Rola detekcji ewolucji serca w interpretacji zapisu EKG

Detekcja ewolucji serca (najczęściej utożsamiana z detekcją zespołów QRS) jest podstawowym etapem interpretacji elektrokardiogramów i najczęściej jest wykonywana w pierwszej kolejności. Celem detekcji ewolucji jest:

identyfikacja sygnału wejściowego jako elektrokardiogramu,

pozyskanie informacji diagnostycznej o częstości akcji serca (lub długości interwału międzyuderzeniowego),

wskazanie położenia wycinków sygnału do dalszej interpretacji.

Detektor ewolucji serca, pełniąc zarówno rolę diagnostyczną w interpretacji zapisu, jak i wskazując obiekty do dalszej interpretacji, wymaga szczególnej uwagi. Jakość tej procedury determinuje jakość całego procesu interpretacji, choć niektóre błędy (np. detekcje fałszywie pozytywne) udaje się skompensować w dalszych etapach przetwarzania. Rolą detektora w jego podstawowej postaci jest wskazanie próbki sygnału z wystarczającym prawdopodobieństwem leżącej w obrębie czasu trwania zespołu QRS. Zwykle wskazanie to leży w zmieniającej się odległości od granic załamka, wynikającej z adaptacji procesu detekcji do aktualnej morfologii zespołów QRS. Dokładne wyznaczenie szczytu załamka R lub innego punktu synchronizacji (np. w celu porównania dwóch ewolucji) jest zwykle dokonywane po wskazaniu punktu detekcji.

Najczęściej poruszane problemy

Detekcja ewolucji serca w zapisie EKG jest typowym zadaniem rozpoznawania wzorców, obarczonym skończoną dokładnością. Ewolucja serca może być reprezentowana na wiele sposobów w zapisie elektrycznej aktywności serca, w zależności od wzajemnego położenia źródła i drogi przewodzenia pobudzenia oraz elektrody pomiarowej na powierzchni ciała. Projektowanie detektora ewolucji serca ma na celu rozwiązanie następujących zagadnień:

jaka jest podstawa identyfikacji wzorca w sygnale (cechy czasowe, częstotliwościowe, pochodne, statystyki itp.)

jakie metody umożliwiają skuteczne wyodrębnienie wzorca?

jak zapewnić niezależność skuteczności detekcji od wzajemnego położenia źródła pobudzenia i elektrod pomiarowych oraz stabilność detekcji w zapisie z wieloma aktywnymi źródłami pobudzeń?

czy uwzględniać zależności czasowe spodziewanego położenia ewolucji względem poprzedniej (search-back i eyeclosing)?

jak przeprowadzać detekcję w zapisie wieloodprowadzeniowym? jak wybrać sygnał do detekcji? czy wybór będzie uwzględniać chwilową jakość sygnału? na jakiej podstawie?

jakie wartości czułości i specyficzności detektora mogą być akceptowalne?

Różnorodne rozwiązania detektorów ewolucji serca opisywane w literaturze są efektem odmiennych odpowiedzi ich autorów na powyższe pytania.

Zagadnieniem wspólnym dla wszystkich etapów interpretacji EKG, ale wartym wspomnienia przy okazji detekcji ewolucji jest testowanie jej dokładności. Ze względu na znaczną ilość długich zapisów testowych oraz konieczność wielokrotnego powtarzania testów dla sukcesywnie ulepszanych wersji detektora, wysoce rekomendowane jest zautomatyzowanie tego procesu.

Metody realizacji zadania

Zadanie detekcji może być wykonane na wiele rozmaitych sposobów, także sprzętowo. Do najczęściej używanych metod należą:

stosowanie filtrów częstotliwościowych oraz pochodnych jako narzędzi faworyzujących uniwersalne (tj. niezależne od odprowadzenia) cechy sygnału typowe dla zespołu QRS,

stosowanie operacji nieliniowych (np. potęgowanie) umożliwiających uwypuklenie cech typowych dla zespołu QRS i poprawiających skuteczność ich separacji od artefaktów,

stosowanie wzorców sygnału zakładanych a priori lub pochodzących z wcześniej analizowanych partii zapisu pacjenta (wzorców własnych) i różnych metod ich uaktualniania,

dwuetapowy podział detekcji na: operacje liniowe mające na celu wyznaczenie funkcji detekcyjnej (współbieżnej z zapisem) o wymiarze prawdopodobieństwa i operacje decyzyjne (o wyjściu binarnym), które na podstawie funkcji detekcyjnej wskazują numer próbki sygnału odpowiadający punktowi detekcji.

Wzorce ewolucji serca lub zespołów QRS mogą być wyznaczane w dziedzinie sygnału, ale też rozmaitych cech używanych następnie do klasyfikacji. Przykładowym wariantem detekcji z jednoczesną klasyfikacją jest równoczesne użycie zestawu wzorców typowych dla poszczególnych morfologii ewolucji serca.

Detektor jest procedurą przetwarzającą surowy sygnał – na jego wejściu może się pojawić fragment zapisu zawierający silna zakłócenia lub nie będący elektrokardiogramem (zalecana kolejność czynności: najpierw podłączenie pacjenta, a następnie uruchomienie rejestracji nie jest ściśle przestrzegana). Działanie detektora musi więc wykorzystywać heurystyczne założenia o własnościach zapisu elektrokardiograficznego i obsługiwać sygnał nie spełniający tych założeń.

Detektor ewolucji serca wymaga dostępu do sygnału surowego i najczęściej traktuje równoprawnie kolejne jego próbki. Ze względu na znaczną objętość strumienia danych wejściowych, warto zwrócić uwagę na efektywność obliczeniową zaprojektowanego algorytmu.

Bezpośredni dostęp do sygnału surowego nie jest jednoznaczny z sekwencyjnym pobieraniem próbek. Techniki eyeclosing i search-back wymagają buforowania sygnału. Bufory są też elementem składowym filtrów częstotliwościowych i innych metod stosowanych podczas detekcji. Stosowanie buforów jest związane z powstawaniem opóźnień pomiędzy faktycznie przebiegającą aktywnością serca, a informacją o zidentyfikowanych epizodach (ewolucjach serca i innych). W systemach interpretacji przeznaczonych do pracy w czasie rzeczywistym opóźnienia te powinny mieć jak najniższą wartość – graniczną wartością akceptowaną jest opóźnienie wynoszące 2 sekundy.

 

Dodatkowe informacje