S eria: A U T O M A T Y K A z. 61 Nr kol. 701
Ernest CZOGAŁA Adam GACEK Marek POCIASK
PRZETWARZANIE SYGNAŁU EKG W WIDEOMONITOROY/YM SYSTEMIE INTENSYYiNEGO NADZORU KA RD IO LO GI CZ NE GO
S t r e s z c z e n i e . W pracy omówiono pewnę koncepcję systemu in tensyw
nego nadzoru kardiologicznego, bazujęcę na ze stawie "inteligentnego"
monitora z reżimem graficznym. Pr ze dstawiono proces prze ks zt ał ca
nia sygnału EKG w systemie przy wykorz ys ta ni u transformacji AZ TE C do redukcji danych źródłowych. Omów io no zasady wykrywania zespołów ORS i określania podstawowych parametrów przebiegu EKG, w y ko rz ys ty
wanych do nadzoru rytmu i pr ze wodnictwa u pacj en tó w na oddziałach intensywnego nadzoru.
. 1 / , I ■ . ■
1. Wp ro wa dz en ie
Intensywny nadzór chorych w stanach zagrożenia życia zainicjowany w poczętkach lat sześćdziesiątych stanowi w dalszym cięgu jeden z na ji st ot
niejszych czynników obniżających śmiertelność wśród tej grupy h o sp it al i
zowanych pacjentów. Do tyczy to szczególnie oddz ia łó w intensywnego nadzoru kardiologicznego, gdzie według danych statycznych śmiertelność we wc ze s
nym okresie po ostrym zawale mięśnia sercowego zmniejsza się o połowę dzięki za st ósowaniu urzędzeń do intensywnego nadzoru.
Produkcję krajowej aparatury do intensywnego nadzoru rozpoczęto w Z a kładach Elektronicznej A p ar at ur y Medycznej w Zabrzu przed około dz ie si ę
ciu laty. Obecna oferta Zakładów obejmuje kompletno wyposażenie sal in
tensywnego nadzoru. Dotychczas wyposa żo no ponad 270 oddziałów intensywne
go nadzoru, w tym ponad 50 poza granicami kraju.
Prace bada wc zo -r oz wo jo we w tym zakresie prowad zo ne przez Ośrodek Ba
dawc zo -R oz wo jo wy Elektronicznej Ap a r a t u r y Medycznej przy współp ra cy z sze
regiem Jednostek klinicznych i technicznych zmierzaję w dwóch z a sa dn i
czych kierunkach: ,
- zastosowanie n o w y c h m e t o d pomiaru pa ra me tr ów biologicznych pacjenta w miarę rozwoju nauk medycznych i postępu w technologii wytwarzania c z u j ników i aparatury e l e k t r o n i c z n e j ,
- zastosowanie technik komputerowych do przetwarzania i gromadzenia infor
macji i danych pomiarowych dla potrzeb intensywnego nadzoru. >
108 E. Czogała 1 inni
Niniejsza praca pr ez en tu je pewnę koncepcję zastosowania "inteligent
nej" Jednostki sterujęcej do nadzoru zaburzeń rytmu i przewodnictwa u p a cj entów na oddziałach intensywnego nadzoru kardiologicznego.
2. Punkcie 1 pr ze znaczenie systemu
Pr op onowany system nadzoru ka rd io lo gi cz ne go pr ze zn ac zo ny jest do bie- żęcej kontroli przebiegu EKG. Konstrukcja systemu umożliwia zastosowanie go J a k o u
- au tonomicznego 3ystemu nadzoru kardiologicznego,
- podsystemu do nadzoru p a ra me tr ów EKG w systemie intensywnego nadzoru o- g ó l n e g o ,
- podsystemu nadzoru kardio lo gi cz ne go włęczonego w centralny system in
formatyczny s z p i t a l a .
