AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. St. Staszica w Krakowie WEAIiE, Katedra Automatyki Laboratorium Biocybernetyki Przedmiot: Przetwarzanie sygnałów w systemach diagnostyki medycznej. Temat projektu: Obliczenie dyspersji odcinka QT. QT_DISP Wykonali: Dorota Papciak, Paweł Srebrny V rok IS konsultant: Piotr Augustyniak Wersja 1.4 Kraków, styczeń 2010 1
Spis treści: 1 Abstract... 3 2 Wstęp... 4 2.1 Cele i założenia projektu... 4 2.2 Badania literaturowe... 4 3 Koncepcja proponowanego rozwiązania... 6 3.1 Uwarunkowania detektora... 6 3.2 Algorytm realizacji projektu... 6 3.3 Schemat działania algorytmu... 8 4 Rezultaty i wnioski... 9 5 Podsumowanie... 10 6 Literatura... 11 7 DODATEK A: Opis opracowanych narzędzi i metody postępowania... 12 8 DODATEK B: Realizacja proponowanego rozwiązania... 12 8.1 Metoda wyznaczania końca załamka T za pomocą stycznych... 12 8.2 Metoda wyznaczania końca załamka T za pomocą paraboli... 13 9 DODATEK C: Opis informatyczny procedur... 14 10 DODATEK D: Spis zawartości dołączonych nośników (CD ROMu)... 16 2
1 Abstract Realizacja projektu polega na zaimplementowaniu algorytmu wyznaczania długości odcinka QT (mierzonego od początku zespołu QRS do końca załamka T) w zapisie jednokanałowym i jego dyspersji (rozrzutu) w zapisie wielokanałowym. Projekt, zgodnie z wymaganiami, ma być kompatybilny ze strukturami opisu sygnału EKG i sterującymi. Komunikacja z pozostałymi projektami odbywa się poprzez pliki. Jakość detektora została przetestowana z użyciem zarejestrowanych sygnałow EKG. Analizie poddana zostaje jedna określona ewolucja serca, zarejestrowana współbieżnie w 12 kanałach elektrokardiogramu. Punktami odniesienia są globalnie wyznaczone: początek zespołu QRS oraz koniec załamka T oba określone wspólnie dla wszystkich kanałów. Natomiast dla obliczenia końca załamka T w pojedynczym odprowadzeniu zastosowane zostaną dwie techniki aproksymacyjne: metoda paraboli oraz metoda stycznej. Domyślnie wybraną została metoda stycznej ze względu na uzyskiwanie lepszych wyników, aczkolwiek użytkownik ma możliwość wyboru drugiej z metod. Rezultatem działania programu są struktury zawierające m.in. długości odcinka QT w każdym z kanałów oraz wielkość maksymalnej dyspersji wraz z referencjami do sygnału odnośnie kanałów, których ta różnica dotyczy. Ponieważ odcinek QT odgrywa decydującą rolę w diagnostyce serca poprzez reprezentację procesów repolaryzacyjnych zachodzących w sercu, odkrycie jego rozbieżności ma bardzo duże znaczenie w badaniu niejednorodności tych procesów. Zwrócenie na nie uwagi jest istotne ze względu na możliwość wczesnego wykrycia zagrożenia wystąpienia arytmii serca oraz migotania komór zjawisk bardzo niebezpiecznych dla życia człowieka. Słowa kluczowe: dyspersja odcinka QT, koniec załamka T, długość odcinka QT, diagnostyka serca 3
2 Wstęp 2.1 Cele i założenia projektu Należy zdawać sobie sprawę z tego, jak duże znaczenie w leczeniu chorób serca ma prawidłowa diagnostyka zjawisk zachodzących w tym organie. Dzięki temu, że pobudzenia mięśnia sercowego charakteryzują się synchronizacją, poszczególne fazy skurczu mogą być wyraźnie reprezentowane przez zjawiska elektryczne. Z pomocą takich urządzeń jak elektrokardiografy, jesteśmy w stanie nie tylko zobaczyć cykl pracy serca, ale także zmierzyć jego pewne parametry. Wiedza ta, natomiast, pomaga w określeniu stanu, w jakim znajduje się serce pacjenta, ocenie poprawności jego działania i możliwych niebezpieczeństw, a to pomaga przecież zarówno w profilaktyce, leczeniu, jak i także szybkiej interwencji, ratującej wiele razy życie