Электрокардиография сверхвысокого разрешения.

Электрокардиография сверхвысокого разрешения.

Задачи. Проблемы. Перспективы.

¹ Ю. В. Гуляев, чл. президиума РАН, академик РАН, профессор,

² К. В. Зайченко, д.т.н., профессор

¹ Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

² Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

 

High-resolution electrocardiography.

Task. Problem. Prospects.

¹ U. V. Gulyaev, member. Presidium of the Russian Academy of Sciences, Academician of the Russian Academy of Sciences, Professor,

² K.V. Zaychenko, Doctor of Technical Sciences, Professor

¹ Kotel’nikov institute of Radio Engineering and Electronics of RAS

² St-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

 

Аннотация. Рассмотренысовременные тенденции развития методов электрокардиографии (ЭКГ), описаны предпосылки появления и особенности метода электрокардиографии сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР), его место среди других современных ЭКГ-методов. Обсуждаются подходы к разработке аналоговых и цифровых устройств первичной обработки ЭКС, а также к их вторичной обработке по методу ЭКГ СВР. Рассмотрены требования к методике проведения экспериментальных исследований на подопытных животных и к регистрации ЭКГ-данных у людей для поиска новых диагностических признаков кардиопатологий. Описаны возможности комплексирования метода ЭКГ СВР с методом магнитокардиографии и другими инструментальными средствами исследования сердца. Сформулированы сегодняшние задачи, проблемы развития и перспективы использования и внедрения метода ЭКГ СВР, а также электрокардиографов и электрокардиомониторов на его основе.

Abstract. The modern trends in the development of methods of electrocardiography (ECG), and describes the prerequisites for a particular method of high resolution electrocardiography (ECG SVR), its place among other modern methods of the ECG. Approaches to the development of analog and digital devices preprocessing pacemaker, as well as the requirements for their secondary treatment by the method of ECG SVR. The requirements for the methodology of experimental studies in experimental animals and ECG data in humans to find new diagnostic features kardiopatology. The capabilities aggregation method ECG SVR method magnetocardiography and other tools Heart Study. Formulated today's challenges, problems and prospects of the development and implementation of the method of ECG SVR, as well as ECG and elektrokardiomonitorov based on it.

Ключевые слова Электрокардиография, электрокардиосигнал, сверхвысокое разрешение, магнитокардиография, аналоговая, цифровая и вторичная обработка электрокардиосигналов.

Keywords Electrocardiography, electrocardiosignal, ultra high resolution, Magnetocardiography, analog, digital and secondary processing electrocardiosignals.

Реферат

В истории создания и совершенствования электрокардиографии четко прослеживается тенденция повышения информативности регистрируемых сигналов. Этой тенденции в разной степени следовали и современные методы электрокардиографии с повышенной разрешающей способностью. Результатом преодоления недостатков этих методов и дальнейшим повышением разрешающей способности аппаратных, алгоритмических и программных средств анализа тонкой структуры электрокардиосигналов (ЭКС) стало появление нового метода – электрокардиографии сверхвысокого разрешения (ЭКГ СВР). Это был результат более чем двадцатилетней работы коллектива ведущей научной школы «Радиоэлектронные и информационные средства оценки физиологических параметров живых систем» (РЭИС ЖС). Метод ЭКГ СВР обеспечивает регистрацию ЭКС на всей протяженности кардиоцикла в более широких амплитудном и частотном диапазонах в условиях воздействия помех. Минимальная граница амплитудного диапазона сегодня составляет порядка десяти нВ, максимальная верхняя граница частотного диапазона более 2000 Гц. Такие параметры регистрации ЭКС достигаются благодаря использованию самой совершенной элементной базы современной радиоэлектроники, широких возможностей цифровой обработки сигналов, оптимальному сочетанию аналоговых и цифровых методов и средств обработки информационных сигналов, а также разработке целого ряда новых схемотехнических, алгоритмических и программных решений. Создание блоков первичной обработки ЭКС с высокими, до сих пор не достижимыми характеристиками, позволило выделять сигналы, содержащие ранее не доступную для исследователей информацию, что, в свою очередь, потребовало реализации новых высокоэффективных методов извлечения этой информации при вторичной обработке биоэлектрических сигналов различной природы. Этому также будет способствовать совместное использование ЭКГ СВР и методов магнитокардиографии, чувствительных к внутри и внеклеточным токам сердца.

