Praca Dyplomowa Magisterska

Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Radioelektroniki Rok akademicki 2013/2014 Praca Dyplomowa Magisterska Małgorzata Skupińska Ilościowa ocena parametrów hemodynamicznych na podstawie wyników automatycznej analizy sygnałów polifizjograficznych Osoba kierująca pracą: prof. nzw. dr hab. inż. Gerard Cybulski Ocena:.................................................... Podpis Przewodniczącego Komisji Egzaminu Dyplomowego

Specjalność : Inżynieria biomedyczna Data urodzenia: 05.07.1988 Data rozpoczęcia studiów: 01.10.2011 Życiorys W latach 1995-2001 uczęszczałam do Szkoły Podstawowej nr 1 w Wieluniu. Następnie rozpoczęłam naukę w Gimnazjum im. Kazimierza Wielkiego nr 1 w Wieluniu. W latach 2004-2007 uczęszczałam do Liceum Ogólnokształcącego im. T. Kościuszki nr 1 w Wieluniu, do klasy o profilu matematyczno-fizycznym. Po zdaniu matury w roku 2007, rozpoczęłam studia dzienne na wydziale Mechatroniki na Politechnice Warszawskiej, na kierunku Inżynieria Biomedyczna. Od listopada 2010 do maja 2011 odbywałam staż w Instytucie Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego Polskiej Akademii Nauk. We wrześniu 2011 roku uzyskałam tytuł inżyniera. Następnie rozpoczęłam studia drugiego stopnia ma wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych na Politechnice Warszawskiej, na kierunku Inżynieria Biomedyczna........................ Podpis Egzamin dyplomowy: Złożył egzamin dyplomowy w dniu:...................... z wynikiem:......................................... Ogólny wynik studiów:................................ Dodatkowe uwagi i wnioski Komisji:..................... 2

Streszczenie Celem pracy było rozszerzenie programu komputerowego przygotowanego w ramach pracy inżynierskiej autora oraz weryfikacja poprawności jego działania podczas analizy badań fizjologicznych. Rozszerzona wersja programu pozwala na analizę sygnału EKG z detekcją załamków: P, Q, R, S, T, końca załamka T oraz linii izoelektrycznej; sygnału SFG z detekcją początku wyrzutu krwi z lewej komory serca i wcięcia dykrotycznego; sygnału FKG z detekcją początku tonu S2; sygnału BP z wartością rozkurczowego i skurczowego ciśnienia krwi oraz wcięcia dykrotycznego. W porównaniu do poprzedniej wersji, ulepszone zostały algorytmy detekcji wykrywanych wcześniej załamków (załamki: Q, R, S) oraz dodano nowe załamek P i załamek T. Do programu zostały wprowadzone parametry hemodynamiczne m.in.: CO pojemność minutowa serca, SV objętość wyrzutowa serca, TPR całkowity opór obwodowy, HR częstość akcji serca, a także nowe parametry opisujące pracę serca m.in.: QTa czas mierzony od załamka Q do maksimum załamka T, QT czas mierzony od załamka Q do końca załamka T, QT/QS2 stosunek QT do QS2, PaQ - czas mierzony między maksimum załamka P a załamkiem Q. Dla każdego parametru wyznaczana jest wartość średnia dla fragmentów jednominutowych. Do funkcji programu została dodana analiza widmowa zmienności rytmu serca (HRV). Ponadto, usprawniona została edycja możliwość dodania/usunięcia załamka R, wyszukiwanie zaawansowane wcięcia dykrotycznego na sygnale SFG. Zaktualizowany został eksport o wartości średnie oraz nowe parametry, dopasowano interfejsu graficzny do nowych funkcji, dodano obsługę błędów. 3

Quantitative assessment of hemodynamic parameters based on the results of automatic multisignal analysis Summary The aim of this work was to extend the computer program prepared under the engineering work of the autor and verification of the correctness of its actions during the analysis of physiological research. Extended version of the program allows to analyze the ECG signal with detection of waves: P, Q, R, S, T, the end of the T wave and the isoelectric line; SFG signal with detection of the beginning of the ejection time and the dicrotic notch; FKG signal with detection of the beginning of the tone S2; signal BP with the value of diastolic and systolic blood pressure and dicrotic notch. Detection algorithms was improved for waves: Q, R, S and new ones were added (P wave, T wave). Program calculates hemodynamic parameters for egzample: CO - cardiac output, SV - stroke volume, TPR - total peripheral resistance, HR - heart rate, as new parameters describing the work of the heart: QTa - time measured from the Q wave to the peak of the T wave, QT - time measured from the Q wave to the end of the T wave, QT / QS2 - the ratio of QT and QS2, PaQ - the time measured between the maximum P-wave and wave Q. For each parameter is determined average value for the one minutes fragments. Also spectral analysis of heart rate variability (HRV) was added. Edition of the detectios was improved it was added the ability to add / remove the R-points and advanced detection of dicrotic notch on the SFG signal. It was updated average export value and new parameters, graphical interface matched to the new features, also error handling was added. 4

Spis treści 1. Wstęp...7 1.1. Cel pracy...7 2. Polikardiografia...9 2.1. Elektrokardiografia...9 2.2. Sfigmografia... 11 2.3. Fonokardiografia...12 2.4. Detekcja punktów charakterystycznych w przebiegach biologicznych....13 3. Znaczenie parametrów hemodynamicznych...19 4. Program do analizy sygnałów biologicznych...21 4.1. Opis programu i koncepcja jego rozszerzenia...21 4.2. Algorytmy detekcji...23 4.2.1. Detekcja załamka R...24 4.2.2. Detekcja załamka Q...25 4.2.3. Detekcja załamka S...26 4.2.4. Detekcja maksimum załamka T...26 4.2.5. Detekcja maksimum załamka P...27 4.2.6. Detekcja linii izoelektrycznej...28 4.2.7. Detekcja końca załamka T...28 4.2.8. Detekcja SBP...30 4.2.9. Detekcja DBP...31 4.2.10. Detekcja DN...31 4.2.11. Detekcja E...32 4.2.12. Detekcja M...33 4.2.13. Detekcja D...33 4.2.14. Detekcja S2...34 4.3. Wyznaczanie parametrów hemodynamicznych i podokresów skurczu.....34 4.4. Edycja...37 5. Funkcje programu...38 5

5.1. Okno główne programu...38 5.2. Opis funkcji programu...40 5.2.1. Sygnały wejściowe i wczytywanie danych...40 5.2.2. Analiza...41 5.2.3. Prezentacja sygnałów i zdarzeń charakterystycznych...42 5.2.4. Prezentacja parametrów...43 5.2.5. Analiza widmowa...44 5.2.6. Edycja...46 5.2.7. Zapis/odczyt...47 6. Testowanie programu...48 6.1. Badani i rejestracje...48 6.2. Wyniki wykrywania zdarzeń charakterystycznych...49 6.2.1. Grupa 1...49 6.2.2. Grupa 2...54 6.3. Analiza wyników...58 6.3.1. Grupa 1...59 6.3.2. Grupa 2...61 7. Podsumowanie i wnioski...62 8. Literatura...64 6