Założono, że system będzie realizował następujęce funkcje:
- odbiór sygnału EKG od kilku pacj en tó w (czterech), konwersja A / C pr ze
biegu oraz ws tę pn e pr ze twarzanie celem zapamiętania,
- n a d z o r o w a n i e w czasie rzeczywistym pa ra me tr ów przebiegu takich Jak:
częstotliwość, szerokość zespołu QRS, odstęp R-R , amplituda ORS itp.
oraz po ró wn yw an ie tych p a ra me tr ów z wartościami wzorcowymi ustalonymi dla danego pacjenta,
- automatyczna aktualizacja wartości wzorcowych, - sygnalizacja st an ów alarmowych,
- rejestracja przebi eg ów EKG w stanach alarmowych, - z a p a m i ę t a n i e tendencji zmian nadzorowanych parametrów,
- prezentacja na ekranie monitora pr ze bi eg ów EKG; przebiegu zarejestrowa
nych tendencji w a r t oś ci mierzonych parametrów, - możliwość wy druku danych na drukarce.
3, Konfiguracja systemu
Podstawowę konfigurację systemu po kazano na rys. 1. Sy st em złożony Jest z ze st aw ów pr zy łóżkowych przeznaczonych do odbioru i prezentacji sy
gnału EKG, adaptera sp ełniajęcego rolę interfejsu z systemem wideomonitor, drukarka mozaikowa i stacja pamięci na dysku elastycznym.
Rys. 1, Konfiguracja w i d e om on it or ow eg o systemu intensywnego nadzoru kar
diologicznego
4. Pr ze twarzanie sygnału EKG w systemie
4.1. Kompresja danych
Sygnał EKG stanow ią cy informację wejściowę dla wi de om on it or ow eg o sy
stemu intensywnego nadzoru kardio lo gi cz ne go ulega w sy stemie trzem stop
niom transformacji pr ze ds ta wi on ym na rys. 2.
r i t 4.4
IKłBOOMOKTOR C M K -tO tll IASŁPTERI IKKROKOMFUTER WIOKMONTOBA I
Rys. 2, Tr ansformacja postaci Informacji w systemie
M i kr ok om pu te r systemu przetwarza informację w postaci zredukowanej. Po
dyktowane Jest to ograniczone pojemności? pamięci programów. Redukcja in
formacji. Je3t dokonywana w syst em ie według algorytmu A Z T E C [4]. Al go ry tm ten redukuje około dz ie si ęc io kr ot ni e ilość danych potrzebnych do opisu rejestrowanego sygnału, jedn oc ze śn ie forma za pisu informacji w postaci zredukowanej Jest wygodna do dalszej obróbki. Zg odnie z za sadami redukcji informacji przy pomocy algorytmu AZTEC, sk wa nt ow an y przebieg jest w tym przypadku sproks ym ow an y odcinkami poziomymi i ukośnymi. Odcinki poziome nazywane sę "liniami" lub " p l a te au” , a odcinki uk oś ne "z b o c z a m i ” rys. 3.
Każdy z tych el em en tó w aproksymuj.ęcych przebieg opisuję dwie wielkości:
wartość elementu i czas trwania.
110 E. Czogała i inni
jMA* ) ~ I A 'n a * ♦ t Lj *» n ts
, \ G R AN IC A
. I W S « W i m - W L o
is M K j-' Rys. 3. Zasada transformacji AZ TE K
Transformacja AZ T E C polega na sy stematyzowaniu (porządkowaniu), według i określonych kryteriów, zbioru danvch opisujących przebieg EKG w postaci s k w a n t o w a n e j . W wyniku tego uporządkowania uzyskuje się po dz bi or y danych spełniające kryteria przyjęte dla zdefiniowania elementów aproksymujących przebieg EKG. Po ds ta wo wy m elementem aproksymujęcym w transformacji AZTEC Jest "linia". Wy dz ie la ni e podzbioru danych ch ar ak teryzujących "linie"
przebiega następująco:
1. Pier ws zy element podzbioru stanowiący próbkę (skwantowanę amplitu- ) przebi«
p o d z b i o r u :
d ę ) przebiegu EKG, określa począt ko we ekstremalne wartości (VI ■min i W max)
O Wmin
2. Dla kolejnych próbek przebiegu EKG uaktualniane są wa rtości i W max w ten s Pos^ i3> że Pr<5bka o wa rtości VI i staje się nowym o g ra ni cz e
niem podzbioru. Jeżeli wartość ta leży poza pr ze działem ograniczanym po- przez poprzednie wartości ekstremalne. W . min i W max
W. = W „ <==> W. i < W . i VI >
. i e x t r . ^ ^ i r min. max.
