Elektrokardiografia dla Informatyka Praktyka

Podsumowanie 8

Znaczenie kliniczne osi elektrycznych serca

Położenie osi zespołu QRS (osi serca) jest istotną diagnostycznie reprezentacją poprawności przewodzenia bodźca. Jeśli przewodzenie jest ograniczone lub całkiem zatrzymane przez lokalne obszary martwicy tkanki lub blok odnogi pęczka Hisa, pozycja osi serca będzie trwale zmieniona względem położenia typowego. Istotność diagnostyczna położenia osi serca jest osłabiona przez wpływ oddychania, ciąży i innych czynników zmieniających położenie serca w jamie ciała.

Położenie osi elektrycznej w obrębie załamka P reprezentuje przewodzenie bodźca do lewego przedsionka szlakami międzyprzedsionkowymi oraz przewodzenie szlakami międzywęzłowymi do węzła przedsionkowo-komorowego. W zapisach standardowych, wobec małej amplitudy załamka P, znaczenie diagnostyczne osi P jest ograniczone do wyznaczenia stopnia stabilności generatora zatokowego. W kolejnych ewolucjach serca oczekiwana jest podobna pozycja osi załamka P, prowadząca do wniosku o podobieństwie sposobu przewodzenia kolejnych bodźców.

Położenie osi załamka T jest rzadko brane pod uwagę podczas współczesnej diagnostyki klinicznej, z wyjątkiem detekcji alternansu załamka T. Alternans polega na naprzemiennym występowaniu dwóch wzorców załamka T o przeciwnej polaryzacji i jest uważany za cenny predyktor umożliwiający wczesną detekcję tachykardii komorowych.

Szczegóły czasowego przebiegu osi serca jest przedmiotem zainteresowań wektokardiografii, podczas gdy standardowa elektrokardiografia 12-odprowadzeniowa poprzestaje na wyznaczeniu położenia kątowego osi tylko w punktach, w których wektor pola elektrycznego ma wartość maksymalną. Zwykle jest to wartość kąta, jaką z osią poziomą skierowaną w prawo tworzy rzut wektora na płaszczyznę czołową.

Problemy wymagające rozwiązania podczas projektowania

Projektowanie procedur wyznaczania położenia osi wymaga wyznaczenia granic załamków, co zwykle jest wykonywane przez poprzedzającą procedurę. Istotne jest także wyznaczenie poziomu linii izoelektrycznej i odjęcie jej wartości od wartości próbek sygnału. Wreszcie można przystąpić do wyznaczania punktu, w którym wektor pola elektrycznego ma wartość maksymalną. Po znalezieniu tej wartości pozostaje określenie proporcji amplitud sygnału w poszczególnych odprowadzeniach kończynowych (dla płaszczyzny pionowej) lub przedsercowych (dla płaszczyzny poziomej) i wyznaczenie kąta z równania trygonometrycznego. Niestety, ta pozornie prosta procedura niesie ze sobą kilka zagadnień wymagających rozwiązania już na etapie projektowania. Należą do nich:

– zdecydowanie, które odprowadzenia są brane pod uwagę,

– wybór metody kompensacji wahań linii izoelektrycznej oraz wybór metody określania jej poziomu odpornej na obecność szumu,

– wybór metody detekcji maksimum elektrycznej aktywności serca w obrębie załamków (w niektórych odprowadzeniach wzajemne położenie wektora pola i półprostej rzutowania może być niekorzystne, czego rezultatem jest załamek dwufazowy)

– uniezależnienie metody detekcji maksimum od obecności szumu w sygnale w jak największym zakresie wartości stosunki sygnału do szumu,

– obróbka statystyczna wartości położenia osi w kolejnych ewolucjach serca

Metody wyznaczania osi elektrycznych serca

Najczęściej stosowanymi zestawami odprowadzeń będących podstawą wyznaczania osi serca (osi załamków) są I i aVF oraz V2 i V6. Wybór odprowadzeń kończynowych ogranicza pomiar osi serca do badania spoczynkowego, wykonywanego w pozycji leżącej. Wykonanie analizy w pozycji stojącej (znacznie bardziej interesujące z medycznego punktu widzenia) jest obarczone znacznym wpływem szumu pochodzenia mięśniowego. Z powodu wpływu elektrycznej aktywności mięśni praktycznie nie wykonuje się wyznaczania osi w zapisach próby wysiłkowej ani holterowskich.

