Т. А. Ракчеева
Інститут проблем передачі інформації РАН, Москва
Журнал "Медична техніка" N 2, 1995 C.9-16
Автоматична діагностика порушень ритму серцевої

діяльності є традиційною завданням медичної
кібернетики. До теперішнього часу в цій області накопичений значний досвід, який свідчить, зокрема, про неспроможність на сьогоднішній день спроб повної автоматизації діагностики ритму серця. Рішення задачі базується в основному на лікарському досвіді, з одного боку, і на статистичній обробці з іншого. Однак, як відомо, лікарський досвід далекий від необхідної формалізації, точніше, формалізації піддається деяка частина стійких знань, що розділяються більшістю фахівців, у той час як інша частина лікарського досвіду носить нечіткий і суб'єктивний характер, що часто невіддільний від самого
фахівця. Статистичний же підхід має надто абстрактний характер, мало враховуючи специфіку завдання. Тому більшість існуючих автоматизованих систем або не володіє достатнім ступенем переконливості, або є малоефективними, охоплюючи лише невелике коло патологій.
У своїй професійній діяльності фахівець завжди випереджає можливості автоматичної системи, тому доцільним представляється створення напівавтоматичних систем, що передбачають участь фахівця у прийнятті рішення. Основу автоматичної обробки повинні складати знання, які піддаються загальноприйнятій формалізації, а що утворюється при цьому обмеженість кола діагностуються патологій можна компенсувати деяким образним поданням оброблюваних даних, що полегшує уточнення діагнозу фахівцеві, що взаємодіє з ЕОМ в інтерактивному режимі. Така тенденція спостерігається в різних
областях наукової діяльності [1, 2, 4, 6].
Образне уявлення ритмічної структури ЕКГ є особливо актуальним через великий обсяг оброблюваної
інформації, який важко повністю охопити. У зв'язку з цим давно робляться спроби подібного подання. Прикладом такого підходу можуть служити широко відомі ритмограми:
інтервалограмми, скаттерграмми, спектрограми та інші, однак вони не враховують ритму передсердь і носять скоріше статистичний характер, що ускладнює їх детальну інтерпретацію (3, 5].
У даній роботі запропоновано ряд способів образного аналізу ритму ЕКГ. Основним елементом будь-якого аналізу ритмічної структури ЕКГ є зіставлення між собою різних імпульсів, циклів, фрагментів. Бажання використовувати графічні можливості комп'ютера для більш ефективного здійснення подібних операцій лягло в основу пропонованого нижче комплексу моделей образного аналізу ритму серця, які називаються в даній роботі також
ритмограми. Даний підхід орієнтований на виявлення періодичних властивостей ЕКГ і характеру взаємодії імпульсів Р і R. Запропоновані методи реалізовані у вигляді програмної системи для ЕОМ IBM РС, за допомогою якої одержано наведений у роботі ілюстративний матеріал. Вхідний інформацією системи може служити як сама вихідна електрокардіограма, так і різні її характеристики, головним чином моменти реєстрації імпульсів і тимчасові співвідношення, що зв'язують ці імпульси.
При розгляді запропонованих ритмограми зручно мати на увазі

поряд з реальною і деяку умовну ЕКГ, яка містить лише інформацію про ритмічній структурі ЕКГ, зображення якої представимо у вигляді тимчасової осі з зазначеними на ній моментами появи імпульсів Р і R (на екрані дисплея для цього може бути використана колірна чи інша символіка). Наведені малюнки зроблені з екрана кольорового дисплея, у зв'язку з чим втрачена колірна інформація частково заповнена позначеннями різних
символів.
Один з можливих способів просторового подання ЕКГ з метою аналізу ритму полягає в тому, щоб "повернути" її в кільце певного діаметру або, щоб уникнути втрати інформації в плоску спіраль з невеликим кроком по радіусу. Таке подання може бути використано як для умовною, так і для реальної ЕКГ. Якщо при цьому вибрати початковий радіус звернення спіралі
досить велика, а крок досить малим, то збільшенням довжини витка можна знехтувати, вважаючи всі витки спіралі однакової довжини. У такому випадку ритмічно правильна ЕКГ буде представлена спіраллю з розташуванням однойменних зубців по своїх радіусів, у той час як патологічна ЕКГ буде мати позиції зубців, розподілені по довжині спіралі з тією чи іншою регулярністю вже другий по відношенню до циклів ЕКГ рівня (рис. 1) .
