Znaczenie kliniczne klasyfikacji pobudzeń

W analizie zapisu spoczynkowego trwającego 10 sekund automatyczna klasyfikacja pobudzeń wydaje się niepotrzebna. Zapisy takie coraz częściej ustępują miejsca rejestracjom długoczasowym, podczas których elektryczna aktywność serca jest oceniana na podstawie od kilkuset do setek tysięcy ewolucji serca. W tych przypadkach mechanizm klasyfikacji (klasteryzacji) pobudzeń jest nieodzowny informując lekarza o:

ilości aktywnych ośrodków bodźcotwórczych,

statystycznym udziale każdego z nich w kształtowaniu rytmu serca w badanym przedziale czasu,

czasowym następstwie epizodów zewnętrznych i aktywności ośrodków zapasowych.

Poza wielkim znaczeniem klinicznym, klasteryzacja ewolucji serca (najczęściej ograniczana do klasteryzacji zespołów QRS) jest istotna z punktu widzenia organizacji procesu dalszej interpretacji zapisu. Zwykle dopuszczany jest niewielki zakres zmienności (niewielka wariancja) ewolucji serca w obrębie klastrów, dzięki czemu wszystkie one mogą być reprezentowane przez wybraną ewolucję (najczęściej rzeczywistą najmniej odległą od średniej) w dalszym procesie interpretacji. Założenie takie pomaga ograniczyć problem fluktuacji rezultatów pomiarowych w obrębie ewolucji tego samego typu, a także znacznie ograniczyć wymagany nakład obliczeniowy dalszych etapów interpretacji.

Najczęściej poruszane problemy

Klasteryzacja ewolucji serca jest typowym zadaniem automatycznego wyodrębniania i kategoryzacji obiektów do grup, w obrębie których wariancja jest minimalna, a pomiędzy którymi wariancja jest maksymalna. Zaprojektowanie procedury klasyfikacji ewolucji serca wymaga rozwiązania następujących zagadnień:

wyboru metryki klasyfikacji definiującej podstawę ilościowej miary podobieństwa dwóch ewolucji oraz wyznaczania wariancji wewnątrz klastrów i pomiędzy nimi,

wyboru algorytmu klasyfikacji – w szczególności rozstrzygnięcie, czy pierwotne przyporządkowanie jest ostateczne (algorytm jednoprzebiegowy z możliwością pracy w czasie rzeczywistym), czy przewidywana jest reklasyfikacja (algorytm wieloprzebiegowy),

wyboru stałych lub adaptacyjnych wzorców poszczególnych klastrów – w przypadku wzorców adaptacyjnych należy zdefiniować czasowe i amplitudowe warunki adaptacji wzorca,

rozstrzygnięcia czy klasteryzacja zakłada zadaną liczbę wzorców i dąży do maksymalizacji (minimalizacji) wariancji, czy zakłada dopuszczalną wartość wariancji i dąży do minimalizacji liczby klastrów,

wyboru warunku krytycznego: albo jest nim maksymalizacja wariancji między klastrami, albo minimalizacja wariancji wewnątrz klastrów,

zdefiniowania warunku połączenia klastrów w klasyfikacji wieloprzebiegowej.

Zagadnieniem konstrukcyjnym związanym z klasyfikacją jest także obsługa interakcji operatora. Może ona polegać na następujących czynnościach:

ustawienie wartości dopuszczalnych (wariancji, liczby klastrów),

zmiana ustawionych wartości dla wybranego odcinka czasu (analiza prospektywna),

zmiana finalnego przyporządkowania ewolucji do klastrów lub łączenie klastrów,

ręczna klasyfikacja napotkanych ewolucji nietypowych będąca podstawą uczenia się programu i dalszej klasyfikacji automatycznej.

Metody realizacji zadania

Klasyfikacja może być zrealizowana za pomocą metody bezpośredniej (np. sieci neuronowe) lub iteracyjnej (np. algorytmu k-średnich). Metody iteracyjne (algorytm wieloprzebiegowy) wymagają zapamiętania lub powtórnego wyznaczenia metryki każdego z obiektów względem pozostałych lub względem centroidów. Zakładając wystąpienie 100 tysięcy obiektów w zapisie 24-godzinnym można oszacować wymagania pamięci zmiennych dla opisu odległości obiektów.

Klasyfikacja ewolucji serca może obejmować cały zakres czasu od początku załamka P do końca załamka T lub tylko zespół QRS. Większość algorytmów klasyfikacji, w zależności od zastosowanej metryki wymaga wskazania punktu synchronizacji i wyznaczenia przybliżonych granic klasyfikowanych odcinków sygnału. Ponieważ nakład obliczeniowy związany z wyznaczeniem tych punktów wzrasta wraz z wymaganą dokładnością – podstawą praktycznego wyboru metryki może być niewrażliwość wyznaczonej wartości odległości na błędy synchronizacji. Ponieważ błędy klasteryzacji mają zróżnicowane następstwa kliniczne, wybór metryki powinien uwzględniać maksymalizację odległości pomiędzy ewolucjami o morfologii komorowej i nadkomorowej.

Reprezentacja elektryczna ewolucji serca jest zjawiskiem trójwymiarowym – zagadnieniem wymagającym uwagi jest wybór odprowadzenia, zestawu odprowadzeń lub sygnału wyznaczanego na podstawie elektrokardiogramu, które będą podstawą klasyfikacji. W zapisie 12-odprowadzeniowym częstym wyborem jest zestaw odprowadzeń o wzajemnie prostopadłych osiach: aVF, V1 i V6. Jeśli metryka jest oparta na wartościach próbek w trzech kanałach, w obrębie samego tylko zespołu QRS, to opis obiektu w klasyfikacji składa się z 45 wartości (dla częstości 120Hz). Zakładając wystąpienie 100 tysięcy obiektów w zapisie 24-godzinnym można oszacować niezbędny nakład obliczeniowy i wymagania pamięci zmiennych dla opisu obiektów.

Zakładając wartość tolerancji (wariancji) w obrębie klastrów należy pamiętać o występowaniu pozakardiogennego składnika niepodobieństwa, będącego następstwem braku synchronizacji akcji serca i próbkowania sygnału. Jego wpływ można oszacować eksperymentalnie za pomocą pomiarów różnic pomiędzy identycznymi ewolucjami w serii (np. z generatora) dla docelowej częstotliwości próbkowania. Dyskryminacja tego składnika niepodobieństwa jest możliwa poprzez wyznaczenie dokładnego punktu synchronizacji (np. wierzchołka załamka R metodą najlepiej dopasowanej paraboli), a następnie interpolacji wartości zapisu w równych odległościach od tego punktu na podstawie sąsiadujących próbek.

Efektywność klasyfikacji może zostać poprawiona przez:

powtórzenie pomiaru odległości dla sąsiednich punktów synchronizacji (w systemach bez interpolacji),

przeglądanie wzorców klastrów w kolejności ich dotychczasowego użycia (najczęściej używane wzorce są przeglądane w pierwszej kolejności),

przeglądanie wzorców klastrów w kolejności ich bieżącego występowania (ostatnio dopasowane wzorce są przeglądane w pierwszej kolejności).

Dodatkowe informacje