Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ систем холтеровского мониторирования для диагностики аритмий сердца 12
1.1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.2 Анализ опасных для жизни аритмий сердца 13
1.3 Преимущества электрокардиографического способа диагностики аритмий сердца
1.3.1 Основные исследуемые параметры ЭКС 17
1.3.2 Холтеровское мониторирование как способ электрокардиографической диагностики аритмий сердца 20
1.4 Современные средства регистрации и анализа ЭКС в условиях свободной активности. Достоинства и недостатки 27
1.4.1 Отечественные средства регистрации и анализа ЭКС 27
1.4.2 Зарубежные средства регистрации и анализа ЭКС 1.5 Сравнительный анализ возможностей известных средств регистрации и анализа ЭКС в условиях двигательной активности 36
1.6 Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. Разработка способа диагностики опасных аритмий сердца в условиях свободной активности 40
2.1 Обоснование подхода к определению опасных аритмий сердца в условиях свободной активности 40
2.2 Разработка способа экспресс-оценки электрической стабильности сердца 42
2.2.1 Особенности реализации средств регистрации электрокардиосигнала и
определения местоположения пациента 45
2.3 Разработка способа предварительной обработки электрокардиосигнала 46
2.3.1 Применение статистических методов для устранения дрейфа изолинии электрокардиосигнала 51
2.3.2 Реализация алгоритма помехоподавления на основе усеченной эмпирической модовой декомпозиции 2.4 Определение опасных аритмий на основании статистической обработки 65
2.5 Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Исследование алгоритмов обработки электрокардиосигнала в условиях свободной активности 73
3.1 Реализация алгоритма помехоподавления на основе усеченной эмпирической модовой декомпозиции 73
3.2 Совершенствование метода скользящей медианы 74
3.3 Исследование алгоритма определения инфаркта миокарда на основе статистической обработки ЭКС 77
3.4 Разработка алгоритма диагностики травматического шока 83
3.5 Реализация способа предоставления данных, относящихся к пациентам медицинского учреждения 87
3.6 Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. Реализация портативной системы диагностики опасных для жизни аритмий сердца 101
4.1 Разработка программного обеспечения кардиоусилителя 101
4.2 Разработка программного обеспечения мобильного устройства 107
4.3 Реализация взаимодействия с сервером КДС «Кардиовид» 117
4.4 Результаты внедрения 119
4.5 Выводы по главе 119
Основные результаты и выводы 121
Список использованных источников
- Основные исследуемые параметры ЭКС
- Разработка способа экспресс-оценки электрической стабильности сердца
- Совершенствование метода скользящей медианы
- Разработка программного обеспечения мобильного устройства
Введение к работе
Актуальность темы. Каждый день в России от заболеваний сердечно-сосудистой системы умирает более двух тысяч человек. По данным отчета Федеральной службы государственной статистики (отчет на 1 июня 2015 г.), за 2014 г. в целом на 100 тысяч человек количество умерших составляет 1309, из них 659,5 – от болезней системы кровообращения. Таким образом, более половины всех смертей приходится на сердечно-сосудистые заболевания. Наиболее опасным заболеванием данного сегмента является инфаркт миокарда (ИМ). Своевременная диагностика заболеваний сердца является одной из наиболее актуальных задач современного здравоохранения.
Одним из направлений диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, которое стало актуальным благодаря бурному техническому прогрессу, является мониторинг состояния сердца в условиях свободной активности (СА). Наиболее распространенным является холтеровский мониторинг электро-кардиосигнала (ХМ ЭКС), осуществляющий регистрацию ЭКС в условиях СА и позволяющий оценить риск опасной для жизни аритмии. Современные технологии сделали возможным разработку миниатюрных носимых устройств регистрации функциональных параметров человека, выполняющих работу в условиях СА. Применение подобных устройств потребовало более глубокого и детального изучения средств и алгоритмов обработки ЭКС. Большой вклад в развитие данного направления и компьютерной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) в целом был внесен научными школами под руководством таких выдающихся ученых, как Л. А. Бокерия, Е. И. Чазов, Л. И. Титомир, В. Н. Орлов, Г. Г. Иванов, Р. М. Баевский, А. В. Струтынский, Ю. И. Неймарк, С. В. Селищев, А. П. Немирко, Э. К. Шахов.
ХМ ЭКС в условиях свободной активности нацелен на применение среди активного населения, расположенного в группе риска возникновения опасных аритмий сердца и среди людей опасных профессий. Под активным населением понимаются люди, не находящиеся на лечении в стационарном медицинском учреждении. Для снижения рисков возникновения опасной для жизни аритмии необходимо совершенствование систем диагностики и обработки ЭКС, в том числе развитие и внедрение портативных систем мониторинга состояния сердца в условиях свободной активности. Своевременно оказанная медицинская помощь имеет решающее значение для сохранения жизни и здоровья пострадавших, снижения инвалидности и летальности.