На рис. 1, а наведена ритмограми ЕКГ, нормальний ритм якої час від часу порушується; екстрасистолія, що визначає характер цих порушень, проявляється на такий ритмограми у формі, легко інтерпретується фахівцем. Жирною лінією на спіралі виділені інтервали Р - R; променями відзначені діапазони розкиду параметрів ЕКГ, не виводять її за межі норми. У верхній частині екрана для цієї та інших ритмограми зображується у зменшеному масштабі рухається вихідна ЕКГ (у даному випадку модельна,
генерується імітатором ритмічних патологій).
Спіральна ритмограми є керованою. Змінюючи за бажанням оператора радіус спіралі, можна настроювати ритмограми на певний цикл даної ЕКГ. Така установка призначена для визначення періоду основного ритму з можливою переорієнтацією на будь-який з двох - передсердних або шлуночковий - ритмів з метою одержання більш наочного представлення. На рис. 1, б, в
представлені приклади спіральної ритмограми з налаштуванням на різні значення циклової періодики ЕКГ. З-за неправильного вибору параметра настройки, орієнтованого на перший цикл, ритмограми, наведена на рис. 1, б, ніякої закономірності не виявляє. Правильна ж настройка ритмограми для тієї ж ЕКГ виявляє характер її ритмічної структури, що складається в даному випадку в накладенні двох порушень: тахікардії і наявності вислизають імпульсів (див. рис. 1, в).
Підкреслимо ще раз, що галактика ритмограми може працювати не тільки з умовною, але і з реальною ЕКГ. При цьому значення потенціалу ЕКГ квантів і зображуються різними кольорами чи різними градаціями яскравості при використанні чорно-білого дисплея. У цьому випадку не потрібно рішення складної задачі ідентифікації зубців.
Таким чином, спіральна ритмограми націлена на відділення діагностично неінформативно природної циклічності, виявляючи характер відхилення від неї. Разом з тим самі ці відхилення можуть формувати періодичність більш високих рівнів, пов'язаних з повторюваністю груп циклів повністю або за окремими характеристиками. У цьому випадку спіральну ритмограми можна налаштувати на таку групу циклів, здійснюючи тим самим пошук макроперіода ЕКГ (подібність ритмічних малюнків великих фрагментів ЕКГ), значення якого саме по собі є одним з основних діагностичних параметрів.
Наступна ритмограми (віялова, рис. 2), також заснована на круговій розгортці, спеціально орієнтована на вирішення такого завдання. Паралельно з дослідженням тимчасової послідовності відліків ЕКГ ця ритмограми викреслює віялоподібно петлі (пелюстки), що виходять з деякого центру і що повертаються в цей
центр. Величина пелюстки відповідає Вашому міжпередсердної інтервалу Р - Р. Імпульси шлуночків, розташовані між двома імпульсами передсердь, породжують свої петлі Р - R всередині петлі Р Р. Кількість петель Р - Р, що розгортаються віялом на кутовому інтервалі (0,2), визначається параметром внутрішньої макроперіодікі ЕКГ.
Всі цикли ідеально нормальної ЕКГ в віялової ритмограми повторюють один одного і для всіх циклів ритмограми проходить по траєкторії першого циклу, тому параметр періодики в даному випадку може бути будь-яким, досить одиничного. У разі
патологічної ЕКГ, що відповідає, наприклад, регулярної
екстрасістологіі, де в кожному третьому циклі з'являється
додатковий імпульс R, ритмограми складається з трьох пелюсток (К = 3), дві з яких відносяться до нормальних циклів, а третій - до патологічного, що містить зайву петлю Р - R.