człowieka. Ze standardowego 12-odprowadzeniowego EKG możemy odczytać wiele informacji diagnostycznych, jak np. określenie osi serca, zlokalizowanie i obliczenie długości załamków, wyznaczenie ilości typów morfologicznych, itp. Zadaniem naszego projektu jest określenie długości odcinka QT w każdym z odprowadzeń i jego dyspersji (rozrzutu) w zapisie wielokanałowym. Projekt ma zwracać także referencję do sygnału odpowiednich kanałów, których ta dyspersja dotyczy oraz jego działanie musi zostać przetestowane z użyciem zarejestrowanych sygnałow EKG. 2.2 Badania literaturowe Rozproszenie odstępu QT[1], mierzonego najczęściej jako różnica między najdłuższym i najkrótszym QT w danym zapisie, to QTD. Odzwierciedla ono niejednorodność przestrzenną (tzw. spatial, ocenianą w czasie tego samego pobudzenia) repolaryzacji. Największa dyspersja występuje u chorych z zawałem serca powikłanym migotaniem komór. Ten prosty i dostępny parametr może być wartościowym wskaźnikiem niestabilności elektrycznej, a zatem zagrożenia nagłą śmiercią sercową. Wydłużenie odcinka QT stanowi dobry marker zaburzeń rytmu i zagrożenia nagłym zgonem także w wielu niekardiologicznych stanach chorobowych, na przykład u osób z poalkoholowym uszkodzeniem wątroby, u których pomiar QT powinien być elementem wstępnej oceny przy rozpatrywaniu ewentualnej transplantacji tego narządu. Pacjenci z wykrytą zmiennością załamka T wykazują 5-krotnie większą tendencję do częstoskurczów komorowych wywołanych w czasie badania elektrofizjologicznego w stosunku do chorych bez tej zmienności. Zmienność załamka T jest więc statystycznie znamiennym wskaźnikiem zagrożenia arytmiami komorowymi. 4
Jak zostało podkreślone w [1], dotychczas identyfikowano głównie epizody występowania zmienności załamka T widoczne gołym okiem w EKG. Wprowadzenie metody diagnostyki komputerowej polegającej na automatycznej detekcji niskoamplitudowej pozwala na identyfikację zmian niewidocznych w EKG konwencjonalnym. Dotychczasowe wstępne doświadczenia w identyfikacji niskoamplitudowej zmienności załamka T wykorzystują metody szybkiej transformacji Fouriera, autoregresji, autokorelacji lub zespolonej demodulacji. Określenie skuteczności tych technik oraz ocena znaczenia prognostycznego zmienności załamka T wymaga jednak dalszych badań, przeprowadzonych w różnych grupach pacjentów. Długość odstępu QT zależy od częstości rytmu serca, ale dotychczas nie znaleziono dobrego algorytmu opisującego tę zależność. Najpowszechniej w praktyce klinicznej ([2]-[3]) stosuje się wzór opracowany przez Bazetta do skorygowania (ujęcia względnego) tej wielkości: QTc = odstęp QT odstęp RR. Jest to wskaźnik złego rokowania w ogólnej populacji osób z chorobą serca. Powinien on być mniejszy niż 0.44ms w przypadku mężczyzn i 0.46 w przypadku kobiet inaczej (jeśli QTc > 0,6ms) istnieje poważne ryzyko nagłego zgonu z powodu częstoskurczu komorowego. Niestety, wskaźnik ten nie jest obiektywny skorygowane w ten sposób wartości QT są zaniżone przy wolnej częstości rytmu serca, a zawyżone przy tachykardii. Algorytmy stosowane w standardowych aparatach EKG dostarczają wartości zarówno nieskorygowanych, jak i skorygowanych odstępów QT. Jeśli komputerowy pomiar nieskorygowanego odstępu QT potwierdzi się pomiarem ręcznym, to lekarz może się oprzeć na wartości skorygowanej według algorytmu. Ponieważ koniec załamka T często jest niewidoczny, kardiomonitory nie mają algorytmów do mierzenia odstępów QT i wydają dźwięk alarmowy podczas wydłużania się odstępu QT; pomiar ręczny jest więc niezbędny. Także w przypadku pracy [3] zastosowano półautomatyczny