Повышению эффективности диагностики электрокардиографической информации способствует использование портативных вычислительных устройств, например смартфонов, в процессе мониторинга электрокардиографических показателей сердца.
Таким образом, разработка и совершенствование портативных систем своевременного определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности – актуальная научно-техническая задача.
Объектом исследования является система холтеровского монитори-рования ЭКС в условиях свободной активности.
Предметом исследования являются способы и средства обработки и анализа ЭКС в условиях свободной активности, способы и средства организации информационного взаимодействия в информационно-измерительной системе определения опасных для жизни аритмий.
Целью работы является разработка портативной информационно-измерительной системы мониторинга ЭКС на основе метода Холтера для выявления опасных аритмий сердца в условиях свободной активности.
Задачи исследования:
-
Провести критический анализ существующих систем холтеровско-го мониторинга ЭКС в условиях свободной активности и разработать подход к построению портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности.
-
Разработать способ предварительной обработки ЭКС (помехопо-давления и устранения тренда изолинии) в портативной информационно-измерительной системе мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности на основе холтеровского мониторинга ЭКС.
-
Разработать способ экспресс-оценки состояния сердца в портативной информационно-измерительной системе мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности на основе хол-теровского мониторинга ЭКС.
-
Разработать, экспериментально исследовать и внедрить портативную информационно-измерительную систему мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности на основе холтеровского мониторинга ЭКС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические основы электрокардиографии, методы статистической обработки сигналов, цифровой обработки сигналов, методы построения информационно-измерительных систем.
Научная новизна исследования состоит в следующем: 1. Предложен новый, основанный на принципах своевременности и доступности подход к построению портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности путем автоматической, статистической обработки сортированной выборки отсчётов ЭКС кардиоцикла, позволяющий повысить диагностическую эффективность холтеровского мониторинга ЭКС (Пат. РФ № 2567271).
-
Предложены новые способы помехоподавления и устранения тренда изолинии на основе комплексной предварительной обработки ЭКС, включающие в себя определение информационных участков и статистических параметров ЭКС, адаптивную фильтрацию и формирование оценки помехи и позволяющие привести ЭКС к типичному виду в условиях свободной активности.
-
Предложены новые способы выявления опасных аритмий сердца в условиях свободной активности, основанные на анализе ЭКС (Пат. РФ № 2547783) и на определении статистических параметров выборки результатов за период кардиоцикла, позволяющие с погрешностью 7 % выявить 85 % рисков опасных аритмий сердца.
-
Предложена и разработана портативная информационно-измерительная система мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности, основанная на устройстве регистрации ЭКС в условиях свободной активности (Пат. РФ № 2540528) и на способе доступа к данным пациента медицинского учреждения, отличающаяся автономным и своевременным определением опасных аритмий сердца.
Практическая значимость исследования:
-
Предложенный подход к построению портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности служит основой к построению портативных систем кардиодиагностики нового поколения.
-
Действующий макет портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности повышает в два раза диагностическую эффективность оказываемых медицинских услуг путем своевременного определения опасных аритмий сердца.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный при участии автора работы макет портативной системы кардиодиагностики применяется в образовательном процессе Медицинского института Пензенского государственного университета и проходит апробацию в ГБУЗ «Городская клиническая больница скорой медицинской помощи им. Г. А. Захарьина» г. Пензы.
На защиту выносятся:
1. Новый подход, основанный на принципах своевременности и доступности, к построению портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности за счет автоматической, статистической обработки сортированной выборки отсчётов ЭКС расширяет функциональные возможности и повышает диагностическую эффективность холтеровского мониторинга ЭКС (специальность 05.11.16, пункт 1).
2. Новые способы помехоподавления и устранения тренда изолинии на основе комплексной предварительной обработки ЭКС, включающие в себя определение информационных участков ЭКС и статистических па-
раметров ЭКС, а также адаптивную фильтрацию и формирование оценки помехи, позволяют привести ЭКС к нормальному виду в условиях свободной активности (специальность 05.11.17, пункт 1).
-
Новые способы выявления опасных аритмий сердца в условиях свободной активности, основанные на анализе ЭКС и на статистической обработке сортированной выборки отсчётов ЭКС, позволяют с погрешностью 7 % выявить 85 % рисков опасных аритмий сердца (специальность 05.11.17, пункт 2).
-
Структура портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности, позволяющая реализовать новый подход для определения опасных аритмий сердца, может быть использована для построения средств кардиодиагностики в условиях свободной активности (специальность 05.11.16, пункт 6).
Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Результаты, опубликованные совместно с другими авторами, принадлежат авторам в равных долях. Результаты других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы прошли апробацию на 13 международных и всероссийских научных конференциях, в том числе на Х Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2012); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов ПГУ «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, 2012, 2013, 2014, 2015); на XIV конгрессе Российского общества холтеровского мониторирования и неинвазивной электрофизиологии (РОХМиНЭ) (Иркутск, 2013); на VI Всероссийском конгрессе «Клиническая электрокардиология» (Иркутск, 2013); на III межрегиональном форуме «Инномед» (Пенза, 2013); на региональном молодежном форуме «Открытые инновации – вклад молодежи в развитие региона» (Пенза, 2013); на XI Международном конгрессе «Кардиостим» (Санкт-Петербург, 2014); на VII Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2015» (Пенза, 2015); на IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные и управленческие технологии в медицине и экологии» (Пенза, 2015); на XII Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2015).
Публикации. Основные положения работы представлены в 17 публикациях, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патентах РФ, 10 статьях и тезисах докладов в других изданиях.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы со-
ставляет 144 страницы, работа содержит 60 рисунков, 7 таблиц, список литературы, включающий 90 наименований. В приложениях представлены:
-
фрагменты исходных кодов приложений;
-
документы о внедрении результатов диссертационной работы.
Основные исследуемые параметры ЭКС
В современном определении внезапная сердечная смерть – это ненасильственная смерть вследствие сердечной патологии, когда остановка кровообращения развивается в течение часа от момента манифестации острых симптомов и ей предшествует внезапная потеря сознания. ВСС – частый (до 50 %) исход различных заболеваний сердечно-сосудистой системы. Среди нозологических причин возникновения ВСС 75 – 80 % приходится на ИБС, 5 – 10 % на дилатационную кардиомиопатию и около 5 – 10 % занимают другие заболевания сердца [28]. В большинстве случаев ВСС развивается на фоне ишемии миокарда, являющейся триггером развития фатального нарушения ритма в виде фибрилляции желудочков.
Стоит отметить, что пациенты, пережившие ИМ, имеют наиболее высокий риск наступления ВСС, при этом ее наступление представляется наиболее вероятной в первый год после инфаркта [12]. Для больных после ИМ применяют ХМ с целью выделения пациентов с высоким риском развития аритмического осложнения (и дальнейшего устранения или уменьшения данных осложнений путем определенного воздействия). Как правило, ХМ проводится в течение 2 суток перед выпиской больного из стационара. Проведенные исследования показывают, что 4-часовое ХМ предоставляет столько же сведений, что и 24-часовой мониторинг [7]. Во многих случаях ХМ выполняют как минимум через 6 суток и примерно через 10 суток после острого ИМ.
Принято выделять основные и второстепенные факторы риска ВСС. Наличие клинических признаков основных факторов риска позволяют относить больного к категории высокого или умеренного риска ВСС в течение одного календарного года. При этом вероятностный риск наступления ВСС способен достигать значений в 20-50 % или в 5 – 15 % соответственно. Основными факторами риска являются: эпизод сердечного ареста в анамнезе и/или гемодинамически значимая устойчивая ЖТ, указания в анамнезе на перенесенный ИМ, эпизоды синкопе, систолическая дисфункция, выявленная при проведении инструментального обследования и сопровождающаяся снижением фракции выброса левого желудочка менее 40 %, ЖЭ и/или эпизоды неустойчивой ЖТ. Если у больного присутствуют основные факторы риска, то имеется высокая или умеренная вероятность повторения опасных желудочковых нарушений ритма с формированием острой сердечной недостаточности, а в результате – ВСС.
К второстепенным факторам риска относят клинические признаки, присутствие которых позволяет определять риск ВСС выше среднего уровня. К ним обычно относят гипертрофию миокарда левого желудочка, артериальную гипертензию, гиперлипидемию, сахарный диабет, курение, избыточный вес, увеличение ЧСС и другие признаки [20].
Для прогнозирования развития ВСС выполняют анализ изменений на ЭКГ. Имеется взаимосвязь депрессии сегмента ST, изменений волны и высокого риска развития сердечно-сосудистой смерти. Увеличение значения интервала QT или его дисперсии существенно для прогнозирования развития ВСС. Анализ проведенных учеными исследований показал, что увеличение значения интервала QT также может быть из-за структурной патологии сердца.
