Последние годы ознаменовались быстрым развитием кардиологии в области как диагностики, так и лечения сердечно‑сосудистых заболеваний. При этом электрокардиография, как и прежде, остается простым, но важным методом исследования.
История клинической электрокардиографии начинается с 1906 г., когда голландский физиолог Биллем Эйнтховен при помощи сконструированного им струнного гальванометра зарегистрировал у больного с патологией сердца первую ЭКГ. Тем самым Эйнтховен стал основателем современной электрокардиографии; за это достижение ему в 1924 г. была присвоена Нобелевская премия в области медицины.
Со времени гениального труда Эйнтховена объем знаний в области электрокардиографии в результате многочисленных экспериментов на животных и клинических исследований колоссально возрос.
Современная электрокардиография ориентирована на новые методы прямой и инвазивной регистрации, которые убедительно доказали ее надежность и ценность.
Электрокардиография — незаменимый метод диагностики сердечных заболеваний, широкому распространению которого во всем мире способствовали следующие 3 ее особенности:
Снять ЭКГ легко и просто. Ее можно регистрировать в любое время и так часто, насколько это необходимо. Исследование необременительно для пациента и может быть выполнено как в амбулаторных условиях, так и в стационаре.
Регистрация ЭКГ не требует больших расходов, многочисленного персонала и специальных знаний.
Электрокардиография отличается большими диагностическими возможностями и высокой информативностью
Источник
ЭКГ представляет собой зарегистрированную кривую электрического тока в сердце, отражающую особенности распространения возбуждения по предсердиям и желудочкам.
ЭКГ позволяет диагностировать различные заболевания сердца и патологические изменения в нем, которые можно отнести к одной из следующих трех категорий:
Во‑первых, это изменения, укладывающиеся в понятие «острый коронарный синдром» (ОКС) и имеющие важное клиническое значение.
В настоящее время в индустриальных странах инфаркт миокарда (ИМ) является наиболее частой причиной смерти. Прогноз при этом заболевании во многом зависит от того, насколько быстро и точно поставлен диагноз. По ЭКГ ИМ можно диагностировать очень рано и с большой точностью.
Вторая категория изменений, регистрируемых при помощи электрокардиографии, относится к нарушениям ритма сердца. Электрокардиография за весь период своего существования оказалась лучшим методом диагностики сердечных аритмий.
Значение этих нарушений в повседневной практике врача в последние годы значительно возросло, что связано, прежде всего, с тем, что в связи с возможностью точной диагностики аритмий появились многочисленные новые методы лечения. Следует отметить также, что точная оценка водителей ритма без знания электрокардиографии невозможна.
К третьей категории изменений относится гипертрофия одного или обоих желудочков. Признаки гипертрофии на ЭКГ появляются у больных с клапанной недостаточностью сердца и сердечными заболеваниями без нарушения функции клапанов, например, при артериальной гипертензии (АГ), легочном сердце и кардиомиопатии.
Некоторые электрокардиографические феномены, такие как блокады правой и левой ножек пучка Гиса (ПГ), синдром удлиненного интервала QT, синдром WPW, а также синдром Лауна‑Ганонга‑Левина (LGL), можно диагностировать только при помощи электрокардиографии.
Кроме того, ЭКГ дает ценную диагностическую информацию и при многих внутренних болезнях, например при тромбоэмболии легочной артерии (ТЭЛА), перикардите, миокардите, хроническом легочном сердце, гипер‑ и гипокалиемии и гипер‑ и гипокальциемии.
Недавно решил обследоваться и снять ЭКГ, что делал второй раз в жизни. Не буду рассказывать весь процесс, но скажу лишь, что результат получил аж через неделю.
Когда получал результат, то меня успокоили, сказав, что, если бы у меня было что‑то серьезное, то мне бы позвонили.
Естественно, у меня возник вопрос, почему процесс диагностики состояния сердца по ЭКГ может быть таким длительным, насколько точно этот диагноз может быть выполнен в обычной поликлинике и насколько технически сложно реализовать высокоточную регистрацию ЭКГ для дальнейшей компьютерной диагностики, желательно в реальном масштабе времени.