Niepoprawne wyznaczenie i kompensacja wahań poziomu linii izoelektrycznej może być przyczyną błędnego wyznaczenia osi lub błędnego wyznaczenia pozycji maksimum elektrycznej aktywności serca. Niekiedy na potrzeby dokładnego wyznaczenia położenia osi, lub w przypadkach wyznaczenia wartości granicznych patologii wykonywany jest odrębny pomiar poziomu izolinii przed i za załamkiem.

W systemach o niskiej częstości próbkowania sygnału zmienność zjawisk elektrycznych może być zbyt szybka, aby punkt wskazany jako maksimum elektrycznej aktywności był określony precyzyjnie. W takich przypadkach pomocna okazuje się interpolacja krzywej wyznaczonej na płaszczyźnie przez pary współrzędnych będących próbkami sygnału w sąsiedztwie maksimum w dwóch wybranych odprowadzeniach za pomocą paraboli. Położenie maksimum najlepiej dopasowanej paraboli i proporcja odpowiadających mu wartości interpolowanych w obu odprowadzeniach umożliwiają stabilne wyznaczenie położenia osi nawet w obecności szumu.

Podsumowanie 9

Znaczenie kliniczne arytmii

Oprócz węzła zatokowo-przedsionkowego, w skład układu bodźcotwórczo-przewodzącego serca wchodzą zapasowe generatory rytmu. W pewnych sytuacjach patologicznych mogą się one uaktywnić, a nawet przejąć rolę generatora rytmu wiodącego. Zanim taki stan się utrwali (arytmie utrwalone), aktywność ośrodków zapasowych, a także brak, lub nieregularna akcja ośrodka podstawowego występują spontanicznie w odpowiedzi na zmiany zewnętrznych warunków chemicznych (leki), elektrycznych (aktywność innych ośrodków) lub obciążenie organizmu (wysiłek). Znaczenie diagnostyczne arytmii napadowych jest ogromne gdyż reprezentują one odstępstwa od rytmu zatokowego miarowego spowodowanego postępującym procesem chorobowym lub czynnikami arytmogennymi. Arytmie są reprezentacją aktywności i wzajemnych wpływów generatorów rytmu serca w elektrokardiogramie rejestrowanym na powierzchni ciała pacjenta. W zależności od źródła patologii rozróżniane są arytmie:

- zatokowe, związane z nieprawidłową pracą węzła SA,

- przedsionkowe, związane z uaktywnieniem dodatkowych ośrodków bodźcotwórczych w obrębie przedsionków,

- węzłowe, związane z generowaniem rytmu przez węzeł przedsionkowo-komorowy AV lub zablokowaniem przewodzenia przez ten węzeł,

- komorowe wyzwalane przez rozrusznik znajdujący się w jednej z komór.

W połączeniu z opisem symptomów towarzyszących zapis arytmii może być podstawą zastosowania sztucznej stymulacji serca, lub - rzadziej - leczenia farmakologicznego.

Najczęściej poruszane problemy

Detekcja arytmii napadowych może być wykonana tylko na podstawie sygnału zarejestrowanego w dłuższym odcinku czasu, podczas gdy wykrywanie arytmii utrwalonych jest bardzo łatwe, znaleźć je można w dowolnym wycinku zapisu EKG, nawet w krótkim zapisie badania spoczynkowego. Analiza sekwencji ewolucji serca musi być poprzedzona detekcją poszczególnych ewolucji oraz określeniem ich typu (morfologii). Warto zwrócić uwagę, że strumień informacji wejściowych dla detektora arytmii jest znacznie mniejszy niż reprezentacja sygnału EKG. Detekcja podstawowych typów arytmii wymaga podania dla każdej z ewolucji indeksu czasowego (lub poprzedzającego interwału RR) oraz typu morfologii. Ponieważ detekcja ma charakter procedury przeszukiwania bazy danych zawierającej atrybuty kolejnych ewolucji serca nie sprawia informatykom większych kłopotów. Jedynym problemem wymagającym rozstrzygnięcia jest sposób rozwiązywania konfliktów w przypadku pojawienia się sekwencji charakterystycznych dla różnych arytmii na tym samym przedziale czasowym. Przykładami konfliktów mogą być:

- wystąpienie pauzy w sekwencji bradykardii,

- wystąpienie pary na zakończenie bigeminii, itp.