1. Wstęp Badanie reakcji układu krążenia na różne bodźce np. pionizację, wysiłek fizyczny czy sytuacje stresowe wymaga analizy stanów nieustalonych. Przykładowo, wzrost aktywności fizycznej powoduje przyspieszenie pracy serca i zwiększenie siły jego skurczów. Może się też zmieniać opór naczyń krwionośnych, a to z kolei zmienia ciśnienie tętnicze, które następnie poprzez baroreceptory wpływa na rytm serca i może modyfikować opór naczyń krwionośnych. Warto pamiętać, że nawet w stanach, które potocznie uznaje się za ustalone np. leżenie, występuje spontaniczna zmienność wszystkich podstawowych parametrów układu krążenia. Co więcej, dowiedziono, że zanik takiej spontanicznej zmienności świadczy o zaburzeniu funkcjonowania organizmu, a nawet może być zwiastunem rychłego zgonu [1]. Dzieje się tak dlatego, że organizm ludzki jest niezwykle skomplikowanym układem składającym się z bardzo wielu systemów regulacji wzajemnie na siebie oddziałujących. Można powiedzieć, że warunkiem stabilności długoterminowej poszczególnych wielkości charakteryzujących czynność układu krążenia (np. rytmu serca, czy ciśnienia tętniczego) jest chwilowa zmienność tych wartości. W przypadku badań takich stanów użycie wartości uśrednionych uniemożliwiłoby ich analizę. Dlatego ważna jest analiza wielkości opisujących kolejne cykle pracy serca. Liczba analizowanych cykli może być bardzo duża, gdy mamy do czynienia z długą obserwacją. Ręczna analiza każdego kolejnego cyklu jest bardzo czasochłonna i praktycznie niewykonalna dla kilkugodzinnych rejestracji. W takich przypadkach bardzo pomocne, a wręcz niezbędne, stają się programy komputerowe analizujące sygnały biologiczne pozwalające na wyznaczenie wielkości charakteryzujących pojedynczy cykl pracy serca. Do analizy cyklu pracy serca zostały wybrane parametry charakteryzujące pracę serca parametry hemodynamiczne oraz podokresy skurczu lewej komory. Obliczenie tych parametrów poprzedzone jest wykryciem zdarzeń charakterystycznych. Informacje o tych zdarzeniach zawarte są w różnych sygnałach: EKG, sfigmogram, fonokardiogram, krzywa ciśnienia tętniczego. Równolegla rejestracja tych sygnałów pozwala na dokładniejsze oznaczenie poszczególnych zdarzeń nawet przy bardzo zakłóconym sygnale. 1.1. Cel pracy Celem pracy jest rozszerzenie programu komputerowego przygotowanego w ramach pracy inżynierskiej autora oraz weryfikacja poprawności algorytmów detekcji podczas analizy badań fizjologicznych. Rozszerzona wersja programu powinna analizować sygnały: elektrokardiogram z detekcją załamków: P, Q, R, 7

S, T, koniec załamka T oraz linia izoelektryczna; sfigmogram z detekcją początku wyrzutu krwi z lewej komory serca i wcięcia dykrotycznego; fonokardiogram z detekcją początku tonu S2; ciśnienie tętnicze z wartością rozkurczowego i skurczowego ciśnienia krwi oraz wcięcia dykrotycznego. Program powinien umożliwiać wyznaczenie parametrów hemodynamicznych m.in.: CO pojemność minutowa serca, SV objętość wyrzutowa serca, TPR całkowity opór obwodowy, HR częstość akcji serca, a także przeprowadzenie analizy widmowej zmienności rytmu serca (HRV). Następnie, należy przeprowadzić testy algorytmów detekcji w celu sprawdzenia poprawności ich działania. Testowanie powinno zostać przeprowadzone na sygnałach rejestrowanych w czasie spoczynku i podczas wysiłku. 8

2. Polikardiografia Poznanie zasad funkcjonowania ludzkiego organizmu jest niezwykle skomplikowanym procesem. Obecnie istnieje wiele technik umożliwiających uzyskanie informacji o funkcjonowaniu układu sercowo-naczyniowego. Wśród nich są: EKG rejestracja czynności elektrycznej serca, FKG rejestracja zjawisk akustycznych występujących podczas pracy serca, SFG rejestracja tętna szyjnego. Równoległa rejestracja tych sygnałów pozwala na dokładniejszą ocenę funkcjonowania układu sercowo-naczyniowego, w tym wykrycie patologicznych zmian. 2.1. Elektrokardiografia Sygnał EKG zawiera informacje o elektrycznej czynności serca. Na rysunku Rys.2.1. przedstawiony jest schematyczny zapis EKG pojedynczego skurczu serca. Rys.2.1. Schematyczny zapis krzywej EKG. [źródło: http://www.elektrodiagnostyka.republika.pl/ekg.html] Na krzywej EKG analizowane są następujące parametry: linia izoelektryczna pozioma linia rejestrowana podczas braku pobudzeń serca, 9

załamki wychylenia od linii izoelektrycznej, dodatnie lub ujemne, odcinki fragmenty linii izoelektrycznej między kolejnymi załamkami, odstępy odcinek razem z załamkami. Najczęściej pod uwagę bierze się następujące fragmenty krzywej EKG: załamek P czas depolaryzacji w mięśniu przedsionków; odcinek PQ czas od końca załamka P do początku zespołu QRS czas przewodzenia pobudzenia przez węzeł a-v, pęczek Hisa, jego odnogi oraz włókna Purkinjego; odstęp PQ czas od początku załamka P do początku zespołu QRS; zespół QRS czas depolaryzacji mięśnia komór; załamek Q pierwsze ujemne wychylenie po załamku P; załamek R dodatnie wychylenie zespołu QRS; załamek S pierwsze ujemne wychylenie po załamku R; punkt łączący J punkt oznaczający koniec załamka S i początek odcinka ST; odcinek ST czas od punktu J do początku załamka T czas wolnej repolaryzacji mięśnia komór; załamek T pierwsze dodatnie wychylenie po zespole QRS czas szybkiej repolaryzacji mięśnia komór; odstęp ST czas od punktu J do końca załamka T czas wolnej i szybkiej repolaryzacji mieśnia komór; odstęp QT czas od początku zespołu QRS do końca załamka T czas depolaryzacji i repolaryzacji mięśnia komór; odcinek TP czas od końca załamka T do początku kolejnego załamka P czas, w którym przedsionki i komory występują w rozkurczu; odstęp RR czas jednego cyklu pracy serca. Tabela Tabela 2.1. zawiera przedziały określające prawidłowe wartości dla powyższych parametrów [4]. Przekroczenie tych wartości najczęściej wskazuje na patologiczne zmiany w układzie sercowo-naczyniowym. 10

Tabela 2.1. Prawidłowe wartości czasu trwania wybranych parametrów analizy EKG. Parametr Załamek P Zespół QRS Załamek T Odcinek PQ Odcinek ST Odstęp PQ Odstęp QT Odstęp RR Prawidłowe wartości 0,04 0,11 s 0,06 0,10 s 0,12 0,16 s 0,04 0,10 s 0,02 0,12 s 0,12 0,20 s < 0,40 s < 0,16 s Należy jednak pamiętać, że zmienność rytmu serca jest naturalna (podczas wdechu odstęp RR jest krótszy, a podczas wydechu sie wydłuża), a jej brak wskazuje na obniżoną aktywność układu przywspółczulnego [5]. Poza wartościami poszczególnych parametrów należy również brać pod uwagę przebieg krzywej, wysokość załamków i ich kształt. 2.2. Sfigmografia Sfigmografia jest metodą rejestracji krzywej tętna, najczęściej rejestrowanego na tętnicy szyjnej. Przykładowy przebieg pokazany jest na rysunku Rys.2.2. 11

