Elektrokardiografia dla Informatyka Praktyka

Wprowadzenie

1.A Profesjonalizm i pasja

W powszechnej opinii choroby układu krążenia, a szczególnie choroby serca są poważne. Wprawdzie prawie każda choroba w niekorzystnych okolicznościach może skończyć się śmiercią, jednak analizując podstawy tej obiegowej opinii należy zauważyć, że:

- Schorzenia układu krążenia są bardzo powszechne w społeczeństwie. Codziennie stykamy się z osobami skarżącymi się na patologie krążenia i obawa przed konsekwencjami ataku serca jest powszechna. Niestety, w znikomym stopniu wpływa ona na kształtowanie stylu życia osób narażonych na niebezpieczeństwo (np. obciążonych dziedzicznie, otyłych lub pracujących w warunkach stresu).

- Choroby układu krążenia mogą rozwijać się w ukryciu i ujawnić symptomy w postaci ostrego ataku. Nagłe zatrzymanie akcji serca i związane z tym ustanie krążenia skutkuje brakiem ośrodka transportowego w organizmie i powoduje szybko zachodzące (do dwóch minut) nieodwracalne śmiertelne zmiany komórek pozbawionych środków do życia. W takich przypadkach akcja ratowania życia musi być podjęta niezwłocznie.

Interpretacja zapisu elektrokardiograficznego, dokonywana kiedyś wyłącznie przez wtajemniczonych kardiologów, a później także przez równie wtajemniczonych informatyków (a ściślej: przez owoce ich pracy) może zostać odczarowana. Tajemnice jeszcze niedawno strzeżone pilnie przez czołowych światowych producentów skomputeryzowanej aparatury kardiologicznej, coraz częściej pojawiają się na wykładach i w realizacjach studenckich prac dyplomowych, projektów realizowanych podczas studiów lub w ramach działalności kół naukowych. Obserwując efekty tych działań Autor jest w pełni przeświadczony, że cyfrowa elektrokardiografia – wciąż pozostając profesjonalnym narzędziem diagnostyki krążenia – ma szansę stać się rodzajem hobby informatyków, podobnie jak programowanie użytecznych aplikacji służących rozrywce (np. kodery i odtwarzacze obrazu i dźwięku), pomiarom (np. analizie ruchu w sieci, w akustyce), edukacji (np. pomoce dydaktyczne, aplikacje do kształcenia na odległość), bezpieczeństwu (np. analizatory błędów oprogramowania, treści) czy w celach informacyjnych (jak popularne witryny internetowe).

1.B Jak pozyskiwać sygnały EKG

Pozyskiwanie elektrokardiogramu do eksperymentów z jego przetwarzaniem jest stosunkowo łatwe o ile nie dotyczy rzadkich przypadków medycznych. Te rzeczywiście mogą nastręczać trudności, ale na razie zostawmy je poza zakresem zainteresowania, co najmniej do czasu opanowania podstawowego kanonu interpretacji. Źródłem elektrokardiogramu może być:

– kardiologiczna baza zapisów,

– elektrokardiograf cyfrowy,

– przetworzony obraz zapisu papierowego.

1.C Jak prowadzić eksperymenty z algorytmami przetwarzania elektrokardiogramów?

Pierwszym i najbardziej naturalnym pomocnikiem w interpretacji zapisów elektrokardiograficznych jest lekarz. Jeśli informatykowi uda się zainteresować znajomego lekarza swoimi eksperymentami, otrzyma najbardziej fachową pomoc z pierwszej ręki. Jej najistotniejszymi zaletami są:

– formułowanie pytań, odpowiedzi i wniosków pomiędzy dwoma osobami,

– możliwość weryfikacji automatycznego przetwarzania na (prawie) dowolnym etapie, a nie tylko na początku (sygnał surowy) i końcu (anotacje).

Cennym rezultatem interpersonalnej wymiany poglądów jest dla informatyka nie tylko stwierdzenie poprawności rezultatu końcowego (lub jej braku), ale przede wszystkim wgląd w sposób rozumowania i postępowania lekarza w przypadku konkretnych wątpliwości. Jeżeli oprogramowanie nie opiera się tylko na prostym przyporządkowaniu najbardziej prawdopodobnych rezultatów diagnostycznych do sygnałów stanowiących zbiór przykładów (uczący), ale jest konstruowane z uwzględnieniem całego procesu wnioskowania, jaki ma miejsce podczas interpretacji zapisu przez człowieka, znacząco wzrastają szanse na otrzymanie wiarygodnego rezultatu także dla przypadków nieobecnych w zbiorze uczącym.

Lekarz, a nawet wybitny ekspert – kardiolog nie zna jednak obiektywnej prawdy o pracy serca reprezentowanej w elektrokardiogramie. Wynika to z własności tzw. problemu odwrotnego jakim jest interpretacja zapisu. Reprezentacja aktywności serca w elektrokardiogramie jest niepełna (specjaliści szacują ją na 70%) – istnieje grupa poważnych schorzeń (np. niedomykalność zastawek) manifestujących się ledwie zauważalnymi zmianami w elektrokardiogramie. Rekonstrukcja wiedzy na temat pracy serca na podstawie obrazu jego elektrycznej aktywności rejestrowanego na powierzchni ciała jest niepełna wskutek strat informacji, a także na skutek pojawiania się reprezentacji zjawisk obocznych (np. aktywności mięśni) i zmian warunków pomiaru (np. oddychanie). Problem ten jest powszechny w diagnostyce medycznej i rozwiązywany za pomocą pojęcia „złotego standardu”, odnoszącego się uznanego przez najszersze grono klinicystów, najbardziej optymalnego ich zdaniem sposobu pomiaru. A zatem interpretacja konkretnego zapisu EKG przez rozmaitych lekarzy może być różna (w trakcie realizacji projektu CSE uzyskano zgodność na poziomie 80%), możliwe jest także, że ta sama osoba otrzymując zapis po raz kolejny zinterpretuje go odmiennie.