Электрокардиография – это метод изучения биоэлектрических потенциалов, генерируемых мышцей сердца [59]. Электрокардиография была и остается одним из основных неинвазивных методов исследования и диагностики заболеваний сердца. Электрокардиографии посвящены работы многих ученых (М.И. Кечкер, В.Н. Орлов, А.В. Струтынский и др.). Классическими работами по электрокардиографии считаются труды [35, 50, 81]. В основе метода лежит понимание того, что биотоки сердца имеют распределение по поверхности тела и существует возможность их регистрации, усиления и дальнейшей записи в виде характерной кривой – ЭКГ. При этом к современным кардиографам применяют дополнительные требования по возможностям шумоподавления и фильтрации [79]. В 1906 г. нидерландский ученый В. Эйнтховен (W. Einthoven) опубликовал статью «Телекардиограмма» [8], в которой привел описание метода записи электрокардиограммы и впервые показал, что ЭКГ различных форм сердечных заболеваний имеют характерные различия. Эйнтховен в своих работах впервые ввел обозначения зубцов ЭКГ, используя взятые подряд буквы латинского алфавита: P, Q, R, S, T, U [81]. ЭКГ есть ни что иное, как графическое отображение электрофизиологических процессов, происходящих в миокарде.
Сердце возбуждается под воздействием электрических импульсов, генерируемые собственным водителем ритма [35]. Анатомически данный водитель ритма сердца находится в правом предсердии, между устьями полых вен, то есть в синусовом узле. Именно поэтому возбуждающий импульс, исходящий из него, называется синусовым импульсом (см. рисунок 2).
Импульсы, которые возникают в синусовом узле в результате его спонтанной деполяризации, приводят к возбуждению и сокращению всего сердца. Вокруг сердца создается изменяемое во времени электрическое поле благодаря электрической активности клеток миокарда. Электроды, располагаемые на коже человека, ресгистрируют изменения этого поля и передают их на электрокардиограф. В этом заключается суть кардиографии. Структура нормального электрокардиосигнала с принятыми обозначениями приведена на рисунке 3. Рисунок 3 – Структура электрокардиосигнала Электрический импульс возбуждения возникает в синусовом узле (на ЭКГ не регистрируется), распространяется по предсердиям (на ЭКГ регистрируется зубец P) и проходит по атриовентрикулярному (АВ) узлу (см. рисунок 3). В АВ-узле происходит физиологическое замедление импульса. В связи с этим на ЭКГ сегмент PQ (участок между зубцами P и Q) представлен прямой линией, называемой изоэлектрической (изолинией). Далее электрический импульс достигает проводящих путей желудочков, представленных системой пучка Гиса и волокнами Пуркинье и приводит в возбеждение миокард желудочков (см. рисунок 2). Приведенный процесс отображается формированием желудочкового QRS-комплекса (см. рисунок 3). Охватив возбуждением желудочки, электрический импульс возбуждения угасает. Происходящие в этот момент процессы реполяризации отражаются на ЭКГ сегментом ST и зубцом T [71].
В момент регистрации ЭКС необходимо придерживаться определенных правил [57]. Существует несколько традиционно общепринятых способов регистрации ЭКС. Для нужд функциональной диагностики обязательным способом регистрации является запись ЭКГ в 12 отведениях.
Отведение представляет собой разность потенциалов между двумя электродами, закрепленными на теле пациента (на его поверхности). При регистрации ЭКГ в стандартных отведениях наложение электродов выполняется в следующем порядке: I – левая и правая руки, II – правая рука и левая нога, III – левые рука и нога. При этом в усиленных отведениях имеет место следующее расположение активного электрода: на правой руке для отведения aVR (R – right), на левой руке для отведения aVL (L – left), на левой ноге для отведения aVF (F – foot). Для грудных отведений V1 – V6 один из электродов представляет собой точку на поверхности грудной клетки, а другой – общий для всех конечностей электрод [35].
Разработка способа экспресс-оценки электрической стабильности сердца
Регистрация местоположения пациента осуществляется посредством программно-аппаратных средств мобильного вычислительного устройства. Следует отметить, что в качестве устройства обработки информации в предлагаемом способе рассматривается мобильное вычислительное устройство, например, планшет, коммуникатор или смартфон. По мнению автора, эти устройства являются полными аналогами персонального компьютера с точки зрения функциональных возможностей в рамках рассматриваемой области применения прототипа. Под обработкой информации понимается получение ЭКС с устройства регистрации, его отображение на устройстве вывода (мониторе), а также прием и передача информации на сервер приложений посредством Интернета. Таким образом, замена персонального компьютера мобильным вычислительным устройством в предполагаемом изобретении не искажает смысл прототипа.
При регистрации местоположения текущие координаты местоположения контролируемого пациента из группы риска загружаются в мобильное вычислительное устройство и передаются в больницу скорой помощи в случае обнаружения опасной для жизни аритмии сердца.