Rys.2.2. Krzywa ciśnienia tętniczego. E początek wyrzutu krwi z lewej komory serca; M maksimum lokalne następujące po E; D wcięcie dykrotyczne. [opracowanie własne] Na ogół nie przeprowadza się dokładnej kalibracji wartości ciśnienia, gdyż interesujący jest jedynie sam przebieg krzywej tętna. Na podstawie kształtu sfigmogramu można określić czas początku wyrzutu (E) oraz pojawienia się wcięcia dykrotycznego (D), które utożsamiane jest z momentem zamknięcia zastawki aortalnej. 2.3. Fonokardiografia Fonokardiografia jest metodą rejestracji zjawisk akustycznych powstających w czasie pracy serca. Na rysunku Rys.2.3. przedstawiony jest zapis fonokardiogramu. Rys.2.3. Fonokardiogram. S1 ton S1 zamknięcie zastawek przedsionkowo-komorowych; S2 ton S2 zamknięcie zastawki aortalnej. [opracowanie własne] Podczas cyklu pracy serca wyróżnić można 4 tony: ton pierwszy (S1) spowodowany zamknięciem zastawek przedsionkowo-komorowych, 12

ton drugi (S2) spowodowany zamknięciem zastawki aortalnej i pnia płucnego, ton trzeci spowodowany szybkim napływem krwi do komór w czasie rozkurczu, występuje tylko u ludzi młodych, ton czwarty spowodowany drganiami przedskurczowymi komór w czasie skurczu przedsionków, jest praktycznie niesłyszalny. Fonokardiograf rejestruje maksymalnie 3, a najczęściej 2 tony serca, S1 i S2. 2.4. Detekcja punktów charakterystycznych w przebiegach biologicznych W medycynie załamek określany jest jako odcinek czasu. W tej pracy wszystkie załamki traktowane są jako punkty ze względu na zainteresowanie momentem wystąpienia danego załamka, a nie czasem jego trwania. Na rysunkach Rys.2.4-10 przedstawione są interpretacje poszczególnych załamków i zdarzeń przyjęte na potrzeby niniejszej pracy. Punkt P (Pa) definiowany jako maksymalna wartość załamka P (Rys.2.4.). Rys.2.4. Załamki P na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] 13

Punkt Q (Q) definiowany jako minimalna wartość załamka Q (Rys.2.5.). Rys.2.5. Załamki Q na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] Punkt R (R) definiowany jako maksymalna wartość załamka R (Rys.2.6.). Rys.2.6. Załamki R na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] 14

Punkt S (S) definiowany jako minimalna wartość załamka S (Rys.2.7.). Rys.2.7. Załamki S na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] Punkt T (Ta) definiowany jako maksymalna wartość załamka T (Rys.2.8.). Rys.2.8. Załamki T na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] 15

Punkt końca T (T) definiowany jako punkt przecięcia fali opadającej załamka T z linią izoelektryczną (Rys.2.9.). Rys.2.9. Koniec załamka T i linia izoelektryczna na elektrokardiogramie. [opracowanie własne] Początek wyrzutu (E) definiowany jako minimalna wartość krzywej tętna szyjnego na początku wyrzutu krwi z lewej komory serca (Rys.2.10.). Rys.2.10. Początek wyrzutu na sfigmogramie. [opracowanie własne] 16

Maksymalny pik (M) definiowany jako maksimum lokalne krzywej tętna szyjnego po zdarzeniu E (Rys.2.11.). Rys.2.11. Maksymalny pik na sfigmogramie. [opracowanie własne] Wcięcie dykrotyczne (D) definiowane jako minimum lokalne krzywej tętna szyjnego w przedziale czasowym 250 ms od zdarzenia M (Rys.2.12.). Rys.2.12. Wcięcie dykrotyczne na sfigmogramie. [opracowanie własne] S2 (S2) początek tonu powstającego podczas zamknięcia zastawki aortalnej, definiowany jako maksymalna wartość pierwszego piku tonu S2 (Rys.2.13.). Rys.2.13. Początek tonu S2 na fonokardiogramie. [opracowanie własne] 17

DBP wartość rozkurczowego ciśnienia tętniczego, definiowana jako minimalny punkt fali rozkurczowego ciśnienia tętniczego (Rys.2.14.). Krzywa ciśnienia tętniczego uzyskana jest metodą nieinwazyjną z palca przy pomocy urządzenia Portapres. Rys.2.14. DBP na krzywej ciśnienia uzyskanej z palca. [opracowanie własne] SBP wartość skurczowego ciśnienia tętniczego, definiowana jako maksymalny punkt fali skurczowego ciśnienia tętniczego (Rys.2.15.). Rys.2.15. SBP na krzywej ciśnienia uzyskanej z palca. [opracowanie własne] Wcięcie dykrotyczne minimalna wartość ciśnienia tętniczego pomiędzy ciśnieniem skurczowym a fala odbitą ciśnienia tętniczego (Rys.2.16.). Rys.2.16. Wcięcie dykrotyczne na krzywej ciśnienia uzyskanej z palca. [opracowanie własne] 18

3. Znaczenie parametrów hemodynamicznych Poznanie zasad funkcjonowania ludzkiego organizmu jest niezwykle trudne. Nie łatwo jest poznać mechanizm czegoś, czego nie można dokładnie obejrzeć, zbadać. A w przypadku narządów wewnętrznych człowieka tak właśnie jest. Inwazyjne metody pomiarów, polegające na przerwaniu ciągłości tkanek, wzbudzają niechęć badanych, co zrozumiałe, ale warto również pamiętać o tym, że mogą powodować zmiany funkcjonowania organizmu. Zmiany te związane są z koniecznością znieczulenia, bólem oraz stresem psychicznym. Dlatego ważne jest by informacje o funkcjonowaniu organizmu pozyskiwać w sposób nieinwazyjny. Na podstawie rejestracji sygnałów biologicznych w tym ciśnienia krwi i EKG można wyznaczyć parametry hemodynamiczne. Analiza tych parametrów dostarcza informacji o mechanicznej pracy serca. Do najczęściej stosowanych parametrów hemodynamicznych należą: SAP wartość ciśnienia skurczowego; DAP wartość ciśnienia rozkurczowego; MAP wartość średnia ciśnienia w jednym interwale; SV objętość wyrzutowa serca określa ilość krwi wytłoczonej przez jedną z komór serca w czasie jej skurczu, jej wartość jest zależna od kilku czynników, do których zalicza się między innymi: ciśnienie tętnicze, kurczliwość komór, objętość krwi w komorze na początku jej skurczu; CO pojemność minutowa serca określa ilość krwi wytłoczonej przez jedną z komór w czasie jednej minuty; TPR całkowity opór obwodowy określa opór jaki stawiają naczynia, który zależy od ich stanu czynnościowego (czy są w skurczu czy w rozkurczu) oraz anatomicznego (miażdżyca naczyń, przerost mięśni naczynia będącego wynikiem wysokiego ciśnienia w naczyniach); HR częstość akcji serca, na którą wpływa, m.in. autonomiczny układ nerwowy-współczulny, który przyspiesza czynność serca oraz przywspółczulny, który zwalnia ją. Ocenę parametrów hemodynamicznych stosuje się [6-8]: we wczesnym wykrywaniu wstrząsu, w leczeniu pacjentów z nadciśnieniem, w analizie krótko- i długoczasowych efektów terapii lekami aktywnymi 19

hemodynamicznie, do regulacji parametrów rozrusznika serca w oparciu o obserwacje centralnych parametrów hemodynamicznych, do monitorowania terapii chorych z zastoinową niewydolnością krążenia, do badania serca. 20