В качестве прототипа взял этот 3-х канальный регистратор ЭКГ.
Достигнутый мною результат поиска технического решения данного вопроса излагаю далее.
В настоящее время первичным носителем ЭКГ является бумажна�� лента.
Для типового регистратора ЭКГ размер получаемого графика составляет максимум 20 мм амплитуда импульса QRS и 50мм/сек — длительность периода PQ. Эти графики с бумажного носителя либо измеряются врачом линейкой, либо считываются сканером в ПК для последующего измерения параметров ЭКГ.
Видимый шаг дискретизации в таких измерениях составляет примерно 1 мм, что дает погрешность измерения параметров не менее 5% по амплитуде и не менее 0.02 сек по времени, что для измерения интервала PQ составит не менее 10%.
Многочисленные исследования, оценивающие точность интерпретации, выявили значительное количество ошибок, которые приводили к неправильному пониманию клинической картины, в т.ч. к неспособности точного определения и установления очередности соответствующей медицинской помощи пациентам с острой ишемией миокарда и в других жизнеугрожающих ситуациях. Обзор литературы показал, что основные ошибки в заключениях ЭКГ присутствуют в 4–32% случаев.
American College Cardiology и American College of Physicians предложили стандарты минимально необходимой профессиональной подготовки и требования к квалификации для специалистов по ЭКГ, чтобы способствовать снижению потенциально серьезных ошибок, однако свидетельств о реализации этих специфических рекомендаций немного.
Компьютерные системы облегч��ют хранение большого количества ЭКГ, рутинного применения сложных диагностических алгоритмов и, поскольку диагностические алгоритмы становятся более точными, предоставляют важные дополнительные сведения для клинической интерпретации ЭКГ. Однако интерпретация с помощью компьютерных систем не всегда бывает правильной (особенно в случае сложных нарушений и в критической клинической ситуации) для вынесения надежного заключения без экспертной оценки специалиста.
Новые методы анализа, основанные на концепциях ИИ, могут привести к дальнейшему усовершенствованию, а новые технические возможности — к широкому распространению систем для быстрой и квалифицированной интерпретации.
Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) представляет собой один из наиболее распространенных методов количественной оценки активности вегетативной нервной системы. Метод основан на распознавании и измерении временных интервалов между R зубцами ЭКГ (RR интервалов), построении динамических рядов кардиоинтервалов и последующем анализе полученных числовых рядов математическими методами.
Американское общество кардиологов рекомендует использовать частоту дискретизации (ЧД) сигнала ЭКГ равной 500 Гц, что эквивалентно квантованию интервала на бумажном носителе с шагом 0.1 мм.
В последнее время появляется все больше статей, приводящих доказательства необходимости использования ЧД, равной 1000 Гц. Это связано с тем, что при невысокой вариабельности относительная ошибка вычисления спектральных параметров ВСР оказывается достаточно большой.
Для вычисления значения ВСР предложено много разнообразных методов, основанных на различных подходах к анализу сигналов. В частности, методы статистического анализа, спектральный анализ, методы нелинейной динамики, корреляционные методы. Анализ спектральной плотности мощности позволяет получить базовую информацию о том, как распределена мощность в зависимости от частоты. В спектре различают три основные спектральные компоненты: VLF (very low frequency, 0,0003÷0,04 Гц), LF (low frequency, 0,04÷0,15 Гц), HF (high frequency, 0,15÷0,4 Гц).
При регистрации не только ЭКГ, но и других видов сигналов биологических объектов, существует ряд общих особенностей, которые затрудняют процесс и создают помехи.
К таким помехам относится сигнал с частотой сети переменного тока, величина которого может составлять до тысячи милливольт, при максимальной амплитуде ЭКГ не более десяти милливольт. Кроме того, возможно наличие в сигнале постоянной составляющей в сотни милливольт, а также квази низкочастотных составляющих, синхронных с ритмом дыхания объекта.
