Предыдущие стандарты и отзывы

В течение последних нескольких десятилетий компьютерной эры появились рекомендации по стандартизации записи ЭКГ и директивы по ее интерпретации. В 1975 году были опубликованы самые последние всеобъемлющие рекомендации AHA по стандартизации отведений и общие технические требования к аппаратам ЭКГ. В 1978 году целевые группы Американского Колледжа Кардиологии составили сборник отчетов об оптимальной электрокардиографии, в котором рассматривалась стандартизация терминологии и интерпретации, разработка баз данных, качество записей ЭКГ, компьютеры в диагностической кардиологии, использование ЭКГ на практике, экономическая эффективность ЭКГ, а также обсуждение будущих направлений. В Европе, общие международные стандарты для качественной электрокардиографии (CSE) развивались на основе работ Виллемс и коллег. Исследования CSE были разработаны для уменьшения широких расхождений, существующих в измерениях волн, полученных с помощью компьютерных программ для ЭКГ, а также для оценки и улучшения диагностической классификации программ интерпретации результатов ЭКГ.Учитывая расширение использования компьютерных систем ЭКГ и развивающиеся технологии, рекомендации для полосы пропускания частот ЭКГ и стандартов цифровой обработки сигналов во время автоматизированной электрокардиографии, были сформированы в 1990 году комитетом AHA.

 

В 1991 году рекомендации документов AHA 1975 и 1990 годов были включены в сводный документ об диагностических устройствах ЭКГ, разработанный Ассоциацией по Усовершенствованию Медицинского Инструментария (AAMI) и подтвержденный Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI). Этот документ был подтвержден ANSI в 2001 году. Другие заявления были посвящены рассмотрению вопросов, связанных с темой использования ЭКГ и компетенцией врача при ее интерпретации.

Сигнал ЭКГ и его обработка

Автоматизированный анализ цифровой ЭКГ с двенадцатьюотведениями включает в себя анализ сигналов и диагностическую классификацию. Обработка ЭКГ происходит в течении определенных этапов, каждый из которых требует соблюдения методологических стандартов. Эти шаги включают в себя -

(1) получение сигнала, включая их отбор; (2) трансформацию данных или подготовку данных для дальнейшей обработки, в том числе нахождение комплексов, с их последующей классификацией на «доминирующие» и «недоминирующие» (эктопические) типы и формированием среднего или медианного комплекса для каждого отведения; (3) распознавание формы сигнала, которое является процессом идентификации начала и конца диагностических волн; (4) экстраполяция признаков, измеряющих амплитуды и интервалы; и (5) выработку диагностической классификации. Диагностическая классификация может быть эвристической (т.е. детерминистской или основанной на правилах, полученных опытным путем)или статистической по методу исследования.

Сигнал ЭКГ

Стандартная ЭКГ с двенадцатью отведениями регистрирует потенциальные различия между выбранными участками на поверхности тела, которые изменяются во время сердечного цикла; она отражает различия трансмембранного потенциала клеток миокарда, которые возникают в момент деполяризации и реполяризации в каждом цикле. ЭКГ рассматривалась Эйнтховеном и др., как сигналы, возникшие в стационарном, временном,одиночном или дипольном источнике, который может быть представлен вектором, в данном случае вектором сердца. В этой модели напряжение в любом отведении объяснялось проекцией вектора сердца на прямую линию, которая определялась как ось отведения. Бургер и др. расширили эту концепцию, рассматривая оси отведений в качестве векторов. Вектор отведения, имеющий направление, отличающееся от оси отведения, также имеет длину. Напряжение отведения - это не просто проекция вектора сердца на ось отведения, но и его проекция на вектор отведения, умноженный на длину (т. е. «сила») вектора отведения. Направление и сила вектора отведения зависят от геометрии тела и от различных электрических импедансов тканей туловища. Пары электродов (или комбинация электродов, служащих как один из двух электродов) и записи, полученные в результате их использования, известны как ведущие. Размещение электродов на туловище отличается от прямого размещения на сердце, поскольку локализованная сила сигнала, возникающая при прямом контакте с электродом, заметно ослабляется и меняется из-за неоднородностей туловища, которые включают границы тканей грудной клетки и вариации импеданса.