Зарегистрированный в условиях свободной активности ЭКС в подавляющем большинстве случаев содержит помехи различного характера. Данные помехи образуются в результате движения пациента, его дыхания, неплотного крепления электродов и др. Поэтому автором предлагается ввод дополнительного этапа предварительной обработки зарегистрированного ЭКС. Предварительная обработка заключается в удалении из ЭКС помех, возникающих при регистрации ЭКС в условиях свободной активности. Помехи искажают полученную информацию, и, следовательно, снижают достоверность результатов экспресс-оценки опасных для жизни аритмий сердца. Более подробно этап устранения помех из ЭКС описан в параграфе 2.2. Анализ параметров зарегистрированного ЭКС позволяет зафиксировать нарушения ритма. Анализ параметров зарегистрированного ЭКС позволяет зафиксировать нарушения ритма, нарушения проведения, нарушения электрической оси сердца, эктопические и замещающие сокращения, повреждения миокарда, электролитные нарушения [48]. Широкий спектр заболеваний сердца приведен в МКБ-10 [54].
Одним из важнейших требований к системам электрокардиодиагностики, работающих в условиях двигательной активности, является обеспечение приемлемого качества электрокардиосигналов для их автоматической интерпретации. Извлечение диагностической информации из ЭКС представляет серьезную научную проблему, связанную с различными особенностями их происхождения, преобразования (на пути от сердца до регистратора) и регистрации. ЭКС – это ни что иное, как нестационарные структурированные сигналы с периодично повторяющимися информативными участками. Наличие или отсутствие опасных аритмий и прочих патологий оценивается в электрокардиографии именно по признакам, сосредоточенным на этих участках. Поведение информативных участков ЭКС изменчиво и не всегда предсказуемо. Кроме того, при выполнении регистрации ЭКС представляет собой не чистый сигнал, а смесь полезного сигнала с помехами различного рода и происхождения, которые при регистрации в условиях свободной активности пациентов проявляются особенно сильно.
Принципиальной особенностью разработки систем электрокардиодиагностики является тот факт, что при регистрации и обработке ЭКС нет полного объема априорных сведений о свойствах сигналов и помех, то есть, имеет место априорная неопределенность сигнально-помеховой обстановки (СПО). Такая неопределенность обусловлена нестационарным поведением полезного сигнала и помех. Обработка ЭКС в мобильных устройствах накладывает свои ограничения на применяемые алгоритмы. Это связано в первую очередь с производительностью процессоров ARM-архитектуры, применяющихся в большинстве современных мобильных устройств. ARM-процессоры, которые имеют низкое энергопотребление, что и привело к их популярности на рынке мобильных устройств, предполагают более низкое быстродействие выполнения операций по сравнению с процессорами, применяемыми в настольных ПК. Следовательно, алгоритмы, применяемые для обработки ЭКС в мобильных устройствах должны обладать невысокой сложностью, обеспечивающей работу ARM-процессора в реальном времени.
Традиционно, помехи в электрокардиографии делят на следующие виды: шум, вызванный деятельностью отдельных групп мышц; высокочастотные помехи электродов и усилителей; наводки промышленной сети; помехи, возникающие при движении и связанные с деформацией кожи под электродами и изменением значения кожного потенциала; дрейф изолинии. Дрейф изолинии – это низкочастотные помехи, связанные с целым рядом факторов: поляризацией электродов, влиянием дыхания человека, изменением кожно-электродных потенциалов и межэлектродного импеданса. Некоторые виды помех могут возникать одновременно и независимо друг от друга искажать ЭКС. В любом случае, результирующая помеха имеет априорно неизвестный, случайный спектр частот, который перекрывается со спектром полезного сигнала. Именно поэтому устранение помех без искажения полезного сигнала представляет собой серьезную проблему.
Рассмотрим более подробно данную проблему и приведем пути ее решения. В работах [4, 19, 83] проанализированы перспективы использования нелинейных фильтров для выполнения помехоустойчивой обработки ЭКС. Кроме того, в последние время появляются труды, которые имеют непосредственное отношение к уточнению моделей помех с использованием негауссовских распределений, а также разработке методов устранения аномальных отсчетов и импульсных помех [70].
Совершенствование метода скользящей медианы
Полные результаты исследования приведены в таблице 3.1.Выполненный анализ показал, что при отклонении ЭКС от нормы происходит изменение значений статистических параметров.
Параметры приведенного на рисунке 32 эталонного кардиоцикла указаны в таблице 3.1 под номером 1. Таким образом, анализ таблицы 3.1 показывает, что для определения наличия опасных для жизни аритмий сердца (в таблице 3.1 результаты анализов для данных кардиосигналов приведены в последних 9 записях) не всегда достаточно двух или трех статистических показателей. Например, на анализируемом ЭКГ с признаками ИМ (смещение сегмента ST выше изолинии, таблица 3.1, запись 21), коэффициент энтропии и контрэксцесс находятся в пределах допустимых границ, но другие коэффициенты (например, асимметрия) имеют отклонение выше разрешенного. Поэтому для определения опасных для жизни аритмий сердца необходимо выполнять анализ всех приведенных статистических показателей. Таблица Для исследования данного способа были обработаны 100 ЭКС из базы данных PhysioNet и РОХМиНЭ с наличием признаков отклонения от нормы и присутствием опасных для жизни аритмий сердца. Результаты эксперимента показали, что при наличии опасных для жизни патологий сердца примерно в 85 случаях фиксируется отклонение статистических показателей. Здесь необходимо отметить, что на результаты значительное влияние оказывает выраженность патологии (например, сильно выражены признаки ИМ или нет). 3.4 Разработка алгоритма диагностики травматического шока В рамках этапа анализа опасных для жизни аритмий сердца в условиях свободной активности автором предложена диагностика травматического шока. Как правило, диагностика травматического шока выполняется при визуальном осмотре больного, однако в условиях, когда рядом отсутствует высококвалифицированный медицинский персонал, выполнение данной операции затруднительно. Поэтому выполнение экспресс-оценки в подобной ситуации может оказаться очень полезным.