4. Program do analizy sygnałów biologicznych Program jest rozszerzeniem aplikacji powstałej w ramach pracy inżynierskiej autora [10] i wzbogacony został o nowe wykrycia (w tym analiza załamka P oraz załamka T). Dodano także parametry hemodynamiczne, nowe podokresy skurczu oraz ulepszono detekcję wykrywanych wcześniej zdarzeń. 4.1. Opis programu i koncepcja jego rozszerzenia Program napisany w ramach pracy inżynierskiej analizował następujące przebiegi: elektrokardiogram, fonokardiogram, sfigmogram oraz krzywa ciśnienia tętniczego. Zdarzenia w przebiegach biologicznych były wykrywane w następującej kolejności: Q i minimalna wartość załamka Q (EKG), R i maksymalna wartość załamka R, S i minimalna wartość załamka S (EKG), E i początek wyrzutu krwi z lewej komory serca (SFG), M i lokalne maksimum w krzywej tętna szyjnego następujące po zdarzeniu E i, D i wcięcie dykrotyczne (SFG), lokalne minimum występujące w przedziale czasowym ok. 250 ms po zdarzeniu M i, S2 i początek drugiego tonu serca spowodowany zamknięciem zastawki aortalnej (FKG), DBP i rozkurczowe ciśnienie tętnicze (krzywa ciśnienia tętniczego), SBP i skurczowe ciśnienie tętnicze (krzywa ciśnienia tętniczego), DN i lokalne minimum występujące w przedziale czasowym o długości ok. 250 ms po zdarzeniu SBP i (krzywa ciśnienia tętniczego). Program wyliczał następujące podokresy skurczu: PEP okres przedwyrzutowy, LVET czas wyrzutu krwi z lewej komory serca, E-D czas pomiędzy początkiem wyrzutu krwi z lewej komory serca a wcięciem dykrotycznym w krzywej tętna szyjnego, Q-S2 czas pomiędzy wystąpieniem załamka Q a zamknięciem zastawki aortalnej, Q-D czas pomiędzy wystąpieniem załamka Q a wcięciem dykrotycznym (SFG), S2-D czas pomiędzy momentem zamknięcia zastawki aortalnej i wcięciem dykrotycznym, QQ czas pomiędzy kolejnymi załamkami Q. Program posiadał również możliwość edycji błędnie wykrytych zdarzeń charakterystycznych poprzez przesuwanie wykryć lub ponowną detekcję z nową szerokością przedziału wyszukiwania danego zdarzenia. Rozszerzona wersja programu wykrywa dodatkowe zdarzenia na przebiegu EKG: Pa i maksymalna wartość załamka P, Ta i maksymalna wartość załamka T, T i koniec załamka T, określony jako punkt przecięcia zbocza opadającego 21

załamka T z linią izoelektryczną oraz linię izoelektryczną. Ponadto, zmieniono kolejność wykrywanych zdarzeń i usprawniono detekcję pierwszego wykrycia, które jest podstawą do dalszej analizy sygnałów. Jako podstawowe zdarzenie wybrany został załamek R i uniezależniono jego detekcję od konkretnej wartości 1. Poprawiono również algorytmy detekcji następujących punktów: Q wyznaczane na podstawie załamka R 2, SBP wyznaczane na podstawie załamka R 3, DBP szukane w przedziale 500ms przed SBP z dodatkowymi warunkami 4. Do programu zostały również wprowadzone nowe parametry: PEP/DAP stosunek PEP do wartości ciśnienia rozkurczowego, PEP/LVET stosunek PEP do LVET, QTa czas mierzony od załamka Q do maksimum załamka T, QT czas mierzony od załamka Q do końca załamka T, QT/QS2 stosunek QT do QS2, TPR całkowity opór obwodowy, MAP wartość średnia ciśnienia, DAP wartość ciśnienia rozkurczowego, SAP wartość ciśnienia skurczowego, PP różnica między wartością ciśnienia skurczowego i rozkurczowego, CO pojemność minutowa serca, SV objętość wyrzutowa serca, HR częstość akcji serca, amplituda T różnica wysokości załamka T, liczona jako różnica między maksimum a wartością końcową załamka T, PaQ - czas mierzony między maksimum załamka P a załamkiem Q. Dla każdego parametru wyznaczana jest wartość średnia dla fragmentów jednominutowych. Dodana została również analiza widmowa zmienności rytmu serca (HRV). Ponadto, wprowadzono następujące modyfikacje: usprawnienie edycji dodanie brakującego załamka R, usunięcie błędnego załamka R, możliwość ustalenia przedziału czasowego dla parametru E-D wyszukiwanie zaawansowane wcięcia dykrotycznego na sygnale SFG 5, 1 W poprzedniej wersji detekcji pierwszego zdarzenia jakim był załamek Q wyszukiwane były wartości sygnału większe od 1 w celu wykrycia zespołów QRS. 2 Pierwsze wykrywane zdarzenie w poprzedniej wersji programu. 3 Poprzednio wyznaczane na podstawie zdarzenia M. 4 Poprzednio wyznaczane jako minimum lokalne w przedziale 125ms przed SBP. 5 Wartość parametru E-D jest stała. 22

aktualizacja eksportu o wartości średnie oraz nowe parametry, aktualizacja interfejsu, dodanie obsługi błędów. 4.2. Algorytmy detekcji Sygnały wykorzystane do opracowania algorytmów detekcji zostały uzyskane z programu WinCPRS. Otrzymane przebiegi są próbkowane z częstotliwością 200Hz. Plik z pojedynczym sygnałem zawiera macierz dwukolumnową pierwsza kolumna zawiera znaczniki czasowe w sekundach, a druga wartość sygnału w danym punkcie czasowym. Separatorem wierszy jest znak nowej linii, kolumn przecinek, a liczb dziesiętnych kropka. Długość rejestracji to ok. 8 min., co daje w przybliżeniu 96 000 próbek. Sygnały, które są analizowane przez program to: elektrokardiogram, sfigmogram, fonokardiogram oraz ciśnienie tętnicze krwi. Wszystkie sygnały są rejestrowane równolegle i nie ma między nimi opóźnień czasowych. Rys. 4.1. Schemat kolejności wykrywania zdarzeń charakterystycznych na sygnałach biologicznych. Zdarzenia na EKG czerwona ramka: R załamek R, Q załamek Q, S załamek S, Ta maksimum załamka T, Pa maksimum załamka P, T koniec załamka T; zdarzenia na SFG zielona ramka: E początek wyrzutu krwi z lewej komory serca, D wcięcie dykrotyczne, M maksimum na krzywej tętna szyjnego po początku wyrzutu; zdarzenia na FKG niebieska ramka: S2 początek drugiego tonu serca spowodowanego zamknięciem zastawki aortalnej; zdarzenia na BP fioletowa ramka: SBP skurczowe ciśnienie tętnicze, DBP rozkurczowe ciśnienie tętnicze, DN wcięcie dykrotyczne. [opracowanie własne] 23

Algorytmy detekcji opierają się głównie o maksima i minima lokalne, dlatego nie zastosowano filtracji sygnałów 6, gdyż mogłoby to spowodować wygładzenie ekstremów. Na rysunku Rys.4.1. pokazano schemat kolejności wykrywania zdarzeń. 4.2.1. Detekcja załamka R Algorytm wyznacza punkt R na podstawie wartości pierwszej pochodnej sygnału EKG. Następnie wybieranych jest 1% największych wartości i wyliczona zostaje dla nich średnia, której 90% stanowi wartość progu. Rys.4.2. Schemat blokowy wykrywania załamka R. 6 Jedynym wyjątkiem jest sygnał EKG, który był filtrowany w programie użytym do akwizycji sygnałów w celu usunięcia częstotliwości 50Hz. 24