Pomimo ścisłego zdefiniowania warunków arytmii w wytycznych diagnostycznych, przydatna (np. w przypadku dzieci lub pacjentów z określoną historią choroby) okazuje się możliwość indywidualnego zdefiniowania parametrów granicznych arytmii. W tym celu program może udostępniać okno dialogowe z parametrami do ustawienia lub bardziej złożony interfejs umożliwiający zdefiniowanie długości, wymaganego następstwa morfologii, oraz względnych (w %) lub bezwzględnych (w ms) zależności czasowych poszukiwanej sekwencji.

Ponieważ detekcja arytmii wykorzystuje operacje logiczne, błędy detekcji mogą być przypisane wyłącznie poprzedzającym procedurom: niedokładności wyznaczania interwału międzyuderzeniowego lub błędnej identyfikacji morfologii ewolucji serca.

Metody detekcji epizodów arytmii

Każdy epizod arytmii w zapisie EKG jest opisywany przy pomocy parametrów ilościowych (atrybutów) będących elementami struktury informacyjnej zdefiniowanej odrębnie dla każdego typu. Struktury te wraz z mechanizmami ich sortowania według różnych kryteriów są wykorzystywane do raportowania. Zachodzi wtedy potrzeba zestawień ilości arytmii określonego typu w kolejnych przedziałach godzinowych, lub wyboru w zadanym przedziale określonej liczby epizodów o najdłuższym czasie trwania lub najszybszym rytmie.

Rozwiązywanie konfliktów może być oparte się na podziale, który z diagnostycznego punktu widzenia wyróżnia arytmie o różnym stopniu istotności:

- pierwszego rodzaju: pauza, częstoskurcz nadkomorowy, tachykardia komorowa;

- drugiego rodzaju: salwa, czynny rytm komór, bigeminia,

- trzeciego rodzaju: tachykardia nadkomorowa bradykardia, rytm nieregularny i pary.

Niektóre detektory arytmii dokonują jednokrotnie sekwencyjnej analizy bazy danych ewolucji serca zawierającej dane morfologii zespołów QRS i interwału RR. W przypadku, gdy podczas trwania arytmii niższego rodzaju wykryta jest sekwencja właściwa dla arytmii wyższego rodzaju, trwająca arytmia kończy się ustępując miejsca nowo zidentyfikowanej arytmii. W przypadku, gdy trwa arytmia określonego rodzaju, wykrywania arytmii niższych rodzajów jest zablokowane.

Alternatywne podejście polega na trzykrotnym przeglądaniu bazy danych ewolucji serca zawierającej dane morfologii zespołów QRS i interwału RR. Za pierwszym razem wykrywane są tylko arytmie pierwszego rodzaju. Drugi przegląd wyodrębnia tylko arytmie drugiego rodzaju, przy czym odcinki przyporządkowane zidentyfikowanym uprzednio arytmiom pierwszego rodzaju są omijane, Trzeci przegląd identyfikuje arytmie trzeciego rodzaju na pozostałych fragmentach sygnału.

Poprawa efektywności pracy detektora arytmii może polegać na organizacji kolejno sprawdzanych warunków decyzyjnych w postać drzewa. Powoduje to jednak wzajemne uzależnienie warunków (np. czasowych) poszczególnych typów arytmii. Alternatywnym rozwiązaniem jest użycie list hierarchicznych pozwalających na sprawdzanie w pierwszej kolejności tych warunków, które są najczęściej spełniane.

