при інтерпретації спотвореної фільтрами електрокардіограми, отримати технічні характеристики ЕКГ-апарату, що перевищують характеристики дорогих ЕКГ-апаратів, іспользуемиех в кардіоцентрах та інших медичних установах .
Розроблено макети приладів (одноканальний і трьохканальний), що працюють в діапазонах 0-100 Гц. У цих установок відсутня фільтр, що загороджує 50 Гц і ФВЧ.
Була проведена оцінка впливу різних видів фільтрів на сигнал ЕКГ. Для цього в системі MatLab була спроектована схема (рис. 1), яка містить два канали. Перший канал містить ФВЧ типу Баттерворта 4-го порядку з частотою зрізу 0,05 Гц (Filter Highpass 0,05Hz). Другий канал містить ФВЧ типу Баттерворта 4-го порядку з частотою зрізу 0,15 Гц (Filter Highpass 0,15Hz).
Для дослідження впливу фільтра високої частоти на електрокардіографічних сигнал використовуються програми: MatLab, «E-Кардіо» і спеціально розроблена програма для конвертації файлів з однієї програми в іншу - ReadMAT.
Як запис, так і читання фрагментів сигналу для пакета MatLab здійснюється в два етапи і при цьому використовуються дві програми: «E-Кардіо» і ReadMAT.
1. Запис. Збереження файлу в форматі MatLab здійснюється в два прийоми:
- а) читається файл формату .DAT і вирізається необхідний фрагмент сигналу;
- b) вирізаний фрагмент зберігається в файл формату .BINMAT;
- c) програмою ReadMAT файл .BINMAT конвертується в файл формату .MAT.
- a) програмою ReadMAT читається файл .MAT і конвертується в формат .BINMAT;
- b) файл .BINMAT читається програмою E-Кардіо і відображається на сторінці «Вирізаний фрагмент».
Результати впливу фільтрів на ЕКГ-сигнал в системі MatLab представлені на рис. 2-5.
а) сигнал з патологією на вході каналу з ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц;
б) фрагмент сигналу з патологією на вході каналу з ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц;
в) сигнал з патологією на виході каналу з ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц;
г) фрагмент сигналу з патологією на виході каналу з ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц.
Мал. 2. Канал з ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц.
а) сигнал з патологією на вході каналу з ФВЧ з частотою зрізу 0,15 Гц;
б) сигнал з патологією на виході каналу ФВЧ з частотою зрізу 0,15 Гц.
Мал. 3. Канал з ФВЧ з частотою зрізу 0,15 Гц.
Мал. 4. Сигнал здорової людини на вході каналу з фільтрами.
Мал. 5. Сигнал здорової людини на виході каналаФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц.
На рис. 6 показаний збільшений фрагмент ЕКГ пацієнта, зареєстрований з 1-го грудного відведення по Небу, на вході і виході ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц.
Мал. 6. Фрагмент електрокардіограммис грудного відведення по Небу, пацієнта П5:
а) до фільтрації; б) після фільтрації ФВЧ з частотою зрізу 0,05 Гц.
У сучасному кардіограф застосовуються кілька видів фільтрів, призначених для різних завдань, а кожен з видів може бути представлений декількома варіантами. Це створює велику кількість можливих комбінацій фільтрів.
Залежно від параметрів фільтрації сигналу можуть спостерігатися досить помітні зміни в чутливості виявлення ішемії міокарда зі зміщення сегмента ST, тому що фільтри в вимірювальної ланцюга електрокардіографів роблять різний вплив на амплітуди, тривалості зубців і зміщення інтервалів електрокардіосігнала.
Експериментально доведено, що фільтри високої частоти призводять до додаткового зміщення S-T комплексу на 30-40 мкв (рис. 6). В результаті такого зміщення лікарі-кардіологи отримують параметр, який можна інтерпретувати як ішемію міокарда (зміщення 100 мкв діагностується як ішемічна хвороба серця), хоча реальне зміщення сигналу становить близько 70 мкв.
У сучасній електрокардіографічної апаратурі широко використовуються фільтри високих частот, які обмежують сигнал в області низьких частот і призводять до додаткового зміщення ST-сегмента (30-40 мкв за рахунок впливу фільтра), що знижує діагностичну цінність даного методу. Дану проблему можна вирішити тільки шляхом усунення фільтрів в вимірювальної ланцюга, що досягнуто в електрокардіографах на наноелектродах.
Розроблений електрокардіограф на наноелектродах дозволяє виміряти зміщення ST-комплексу, що становить одиниці і десятки мкВ без спотворення ізоелектричної лінії серця фільтром високої частоти, що призведе до підвищення точності діагностики ішемічної хвороби серця.
- Агафонніков В.Ф. д.т.н. професор кафедри конструювання вузлів і деталей РЕЗ (кучері) Томського університету систем управління і радіоелектроніки (ТУСУР), Томськ.
- Максимов І.В. д.м.н. професор, провідний фахівець ФГБУ «НДІ кардіології» Сибірського відділення РАМН, Томськ.
Пропонуємо вашій увазі журнали, що видаються у видавництві «Академія природознавства»
(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)