Главным показателями для диагностики обычно служат ЭКГ, параметры гемодинамики, и артериальное давление. Выполняют диагностику травматического шока, в основном, либо с использованием метода Вейля, либо по наблюдению изменений гемодинамики в совокупности с ЭКГ. Для измерения артериального давления можно использовать суточные мониторы давления, либо использовать метод для косвенного определения параметров гемодинамики и определения давления через ЭКГ [76]. Другим вариантом определения основных параметров центральной гемодинамики в условиях свободной двигательной активности является метод совместной регистрации реограммы и ЭКГ [66]
Автором предлагается алгоритм Так как устройство регистрации ЭКС представляет собой индивидуальное устройство (то есть устройство, которое не использует взаимодействие с другими, подобными, устройствами), то нет необходимости создавать организацию сеть устройств, хотя такая возможность лежит в основе протокола Bluetooth. В предлагаемом варианте устройство регистрации будет выступать в роли Slave, а смартфон в роли Master. При этом Bluetooth-модуль устройства регистрации ЭКС выступает в качестве сервера, предоставляющего доступ к атрибутам, а роль клиента отводится смартфону.
Взаимодействие между устройствами выполняется следующим образом. Bluetooth-модуль, расположенный в устройстве регистрации ЭКС, переходит в режим объявления (Advertisement). После этого он становится доступным другим устройствам для обнаружения. Bluetooth-модуль мобильного устройства обнаруживает устройство регистрации и сохраняет информацию о нем. Владелец смартфона при старте выполнения анализа опасных аритмий сердца либо соединяется с устройством регистрации, если оно уже обнаружено, либо перед соединением осуществляет поиск устройства и соединяется после его обнаружения. В процессе регистрации ЭКС приложение в мобильном устройстве периодически выполняет опрос сервера, и, если обнаруживает, что доступна новая информация, отправляет соответствующий запрос и считывает новые данные из таблицы атрибутов сервера. Эти операции осуществляются посредством набора специальных служб, или сервисов, на которых основана реализация протокола Bluetooth 4.0 [39, 43, 44].
Программное обеспечение устройства регистрации ЭКС, реализованное для управления беспроводной передачей информации, напрямую использует только верхние уровни стека протокола Bluetooth 4.0.
Разработанный во второй главе подход к оценке риска опасных для жизни аритмий может служить основой для построения портативной системы мониторинга состояния сердца в условиях свободной активности и осуществлять следующие функции: - автоматическое, без участия врача, определение риска опасных для жизни аритмий; - вызов бригады скорой помощи к местоположению пациента в случае определение риска опасных для жизни аритмий; - ввод и редактирование данных о пациенте с объединением данных из историй болезни различных лечебных учреждений; - освобождение врача от рутинной бумажной работы за счет использования возможностей компьютера по обработке информации для автоматизированного составления выписок, заключений и т.д.; - обеспечение оперативного получения и обработки информации; - автоматизированное формирование отчетов и централизованное ведение нормативно-справочной информации; создание единого информационного пространства, обеспечивающего централизованное обслуживание, хранение, корректировку и анализ информации.