Wyznaczana jest również wartość liczby kontrolnej, która jest zaokrągleniem czasu trwania sygnału do pełnych sekund. Kolejnym krokiem jest wybranie punktów, w których pochodna ma wartość większą od ustalonego progu. Jeśli liczba tych punktów jest mniejsza niż trzykrotność liczby kontrolnej (wyznaczony próg powinien umożliwić wskazanie co najmniej 3 punktów dla każdego zespołu QRS) to wartość progu jest zmniejszana. Następnie wybierany jest jeden punkt z każdego przedziału i na wartościach EKG wyszukiwane jest maksimum lokalne w otoczeniu tego punktu. Otrzymana wartość maksymalna zapisywana jest jako punkt R. Schemat blokowy wykrywania załamka R pokazany jest na rysunku Rys.4.2.. 4.2.2. Detekcja załamka Q Algorytm wyznacza punkt Q na podstawie wykryć załamka R. Porównywane są kolejne wartości przebiegu na lewo od załamka R i uzyskane minimum lokalne traktowane jest jako punkt Q. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.3.. Rys.4.3. Schemat blokowy wyznaczania załamków Q. 25

4.2.3. Detekcja załamka S Algorytm wyznacza punkt S na podstawie wykryć załamka R. Porównywane są wartości przebiegu na prawo od załamka R i uzyskane minimum lokalne zapisywane jest jako punkt S. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.4.. Rys.4.4. Schemat blokowy wyznaczania załamków S. 4.2.4. Detekcja maksimum załamka T Algorytm wyznacza punkt Ta na podstawie wykryć załamków Q i S jako maksimum lokalne w przedziale [S i, S i + (Q i+1 S i )/2]. Następnie przedział [Ta+4, Ta+6] aproksymowany jest wielomianem 2 stopnia. Maksymalna wartość otrzymanej krzywej zapisywana jest jako ostateczny punkt Ta. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.5.. 26

Rys.4.5. Schemat blokowy wyznaczania maksimum załamków T. 4.2.5. Detekcja maksimum załamka P Algorytm wyznacza punkt Pa na podstawie wykryć załamków Q i Ta jako maksimum lokalne w przedziale [Ta i + (Q i+1 Ta i )/2, Q i+1 ]. Następnie przedział [Pa+4, Pa+6] aproksymowany jest wielomianem 2 stopnia. Maksymalna wartość otrzymanej krzywej zapisywana jest jako ostateczny punkt Pa. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.6.. Rys.4.6. Schemat blokowy wyznaczania maksimum załamków P. 27

4.2.6. Detekcja linii izoelektrycznej Algorytm wyznacza punkty zaczepu linii izoelektrycznej na podstawie wykryć załamków Ta i Pa po jednym punkcie dla każdego interwału RR. Punkty wyznaczane są w 7/10 odległości 7 między maksimum załamka T a maksimum załamka P kolejnego interwału. Następnie generowane są wartości linii izoelektrycznej między punktami zaczepu jako odcinki łączące te punkty. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.7.. Rys.4.7. Schemat blokowy wyznaczania punktów zaczepu linii izoelektrycznej. 4.2.7. Detekcja końca załamka T Algorytm wyznacza punkt końca załamka T na podstawie wykryć maksimum załamka T i linii izoelektrycznej jako wartość zbocza opadającego załamka T najbliższa linii izoelektrycznej. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.8.. 7 Wartość wyznaczona doświadczalnie. 28

Rys.4.8. Schemat blokowy wykrywania końca załamka T. Jeśli nie znaleziono punktu przecięcia uruchamiana jest detekcja alternatywna, która polega na wyznaczeniu prostej równoległej do linii izoelektrycznej i przechodzącej przez punkt Ta. Kolejnym krokiem jest wyznaczenie stycznej do zstępującego ramienia załamka T w punkcie o maksymalnej prędkości. Następnie wyznaczane są 2 punkty: P1 jako przecięcie stycznej z prostą przechodzącą przez Ta oraz P2 przecięcie stycznej z linią izoelektryczną. Koniec załamka T określany jest jako odległość punku Ta od punktu P1 dodana do punktu P2. Metoda alternatywna zobrazowana jest na Rys. 4.9.. 29

Rys.4.9. Metoda alternatywna wykrywająca koniec załamka T. [źródło: Augustyniak P. Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych, Kraków, Wyd. AGH 2001] 4.2.8. Detekcja SBP Algorytm wyznacza punkt SBP na podstawie wykryć załamka R jako maksimum lokalne w przedziale [R i, R i+1 ], które zapisywane jest jako tymczasowe SBP. Następnie przedział [SBP+4, SBP+6] aproksymowany jest wielomianem 2 stopnia. Maksymalna wartość otrzymanej krzywej zapisywana jest jako ostateczny punkt SBP. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.10.. Rys.4.10. Schemat blokowy wykrywania SBP. 30

4.2.9. Detekcja DBP Algorytm wyznacza punkt DBP na podstawie wykryć SBP jako minimum lokalne w przedziale [SBP i 0.5s, SBP i ], przy spełnieniu warunku o spadku ciśnienia co najmniej 20 mmhg względem wartości SBP. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.11.. Rys.4.11. Schemat blokowy wykrywania DBP. 4.2.10. Detekcja DN Algorytm wyznacza punkt DN na podstawie wykryć SBP jako minimum lokalne w przedziale [SBP i, SBP i + 0.3s]. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.12.. 31

Rys.4.12. Schemat blokowy wykrywania DN. 4.2.11. Detekcja E Algorytm wyznacza punkt E na podstawie wykryć załamka S jako minimum lokalne w przedziale [S i, S i + 0.1s]. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.13.. Rys.4.13. Schemat blokowy wykrywania E. 32

4.2.12. Detekcja M Algorytm wyznacza punkt M na podstawie wykryć E jako minimum lokalne w przedziale [E i, E i + 0.125s]. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.14.. Rys.4.14. Schemat blokowy wykrywania M. 4.2.13. Detekcja D Algorytm wyznacza punkt D na podstawie wykryć M jako minimum lokalne w przedziale [M i, M i + 0.3s]. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.15.. Rys.4.15. Schemat blokowy wykrywania D. 33

4.2.14. Detekcja S2 Algorytm wyznacza punkt S2 na podstawie wykryć D. Zdarzenie D występuje na zboczu malejącym lub rosnącym drugiego piku tonu S2. Algorytm znajduje minimum lokalne przed drugim pikiem, po czym wyszukuje maksimum w przedziale 25ms na lewo od tego minimum. Schemat blokowy algorytmu pokazany jest na rysunku Rys. 4.16.. Rys.4.16. Schemat blokowy wykrywania S2. 4.3. Wyznaczanie parametrów hemodynamicznych i podokresów skurczu Wybrane interwały czasowe są określone w sposób przedstawiony na rysunku Rys.4.17.. Precyzyjne określenie powiązania pomiędzy zdarzeniami i interwałami jest konieczne dla prawidłowej analizy podokresów skurczu (a także dla dobrego porozumienia między osobami zajmującymi się analizą tych przebiegów). Przyjęto, że t(x i ) oznacza czas wystąpienia zdarzenia X i, gdzie i 34

oznacza numer interwału. Z poniższych wzorów wyliczone zostały analizowane w programie parametry hemodynamiczne i podokresy skurczu. Rys.4.17. Sygnały biologiczne, zdarzenia, interwały czasowe. Krzywe: od góry: elektrokardiogram, sfigmogram, fonokardiogram. Zdarzenia: Q (załamek Q) * ; E (początek wyrzutu krwi z lewej komory serca) o ; D (wcięcie dykrotyczne) x ; S2 (początek drugiego tonu spowodowany zamknięciem zastawki aortalnej) Δ. Interwały czasowe: PEP (okres przedwyrzutowy); Q-S2 (czas pomiędzy zdarzeniami Q i S2); Q-D (czas pomiędzy zdarzeniami Q i D); S2-D (czas pomiędzy zdarzeniami S2 i D); QQ (czas pomiędzy kolejnymi zdarzeniami Q). [opracowanie własne] Parametry hemodynamiczne: 1. skurczowe ciśnienie krwi: 2. rozkurczowe ciśnienie krwi: 3. średnie ciśnienie tętnicze krwi: 4. objętość wyrzutowa serca: SAP i =SBP i DAP i = DBP i t ( DBP i+1 ) BP(t)dt t (DBP MAP i = i ) RR i 35

