Elektrokardiografia dla informatyka-praktyka / Piotr Augustyniak. Kraków, Spis treści Słowo wstępne 5

Transkrypt

1 Elektrokardiografia dla informatyka-praktyka / Piotr Augustyniak. Kraków, 2011 Spis treści Słowo wstępne 5 1. Wprowadzenie 15 1.A Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych profesjonalizm i pasja 15 1.B Jak pozyskiwać sygnały EKG - Internet i własny organizm 17 1.C Jak prowadzić eksperymenty z algorytmami przetwarzania elektrokardiogramów? Podstawy mechanicznej i elektrycznej aktywności serca 22 2.A Budowa serca i jego rola w krwiobiegu 22 2.B Podstawy elektrycznej aktywności komórki Ŝywej 26 2.C Układ bodźcotwórczo-przewodzący - u źródeł elektrokardiogramu 32 2.D Jak elektryczna aktywność serca jest rejestrowana na powierzchni ciała?34 2.E Nomenklatura w elektrokardiografii Organizacja przetwarzania i przepływu informacji 42 3.A Przegląd technik informatycznego wsparcia elektrokardiografii 42 З.А.1. Interpretacja elektrokardiogramu spoczynkowego 42 3.A.2 System elektrokardiograficzny próby wysiłkowej 44 3.A.3 Interpretacja zapisu długoczasowego (wykonanego metodą Holtera) 46 3.A.4 Wbudowany system analizy elektrokardiogramu 47 3.A.5 System wspierający prace naukowe w elektrokardiografii 48 3.B Przetwarzanie w czasie rzeczywistym 50 3.C Interpretacja retrospektywna czy prospektywna? 53 3.D Dynamiczna konfiguracja struktury oprogramowania 55 3.E Struktury informacyjne programu 59 3.F Podsumowanie 62 3.F.1. Znaczenie organizacji przetwarzania i przepływu informacji 62 3.F.2. Najczęściej poruszane problemy 62 3.F.3. Metody realizacji zadania Detekcja uderzeń serca w elektrokardiogramie 65 4.A W jakim celu wykonywana jest detekcja uderzeń serca? 65 4.B Metody rozpoznawania uderzeń serca 67 4.B.1 Metody filtracji i całkowania 68 4.B.2 Metody dopasowania wzorca 74 4.B.3 Źródło informacji dla funkcji detekcyjnej 76 4.B.4 Progowanie funkcji detekcyjnej 79 4.C Dla dociekliwych: sprzętowa detekcja uderzeń serca 81 4.D Detekcja w obliczu zakłóceń 82 4.D.1 Badanie wpływu artefaktów na jakość detekcji 82 4.D.2 Monitorowanie jakości sygnału 84 4.E Korekta połoŝenia punktu detekcji ewolucji serca 84 4.F Podsumowanie 87 4.F.1 Rola detekcji ewolucji serca w interpretacji zapisu EKG 87 4.F.2 Najczęściej poruszane problemy 88 4.F.3 Metody realizacji zadania 88 4.G Zadania 89

2 5. Klasyfikacja uderzeń serca 91 5.A Cel klasyfikacji uderzeń serca 91 5.B Dziedzina klasyfikacji 94 5.B.1 Metryki parametrów czasowych i amplitudowych 95 5.B.2 Metryki parametrów czasowo-częstotliwościowych B.3 Metryki wieloodprowadzeniowe C Klasyfikator C.1 Klasyfikacja statystyczna C.2 Klasyfikacja za pomocą sieci neuronowych C.3 Mechanizmy heurystyczne oraz inspirowane naturą D Projektowanie aplikacji do klasyfikacji zespołów QRS D.1 Klasyfikacja jedno- i wieloprzebiegowa D.2 Reprezentacja klas D.3 ZłoŜoność obliczeniowa i wymagania zasobów D.4 Klasyfikacja ewolucji w czasie rzeczywistym E Inne aspekty klasyfikacji w elektrokardiografii E.1 Lokalizacja źródeł pobudzenia E.2 Klasyfikacja załamka P E.3 Klasteryzacja sygnału migotania przedsionków E.4 Klasyfikacja odcinka QT w testowaniu farmaceutyków E.5 Klasyfikacja zapisów w celu grupowania pacjentów F Podsumowanie F.1 Znaczenie kliniczne klasyfikacji pobudzeń F.2 Najczęściej poruszane problemy F.3 Metody realizacji zadania G Zadania Wyznaczenie morfologii poszczególnych ewolucji serca A Informacje zawarte w morfologii ewolucji serca B Identyfikacja morfologii w przestrzeni wielowymiarowej C Narzędzia dyskryminacji ewolucji zatokowych i komorowych D Wyznaczanie morfologii w systemach interpretacji na bieŝąco E Podsumowanie E.1 Znaczenie kliniczne morfologii pobudzeń E.2 Najczęściej poruszane problemy E.3 Praktyczne wskazówki do realizacji zadania F Zadania Określenie obecności i długości załamków elektrokardiogramu A Znaczenie diagnostyczne połoŝenia granic załamków B Specyfika elektrycznej reprezentacji poszczególnych załamków B.1 Zespół QRS B.2 Załamek T B.3 Załamek P C Narzędzia do wyznaczania granic załamków C.1 Analiza własności sygnału C.2 Analiza czasowo-częstotliwościowej reprezentacji elektrokardiogramu C.3 Metody wykorzystujące modele załamków C.4 Metoda wykorzystująca analizę fazy D Selektywne wyznaczanie granic załamków D.1 Detekcja granic zespołu QRS D.2 Detekcja granic odcinka QT D.3 Detekcja granic załamka P 163