algorytm wyznaczania QTD, w którym odstępy QT w poszczególnych odprowadzeniach wyznacza się automatycznie, a wybór najkrótszego i najdłuższego odstępu z możliwością ewentualnej weryfikacji wzrokowej poprawności pomiarów odstępów QT pozostawiono operatorowi. W [4] przedstawiono całkowicie automatyczną diagnostykę sygnału EKG, przeprowadzaną po zakończeniu rejestracji i bez konieczności interakcji z operatorem. W przypadku błednej interpretacji, analiza musi zostać wykonana ponownie (z użyciem innych parametrów początkowych) lub cały zapis EKG musi zostać jeszcze raz zarejestrowany (jeśli sygnał jest złej jakości). Wyniki przeprowadzonej analizy umieszczane są w postaci graficznej lub 5
tekstowej na drukarce rejestratora lub zostają przesłane odpowiednim urządzeniom zewnętrznym. Ponieważ jednym z założeń naszego projektu jest to, by był on częścią analizatora, działającego w sposób opisany w [4], wykorzystamy podejście obliczania długości i dyspersji odcinka QT w sposób przedstawiony właśnie w tej pracy. 3 Koncepcja proponowanego rozwiązania 3.1 Uwarunkowania detektora Przed rozpoczęciem realizacji zadania, należy zwrócić uwagę na pewne uwarunkowania, które muszą zostać uwzględnione przy budowie naszego systemu analizującego. Są to następujące elementy[4]: jedynie współbieżnie rejestrowane kanały elektrokardiogramu mogą być przedmiotem analizy dyspersji punktem odniesienia jest początek zespołu QRS wyznaczony wspólnie dla wszystkich analizowanych kanałów koniec załamka T obliczony wspólnie dla wszystkich kanałów może być punktem wyjścia dla obliczania indywidualnego położenia punktu końcowego załamka T w poszczególnych odprowadzeniach w obecności zakłóceń punkt końcowy załamka T może być wyznaczony bardzo niepewnie, w przypadku złej jakości sygnału należy odstąpić od wyznaczania dyspersji QT. 3.2 Algorytm realizacji projektu Następnym krokiem jest opracowanie algorytmu realizacji projektu. Przebiega on w następujących etapach: 1. Wczytanie zarejestrowanego sygnału z pliku do analizatora. 2. Odczytanie danych z pliku dające w rezultacie: a. określone położenie wybranej do analizy ewolucji serca b. początek zespołu QRS (QRS_start) danej ewolucji, wyznaczony globalnie dla wszystkich 12 odprowadzeń (wartość uśredniona) punkt ten staje się pierwszym punktem wyjścia do obliczenia wszystkich długości odcinka QT (tzn. odstępu QT w każdym z kanałów) 6
c. końce załamka T (T_end_p) danej ewolucji obliczone wspólnie dla wszystkich 12 kanałów, ale przy pomocy 12 różnych programów wyznaczenie wartości uśrednionej z nich (T_end), która staje się drugim punktem wyjścia do obliczenia indywidualnych długości odcinka QT w każdym z kanałów d. wartości zarejestrowanego sygnału. 3. Dla każdego z odprowadzeń (i=1..12) i dla danego zapisu akcji serca wyznaczony zostaje metodą paraboli indywidualny koniec załamka T w każdym z kanałów[4]: a. wyznaczenie punktu o maksymalnej prędkości na zstępującym ramieniu załamka T (punkt A) b. obliczenie najlepiej dopasowanej paraboli do punktów chronologicznie późniejszych od punktu A, ale poprzedzających globalnie wyznaczony koniec załamka T (T_end) c. określenie wierzchołka paraboli punkt ten jest domniemanym końcem załamka T w i-tym odprowadzeniu (T_end_i). d. zmierzenie odstępu QT (QT_i) w i-tym odprowadzeniu jako odcinka od początku zespołu QRS (QRS_start) do wyznaczonego w podpunkcie c) końca załamka T (T_end_i): Rys.3.2.1 Schemat wyznaczania indywidualnego końca załamka T za pomocą paraboli[4] 4. Dla każdego z odprowadzeń (i=1..12) i dla danego zapisu akcji serca wyznaczony zostaje metodą stycznej indywidualny koniec załamka T w każdym z kanałów[4]: a. wyznaczenie punktu o maksymalnej prędkości na zstępującym ramieniu załamka T (punkt A) b. wyznaczenie stycznej do zstępującego ramienia załamka T w punkcie A 7