5. pojemność minutowa serca: t ( DN i ) SV i = BP (t)dt t (DBP i ) CO i =SV i HR i 6. częstość kurczów serca: HR i = 60 RR i 7. naczyniowy opór obwodowy: TPR1 i (BP program)= MAP i CO i TPR2 i = MAP i HR i PP i Podokresy skurczu: 8. czas trwania cyklu serca: 9. czas przedwyrzutowy: RR i =t (R i +1 ) t (R i ) PEP i =t( E i ) t(q i ) 10. czas wyrzutu krwi z lewej komory serca: LVET i =t (S2 i ) t (E i ) 11. wskaźnik podokresów skurczowych lewej komory serca kurczliwości: STR i = PEP i LVET i 12. czas całego skurczu elektromechanicznego: EMC i =t(s2 i ) t (Q i ) EMC i = PEP i + LVET i Inne wskaźniki: 13. czas między załamkiem Q a wcięciem dykrotycznym (SFG): QD i =t (D i ) t (Q i ) 14. czas między początkiem wyrzutu a wcięciem dykrotycznym (SFG): 36

ED i =t (D i ) t (E i ) 15. czas między początkiem drugiego tonu a wcięciem dykrotycznym (SFG): 16. stosunek PEP do DBP: S2D i =t (D i ) t (S2 i ) PEP/ DAP i = PEP i DAP i 17. czas między załamkiem Q a maksimum załamka T: QTa i =t (Ta i ) t(q i ) 18. czas między załamkiem Q a końcem załamka T: 19. stosunek QT do EMC: QT i =t (T i ) t (Q i ) QT / EMC i = QT i EMC i 20. różnica ciśnienia skurczowego i rozkurczowego: 21. amplituda załamka T: PP i =SBP i DBP i amplitudat i =Ta i T i 22. czas między maksimum załamka P i załamkiem Q: PaQ i =t(q i ) t(pa i ) 4.4. Edycja Program posiada możliwość edytowania wykryć. Podstawową jej metodą jest przesuwanie wybranego punktu po przebiegu, aż do miejsca, w którym dany punkt powinien się znajdować. Drugą metodą jest dodanie brakującego/usunięcie błędnego punktu i dotyczy to wyłącznie załamków R. Nie ma potrzeby dodawania/usuwania innych punktów, ponieważ każda modyfikacja pojedynczego punktu powoduje automatyczne wyznaczenie innych punktów od niego zależnych w obrębie tego interwału. Jeśli przesunięty zostanie punkt S ponownie zostaną wyznaczone punkty: Ta, Pa, linia izo., T, E, M i D. 37

5. Funkcje programu Rozdział ten zawiera opis funkcji dostępnych w programie. Schemat funkcji programu znajduje się na rysunku Rys.5.1.. Rys.5.1. Schemat funkcji programu. 5.1. Okno główne programu Okno główne programu przedstawione zostało na rysunku Rys.5.2.. Elementy otoczone czerwoną ramką to obszar wykresu, a także suwak odpowiedzialny za przesuwanie osi czasu i pola umożliwiające określenie wyświetlanego zakresu i wartości środkowej (pola oznaczone na rysunku Rys.5.2. numerami 1 3). Żółta ramka otacza pole tekstowe, w którym znajduje się nazwa wczytanych sygnałów. Zielona ramka otacza panel 'Sygnały i zdarzenia', w którym znajdują się kontrolki umożliwiające wyświetlenie wykrywanych zdarzeń oraz sygnałów. Niebieska ramka otacza przyciski odpowiadające m.in. za wczytywanie sygnałów. Opis przycisków i pól: przycisk [Surowe] naciśnięcie powoduje otwarcie okna wyboru dla plików z sygnałami; przycisk [Edytowane] naciśnięcie powoduje otwarcie okna wyboru dla 38

plików zawierających zapisane wykrycia; przycisk [Analiza] naciśnięcie powoduje uruchomienie procesu detekcji zdarzeń na sygnałach, przycisk jest odblokowywany po wczytaniu sygnałów; przycisk [Edycja] naciśnięcie powoduje wyświetlenie panelu edycji umożliwiającej przesuwanie/dodawanie/usuwanie wykryć, przycisk jest odblokowywany po użyciu przycisku [Analiza]; przycisk [Zapisz] naciśnięcie powoduje zapisanie wyników analizy (wykryć), przycisk jest odblokowywany po użyciu przycisku [Analiza]; przycisk [Parametry] naciśnięcie powoduje otwarcie nowego okna, w którym wyświetlone są parametry hemodynamiczne i podokresy skurczu, przycisk jest odblokowywany po użyciu przycisku [Analiza]; pole wartości początkowej oznaczone nr 1 na rysunku Rys.5.2. umożliwia ustwienie wybranego punktu czasowego jako początku osi poziomej; pole wartości środkowej oznaczone nr 2 na rysunku Rys.5.2. umożliwia ustawienie wybranego punktu czasowego na środku osi poziomej; pole wartości końcowej oznaczone nr 3 na rysunku Rys.5.2. umożliwia ustawienie wybranego punktu czasowego jako końca osi poziomej. Po zmianie wartości w polu nr 2 następuje zmiana w polu 1 i 3 tak by zachowana została określona wcześniej (na podstawie wartości tych pól) szerokość okna czasowego. Rys.5.2. Okno główne programu. 39

5.2. Opis funkcji programu Uruchomienie programu wymaga zainstalowanego środowiska MATLAB. Należy rozpakować plik Program.rar, a następnie folder z programem wkleić do przestrzeni roboczej MATLABa, klikając prawym przyciskiem myszy w obszarze Current Folder (czerwona pętla na rysunku Rys.5.3.). Rys.5.3. Okno główne programu MATLAB. [opracowanie własne] Następnie należy otworzyć wklejony folder i w obszarze Command Window (zaznaczone zieloną pętlą na rysunku Rys.5.3.) wpisać słowo plik po czym nacisnąć na klawiaturze klawisz Enter w celu uruchomienia programu. 5.2.1. Sygnały wejściowe i wczytywanie danych Założeniem programu jest analiza 4 sygnałów rejestrowanych równolegle: elektrokardiogram, sfigmogram, fonokardiogram i krzywa ciśnienia tętniczego z palca. To wymusza na użytkowniku przygotowanie pakietu czterech plików z przebiegami. Każdy sygnał musi być zapisany w osobnym pliku, jako macierz dwukolumnowa, gdzie pierwsza kolumna zawiera znacznik czasowy wyrażony w sekundach, a druga kolumna to kolejne wartości próbek. Do poprawnego wczytania plików wymagane jest by separatorem kolumn był przecinek, wierszy znak nowej linii, a jako separator liczb dziesiętnych należy użyć kropki. Przykładowa zawartość pliku dla sygnału EKG oraz jej interpretacja przez środowisko MATLAB przedstawiona jest na rysunku Rys.5.4.. 40