Управління віялової ритмограми полягає в маніпулюванні параметром періодики К, що означає перебудову її на різне число пелюстків розгортки. Як приклад можна привести ЕКГ з порушеннями у вигляді неповної атріовентрикулярної блокади, яка полягає у тому, що періодично протягом декількох циклів інтервал Р - R збільшується, поки не зникне зовсім. У даному випадку цей макроперіод складається з п'яти циклів, тому настроювання на будь-яку періодику, не кратну п'яти, дає зміщення траєкторії від обороту до обороту (див. рис. 2, а) і лише при правильному підборі після одного обороту розгортки пелюсток на площині траєкторія < br /> стабілізується (див. рис. 2, б).
Влаштована описаним способом віялова ритмограми інформаційно еквівалентна такий інтервалограмме, де образотворчими елементами, що характеризують окремі цикли, є відрізки, рівні за величиною відповідним інтервалам Р - Р і Р - R. Однак безпосередньо таке подання було б недостатньо наочним, так як необхідність зобразити на одному відрізку інтервалу Р - Р ще в загальному випадку кілька інтервалів Р - R призводило б до злиття цих відміток при накладенні циклів один на одного.
Періодична структура ЕКГ може бути складною, внаслідок чого для її дослідження може знадобитися багаторівневий ієрархічний аналіз, в якому визначення макроперіода відбувається на верхньому рівні. Таку схему реалізує описувана нижче матрична ритмограми (рис. 3).
Ця ритмограми на відміну від інших побудована на інтегральних характеристики циклу. Кожен цикл аналізується з ряду довільно задаються ознак і класифікується за двома (можливо, і більше) градаціях: "норма" або "не норма". Образне уявлення ЕКГ в даному випадку полягає в тому, що кожному циклу відповідає лише певну частину площині (наприклад, квадрат), що дозволяє вибудовувати їх у вигляді прямокутної матриці, яка містить рядки і стовпці. На екрані кольорового дисплея стандартний цикл ЕКГ зображується на ритмограми квадратом одного кольору, а патологічний - квадратом іншого кольору.
У загальному випадку ЕКГ буде представлена на екрані прямокутної мозаїкою, складеною з різнокольорових квадратів, причому структура розташування квадратів одного кольору вийде регулярної або хаотичної, як, наприклад, на рис. 3, а. Змінюючи модуль, можна перетворити матрицю таким чином, щоб квадрати одного кольору вишикувалися в якусь регулярну структуру, виявляючи її періодику.
На цій стадії ієрархічного аналізу нічого більшого про аналізованої ЕКГ сказати не можна. На наступному рівні матричної ритмограми кожен квадрат, що відповідає одному циклу, у свою чергу містить аналогічне відображення станів ряду ознак даного циклу. В результаті переходу на другий рівень матрична мозаїка виявляється складеною з тих же квадратів, але які мають власну структуру з кольорових фрагментів. Це дозволяє,
по-перше, налаштовувати всю матрицю з будь-якого з фрагментів другого рівня і, по-друге, розглядати більш докладно зміна значень параметрів від циклу до циклу вже не для всієї ЕКГ, а тільки
для групи циклів, виділеної на попередньому етапі. На рис. 3, б представлена матрична ритмограми другого рівня для тієї ж ЕКГ, що й на рис. 3, і, звідки видно, що інтервал Р - Р зберігає свою стабільність, а інтервал Р - R в чотирьох циклах нормальний, а в п'ятому циклі - збільшений, що характерно, наприклад, для вислизає імпульсу.
Подальше уточнення діагнозу може використати інші, більш тонкі параметри, наприклад форму імпульсів, що вимагатиме переходу на ще більш високий рівень.
Останні два ритмограми на відміну від попередніх орієнтовані в першу чергу на виявлення характеру взаємодії двох джерел імпульсів: передсердного і шлуночкового. Вони є динамічними в тому сенсі, що представляють собою траєкторію руху на площині деякої точки, параметри якої визначаються ритмічною структурою ЕКГ. На відміну від самої ЕКГ, яка також представляє собою деяку траєкторію, протяжний у часі, ця траєкторія, подібно вектор-кардіограмі, складена на площині, займаючи на ній обмежену область. Така пакунки, так само як і у випадку спіральної і віялової ритмограми, є результатом свого роду накладення циклу на цикл для більш зручного зіставлення їх між собою.