c. obliczenie punktów przecięcia przez styczną linii izoelektrycznej i poziomu maksimum T (B i C) d. odłożenie za punktem przecięcia izolinii przez styczną odcinka od wystąpienia maksimum T do przecięcia stycznej (BD=CE) e. koniec odcinka (CE) na izolinii wyznacza koniec załamka T w i-tym odprowadzeniu (T_end_i) f. zmierzenie odstępu QT (QT_i) w i-tym odprowadzeniu jako odcinka od początku zespołu QRS (QRS_start) do wyznaczonego w podpunkcie e) końca załamka T (T_end_i): Rys.3.2.2 Schemat wyznaczania indywidualnego końca załamka T za pomocą stycznej[4] 5. Obliczenie dyspersji QTD zgodnie z definicją jako różnicy między najdłuższym a najkrótszym odstępem QT ze wszystkich obliczonych indywidualnie dla każdego z odprowadzeń. W zależności od tego, jaką metodę wybraliśmy, program policzy dyspersję metodą stycznych lub paraboli. 6. Zwrócenie wyników: a. listy długości odcinków QT w każdym z kanałów b. wartość maksymalnej dyspersji wraz z jej referencjami do sygnału odpowiednimi numerami odprowadzeń. 3.3 Schemat działania algorytmu Schemat działania algorytmu, opisanego w poprzednim punkcie pracy, przedstawia się następująco: 8
Rys. 3.3.1 Schemat działania analizatora 4 Rezultaty i wnioski W naszym programie postanowiliśmy zrealizować obliczanie indywidualnego końca załamka T za pomocą obu metod, aby uzyskać jak najlepsze wyniki. Obie metody działają sprawnie i ich wyniki są do siebie zbliżone. W przypadku metody stycznych dostajemy mniejsze rozbieżności w odcinkach QT tak, że dyspersja i ich odchylenie standardowe jest mniejsze niż w przypadku obliczania za pomocą paraboli. Tak więc w programie domyślną metodą jest metoda stycznych, aczkolwiek jest możliwość liczenia metodą paraboli. Uzyskane przez nas wyniki były najbardziej wiarygodne i miarodajne, gdy zajmowaliśmy się sygnałem, który ma dobrą jakość, tzn. widać załamek T i można łatwo spostrzec jego koniec 9
( na oko ). Tam gdzie jest on niewyraźny, algorytm radzi sobie niezbyt dobrze, czasem dość poprawnie, a czasem mniej. Jest to spowodowane tym, że przy niektórych zapisach EKG, nawet gołym okiem trudno jest zlokalizować interesujące nas elementy. W takich przypadkach wyniki mogą się znacznie różnić się od siebie. 5 Podsumowanie Od długiego czasu, wartość dyspersji QT określa się jako nieinwazyjny czynnik zagrożenia nagłym zgonem sercowym. Oczywiste jest więc, dlaczego tak istotną wagę przywiązuje się właśnie do tego elementu diagnostyki serca. Niestety, wiarygodna ocena QTD stwarza wiele problemów technicznych wynikających z trudności samego pomiaru odstępu QT (załamek U, niska amplituda załamka T). Metoda manualna pomiarów jest bardzo czasochłonna i uciążliwa, a automatyczne metody oceny QT, korzystające z różnych algorytmów, niestety są jeszcze również niedoskonałe. Dodatkowo, chociaż w najnowszych doniesieniach rozważa się, czy 12-odprowadzeniowy standardowy zapis EKG jest właściwą metodą obrazującą zróżnicowanie czasu trwania repolaryzacji mięśnia sercowego, to jednak dotychczas, pomimo wielu badań w tym zakresie nie wykazano przewagi innej metody nieinwazyjnej, służącej do oceny dyspersji QT. 10