При исследованиях на подопытных животных с искусственно вызванными кардиопатологиями и при анализе их результатов были применены такие стандартные методики вторичной обработки, как спектральный анализ, построение гистограмм распределений и вейвлет-анализ сигналов, полученных в ходе экспериментальных записей ЭКС. Они однозначно подтвердили возможность фиксации методом ЭКГ СВР начала развития ишемии на более ранней стадии, чем это возможно при использовании существующих ЭКГ-методик.

Кратко изложены конкретные задачи развития ЭКГ СВР, возникшие в ходе ее реализации, которые можно сформулировать сегодня и часть из которых уже нашла свое отражение в работах, опубликованных в данном номере журнала; сложные, нетривиальные научные проблемы, требующие своего решения в ближайшее время, а также перспективы использования метода ЭКГ СВР в научных исследованиях и внедрения его в практическое здравоохранение.

 

Summary

In the history of the establishment and improvement of electrocardiography clear tendency to increase the information content of the recorded signals. This trend is followed in varying degrees and modern methods of electrocardiography with high resolution. The result of overcoming the drawbacks of these methods and the further development trend of increasing resolution of hardware, software and algorithmic analysis of the fine structure ECG signal has been the emergence of a new method - high-resolution electrocardiography (ECG UHR). This was the result of more than twenty years of the team's leading scientific school "electronic and information tools to evaluate physiological parameters of living systems". The method of ECG UHR, ECG signal provides registration for the entire length of the cardiac cycle on a larger amplitude and frequency ranges in terms of interference. The minimum limit of the amplitude range today is about ten nV, the maximum upper limit of the frequency range of more than 2000 Hz. Such registration parameters are achieved through the use of EX-the-art hardware components of today's electronics, opportunities of digital signal processing, the optimal combination of analog and digital methods and means of processing information signals, as well as developing a number of new circuit design, algorithmic and software solutions. The development of primary processing units with high pacing is still unattainable characteristics allowed to allocate signals containing not previously available to researchers information, which, in turn, required the implementation of new efficient methods for extracting this information for secondary processing of bioelectric signals of different nature. This will also facilitate sharing ECG UHR magnetocardiography and methods are sensitive to extracellular currents inside and heart.In studies on experimental animals with artificially induced kardiopatologiyami and analysis of the results were used standard techniques such secondary processing such as spectral analysis, histogram distributions and wavelet analysis signals obtained during experimental pacemaker records. They unequivocally confirmed the possibility of fixing the method of ECG UHR onset of ischemia at an earlier stage than is possible with existing ECG techniques. Summarizes the specific objectives of the ECG UHR encountered during its implementation, which can be formulated today, and some of which are already reflected in the papers published in this issue, complex, non-trivial scientific problems to be solved in the near future, as well as perspective of the ECG UHR in scientific research and its implementation in healthcare practice.

 

Способы реализации ЭКГ СВР

 

При электрофизиологических исследованиях сердца в расширенных амплитудном и частотном диапазонах со сверхвысоким разрешением (по методу ЭКГ СВР) регистрируемые сигналы его биоэлектрической активности на большей части своей протяженности являются слабыми и шумоподобными, однако, содержат информационные низкоамплитудные и высокочастотные полезные компоненты (микропотенциалы). Для их регистрации, обнаружения и выделения был предложен и разработан ряд новых подходов и методик, схемотехнических, алгоритмических, методических и программных решений, а также несколько специальных программ экспериментальных исследований, направленных на решение следующих задач:

– синтез процедур обработки ЭКС, позволяющих обнаруживать в них микропонциалы на фоне шумов и помех;

– разработка способов технической реализации синтезированных процедур регистрации и обработки низкоамплитудных и высокочастотных составляющих ЭКС (микропотенциалов);

– разработка многоканального способа регистрации кардиосигналов с каждого отведения с расширением частотного диапазона их обработки;

– переход на самую современную элементную базу для достижения наилучших возможных показателей в обработке составляющих ЭКС;

– реализация сверхвысокого разрешения по амплитуде и частоте;

– разработка адаптивных аналоговых и цифровых процедур обработки ЭКС;

– разработка процедур высокоточной синхронизации ЭКС;

– разработка эффективных методов синхронного анализа и трехмерного картирования ЭКС на всем протяжении кардиоцикла;

– разработка подходов, методологии и комплекса реализуемых эффективных и действенных алгоритмов и программ для решения задач вторичной обработки с целью выделения диагностически значимых признаков кардиопатологий, особенно на ранних стадиях их развития.

Сегодняшние задачи ЭКГ СВР

 

1. Переход к многоканальной обработке ЭКС в каждом отведении для экспериментов по поиску частотного состава компонентов маркеров с минимизацией нелинейных искажений информационных сигналов в аналоговой части из-за вынужденной процедуры разделения ЭКС на НЧ- и ВЧ-составляющие, что позволит в дальнейшем реализовать оптимальные процедуры выделения этих составляющих в диагностическом комплексе.

2. Снижение влияния гармоник 50 Гц и мощных компонентов внешних помех на динамические свойства каналов обработки ЭКС и на подавление микропотенциалов.

3. Модернизация системы первичной аналого-цифровой обработки ЭКС на основе адаптивной регулировки ее параметров для расширения динамического диапазона регистрации входных сигналов и улучшения характеристик цифрового преобразования. Такая система должна быть совместима с современными интерфейсами передачи данных. При решении этой задачи необходимо учитывать широкие диапазоны изменения амплитудных характеристик ЭКС у разных объектов исследований [25] (нс), а также изменчивость частотного состава как самого ЭКС – появление в нем, например, как, высокочастотных диагностически значимых составляющих ранних (РПЖ) и поздних (ППЖ) потенциалов желудочков [4], так и, связанных с их регистрацией дополнительных источников ЭМП – радиотелефоны, вычислительная техника, другие электронные приборы и т.д.. Лишь введение адаптивного регулирования параметров канала обработки ЭКС позволит устранить влияние изменчивости характеристик этих сигналов на точность их регистрации. Предварительный анализ показал, что использование только аналоговых или только цифровых способов адаптации не может привести к удовлетворительному решению указанных проблем, т.к. аналоговая реализация отличается сложной схемотехникой, а цифровая не оказывает необходимых воздействий на аналоговую обработку сигналов до АЦП. В связи с этим разрабатываемые алгоритмы адаптации и реализующие их программные и схемотехнические решения должны  комплексно сочетать в себе современные достижения в области аналоговой схемотехники, аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов.

4. Разработка высокочувствительных аналоговых и цифровых аппаратных средств обработки ЭКС с минимальным пороговым входным сигналом ниже 10 нВ, в том числе, на базе охлаждаемого (криогенного) входного усилителя и проведение на их базе специальных инвазивных экспериментальных исследований для изучения характеристик биоэлектрической активности клеток и тканей живого сердца. Такая аппаратура позволит не только существенно снизить внутренние шумы в каналах обработки, но и даст возможность изучить пути уменьшения уровня шумов, возникающих при кожно-гальванических контактах электродов.

5. Уточнить методики и продолжить экспериментальные исследования на животных с целью выявления новых признаков кардиопатологий и отработки способов фиксации временны́х параметров их возникновения и развития в ходе экспериментов в реальном масштабе времени.

