Фильтрация - это уже само по себе преднамеренное изменение исходного сигнала с целью выделить из него полезную информацию. Стандарт на электрокардиографы не регламентирует набор фильтров для электрокардиографа, а также их характеристики в конкретной модели приборов, следовательно, в различных электрокардиографах используются различные виды фильтров, которые будут по-разному влиять на сигнал ЭКГ. Именно различным влиянием фильтров на ЭКГ объясняется расхождение в показаниях различных электрокардиографов.
На мировом и отечественном рынках присутствует большое разнообразие электрокардиографической техники. Электрокардиографы работают в узком диапазоне частот и имеют ограничения в области низких (от 0,05 Гц и выше) и высоких частот (20, 40, 75, 150, 250 Гц).
В [1; 3; 5] авторы подчеркивают важность вопросов, связанных с фильтрацией. Процесс регистрации ЭКГ сопровождается большим количеством разнообразных шумов и помех, накладывающихся на полезный сигнал ЭКГ.
В [1] приводится обзор основных видов помех, способы их устранения и побочные эффекты, накладываемые на ЭКГ (табл. 1). В таблице представлено влияние ФВЧ на ЭКГ при устранении дрейфа изолинии.
Таблица 1 - Влияние ФВЧ на ЭКГ при устранении дрейфа изолинии
|
Вид помех |
Способ устранения |
«Побочные эффекты» на ЭКГ |
|
Дрейф изолинии |
Фильтрация фильтром верхних частот
Использование активных систем стабилизации изолинии (ADS)
Использование качественных электродов, контактной среды |
Уменьшение смещения сегмента ST
|
В Томском политехническом университете в лаборатории медицинского приборостроения разработаны медицинские наноэлектроды. На их основе создана электрокардиографическая аппаратура [2; 4].
Преимущества наноэлектродов:
- практически не поляризуются при токах до 0,5 мкА и имеют низкие контактные потенциалы;
- дрейф электродного потенциала при токе в 1 нА составляет не более 0,001 мкВ/с; при токе в 100 нА - не более 0,01 мкВ/с.
Обычные электроды под воздействием биоэлектрической активности мышц, возникающей в процессе жизнедеятельности человека, поляризуются. По этой причине либо применяют фильтры, ограничивающие сигналы в области низких частот, либо разрабатывают следящую систему на цифро-аналоговых преобразователях для компенсации постоянной составляющей биоэлектрической активности во входной цепи. Чаще всего идут по пути ограничения полосы пропускания измерительной системы. Второй вариант применяют в приборах высокого разрешения, схема усложняется, содержит большее количество электронных компонентов, которые приводят к увеличению уровня базового шума и к снижению чувствительности. Постоянное напряжение на выходе ЦАПа в следящей системе создаёт постоянные токи, протекающие через электроды, поляризуя их.
Наноэлектроды позволили создать электрокардиограф без фильтров во входной измерительной цепи, который обеспечивает более точную диагностику, с меньшим количеством ошибок, возникающих при интерпретации искаженной фильтрами электрокардиограммы, получить технические характеристики ЭКГ-аппарата, превышающие характеристики дорогих ЭКГ-аппаратов, используемыех в кардиоцентрах и других медицинских учреждениях.
Разработаны макеты приборов (одноканальный и трехканальный), работающие в диапазонах 0-100 Гц. В данных приборах отсутствует заграждающий фильтр 50 Гц и ФВЧ.
Была проведена оценка влияния различных видов фильтров на сигнал ЭКГ. Для этого в системе MatLab была спроектирована схема (рис. 1), которая содержит два канала. Первый канал содержит ФВЧ типа Баттерворта 4-го порядка с частотой среза 0,05 Гц (Filter Highpass 0,05Hz). Второй канал содержит ФВЧ типа Баттерворта 4-го порядка с частотой среза 0,15 Гц (Filter Highpass 0,15Hz).
Рис. 1.
На выходе каждого канала установлен осциллограф (Scope), позволяющий графически увидеть влияние фильтров на сигнал ЭКГ в системе MatLab, а также блок (To File), позволяющий считывать и записывать данные с отфильтрованной ЭКГ для дальнейшего просмотра этих данных в программе «Исследование кардиосигналов» («Е-Кардио»). Программа «Е-Кардио» позволяет в более удобной форме просматривать ЭКГ, а также дает возможность сравнить спектры сигналов до и после фильтрации.
Для исследования влияния фильтра высокой частоты на электрокардиографический сигнал используются программы: MatLab, «E-Кардио» и специально разработанная программа для конвертации файлов из одной программы в другую - ReadMAT.