3 7.E Przykład implementacji F Podsumowanie F.1 Znaczenie kliniczne detekcji granic załamków F.2 Najczęściej występujące problemy F.3 Metody wyznaczania granic załamków G Zadania Wyznaczanie osi elektrycznych załamków A Znaczenie diagnostyczne osi serca B Koncepcja osi elektrycznej B.1 Oś elektryczna w zapisie wektokardiograficznym B.2 Oś serca w zapisie elektrokardiograficznym B.3 Przekształcenia zapisów wieloodprowadzeniowych C Implementacja analizy osi serca C.1 Zmiany osi serca spowodowane zawałem C.2 Zmiany osi serca spowodowane oddychaniem C.3 Zmiany osi serca spowodowane ciąŝą D Podsumowanie D.1 Znaczenie kliniczne osi elektrycznych serca D.2 Problemy wymagające rozwiązania podczas projektowania D.3 Metody wyznaczania osi elektrycznych serca E Zadania Detekcja arytmii A U źródeł arytmii B Znaczenie diagnostyczne arytmii C Analiza sekwencji ewolucji serca C.1 Arytmie zatokowe C.2 Arytmie przedsionkowe C.3 Arytmie węzłowe C.4 Arytmie komorowe D Metody detekcji arytmii E Podsumowanie E.1 Znaczenie kliniczne arytmii E.2 Najczęściej poruszane problemy E.3 Metody detekcji epizodów arytmii F Zadania Analiza zmienności rytmu serca A Wykorzystanie zmienności rytmu serca w diagnostyce autonomicznego układu nerwowego A.1 Mechanizm sterowania częstością rytmu A.2. Model IPFM B Liniowe metody analizy HRV B.1 Metody statystyczne B.2 Metody geometryczne B.3 Częstotliwościowe metody analizy zmienności rytmu serca C Nieliniowa analiza zmienności rytmu C.1 Koincydencja liniowych i nieliniowych wskaźników HRV C.2 Alternatywne metody analizy zmienności rytmu serca D. Przykładowe testy HRV D.1 Zmienność rytmu serca podczas dojrzewania D.2 Zmienność rytmu serca podczas deprywacji snu 222

4 10.D.3 Zmienność rytmu serca podczas wysiłku E Podsumowanie E.1 Znaczenie analizy zmienności rytmu E.2 Najczęściej poruszane problemy E.3 Uwagi praktyczne dotyczące wyznaczania parametrów HRV F Zadania Detekcja symptomów choroby niedokrwiennej na podstawie analizy wczesnej fazy repolaryzacji A Znaczenie diagnostyczne odcinka ST A.1 Detekcja zmian niedokrwiennych w zapisie próby wysiłkowej A.2 Detekcja zmian niedokrwiennych w zapisie długoczasowym B Analiza wczesnej fazy repolaryzacji B.1 Pomiary odcinka ST indywidualnych ewolucji serca B.2 Detekcja epizodów ST B.3 Analiza zapisu próby wysiłkowej C Metody korekcji pomiarów odcinka ST C.l Oszacowanie i kompensacja izolinii C.2 Korekcja modulacji oddechowej C.3 Korekcja długości odcinka ST D Parametry ST i co dalej? D.1 ZaleŜność niedokrwienia od rytmu serca D.2 Elektrokardiograficzny nadzór operacji angioplastycznej D.3 Poprawa wiarygodności punktów pomiarowych D.4 Modelowanie w identyfikacji symptomów niedokrwienia E Podsumowanie E.1 Znaczenie analizy odcinka ST E.2 Najczęściej poruszane problemy E.3 Uwagi praktyczne dotyczące wyznaczania parametrów odcinka ST F Zadania Analiza konturu elektrokardiogramu A Przyczyny zniekształceń konturu A.1 Zawał serca A.2 Bloki przewodnictwa śródkomorowego A.3 Zespół Wolffa-Parkinsona-White'a A.4 Przerosty komór i powiększenia przedsionków B Aspekty techniczne automatycznej analizy konturu B.1 Kontur jako reprezentacja topologii przewodnictwa B.2 Dodatkowe pomiary w elektrokardiogramie B.3 Kryteria diagnostyczne analizy konturu C Standard kodowania rezultatów diagnostycznych D Alternatywne wykorzystanie analizy konturu E Podsumowanie E.1 Znaczenie analizy konturu elektrokardiogramu E.2 Najczęściej poruszane problemy E.3 Uwagi praktyczne dotyczące analizy konturu F Zadania Wyznaczenie dyspersji fazy repolaryzacji komór A Znaczenie diagnostyczne i własności dyspersji odstępu QT B SprzęŜenie interwału QT z interwałem RR C Metody stosowane w ocenie dyspersji QT 274