6 Literatura [1] Czerwińska M., Nagła śmierć sercowa badania służące do oceny ryzyka zagrożenia nagłym zgonem, http://www.piwencjusz.republika.pl/prace/praca_nss/spis_tresci.html [2] Średniawa B., Zachowanie się dyspersji QT pod wpływem angioplastyki wieńcowej w chorobie niedokrwiennej serca, Via Medica 2003, ISSN 1507 4145 [3] Markuszewski L., Zmienność dobowa dyspersji QT u pacjentów z chorobą wieńcową, Via Medica 2005, ISSN 1507 4145 [4] Augustyniak P., Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych, Uczelniane Wydawnictwa AGH, Kraków 2001, ISBN 83-88408-37-2 11
7 DODATEK A: Opis opracowanych narzędzi i metody postępowania Nasz program pozwala na wyliczenia długości odcinków QT w każdym z indywidualnych kanałów zapisu sygnału EKG, a także ich dyspersji. Ponadto oblicza średnią danych odcinków i ich odchylenie standardowe. Wraz z pozostałymi istotnymi informacjami na ten temat (referecja do sygnału, położenie analizowanej ewolucji serca), umożliwia zapisywanie ich do pliku w odpowiedniej formie, jak również pokazanie natychmiastowo wyników na konsoli. Aby uruchomić program, który testuje dany sygnał, należy na liście parametrów ustawić kolejno: ścieżke do pliku z sygnałem MO1_XXX.DCD ścieżke do pliku z plikiem podsymowującym MRESULTS.DCD trzeci parametr określa, jaką metode mamy użyć: jeśli parametr niewystępuje użyta jest domyślnie metoda stycznych, podanie parametru dowolnego powoduje użycie metody paraboli. Program był implementowany oraz testowany w środowisku Windows XP, przy użyciu kompilatora mingw. Dane, które są na wejściu do programu są zapisane w postaci jako pliki sygnałów.dcd oraz plik z ich podsumowaniem MRESULTS.DCD. Wyniki jakie dostajemy, są przedstawione na konsoli oraz zapisane do pliku. 8 DODATEK B: Realizacja proponowanego rozwiązania Program jest napisany w języku C bez użycia innych bibliotek tak, że może być rozwijany pod każdym systemem operacyjnym. Program posiada kilka głównych funkcji: funkcje do odczytywania plików DCD tak, aby była możliwa dalsza analiza sygnału oraz odczytanie jego dodatkowych parametrów z pliku podsumowującego funkcje do wyznaczania poszczegolnych końców załamka T dla danego odprowadzenia przy danej ewolucji serca; funkcja jest napisana dla dwóch metod: stycznych i paraboli 8.1 Metoda wyznaczania końca załamka T za pomocą stycznych Metoda stycznych działa następująco: Wyznaczamy punkt maksimum T, a następnie punkt maksymalnej prędkości na punktach chronologicznie późniejszych od maksimum T. Ten punkt obliczamy za pomocą kolejnych 12
otoczeń punktów, badamy maksymalną różnicę lewego otoczenia punktu z prawym otoczeniem punktu maksymalna wartość wskazuje nam szukany punkt. Następnie wyznaczamy parametr a naszej stycznej. Linia izoelektryczna jest uśrednieniem punktów za załamkiem T. Posiadając styczną, obliczamy odcinek poziomy miedzy wierzchołkiem T a styczną, dany odcinek dodajemy do przecięcia sie izolinii ze styczną i otrzymujemy interesujący nas koniec załamka T obliczony w danym odprowadzeniu. Poniżej zestawione wyniki wraz wykresem w Matlabie: Rys. 8.1.1 Wykres wyniku dla metody stycznej 8.2 Metoda wyznaczania końca załamka T za pomocą paraboli Metoda paraboli polega kolejno na wybraniu punktu maksymalnej prędkości podobnie jak w metodzie stycznych. Wybieramy trzy punkty za znalezionym punktem a, a przed globalnie wyznaczonym końcem załamka T. Następnie używając metody wyznaczników obliczamy kolejne parametry paraboli. Mając przede wszystkim parametr a i b jesteśmy w stanie wyznaczyć koniec załamka T, który leży na wierzchołku znalezionej paraboli. Żeby wyniki było bardziej wiarygodne, szukamy podobnej paraboli wybierając inne 3 punkty a wyniki uśredniamy. Poniżej zestawione wyniki wraz wykresem w Matlabie: 13