3. Wartości ekstremalne spełniają warunek:
VI max - VI .min sS K,
natomiast pozostałe elementy podzbioru |W jJ spełniają warunek:
VI . < W. « VI
min i max O , .. . ,n
4. Podzbiór stanowi "linię" L Jeżeli dla kolejnej wa rtości Vi± dla któ
rej i » n zachodzą relacje:
l) W max - W min <£ K dla W * • { " i } o
2) W max - W . > K min dla W
Wartość W staje się nowę wartością poozętku dla następnego podzbioru.'' 5. "Linię" opisuję parametry zdefiniowane następująco:
wartość W L •• i (W + W . ) 2 max min
czas trwania tL = n. t9
g d z i e :
tg ■ okres próbkowania
przy czym każda wartość W^ należęca do podzbioru "Linii" spełnia waru
nek :
WL - W. K
2 * [5]
ok re ślajęcy interpolację liniowę zerowego rzędu z aperturę ^ [5].
6. W celu określenia pozostałych elementów aproksymujęcych przebieg EKG definiowane sę następujęce pojęcia:
"Platean" - Jest to "linia" Lj następujęca po "linii" Lo dla której tLJ > T
"Ekstremum" - jeet to "linia" LJ rozdzielaJęca dwie "linie" dla któ
rej spełniona Jest relacja:
[wLj+1 - W L j . [wLj - W L j . J ^ 0
"Granica"
"Zbocze"
- Jest to "linia" 3tanowięce "plateou" lub "ekstremum".
f 1 ‘n* 1
- jest to zbiór "linii" |Ljj zawarty między "grani
cami" Lo 1 Li 1 opisywany przez dwie wielkości.
wartość
czas trwania
WS - WL - W L n PI u n-1 ts - £ tLJ
d - 1
Podzbiory danych stanowięce "linie" wydzie lo ne przy pomocy algorytmu AZTEC opisywane sę w ostateczności dwoma wielkościami, które stanowię zre
dukowane dane pozwalajęce na aproksymację przebiegu EKG.
Para me tr y ch arakteryzujące "linie" i "zbocza" zapamiętywane sę dla dal
szej obróbki sygnału EKG w postaci par słów, z których Jedno określa
112 E. Czogała i inni
"wartość", a drugie "czas tr w a n i a ”. "Linie" od "zboczy" rozróżnia się zna
kiem przy wa rtości czasu trwania.
4,2. Wykrywanie zespołu ORS
wy kr yw an ie zespołu QRS polega na przeszukiwaniu zredukowanego zbioru danych stanowiącego zapis przebiegu EKG w postaci aproksymowanej . Pr zeszu
kiwanie odbywa się przedziałami. Określan ie -z es po łu QRS obejmuje dwie fa-
2V: /
1) określanie załank8 R,
2) określanie czasu trwania zespołu QRS.
Określanie załamka R - polega na wykr yc iu w pr zeszukiwanym pr ze dz ia le zbo
cze", którego wartość spełnia warunek:
WS > i . H A n
g d z i e :
H - wartość amplitudy załamka R w z or co we go zespołu QRS, A - współczynnik dopuszczalnej zmiany amplitudy załamka R.
Oeżeli w danym przedziale nie zostało znaleziona "zbocze" spełniające po
wyższe kryterium, wówczas poszukiwanie przedziału powtarza się z w i ę k szym ws półczynnikiem zm ia ny wa rtości amplitudy załamka R.