Ритмограми, названа лінійної (рис. 4), являє собою кусково-лінійну траєкторію точки, кожен лінійний ділянку цієї траєкторії відповідає послідовності часових відліків ЕКГ між сусідніми імпульсами, причому по одній з осей (х) відкладається час, відлічуваний від останнього імпульсу Р, а по іншій осі (y) - час від останнього імпульсу R. Для випадку ідеальної ЕКГ лінійна динамічна ритмограми являє собою безперервний рух по одній і тій же замкнутої кусково-лінійної траєкторії, що складається з чотирьох фаз (див. рис. 4, а). Вертикальні і горизонтальні скачки траєкторії відображають поява на ЕКГ зубців Р (вертикальні) і R (горизонтальні), а похилі ділянки відповідають відліку ЕКГ в інтервалах Р - R і R - Р.
Постійності часових інтервалів Р - Р, Р - R і R - R та їхньої рівності недостатньо для нормального розвитку ЕКГ, потрібно ще, щоб значення інтервалів лежали в заданих межах. На ритмограми кутові точки такий ЕКГ повинні розташовуватися в зазначених на малюнку областях, відповідних нормальних значень інтервалів. Прикладом порушень кількісного характеру може служити брадикардія, ритмічна структура ЕКГ якої не відрізняється якісно від нормальної, але пов'язана зі збільшенням інтервалів Р-Р і R - R за рахунок збільшення інтервалів R - Р. На ритмограми при цьому спостерігається, як і в нормі, кусково -лінійна
самопересекающаяся петля тієї ж форми, але зі збільшенням окремих розмірів.
Якщо кількісні зміни інтервалів ЕКГ призводять лише до диспропорції ритмограми, то зміни характеру взаємодії джерел призводять до якісних змін форми траєкторії. Прикладом може слугувати один з випадків неповної (3: 1) атріовентрикулярної блокади. На ритмограми (див. рис. 4, б) вказаний випадок блокади виражається у вигляді циклу, що складається з вертикально розташованої пілообразной лінії з трьома горизонтальними стрибками, що відповідають трьом імпульсам Р, і одного вертикального стрибка, відповідного імпульсу R.
Розташування кутових точок траєкторії свідчить про нормальність інтервалів Р - Р і значному відхиленні від норми інтервалів R - R. Зворотній картина з горизонтально розташованої пілообразной лінією спостерігається при екстрасистолії. При цьому горизонтальні закачки за величиною відповідають нормальним інтервалам Р - Р, а вертикальні - укороченим інтервалам R - R, що характерно для даної патології.
Гармонічна ритмограми (мал. 5), як і лінійна,
орієнтована в першу чергу на виявлення характеру
взаємодії двох джерел. Траєкторія ритмограми задається системою періодичних функцій з параметрами, обумовленими
ритмічною структурою ЕКГ.
Для ідеальної ЕКГ, де спостерігається взаємно однозначна відповідність зубців Р і R з рівними по всій ЕКГ інтервалами, траєкторія ритмограми кожного циклу являє собою еліпс (див. рис. 5, а), відношення піввісь якого задається інтервалом Р - R. Кількісні відхилення від норми зберігають форму еліпса, змінюючи співвідношення піввісь. Приміром, у разі тахікардії він буде вже. Якісні порушення ритмічної структури ЕКГ призведуть до руйнування стандартної форми траєкторії.
Ряд патологій має в гармонійної ритмограми добре
інтерпретується вид. Прикладом може служити зображена на рис. 5, б ритмограми для ЕКГ, використаної вище для ілюстрації лінійної ритмограми. Так як в цьому випадку одному інтервалу R - R відповідають три інтервали Р - Р, то кожен період обертання траєкторії виходить трифазним.