На рисунке 50 представлена структурная схема портативной системы мониторинга состояния сердца в условиях свободной активности. Разработанная портативная система мониторинга состояния сердца в условиях свободной активности является частью компьютерной диагностической системы (КДС) «Кардиовид». активности 108
Разработанное мобильное приложение КДС «Кардиовид» позволяет реализовать алгоритм анализа опасных аритмий сердца в условиях свободной активности (см. рисунок 15). Приведем краткое описание модулей приложения. 1) Модуль взаимодействия с устройством регистрации ЭКС на основе разработанного и реализованного протокола взаимодействия осуществляет управляемый обмен данными с беспроводным кардиоусилителем. Взаимодействие по протоколу Bluetooth 4.0 выполняется с применением системного функционала. Полученные от устройства данные преобразуются в данном модуле в формат представления ЭКС и передаются в устройство управления для дальнейшей обработки. 2) Модуль обработки ЭКС содержит реализацию алгоритмов устранения помех из сигнала, а также алгоритмы определения опасных аритмий сердца. Зарегистрированный ЭКС содержит помехи различного характера и происхождения. В данном модуле происходит комплексная обработка сигнала, на выходе из него предполагается, что ЭКС не содержит серьезных искажений. 3) Модуль взаимодействия с сервером приложений отвечает за передачу информации на сервер системы КДС «Кардиовид». Взаимодействие осуществляется по протоколу SOAP (Simple Object Access Protocol). Выбор данного протокола обусловлен особенностью реализации сервера КДС «Кардиовид». При взаимодействии с сервером согласно ФЗ №152-ФЗ «О персональных данных» необходимо обеспечить криптографическую защиту передаваемых данных [85]. Предлагаемая автором реализация предоставляет возможность использования средств шифрования данных посредством применения протокола SOAP поверх HTTPS, но в данной работе этот вопрос не рассматривается. 4) Модуль визуализации представляет собой реализацию компонентов графического интерфейса (основное окно приложения, диалоговые окна для взаимодействия с пользователем и пр.). 5) Модуль управления содержит весь функционал логики выполнения операций обработки ЭКС, начиная от управления взаимодействия с устройством 109 регистрации и заканчивая выводом сообщения пользователю о наличии у него опасной аритмии сердца. При этом сама логика управления вызывается из интерфейса пользователя. 6) Зарегистрированные ЭКС сохраняются в базе данных под управлением SQLite. SQLite – это встраиваемая реляционная база данных, применяемая в современных мобильных операционных системах [60]. Благодаря простоте использования в приложениях и высокой скорости выполнения запросов SQLite является на данный момент лидером среди СУБД для мобильных приложений. В БД разработанного приложения сохраняется информация зарегистрированного ЭКС, дата и время регистрации, результаты анализа, параметры анализа и некоторая другая информация, необходимая при передачи данных на сервер КДС «Кардиовид».
Мобильное приложение КДС «Кардиовид» реализовано в двух вариантах. Первый вариант исполнения выполнен с использованием среды разработки Eclipse и языка программирования Java и предназначен для использования в OC Android с версией не ниже 4.4.2. Для взаимодействия мобильного приложения КДС «Кардиовид» с сервером МИС автором разработан алгоритм, соответствующий рассмотренному способу представления данных, относящихся к пациентам медицинского учреждения.
Общий вид данного приложения приведен на рисунке 51. На нем изображен вид приложения сразу после его запуска. При нажатии пользователем кнопки «Поиск устройств» выполняется поиск кардиоанализатора в зоне доступа сети Bluetooth 4.0. Информация о регистрационном номере (регистрационный номер и ID Bluetooth-устройства совпадают) кардиоанализатора указывается при первом запуске приложения и доступна для изменения в пункте меню «Настройки» (Меню «Настройки» вызывается при нажатии левой кнопки мобильного устройства).
определения наличия травматического шока в условиях свободной активности, основанный на анализе ЭКС. Суть предлагаемого алгоритма определения травматического шока в условиях свободной активности на основе анализа ЭКС заключается в косвенной оценке основных параметров гемодинамики через параметры кардиосигнала [75]. Схема предлагаемого алгоритма диагностики травматического шока в условиях свободной активности на основе анализа ЭКС приведена на рисунке 40.
В основе диагностики травматического шока лежит классификация степени травматического шока по Вейлю [30]. Для классификации степени травматического шока по Вейлю требуется два параметра: ЧСС и АД. По значениям АД и ЧСС выполняется определения наличия травматического шока по следующему критерию: АД 100 и ЧСС 100. Если полученные результаты удовлетворяют данному условию, то определяется степень тяжести травматического шока по классификации Вейля [30]: I степень (легкая) - когда АД = 100, а ЧСС 100 II степень (средняя) - когда АД 100, а ЧСС 110-120 III степень (тяжелая) - когда АД 60, а ЧСС 120.