Określanie czasu trwania zespołu QRS - polega na wy kryciu "zboczy" ogra
niczających zespół QRS. Kryteria identyfikujące zespół QRS są n a st ęp uj ą
ce:
1. "Zbocza" og ra niczające zespół QRS muszą tworzyć kształt litery V i nie mogą być “poschodkowane". "Schodkowanie" zb oc zy zespołu QRS og ra ni
cza się warunkiem:
WL. W S < B . W S max
t L ' tS > C mln gdzie:
B - współczynnik dopuszczalnej zmiany wa rt oś ci " l in ii” lub "zbocza"
B < 1
C min ” oiniBlalny czas trwania "linii" lub "zbocza" i W S Bax- największa wartość "zbocza" w determinowanym zespole QRS.
2. "Zbocza" zespołu QRS muszą mieć wartość określoną warunkiem:
W S > B . WS__„
Sumujęc czas trwania "zboczy" i "linii" ograniczajęcych zespół QRS uzy
skuje się czas trwania zespołu. Ws półczynniki A, 8, C m ^n określane sę przez specjalistów el ek tr okardiologów i stanowię stałe parametry w proc e
sie analizy arytmii przebiegu EKG.
5. Stany alaramowe
W systemie wykrywane sę 1 sygnalizowane na dwóch poziomach stany al ar
mowe określone w tabeli 1. Wy kr yw an ie stanów alarmowych polega na spra w
dzeniu spełniania przez parametry nadzorowanego przebiegu określonych kry
teriów przedstawionych w tabeli 1.
Tabela 1 Stany alarmowe systemu
Poziom
alarmu Nr Rodzaj
alarmu K r y t e r i u m
I Stany kry
tycz
ne
1 Asy8tolia Brak zesp oł ów Q R S w cięgu 4 sekund 2 Fibrylacja
komorowa
"Migoczęcy" przebieg EKG - seria "zboczy"
w cięgu 4 sekund 3 Ekstremalna
bradycardia
Częstość akcji serca jest mniejsza od 40 uderzeń na minutę w cięgu 30 sekund 4 Ekstremalna
tachycardia komorowa
Częstość akcji serca jest większa od 150 uderzeń na minutę
5 “R na T" lnterv/ał R-R jest mpiejszy od 1/3 "normal
nego" R-R
II Stany ostrze
gawcze
6 Przedwczesne skurcze ko- morowe (VPQ)
Częstość VPB > 5/min. (szerokość QRS > 0,1 s e k . )
7 Przedwczesne skurcze nad- komorowe (S V P B )
Częstość SV PB > 5/min.
(szerokość QRS < 0 , 1 sek)
8 Bigeminia Wyst ęp ow an ie ponad 50% par QRS w cięgu minuty
9 Krytyczna czę
stość QRS
Pojawienie się ze społów ORS z częstościę przekraczajęcę zadane wartości graniczne 10 Art efakty Zakł óc on y sygnał EKG
114 E. Czogała 1 inni
c, ' ■
Przy sprawdzaniu kryteriów wy ko rzystywane sę następujące parametry pr ze
biegu EKG:
Dr r - interwał R-R
Hr - częstość akcji serca
& - szerokość trwania zespołu ORS.
6. Zakończenie
Wykorzystanie techniki mikrokomputerowej w systemach intensywnego nad
z o r u kardiologicznego pozwala na wyelim in ow an ie głównych wad konwencjo
nalnych systemów monitorujęcych do których należy zaliczyć:
- ograniczony zakres wykrywania zaburzeń rytmu i przewodnictwa,
- niemożliwość ńejestracji danych ilościowych w czasie rzeczywistym, w formie wygodnej do szybkiej interpretacji,
- brak możliwości wyliczania, określania i prezentacji trendów zmian nad
zorowanych parametrów,
- ograniczony zakres alarmowania stanów krytycznych i ostrzegawczych.