Особливістю двох останніх ритмограми є те, що для найбільш ефективного їх використання необхідно спостерігати динаміку простежування синхронно зі зняттям ЕКГ.
Реалізовані на ЕОМ програми є скоріше наукової
розробкою, ніж прикладної системою, придатної для негайного використання в медичній?? рактикуйтеся. Подальший розвиток пропонованого підходу видається доцільним, оскільки прикладної комплекс ритмограми обіцяє виявитися
корисним при вирішенні ряду задач медичної діагностики.
Однією з таких завдань є завдання моніторингу.
Використання, наприклад, двох останніх ритмограми дозволяє значно полегшити спостереження за ритмом серцевої діяльності. Зображаючи ритмічну структуру ЕКГ на екрані у вигляді замкнутої траєкторії простого для нормальної ЕКГ виду, ритмограми дозволяє замінити тривалий простежування з безперервним оцінюванням тимчасових співвідношень на спостереження за збереженням стабільності форми траєкторії. Слід зазначити, що з цієї ж причини використання запропонованих ритмограми для цілей скринінгу ставить мінімальні вимоги до медичної кваліфікації оператора, так як виявлення відхилень від норми не вимагає спеціальних знань з електрокардіографії. Іншим завданням, що вирішується за допомогою розробленого комплексу, є визначення різних періодики в структурі ЕКГ як в цілому, так і за окремими ознаками, що мають важливе діагностичне значення. Нарешті, комплекс ритмограми може допомогти провести детальний аналіз ритмічної структури ЕКГ, використовуючи як окремі універсальні ритмограми, так і поєднання різних ритмограми.
Суттєва перевага пропонованого підходу в порівнянні з автоматичним полягає в тому, що автоматичні системи
засновані, як правило, на порогових критеріях і як би ретельно не були обрані пороги, не можна гарантувати розумну оцінку прикордонних ситуацій, що є причиною певного
недовіри до них. Наприклад, у деяких ситуаціях фахівець може знехтувати випадковим викидом, що перевершує поріг, у той час як автоматична система кваліфікувала б його як ознака патології. Пропонована система, перетворення в якій
відбуваються в основному без втрати інформації, дозволяє фахівцеві в процесі аналізу самому правильно розставити акценти. Пропонований підхід не відкидає інші засоби діагностики, розроблені до цього моменту в медичної кібернетики. Він являє собою ще один інструмент, який, аппеліруя до образно-інтуїтивного мислення фахівця, може бути використаний паралельно з іншими.
Застосування описаного в статті методу припускає
попередню ідентифікацію зубців ЕКГ. Для цього може бути використана будь-яка з існуючих розробок. Разом з тим слід зазначити, що ряд можливостей описуваної системи може бути використаний для аналізу ЕКГ і без виділення зубців.
Наведені в роботі приклади не вичерпують усіх патологій,
що виявляються за допомогою описаних ритмограми. Розширення області
застосування викладених методів вимагає їх розвитку з метою збільшення кола складних патологій, що виявляються ритмограми. Подальші дослідження повинні бути націлені на забезпечення фахівця більш широким спектром засобів наочного подання ритмічної інформації, що дозволить виявляти більш тонкі порушення ритму серцевої діяльності.
ЛІТЕРАТУРА
1. Гришин В. Г. Образний аналіз експериментальних даних. -
М., 1982.
2. Зенкин А. А.// Изв. АН СРСР. Техн. кібернетика. - 1987. -
N 5. - С.29-36.
3. Янушкявічус 3., Жемайтії Д.// Статистичні проблеми
управління. - Вільнюс, 1977. - Вип. 22. - С.9-22.
4. Chernoff Н.// J. Amer. Statist. Ass. - 1973. - Vol. 68, N
342. - Р. 361-368.
5. Schwela Н., Reinhardt Н., Franke Th., Knorre М.// Ber.
Ges. inn. Med. - 1982. - Bd 13. - S. 127 - 129.
6. Schultz В.// Comput. Pictures. - 1988. - N 1. - Р. 11-16.