Rys.5.4. Okno funkcji wbudowanej MATLABa interpretującej plik w formacie DAT. Czerwoną ramką zaznaczono zawartość pliku (kilka pierwszych jego wierszy); zielona ramką zaznaczono interpretację tego zapisu, gdy jako separator kolumn wybrano przecinek. [opracowanie własne] Wczytywanie danych Aby wczytać dane należy nacisnąć przycisk [Surowe] w celu wczytania samych przebiegów lub [Edytowane] by wczytać przebiegi wraz z zapisanymi wykryciami. Następnie w nowo otwartym oknie trzeba wyszukać pliki, które mają zostać wczytane. Nazewnictwo plików Plik zawierający sygnał, musi mieć rozszerzenie DAT. Nazwa pliku jest dowolna jednak ostatnie znaki są zarezerwowane dla kodu określającego rodzaj sygnału. Plik zawierający sygnał EKG musi nosić nazwę: nazwa_pliku EKG.dat. Plik zawierający sygnał krzywej tętna szyjnego musi nosić nazwę: nazwa_pliku SFG.dat. Plik zawierający fonokardiogram musi nosić nazwę: nazwa_pliku FKG.dat. Plik zawierający krzywą ciśnienia tętniczego musi nosić nazwę: nazwa_pliku BP0.dat. Kluczowe jest, aby nazwa_pliku we wszystkich 4 plikach była tym samym ciągiem znaków, ponieważ program po wskazaniu pliku pobiera jego nazwę i wczytuje wszystkie pliki, których nazwa różni się jedynie ostatnimi 3 znakami przed kropką i rozszerzeniem. 5.2.2. Analiza Analizę uruchamia się poprzez naciśnięcie przycisku [Analiza] i wykonuje się ona automatycznie bez angażowania użytkownika w proces detekcji. Kolejność 41

wykrywanych zdarzeń przedstawiona jet na rysunku Rys.4.1.. Po wczytaniu surowych sygnałów, a przed uruchomieniem analizy użytkownik może przeglądać jedynie przebiegi sygnałów. Przyciski umożliwiające przeglądanie wykryć podobnie jak przyciski [Edycja], [Zapisz], oraz [Parametry] są zablokowane. Po przeprowadzeniu analizy sygnałów są one odblokowywane. Dane edytowane, oprócz sygnałów zawierają także zapisane wcześniej wykryte zdarzenia charakterystyczne. Dla danych modyfikowanych od razu po wczytaniu zostają odblokowane wszystkie opcje programu (wykrycia, edycja, prezentacja parametrów oraz opcja zapisu). Jeśli użytkownik naciśnie przycisk [Analiza] po wczytaniu danych edytowanych utraci wszelkie wprowadzone na wykryciach zmiany (przesuwanie, usuwanie, dodawanie wykryć) na skutek ponownej detekcji. 5.2.3. Prezentacja sygnałów i zdarzeń charakterystycznych Na rysunku Rys.5.2. zielonym kolorem zaznaczono panel umożliwiający wybór wyświetlanych na wykresie sygnałów i zdarzeń, który pełni również rolę legendy. Rys.5.5. Panel 'Sygnały i zdarzenia'. [opracowanie własne] Zaznaczenie / odznaczenie Zaznaczenie pola wyboru sygnału spowoduje wyświetlenie tego przebiegu na wykresie; odznaczenie tego pola usunięcie przebiegu. Wybranie pola wyboru zdarzenia spowoduje wyświetlenie zdarzenia. Jeżeli zaznaczenie pola wyboru zdarzenia nie zostanie poprzedzone wyborem sygnału, wówczas nastąpi 42

automatyczne wyświetlenie zarówno zdarzenia jak i sygnału, w którym to zdarzenie występuje. Odznaczenie zdarzenia, spowoduje jego usunięcie z zachowaniem na wykresie przebiegu sygnału. Odznaczenie sygnału powoduje jego usunięcie z wykresu i wszystkich jego zdarzeń. Na rysunku Rys.5.5. przedstawiono panel 'Sygnały i zdarzenia'. Można wyświetlić na wykresie dowolną kombinację zdarzeń i/lub sygnałów. Przykładowy wynik działanie programu pokazany jest na ryunku Rys.5.6.. Rys.5.6. Okno główne programu z wyświetlonymi sygnałami i zdarzeniami. [opracowanie własne] Oznaczenie zdarzeń na wykresie Każde zdarzenie ma przypisany sobie symbol na wykresie. Aby uzyskać informację o symbolu użytym do oznaczenia zdarzenia należy najechać kursorem na wybrane zdarzenie na panelu Sygnały i zdarzenia. Kolory przebiegów na wykresie są zgodne z kolorami ich nazw na panelu. 5.2.4. Prezentacja parametrów Wyznaczenie interwałów na podstawie wykryć uruchamiane jest przez naciśnięcie przycisku [Parametry]. Spowoduje to otworzenie nowego okna (Rys.5.7.), które zawiera: 2 ekrany: do wyświetlania parametrów (dolny) i przebiegu ciśnienia tętniczego (górny), pionowe przerywane linie na ekranach oznaczają granice odcinków minutowych, 43

przyciski do wyświetlania przebiegów parametrów (kwadratowe) oraz średnich dla przedziałów jednominutowych (okrągłe), przyciski [S] wywołujące analizę widmową dla parametrów RR i SAP, przycisk [Eksportuj] umożliwiający eksport wyników do arkusza kalkulacyjnego. Rys.5.7. Prezentacja parametrów hemodynamicznych i podokresów skurczu. [opracowanie własne] Eksport: Podczas eksportu generowany jest plik XLS z dwoma arkuszami: arkusz 1 zawiera wartości średnie minutowe wszystkich parametrów, arkusz 2 zawiera pełne przebiegi parametrów. Naciśnięcie przycisku [Eksportuj] spowoduje wyświetlenie okna z prośbą o podanie nazwy pliku indywidualnego, domyślnie ustawiona jest nazwa badanego więc wystarczy kliknąć zapisz. O tym czy eksport się powiódł czy też nie, użytkownik zostanie poinformowany odpowiednim komunikatem. 5.2.5. Analiza widmowa Analiza widmowa jest możliwa tylko dla dwóch parametrów RR (HRV) oraz SAP (BPV). Przebiegi dzielone są na odcinki 1 minutowe i każdy fragment jest 44

analizowany oddzielnie. Aby wywołać okno umożliwiające analizę należy nacisnąć przycisk [S] znajdujący się przy nazwie parametru RR i SAP w oknie Parametry. Nowo otwarte okno zawiera wykresy dla każdej minuty razem z wartościami parametrów analizy widmowej, a także 2 panele: 'Detrending' i 'Okno'. Na rysunku Rys.5.8. pokazane jest okno analizy widmowej. Rys.5.8. Wygląd okna analizy widmowej z przykładowymi przebiegami. Panel detrending umożliwia wybór metody usuwania trendu, na rysunku Rys.5.9. pokazany jest panel z tymi metodami. Rys.5.9. Panel 'Detrending'. Użytkownik ma do wyboru 2 opcje usunięcia trendu: trend liniowy (który jest wielomianem 1. stopnia) oraz trend wielomianowy (co najmniej 2. stopnia, a maksymalnie 10. stopnia). Można też wybrać opcję 'Brak', która nie powoduje zmiany sygnału. 45

Rys.5.10. Panel 'Okna'. Panel 'Okno' umożliwia wybór okna filtracji sygnału, na rysunku Rys.5.10. pokazany jest panel z możliwymi opcjami wyboru okna. Okno analizy widmowej zawiera również wykresy z prezentacją gęstości widmowej oraz wyznaczonymi parametrami VLF, LF, HF, oraz LF/HF. Wyniki dla poszczególnych minut zostały znormalizowane względem otrzymanych wyników dla minuty pierwszej. Na rysunku Rys.5.11. przedstawiony jest pojedynczy wykres z wynikami parametrów analizy widmowej. Rys.5.11. Wyniki analizy widmowej HRV. 5.2.6. Edycja Edycję uruchamia się przyciskiem [Edycja] (wciśnięty edycja aktywna). Po wciśnięciu tego przycisku obok listy sygnałów i wykryć pojawią się dodatkowe przyciski (Rys.5.12.). 46