Для устранения указанных помех обычно используют дифференциальный вход и фильтры нижних и верхних частот. Дифференциальный вход компенсирует помеху лишь при условии полной синхронности помехи в точках установки электродов. Применение фильтров нижних частот на входе регистратора приводит к возникновению длительных переходных процессов. В результате, подобные технические решения существенно усложняют устройства регистрации, увеличивают их габариты и существенно повышают стоимость.
В результате проведения исследований данного вопроса и существующей элементной базы, была сформулирована следующая концепция построения регистратора ЭКГ. Устройство содержит до 16 дифференциальных входов (для ЭКГ надо максимум 12 входов) и обеспечивает дискретизацию сигнала по каждому входу с частотой до 1280 Гц.
Постоянная составляющая и сетевая помеха специально не подавляются. Поэтому для обеспечения большого динамического диапазона сигнал используется 24bit АЦП, а для обеспечения высокой точности измерения параметров ЭКГ используется АЦП с малошумящим PGA.
В результате был спроектирован один из возможных вариантов устройства со следующими техническими характеристиками: диапазон входного сигнала до 1.25 В и составляет 24 бита, погрешность измерения значения сигнала не более 10 мкВ, что соответствует точности измерения 17 bit. Такая погрешность для сигнала ЭКГ в 10 мВ обеспечивает погрешность измерения 0.1%.
Так как для измерения ЭКГ надо до 12 каналов, то возникает вопрос каким образом реализовать дискретизацию этих сигналов.
В случае использования одного быстродействующего АЦП и входного коммутатора, возникает проблема переходных процессов в коммутаторе и, как следствие, существенное увеличение времени преобразования, либо существенного усложнения коммутатора, так как требуется обеспечить погрешность на уровне 24 бит.
Кроме того, в таком варианте сигналы будут преобразовываться последовательно со сдвигом во времени. Применение УВХ для устранения временного сдвига сигналов резко усложняет устройство, так как требуется реализация хранения аналогового сигнала с высокой точностью на сравнительно длительном интервале дискретизации не менее 780 мкс.
В итоге выбрал вариант, в котором для каждого сигнала используется свой АЦП. Работа всех каналов синхронизируется микропроцессором, который управляет АЦП и собирает данные по интерфейсу SPI с частотой 1МГЦ. Микроконтроллер записывает собранные с АЦП данные на SD карту.
Для записи секунды 12 канального ЭКГ с ЧД 1280 Гц потребуется 46 КБ, для записи данных за час — 165 МБ, а для мониторинга за сутки — 4 ГБ памяти SD карты.
В устройстве можно использовать карты емкостью 32 ГБ и более.
После завершения регистрации сигналов ЭКГ, данные могут быть считаны и отображены через USB порт в ПК или смартфон, переданы по Wi‑Fi на сервер обработки данных, либо на SD карте переданы для хранения и дальнейшей обработки.
Конструктивно 12-ти канальное устройство размещается в алюминиевом корпусе 12x9x3см3, например, таком:
Так как устройство используется для снятия сигналов с человека, то применение блока питания от сети, в период регистрации показаний, исключается.
Возможно несколько модификаций устройства.
В каждом конкретном случае, устройство собирается из однотипных модулей, размером 2×8 см2. На типовом модуле установлен 24-х битовый АЦП, модуль SoC и адаптер SD карты.
В простейшем случае SoC и SD карта устанавливаются лишь на одном из двенадцати модулей, но добавляется модуль синхронизации размером 2×4 cм2.
В самом сложном варианте устройства, каждый из сигналов ЭКГ обрабатывается своим процессором. Каждый процессор может выполнять вторичную обработку своего сигнала и осуществлять экспресс диагностику состояния больного. В критических ситуациях процессор может сообщить информацию по WiFi на диспетчерский пункт.
Кроме того, без существенного изменения схемы устройства, к любому модулю может быть дополнительно подключен внешний датчик по интерфейсу I2C или OneWire.
Достоинством данного технического решения является высокая точность, компактность и низкая стоимость даже при мало серийном производстве. Низкая стоимость обусловлена применением широкодоступных электронных компонент и простой, модульной конструкцией.
Большое спасибо, всем, кто оставил комментарий и дал дельные советы.