Podsumowanie 10

Znaczenie analizy zmienności rytmu

Analiza zmienności rytmu jest metodą diagnostyki mechanizmu regulacji wydajności krwiobiegu. Do mechanizmów tych należy też kontrola objętości krwi i oporu naczyń obwodowych, ale tylko zmienność rytmu serca umożliwia znaczną dynamikę wydajności – potrzebną w reakcji na szybko zmieniające się obciążenie organizmu. Ciągła modulacja częstości akcji serca rytmu zatokowego świadczy o aktywności centralnego systemu nerwowego i sprawności kontroli krwiobiegu. Przeciwnie - stabilizacja rytmu serca objawiająca się zmniejszonym zakresem zmian jest objawem patologicznym.

Ocena zmienności rytmu serca jest podstawową techniką umożliwiającą ocenę proporcji wpływu układu współczulnego (pobudzanie) i przywspółczulnego (hamowanie) na akcję serca (ang. sympathovagal balance). Ponieważ rola tych układów silnie zależy od stanu człowieka (sen, czuwanie), a podczas czuwania jest dodatkowo zakłócana przez podejmowaną aktywność fizyczną, dopiero analiza całodobowych zmian rytmu serca pozwala diagnozować poprawność tego współdziałania. Analiza zmienności rytmu serca opiera się na bieżących wartościach interwałów międzyuderzeniowych (odstępów RR). Z powodu braku związku pobudzeń generowanych przez zastępcze generatory rytmu z autonomicznym systemem nerwowym tylko pobudzenia rytmu wiodącego (zatokowego) są brane pod uwagę.

Najczęściej poruszane problemy

Analiza zmienności rytmu jest oparta na serii czasowej częstości akcji serca lub serii interwałów międzyuderzeniowych (tachogramu). Informacjom czasowym musi towarzyszyć znacznik morfologii ewolucji serca, w celu separacji pobudzeń zatokowych. Pomimo stosunkowo niewielkiego strumienia danych, tachogram jest jednym z ciekawszych sygnałów ze względu na nieregularny odstęp (interwał próbkowania) informacji o częstości akcji serca. Ponieważ w sygnale próbkowanym niejednorodnie klasyczne metody analizy sygnałów napotykają liczne ograniczenia, rozwinięte zostały liczne metody alternatywne liniowe (stosowane w codziennej praktyce klinicznej) oraz nieliniowe (używane przeważnie w badaniach naukowych).

Projektant przystępujący do implementacji procedury analizy HRV musi rozwiązać szereg problemów konstrukcyjnych. Należą do nich:

– wybór metody (grupy metod) analizy z uwzględnieniem kompatybilności raportu z wymaganiami klinicznymi, rzetelnej reprezentacji wpływu układu współczulnego i przywspółczulnego i separacji pacjentów z punktu widzenia wybranych patologii,

– rozstrzygnięcie, czy regularyzacja tachogramu (interpolacja i przepróbkowanie do jednorodnej serii czasowej) jest stosowana dla metod widmowych, a jeśli tak, to czy dotyczy także pozostałych metod analizy,

– kompensacja chwilowego braku pobudzeń rytmu wiodącego (zatokowego) (np. na odcinkach arytmii), która nie powinna wnosić dodatkowego czynnika zmienności rytmu,

– sposób wyboru przez użytkownika długości epok analizy statystycznej

– wybór metody analizy widmowej (modelowanie ARMA, metody Fourierowskie z interpolacją tachogramu, periodogram Lomba),

– wybór metody interpolacji tachogramu przed zastosowaniem transformacji Fouriera (liniowa, z użyciem funkcji sklejanych trzeciego stopnia lub inna),

– wybór rozdzielczości metody widmowej uwzględniający parametry wyświetlania i wymagany zakres analizowanego widma (rozszerzony np. w analizie pediatrycznej),

– wybór szerokości przedziału i sposobu interpolacji zboczy histogramu RR przy wyznaczeniu indeksu trójkątnego,

– wybór sposobu prezentacji i parametrów uzyskiwanych z wykresu sąsiednich interwałów międzyuderzeniowych (Lorentza)

Wielka ilość możliwych rozwiązań jest przyczyną bardzo małej powtarzalności parametrów HRV pomiędzy implementacjami tej analizy wykonywanymi przez różnych producentów oprogramowania. Przeciwnie do innych typów analiz, nie ma dotychczas przyjętej na szeroką skalę bazy tachogramów i ich referencyjnych parametrów HRV, co utrudnia testowanie poprawności analizy przez nowo implementowane procedury.