Rys.5.12. Panel Sygnały i zdarzenia z włączonym panelem edycji. [opracowanie własne] Przyciski [e] oznaczają przesuwanie istniejących punktów, [d] dodawanie punktów, [u] usuwanie. Jak widać przyciski dodawania i usuwania dostępne są tylko dla załamków R jest tak dlatego, że po dodaniu brakującego punktu R automatycznie wyszukiwane są brakujące wykrycia. W celu edycji błędnie wykrytego punktu należy włączyć odpowiedni przycisk edycji znajdujący się obok nazwy edytowanego wykrycia: [e] przesunięcie [d] dodanie [u] usunięcie. 5.2.7. Zapis/odczyt Po zmodyfikowaniu wykryć żeby nie tracić poprawek należy nacisnąć przycisk [Zapisz], wyświetli się okno z pytaniem o nazwę pliku do zapisu. Domyślnie ustawiona jest nazwa pliku i nie wolno modyfikować podanego członu, można jedynie dopisać znaki na końcu nazwy. Jeśli nazwa zostanie zmodyfikowana na początku bądź w środku nie będzie można wczytać pliku. 47

6. Testowanie programu Testowanie programu polegało na obserwacji przebiegów biologicznych i wykrytych zdarzeń, a następnie porównaniu wzorcowych wykryć z tymi, które otrzymano w wyniku analizy. Wzorcowe wykrycia zdarzeń zostały przedstawione w podrozdziale 2.4. Testowanie algorytmów wykrywania zdarzeń charakterystycznych zostało przeprowadzone na przebiegach zarejestrowanych u osób zdrowych oraz cierpiących na chorobę Parkinsona. Ponadto, sprawdzona została poprawność edycji wykryć, wyznaczanie parametrów hemodynamicznych i podokresów skurczu. 6.1. Badani i rejestracje Rejestracje użyte do testów zostały podzielone na dwie grupy: grupa 1 rejestracje pochodzące od młodych zdrowych osób, grupa 2 rejestracje pochodzące od osób starszych cierpiących na chorobę Parkinsona. W każdej grupie rejestrowany był sygnał EKG i ciśnienie na palcu (BP). Grupa 1 ma dodatkowo rejestrację fonokardiogramu i krzywą ciśnienia tętniczego szyjnego. Badania zostały przeprowadzone podczas spoczynku (2 minuty) i podczas ściskania handgripu. Handgrip ściskano z siłą, która stanowiła 30% wartości maksymalnej siły uzyskanej przez badanego (2 minuty). W obu grupach analizowano po 5 odcinków dwuminutowych podczas spoczynku i tyle samo podczas wysiłku. Testy algorytmów na Grupie 1 przeprowadzono dla 14 zdarzeń na 4 sygnałach: EKG załamki: P, Q, R, S, T, koniec T, linia izoelektryczna; BP ciśnienie rozkurczowe (DBP), skurczowe (SBP) oraz wcięcie dykrotyczne (DN); SFG początek wyrzutu krwi z lewej komory serca (E), maksimum lokalne następujące po zdarzeniu E (M) oraz wcięcie dykrotyczne (D); FKG początek tonu S2. Testy algorytmów na Grupie 2 przeprowadzono dla 10 zdarzeń na 2 sygnałach: EKG - załamki: P, Q, R, S, T, koniec T, linia izoelektryczna; BP ciśnienie rozkurczowe (DBP), skurczowe (SBP) oraz wcięcie dykrotyczne (DN). 48

6.2. Wyniki wykrywania zdarzeń charakterystycznych Wyniki przedstawione są w formie tabel, gdzie: pierwsza kolumna zawiera nazwy analizowanych punktów charakterystycznych; liczba cykli liczba cykli pracy serca w badanym przedziale czasu (2 minuty); błędne liczba błędnych detekcji; liczba trafień różnica wartości kolumn liczba cykli oraz błędne; hit rate [%] - współczynnik trafień wyznaczony jako stosunek liczby trafień do liczby cykli i wyrażony w procentach. Tabele Tabela 6.1-20 zawierają wyniki analizy dla pojedynczego pliku z podziałem na spoczynek i wysiłek. 6.2.1. Grupa 1 Testowane są wszystkie wykrycia na 4 sygnałach. Badanie w spoczynku Tabela 6.1. Wyniki uzyskane dla Badanego nr 1. Badany 1 liczba cykli błędne liczba trafień hit rate [%] załamek R 126 0 126 100 załamek Q 126 0 126 100 załamek S 126 0 126 100 maksimum załamka T 126 0 126 100 koniec załamka T 126 0 126 100 maksimum załamka P 126 0 126 100 linia izo. 126 0 126 100 DBP 126 0 126 100 SBP 126 0 126 100 DN 126 0 126 100 E 126 0 126 100 M 126 0 126 100 D 126 0 126 100 S2 126 15 111 88,1 49

Tabela 6.2. Wyniki uzyskane dla Badanego nr 2. Badany 2 liczba cykli błędne liczba trafień hit rate [%] załamek R 120 0 120 100 załamek Q 120 0 120 100 załamek S 120 0 120 100 maksimum załamka T 120 0 120 100 koniec załamka T 120 0 120 100 maksimum załamka P 120 0 120 100 linia izo. 120 0 120 100 DBP 120 0 120 100 SBP 120 0 120 100 DN 120 0 120 100 E 120 0 120 100 M 120 0 120 100 D 120 0 120 100 S2 120 27 93 77,5 Tabela 6.3. Wyniki uzyskane dla Badanego nr 3. Badany 3 liczba cykli błędne liczba trafień hit rate [%] załamek R 119 0 119 100 załamek Q 119 0 119 100 załamek S 119 0 119 100 maksimum załamka T 119 0 119 100 koniec załamka T 119 0 119 100 maksimum załamka P 119 0 119 100 linia izo. 119 0 119 100 DBP 119 0 119 100 SBP 119 0 119 100 DN 119 0 119 100 E 119 2 117 98,32 M 119 2 117 98,32 D 119 2 117 98,32 S2 119 22 97 81,51 50

Tabela 6.4. Wyniki uzyskane dla Badanego nr 4. Badany 4 liczba cykli błędne liczba trafień hit rate [%] załamek R 133 0 133 100 załamek Q 133 0 133 100 załamek S 133 0 133 100 maksimum załamka T 133 0 133 100 koniec załamka T 133 13 120 90,23 maksimum załamka P 133 0 133 100 linia izo. 133 0 133 100 DBP 133 0 133 100 SBP 133 0 133 100 DN 133 0 133 100 E 133 0 133 100 M 133 0 133 100 D 133 0 133 100 S2 133 15 118 88,72 Tabela 6.5. Wyniki uzyskane dla Badanego nr 5. Badany 5 liczba cykli błędne liczba trafień hit rate [%] załamek R 125 0 125 100 załamek Q 125 0 125 100 załamek S 125 0 125 100 maksimum załamka T 125 0 125 100 koniec załamka T 125 1 124 99,2 maksimum załamka P 125 1 124 99,2 linia izo. 125 1 124 99,2 DBP 125 0 125 100 SBP 125 0 125 100 DN 125 0 125 100 E 125 1 124 99,2 M 125 0 125 100 D 125 0 125 100 S2 125 10 115 92 51