Rys. 8.2.1 Wykres wyniku dla metody stycznej Głównym problemem, przy obu metodach, jest jakość zapisanych sygnałów, ich szum, który pośrednio jest eliminowany poprzez uśrednianie sygnału. Również problem występuje, gdy sygnał nieposiada wyraźnego załamka T, wtedy algorytmy generują błędne wyniki. 9 DODATEK C: Opis informatyczny procedur Wszystkie ważniejsze funkcje w programie zostały szczegółowo opisane w kodzie źródłowym programu. Zostaną niżej przedstawione nagłówki ważniejszych funkcji i ich zastosowanie, jak i parametry wejścia wyjścia. /********************************************************************/ /* bool analizesignal */ /* Przeznaczenie: */ /* funcka sluzy do całościowej analizy badania sygnalu */ /* Argumenty funkcji: */ /* char *signal_name- jest to ścieżka do pliku z sygnałem */ /* który bedziemy analizować */ /* char *results_name ścieżka do pliku z podsumowaniem */ /* sygnałów */ /* Funkcja zwraca: */ /* funkcja zwraca wartość logiczna bool, */ /* wartość określa czy analiza sygnału została poprawnie */ /* przeprowadzona */ /* Uzywane funkcje: */ /* loadsignal ładuje plik z sygnałem */ 14
/* loadresultforsignal ładuje plik z podsumowaniem */ /* calculate_qrt_start oblicza poczatek QRS */ /* calculate_t_end oblicza uśrednione T z programów */ /* calculate_qt_disp oblicza końce załamków T dla każdego */ /* odprowadzenia, potem oblicza za pomoćą metody stycznych */ /* i paraboli dokładne końce T a następnie wylicza dla nich */ /* dyspersję oraz odchylenie standardowe */ /* Uzywane zmienne: */ /* data jest to struktura do której zapisujemy wszystkie */ /* wyniki */ /* Autor: */ /* Dorota Papciak, Paweł Srebrny V,IS */ /********************************************************************/ /********************************************************************/ /* bool analizechannel */ /* Przeznaczenie: */ /* funcka sluzy analizy danego kanału */ /* Argumenty funkcji: */ /* int channel- jest to numer odprowadzenia ktorym sie */ /* zajmujemy */ /* Funkcja zwraca: */ /* funkcja nic niezwraca ale uzupełnia pewne istotne wartosci */ /* globalne */ /* Uzywane funkcje: */ /* find_izo_y szuka polozenia lini izoelektrycznej */ /* find_local_maximum szuka lokalnego ekstremum na załamku T */ /* find_grad_point szuka punktu o maksymalnej predkosci */ /* find_a oblicza parametr a dla stycznej na załamku T */ /* Autor: */ /* Dorota Papciak, Paweł Srebrny V,IS */ /********************************************************************/ /********************************************************************/ /* int find_t_end_parabola */ /* Przeznaczenie: */ /* funcka sluzy do wyznaczania dokładnego punktu końca załamka T */ /* korzystamy tutaj z metody wyznacznikow aby dopasowac parabole */ 15
/* Funkcja zwraca: */ /* funkcja zwraca wartość int, */ /* wartość jest dokładną pozycją końca załamka T policzoną */ /* metodą paraboli */ /* Uzywane funkcje: */ /* find_t_end uzyta jako punkt odniesienia do szukania konca */ /* zalamka T, funkcja szuka tego punktu metoda stycznych */ /* Uzywane zmienne: */ /* grad_point punkt po którym wybieramy 3 punktu z uśerednionego*/ /* sygnału, dla których obliczamy wyznacziki paraboli */ /* W wyznacznik głowny */ /* a_w wyznacznik parametru a */ /* b_w wyznacznik parametru b */ /* c_w wyznacznik parametru c */ /* Autor: */ /* Dorota Papciak, Paweł Srebrny V,IS */ /********************************************************************/ 10 DODATEK D: Spis zawartości dołączonych nośników (CD ROMu) 1. Folder SRC wraz z kodem źródłowym programu oraz całym projektem. 2. Folder Raport wraz z dokumentacją (raportem) projektu w wersji docx, doc i pdf. 3. Folder Prezentacja wraz z prezentacją programu w wersji pptx, ppt i pdf. 16