Определение ЧСС по данным ЭКГ не является сложной процедурой. ЧСС определяется по RR интервалам ЧССпредшг = [tm 60J +0.5 (уд/мин) (16) где [ґдк-60] используется для обозначения ближайшего целого, не превосходящего tm60. Так как длительность .интервала R-R ЭКС определяется с погрешностью ±0,001 секунда, то определение значения ЧСС по выражению (16) будет более точным, чем при использовании ручного выделения кардиоциклов в методе фотоплетизмографии. Для определения АД предлагается получать основные параметры гемодинамики через информацию из ЭКГ и основываясь на известных данных о некоторых параметрах человека косвенно определять значение АД. Определение основных показателей гемодинамики происходит по следующим формулам (13-17) [76]: Конечный диастолический размер (КДР) определяется по формуле: КДР = (44,5-100 RS)-(tQR +tRS)-11 -;и,(см) (17) где 1» - время от начала зубца Q до вершины зубца R при отсутствии блокады левой ножки пучка Гиса, а при наличии блокады левой ножки пучка Гиса - до вершины зубца R до конца зубца S - при отсутствии блокад ножек пучка Гиса, а t при блокаде левой ножпервой вершины раздвоенного зубца R(R1), то есть 1& = 1» , с.; - время от ки пучка Гиса вместо RS- разность временных интервалов от первой вершины раздвоенного зубца R до конца зубца S (R1 S) и от первой вершины раздвоенного зубца R до его второй вершины (R1R2 ), то есть IRS = IRS, " s,S2,c.;
Разработка программного обеспечения мобильного устройства
При обнаружении опасных для жизни аритмий сердца необходима более глубокая диагностика по ЭКГ состояния больного. Данную диагностику вправе выполнять только высококвалифицированный медицинский персонал (например, врач-кардиолог). Для этого необходима передача зарегистрированного ЭКС с потенциально обнаруженной опасной для жизни аритмии на сервер КДС «Кардиовид» (откуда соответственно выполняется передача информации на рабочее место кардиолога или другого лечащего врача).
В аспекте взаимодействия с сервером КДС «Кардиовид» имеется ряд особенностей, которые требуют более детальной проработки алгоритма передачи сведений с мобильного устройства на данный сервер.
Во-первых, при взаимодействии с сервером существует потенциальная проблема, связанная с передачей необходимой информации с мобильного устройства в условиях низкого качества Интернет-соединения. При таком развитии сценария взаимодействия необходимо в первую очередь передавать на сервер минимально возможный анализа набор данных, которых будет достаточно врачу для выполнения анализа. В такой набор в данном случае входит ЭКС, в котором обнаружены отклонения от нормы, сведения о результатах анализа (набор статистических показателей) для определения типа отклонения и информации о владельце устройства, ЭКС которого и подвергается детальному исследованию. Данный набор соответствует предложенному автором способом доступа к медицинской информации, рассмотренному в 3.5.
С другой стороны, передача ЭКС-сведений на сервер осуществляется только при обнаружении приложением опасных для жизни аритмий. Соответственно, на сервере на момент начала взаимодействия с устройством имеется (либо отсутствует вообще в случае, если взаимодействие с сервером никогда не выполнялось) только информация о последнем обнаруженном отклонении от нормы. Но врачу при выполнении анализа могут потребоваться ЭКС, полученные в результате ранее проведенных исследованиях. Поэтому необходимо также организовать передачу сведений о ранее проведенных анализах на сервер КДС «Кардиовид». Эти сведения позволят поставить еще до приезда скорой более точный диагноз больному в случае подтверждения обнаружения опасной для жизни аритмии. Соответственно, бригада медицинского персонала скорой помощи уже на момент прибытия может быть осведомлена о состоянии больного, следовательно, существенно сокращается время для оказания помощи.
Как правило, этап передачи коллекции ЭКС с мобильного устройства на сервер является длительной процедурой, и передача сведений также может затянуться на длительное время. Поэтому приложением выполняется передача данных в обратном порядке, то есть вперед отправляются на сервер последние по времени ЭКС.
Примечание. На приведенной на рисунке 60 диаграмме присутствует действие «Получить сведения о предпоследнем анализе». Оно описывает получение информации о предыдущем анализе ЭКС. Поскольку предыдущим действием были получены сведения об последнем переданном на сервер ЭКС, то на данном этапе приложение располагает всей необходимой информацией для того, чтобы определить, выполнялся ли анализ после последнего этапа передачи данных на сервер.
Действующий макет портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности расширяет функциональные возможности холтеровского мониторинга ЭКС, применяется в образовательном процессе Медицинского института Пензенского государственного университета и проходит апробацию в городской больнице скорой медицинской помощи им. Г.А. Захарьина г. Пензы. Разработка устройства была осуществлена в рамках НИОКР №11520р/20963 «Разработка и исследование программных продуктов для мобильных устройств контроля и коррекции состояния здоровья» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Факты внедрения подтверждены соответствующими документами, приведенными в Приложении В. В результате выполненной в главе работы: 119 - разработано программное обеспечение для устройства регистрации ЭКС, позволяющее выполнять беспроводную передачу данных между устройством и смартфоном; - разработано программное обеспечение для мобильного приложения, предназначенное для получения сигнала с устройства регистрации ЭКС, выполнения его предварительной обработки, диагностики опасных для жизни аритмий сердца, оповещения пациента о результатах диагностики и передачи данных на сервер приложений.
Разработанный макет портативной информационно-измерительной системы мониторинга для определения опасных аритмий сердца в условиях свободной активности позволяет расширить функциональные возможности холтеровского мониторинга ЭКС.