6. Приступить к разработке узлов и блоков, а также модулей алгоритмического и программного обеспечения прототипов компьютеризированных электрокардиографа и электрокардиомонитора нового поколения, реализующих метод ЭКГ СВР.

7. В ходе начатых электрокардиографических исследований по методу ЭКГ СВР на людях формулировать, проверять и уточнять методики выявления не известных ранее компонентов ЭКС и маркеров кардиопатологий с целью выхода на разработку алгоритмов диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы человека.

Проблемы развития ЭКГ СВР

1. Изучение электро- и магнитокардиографических характеристик сердца при его нормальной и патологической физиологии с целью подробного описания его функционирования и выявления новых маркеров кардиопатологий.

2. Изучение в клетках и тканях сердца физиологических процессов, являющихся источником низкочастотных и высокочастотных сигналов их биоэлектрической активности с помощью специально разработанного инструментария, в том числе, на базе методов ЭКГ СВР и МКГ, для описания и моделирования процессов нормальной и патологической электрофизиологии сердца и анатомически связанных с ним крупных сосудов.

3. Исследования характеристик гидродинамики кровообращения [24] и их связей с ЭКГ-параметрами, фиксируемыми по методу ЭКГ СВР, а также с данными магнитокардиографических исследований.

4. Построение комплексной модели сердца и анатомически связанных с ним крупных сосудов как единой взаимосвязанной системы с учетом параметров их биоэлектрической активности в расширенных по методу ЭКГ СВР амплитудном и частотном диапазонах, их МКГ-характеристик, получаемых по методу магнитокардиографии, их гидродинамических свойств, а также, возможно, с использованием данных, получаемых с помощью их биомеханической и информационной моделей для разработки как новых комплексных методов описания процессов нормальной физиологии и возникновения и развития патологий в этой единой системе, так и для разработки новых методик кардиодиагностики и кардиотерапии.

 

Литература

1. Зайченко К. В., Зяблицкий А. В., Краснова А. И., Сергеев Т. В. От струнного гальванометра до электрокардиографии сверхвысокого разрешения. / Биомедицинская радиоэлектроника. №9. 2010. 62 с.

2. Янушкевичус З. И., Чирейкин Л. В., Пранявичус А. А. Дополнительно усиленная кардиограмма. Л.: Медицина. 1990. 192 с.

3. Pranevichius A. A. P-terminal index based on the additionally amplified ECG in healthy persons and ischemic heart disease patients. Kardiologiia. 1981 Sep; 21(9):44-8.

4. Новые методы электрокардиографии. Серия: Мир биологии и медицины. / Под ред. Грачева С. В., Иванова Г. Г., Сыркина А. Л. – М: Техносфера, 2007.  552 с.

5. Narayanaswamy S. High Resolution Electrocardiography. Indian Pacing Electrophysiology Journal. v.2(2); Apr-Jun 2002.

6. Garvey J. Lee. ECG Techniques and Technologies. Emerg. Med. Clin. N Am 24 2006. 725 p.

7. Pettersson J., Pahlm O., Carro E., et al. Changes in high-frequency QRS components are more sensitive than ST-segment deviation for detecting acute coronary artery occlusion. the American College of Cardiology Foundation. J Am Coll Cardiol, 2000; 36:1827-1834.

8. Boyle D., Carson P., Hamer D., High Frequency Electrocardiography in Ischsemic Heart Disease Brit Heart J., 1966, 28, 539.

9. Langner, P. H., Jr. The value of high fidelity electrocardiography using the cathode ray oscillograph and an expanded time scale. Circulation, 1952, 5, 249.

10. Abboud S., Cohen J., Selwyn A., et al. Detection of transient myocardial ischemia by computer analysis of standard and signal-averaged high-frequency electrocardiograms in patients undergoing percutaneous transluminal coronary angioplasty. Circulation 1987;76:585-96.