Wady te w znacznym stopniu eliminuje prozentowany w pracy wi de om on it or ow y system intensywnego nadzoru kardiologicznego z mi krokomputerowę Jednostkę przetwarzajęcę. Zastosowanie "inteligentnego" wi de omonitora jako ce ntral
nego urzędzenia monitorujęcego pozwala na wy el iminowanie w systemach in
tensywnego nadzoru, konwencjonalnych autonomicznych monitorów centralnych, rozszerzajęc przy tym zakres funkcji realizowanych w systemie. Efektywne wykorzystanie mikrokomputerowego zestawu wl de om onitorowego do n a dz or ow a
nia parametrów przebiegu EKG wymaga redukcji nadmiaru informacji zawartej w sygnale źródłowym. Pożędane rezultaty osięga się przez zastosowanie do tego celu jednej z metod kompresji danych, znanej jako transformacja AZTEC Pojawia się tu Jednak problem oceny wpływu stopnia redukcji informacji, na jakość monitorowania w 3ystemie, co decyduje o skuteczności di agnozo
wania lekarskiego.
L1TERATURA
[lj Systemy monitorowania - prospekt , Varlmex 1979.
[2] A compendium on automated arrhythmia detection - Hewlett Packard 1976.
[3] Recomendation for standarizatlon of instruments in el ectrocardiogra
phy and vectocardiogrephy. Report of Subcommittee Am er ic an Heart As- 30tlation, IEEE Trans. Biomedical Engineering Vol. 14, 1967.
[4] AZTEC - a Preprocessing Program for Real - Time ECG Rhythm Analysis.
ISEE Trans. Biomedical Engineering Vol. BME 2, No 2, April, 1968.
5] 1.". : Redundancy reduction - a practical method of data com- P-dc. IEEE v o k . 55, pp 253-263. March 1967.
[6] “S u gg es te d Mi ni mu m Performance Ch aracteristics of Data A q ul si ti on In
st ru mentation in Co mputer - A s s i s t e d ECG P r oc es si ng System" I, Elec- trocardiology Vol. 9, No 3, pp. 239-247, 1976.
Złożono w redakcji 11.0 3. 80 r. Recenzent
W formie ostatecznej 30 .03.80 r. Ooc. dr inż. O e r z y Kopka
I1PEOEPA30BAHHE CHFHAJIA SJIEKTPOKAPAHOrPAMMH HHTEHCHBHOrO lUPÄHOJlOrH'iECKOrO HAEJBQUEHHfl
P e si io u e
B
padole noKa3aHa HeKoiopaa KOHiienuHa CHCTena HHieBCHBHoro xap,nnojiorn- uecKoro HadJiiofleHHa ocHOsaHHaa Ha "HHiejiHreHTHOM1' BH^eo HOHHiope. Il0Ka3aH0 npouecc npeodpaaoBaHHH carnsuia 3Kr b 3Tofi CHOTeMe o Hcn,ojib30BaHHeK upeBpa- meHHa A Z T E K jyia peflyHHJiHpoBaHHa nepBHiHux AaHHbix. OroBopeHu ochobu noayae- HHa KOMiuieKca Q R S h onpeAexeHHH ochobhmx napaMerpoB xapaKTepHCTHKH 3KP npH- MeHaeMux flaa Ha6jno.ąeHHH pHiua h npoBO^HMOcTH y Öojibhhx b naaaTax hhtchchb—Horo Hafl30pa.
A P R OC ES SI NG OF E C G SIGNAL IN THE VIOE OM ON IT OR IN G INTENSIVE CARE SYSTEM
S u m m a r y
The paper deals wi th a c o n c e p t 1 of the intensive care system basing on the intelligent vide om on it or set. A pr ep ro ce ss in g of ECG signal by use of the A T Z E C transformation in order to reduce a source data is presented.
There are discussed the principles of Q R S complex detection and de te rm i
nation of cssentical parameters of ECG signal used in the arrhythmia mo
nitoring systems.