Как запись, так и чтение фрагментов сигнала для пакета MatLab осуществляется в два этапа и при этом используются две программы: «E-Кардио» и ReadMAT.
1. Запись. Сохранение файла в формате MatLab осуществляется в два приема:
- а) читается файл формата .DAT и вырезается требуемый фрагмент сигнала;
- b) вырезанный фрагмент сохраняется в файл формата .BINMAT;
- c) программой ReadMAT файл .BINMAT конвертируется в файл формата .MAT.
2. Чтение. Чтение и просмотр файла формата MatLab также выполняется в два приема:
- a) программой ReadMAT читается файл .MAT и конвертируется в формат .BINMAT;
- b) файл .BINMAT читается программой E-Кардио и отображается на странице «Вырезанный фрагмент».
Результаты влияния фильтров на ЭКГ-сигнал в системе MatLab представлены на рис. 2-5.
а) сигнал с патологией на входе канала с ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц;
б) фрагмент сигнала с патологией на входе канала с ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц;
в) сигнал с патологией на выходе канала с ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц;
г) фрагмент сигнала с патологией на выходе канала с ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц.
Рис. 2. Канал с ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц.
а) сигнал с патологией на входе канала с ФВЧ с частотой среза 0,15 Гц;
б) сигнал с патологией на выходе канала ФВЧ с частотой среза 0,15 Гц.
Рис. 3. Канал с ФВЧ с частотой среза 0,15 Гц.
Рис. 4. Сигнал здорового человека на входе канала с фильтрами.
Рис. 5. Сигнал здорового человека на выходе канала ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц.
На рис. 6 показан увеличенный фрагмент ЭКГ пациента, зарегистрированный с 1-го грудного отведения по Небу, на входе и выходе ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц.
Рис. 6. Фрагмент электрокардиограммы с грудного отведения по Небу, пациента П5:
а) до фильтрации; б) после фильтрации ФВЧ с частотой среза 0,05 Гц.
В современном кардиографе применяются несколько видов фильтров, предназначенных для разных задач, а каждый из видов может быть представлен несколькими вариантами. Это создает большое число возможных комбинаций фильтров.
В зависимости от параметров фильтрации сигнала могут наблюдаться достаточно заметные изменения в чувствительности выявления ишемии миокарда по смещению сегмента ST, т.к. фильтры в измерительной цепи электрокардиографов оказывают различное влияние на амплитуды, длительности зубцов и смещение интервалов электрокардиосигнала.
Экспериментально доказано, что фильтры высокой частоты приводят к дополнительному смещению S-T комплекса на 30-40 мкВ (рис. 6). В результате такого смещения врачи-кардиологи получают параметр, который можно интерпретировать как ишемию миокарда (смещение 100 мкВ диагностируется как ишемическая болезнь сердца), хотя реальное смещение сигнала составляет порядка 70 мкВ.
В современной электрокардиографической аппаратуре широко используются фильтры высоких частот, которые ограничивают сигнал в области низких частот и приводят к дополнительному смещению ST-сегмента (30-40 мкВ за счет воздействия фильтра), что снижает диагностическую ценность данного метода. Данную проблему можно решить только путем устранения фильтров в измерительной цепи, что достигнуто в электрокардиографах на наноэлектродах.
Разработанный электрокардиограф на наноэлектродах позволяет измерить смещение ST-комплекса, составляющее единицы и десятки мкВ без искажения изоэлектрической линии сердца фильтром высокой частоты, что приведёт к повышению точности диагностики ишемической болезни сердца.
Данное исследование выполняется в соответствии с госзаданием 7.2269.2011 «Проведение фундаментальных исследований по выявлению изменений электрокардиографического сигнала нановольтового и микровольтового уровня с целью ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний» и проектом РФФИ № 12-08-00996 «Исследование искажений тонкой структуры (низкоамплитудных высокочастотных колебаний) биопотенциалов сердца и мозга, вносимых фильтрующими схемами медицинского диагностического оборудования; поиск путей устранения помех с сохранением тонкой структуры уровнем менее 1 мкВ в полосе частот 0-150 Гц».
Рецензенты
- Агафонников В.Ф., д.т.н., профессор кафедры конструирования узлов и деталей РЭС (КУДР) Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), г. Томск.
- Максимов И.В., д.м.н., профессор, ведущий специалист ФГБУ «НИИ кардиологии» Сибирского отделения РАМН, г. Томск.