11. Abboud S. High-frequency electrocardiogram analysis of the entire QRS in the diagnosis and assessment of coronary artery disease. Prog Cardiovasc Dis 1993;35:311–28.

12. Schlege T., Kulecz W., DePalma J., et al. Real-time 12-lead high-frequency QRS electrocardiography for enhanced detection of myocardial ischemia and coronary artery disease. Mayo Clin Proc 2004;79:339-350.

13. Zaichenko K. V., Kulin A. N., Jarinov O. O. Estimation of micropotentials of electrocardiograms of diagnostics of heart diseases // Proceedings 1 European medical and biological engineering conference (EMBEC’99). Austria. Vienna. 1999. p. 1.

14. Зайченко К. В., Сергеев Т. В. Аналоговая обработка электрокардиосигналов со сверхвысоким разрешением. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. №3. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009, с. 27-34.

15. Сергеев Т. В. Полосовой фильтр с регулируемыми параметрами для регистрации и обработки электрокардиосигналов по методу ЭКГ СВР // Настоящий сборник.

16. Краснова А. И. Прикладная информатика в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по вторичной обработке биоэлектрических сигналов // Настоящий сборник.

17. Зайченко К. В., Горелова Н. А., Омельченко В. П., Поливанный Ф. Г. Частные решения процедур вторичной обработки ЭКС по методу ЭКГ СВР для поиска временных характеристик маркеров кардиопатологий // Настоящий сборник.

18. Зайченко К. В. Чувствительные элементы со структурной избыточностью. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1990. 200 с.

19. Зайченко К. В., Зяблицкий А. В. Высокоточная синхронизация электрокардиосигналов сверхвысокого разрешения // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. №1. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010.

20. Бегун П. И., Кривохижина О. В., Зяблицкий А. В. Современные методы диагностики и предоперационного прогнозирования состояния биологических объектов в кардиологии // Настоящий сборник.

21. Кузнецов А. А., Киселев Н. Н., Гуменный В. Г. Методы поиска характерных точек электрокардиосигнала и статистического анализа его морфологии // Настоящий сборник.

22. Галагудза М. М., Зайченко К. В. Экспериментальные исследования на животных как этап создания методологии и инструментария функциональной электрокардиографии ишемии // Настоящий сборник.

23. Гуляев Ю. В. Масленников Ю. В., Примин М. А., Слободчиков В. Ю. и др. Магнитографические системы на основе СКВИД для клинических применений // Биомедицинская радиоэлектроника, 2010, №9.

24. Поясов И. З. Применение метода амплитудной и частотной модуляции кровотока при исследовании сосудистых функций системы кровообращения // Настоящий сборник.

25. Кулыгина Л. А. Радиоэлектронные и биотехнические технологии в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по адаптивной первичной обработке биоэлектрических сигналов // Настоящий сборник.

 

 

Краткие сведения об авторах

 

Гуляев Юрий Васильевич, чл. президиума РАН, академик РАН, профессор, директор Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7, тел. [phone], e-mail [e-mail].

 

Зайченко Кирилл Вадимович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой медицинской радиоэлектроники Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения, 190000, Санкт-Петербург, Большая Морская ул., 6, тел. [phone], e-mail [e-mail]

Author’s data

Gulyaev Yuri Vasilevich,  member. Presidium of the Russian Academy of Sciences, Academician of the Russian Academy of Sciences, Professor, Director of the Kotel’nikov institute of Radio Engineering and Electronics of RAS., 125009, Moscow, ul. Moss, 11, Bldg. 7, tel. [phone], e-mail [e-mail].

 

Zaichenko Kirill Vadimovich, Doctor of Science (Technology), professor, head of the department of medical radioelectronics of St.Petersburg State University of aerospace instrumentation, 190000, St.Petersburg, 67 Bolshaya Morskaya str., tel. [phone], e-mail [e-mail]

 

 

[*](нс) – настоящий сборник

Электрокардиография сверхвысокого разрешения.