Uwagi praktyczne dotyczące wyznaczania parametrów HRV

Serie czasowe próbkowane niejednorodnie składają się zwykle z par wartości, z których jedna reprezentuje mierzoną wielkość, a druga interwał czasu, jaki upłynął od poprzedniego pomiaru. W przypadku tachogramu nie jest to konieczne – wartość interwału międzyuderzeniowego (RR) jest próbkowana w odstępach równych temu interwałowi (raz na ewolucję serca) obie wartości byłyby więc identyczne. Warto także zauważyć, że skumulowana wartość wszystkich próbek tachogramu łącznie z bieżącą reprezentuje odstęp bieżącej wartości od początku zapisu (indeks czasu).

Jeżeli analiza HRV przewiduje raportowanie w okresach czasu (np. godzinowych) wygodnie jest, aby całkowita ilość epok analizy statystycznej mieściła się w takim okresie. Jednocześnie długość epoki wyznacza rozdzielczość widma analizy częstotliwościowej (nie dotyczy metody ARMA) i powinna być dobrana z uwzględnieniem wymagań transformacji Fouriera (przedstawialna jako całkowita potęga liczby 2), zakresu prezentowanego widma oraz parametrów wyświetlania. Określenie długości epoki przez użytkownika powinno być wyborem z zamkniętej listy opcji.

Interpolacja brakującej sekwencji interwałów pomiędzy ewolucjami nadkomorowymi o zadanej długości może być dokonana iteracyjnie. Interpolacja powinna prowadzić do wstawienia tak dobranej liczby i wartości interwałów, aby zachować parametry zmienności obserwowane w sąsiedztwie brakującego odcinka. Jeżeli w celu analizy widmowej wykonywana jest interpolacja i przepróbkowanie tachogramu do jednorodnej serii czasowej, można wykonać analizę statystyczną przepróbkowanego tachogramu.

Termin "analiza HRV" może oznaczać prostą obliczeniowo analizę statystyczną surowej serii interwałów w epoce trwającej ustalony czas (np. 5 minut, co odpowiada najwyżej 1000 interwałów). W tym przypadku metoda wyznaczania danego parametru sprowadza się do implementacji wzoru matematycznego w formie kodu wybranego języka programowania. Jednocześnie, wyznaczenie parametrów widmowych (zwłaszcza w zapisie okołodobowym) wymaga znacznych nakładów obliczeniowych i to zarówno w metodzie autoregresyjnej (ARMA) jak i w metodzie Fourierowskiej z interpolacją tachogramu. Szczęśliwie, transformacja Fouriera i interpolacja funkcjami sklejanymi trzeciego stopnia są dostępne w postaci procedur (lub bibliotek funkcji) bezpłatnych do użytku niekomercyjnego.

Analizy częstotliwościowe i geometryczne prowadzone dla sygnału okołodobowego, a także w interwałach godzinowych i w epokach o zadanej długości wymagają znacznych zasobów pamięci zmiennych. Wymagane jest bowiem wyznaczenie i przechowanie reprezentacji graficznej (np. widma i punktów wykresu Lorentza) dla każdego z analizowanych przedziałów. Warto ponadto zwrócić uwagę, że parametry wyświetlania mogą uniemożliwić poprawną prezentację tachogramu. Przykładowo okołodobowy wykres złożony z 1000 punktów będzie wymagał uśrednienia interwałów RR w grupach po 100 (co odpowiada 1,5 minuty) i powoduje zgubienie informacji o wartościach ekstremalnych. W takim przypadku celowe jest zatrzymanie w towarzyszących zmiennych wartości minimalnej i maksymalnej w przedziale, w którym przeprowadzono uśrednianie.