5 13.C.1 Wyznaczanie interwału QT za pomocą transformacji falkowej C.2 Wyznaczanie interwału QT za pomocą filtracji cyfrowej C.3 Wyznaczanie interwału QT przy uŝyciu uśredniania wybiórczego C.4 Wyznaczanie interwału QT metodą gradientów C.5 Wyznaczanie interwału QT na podstawie lokalnych własności zapisu C.6 Wyznaczanie interwału QT za pomocą transformacji długości krzywej C.7 Wyznaczanie interwału QT za pomocą modelu sygnału EKG C.8 Walidacja metod detekcji końca załamka T D Aplikacje E Weryfikacja jakości oceny dyspersji QT F Podsumowanie F.1 Znaczenie analizy dyspersji fazy repolaryzacji komór F.2 Najczęściej poruszane problemy F.3 Uwagi praktyczne dotyczące analizy repolaryzacji komór G Zadania Detekcja kardiostymulatora i ocena jego pracy na podstawie zapisu holterowskiego A Protezowanie układu bodźcotwórczo-przewodzącego B Detekcja impulsów stymulujących C Analiza funkcji kardiostymulatora D Podsumowanie D.1 Znaczenie analizy funkcji kardiostymulatora D.2 Najczęściej poruszane problemy D.3 Uwagi praktyczne dotyczące analizy funkcji kardiostymulatora E-Zadania 300 Dodatek A Pozyskiwanie sygnału oddechu z elektrokardiogramu 301 A.1 Zastosowanie diagnostyczne 301 A.1.1 Cel i mechanizm oddychania 301 A.1.2 Powiązanie sercowo-oddechowe 302 A.1.3 Pomiary aktywności oddechowej 304 A.2 Wykorzystanie arytmii oddechowej 306 A.3 Wykorzystanie modulacji amplitudy 307 A.4 Wykorzystanie zmienności pozycji serca 308 A.5 Porównanie metod wyodrębniania sygnału oddechu 310 Dodatek B Odmiany technik diagnostycznych stosowanych w kardiologii 314 B.1 Ultrasonografia 314 B.2 Ultrasonografia wewnątrznaczyniowa 316 B.3 Radiografia promieniowania rentgenowskiego 318 B.4 Koronarografia 318 B.5 Tomografia impedancyjna 319 B.6 Reografia impedancyjna 319 B.7 Balistokardiografia 319 B.8 Magnetokardiografia 321 B.9 Fotopletyzmografia i tonometria 322

6 Dodatek C Akty normatywne, procedury i referencje wykorzystywane do oceny oprogramowania interpretacyjnego EKG 324 C.1 Wybrane przepisy FDA 325 C.2 Norma dotycząca jakości elektrokardiografów 326 C.3 Zalecenia dotyczące dokładności granic załamków 328 C.4 Metody testowania poprawności algorytmów automatycznego przetwarzania elektrokardiogramów 329 C.5 Standardowa arytmiczna baza danych EKG (MIT-BIH) 333 C.6 Standardowa wieloodprowadzeniowa baza danych EKG (CSE) 335 C.7 Physionet QT Database 337 C.8 Telemetrie and Holter ECG Warehouse (THEW) 338 Dodatek D Problem interoperacyjności - specjalizowane formaty archiwizacji i transmisji danych kardiologicznych 339 D.1 Normalizacja rekordów medycznych 339 D.2 Inicjatywa OpenECG 341 D.3 Standard SCP-ECG 342 D.4 Standard MFER 344 Dodatek E To jeszcze nie wszystko o elektrokardiografii 347 E.1 Zaburzenia częstości akcji serca 347 E.2 Późne potencjały komorowe 349 E.3 Alternans załamka T 350 E.4 Elektrokardiogram u najmłodszych 354 E.5 Migotanie przedsionków 357 Dodatek F To jeszcze nie wszystko o elektrokardiogramie 360 F.1 Oszacowanie zniekształceń elektrokardiogramu 360 F.1.1 Uniwersalne metody oceny zniekształceń sygnału 360 F.1.2 Ocena zniekształceń elektrokardiogramu z uwzględnieniem zawartości diagnostycznej sygnału 362 F.1.3 Ocena zniekształceń sygnału na podstawie odchyłek parametrów diagnostycznych 363 F.l.4 ZłoŜona metryka do wyznaczania odległości elektrokardiogramów 364 F.2 Kompresja zapisów elektrokardiograficznych 365 F.2.1 Poszukiwanie redundancji dyskretnej reprezentacji elektrokardiogramu 366 F.2.2 Kompresja bezstratna 367 F.2.3 Metody kompresji wykorzystujące całkowitoliczbowy format danych 371 F.2.4 Kompresja stratna 373 F.2.5 Zastosowania kompresji sygnału EKG 378 F.3 Redukcja szumów w zapisach EKG 381 F.4 Uśrednianie składników elektrokardiogramu 387 F.5 Symulacje i modelowanie elektrokardiogramu 389 Literatura 392 Literatura dodatkowa 418 oprac. BPK