В любой момент времени электрическая активность сердца представлена разнонаправленными силами. Соответственно, электрический потенциал в любой точке поверхности тела представляет собой мгновенные, неаннулированные электрические силы сердца, и их отмена также зависит от неоднородностей туловища.Для дальнейшего ознакомления следует прочестьвсесторонний анализ теории отведений, написанный Горацеком в 1989 году. Чем дальше электроды сдвигаются от сердца, тем значительнее уменьшаетсясила сигнала вместе с силой отведений. Согласно теории пространственного угла, величина сигнала может быть связана как с пространственными, так и с непространственными факторами. Непространственные факторы включают в себя магнитуду разности трансмембранных потенциалов в границах сердца. Пространственные факторы включают в себя прогнозируемую границу разности потенциалов относительно площади сферы размера единицы измерения, что увеличивается с абсолютным размером площади, но уменьшается с расстоянием электрода отсердца. Одновременно активные волновые фронты внутри сердца могут спутать кажущуюся простоту этих моделей.

Основная частота для комплекса QRS на поверхности тела составляет 10 Гц, и большая часть диагностической информации содержится ниже границы частоты колебаний в 100 Гц у взрослых, хотя были обнаружены и изучены низкоамплитудные высокочастотные составляющие до 500 Гц. QRS младенцев часто содержат важные компоненты, достигающие частоты 250 Гц.

Основная частота T-волн составляет приблизительно от 1 до 2 Гц. Фильтрация сигналов ЭКГ в полосе пропускания от 1 до 30 Гц дает стабильную ЭКГ, которая, как правило, не содержит артефактов, но эта полоса неприемлема для диагностической записи, поскольку она производит искажения как высоко-, так и низкочастотных составляющих сигнала. Высокочастотные компоненты сигнала ЭКГ определяют наиболее быстро меняющиеся части сигнала, включая Q-волны и зазубрены в комплексе QRS. Поскольку измерение амплитуды QRS зависит от точного обнаружения пика волны R, неадекватный высокочастотный отклик приводит к систематической недооценке амплитуды сигнала и сглаживанию зазубрин и Q-волн. С другой стороны, неадекватный низкочастотный отклик может привести к значительным искажениям реполяризации. Соответственно, передаточные функции алгоритмов фильтрации аналоговых и цифровых электрокардиографов оказывают большое влияние на итоговую ЭКГ.

Обработка сигналов ЭКГ

Обработка сигнала ЭКГ с помощью цифрового электрокардиографа включает в себя начальную выборку сигнала от электродов на поверхности тела. Затем цифровая ЭКГ должна устранять или подавлять низкочастотный шум, возникающий в результате базового блуждания сигналов, движения, дыхания и высокочастотного шума, возникающего в результате артефакта сокращения мышц и электромагнитных помех, генерированных линиями электропередач. В результате сигналы ЭКГ на поверхности тела необходимо фильтровать и усиливать с помощью электрокардиографа. Цифровые фильтры могут быть спроектированы так, чтобы иметь линейные фазовые характеристики, и это позволяет избежать некоторых искажений, введенных классическими аналоговыми фильтрами. После фильтрации строятся отдельные шаблоны для каждого отведения из данных, отобранных в основном из доминантных комплексов, на базе которых производятся измерения амплитуды и продолжительности. Общие измерения производятся исходя из данных отдельных отведений или же из математических комбинаций одновременно собранныхданных индивидуальных отведений. Ошибки в измерениях оказывают важное влияние на точность диагностических выводов.

Сделана ссылка на всесторонний анализ технических факторов, влияющих на интерпретацию ЭКГ по Zywietz. В настоящем заявлении факторы, которые влияют на обработку сигнала ЭКГ, будут обсуждаться с точки зрения технологии, клинических аспектов и рекомендаций.

Выборка сигналов ЭКГ

Технологии

Электрокардиографы с прямой записью, которые преобладали до 1970-х годов, регистрировали сигналы, которые сопоставимыми по своей природе с непрерывными сигналами. Почти все компьютерные устройства текущего поколения преобразуют аналоговый сигнал ЭКГ в цифровую форму перед дальнейшей обработкой.

Аналого-цифровое преобразование в современных цифровых ЭКГ обычно происходит через входной канал, соединенный с модулем кабеля отведения. Начальная частота дискретизации при аналого-цифровом преобразовании на входе выше, чем частота дискретизации, которая используется для дальнейшей обработки сигнала ЭКГ. Первоначально повторный отбор проб сигналов («передискретизация») было введендля обнаружения и обозначения начала стимулирующих сигналов кардиостимулятора, которые обычно длятся 0,5 мс. Фронтальная выборка проводилась со скоростью от 1000 до 2000 сигналов в секунду, но более новые преобразователи могут регулярно отбирать от 10 000 до 15 000 сигналов в секунду или даже выше; другие преобразователи адаптированы по частоте дискретизации, при этом выходной сигнал пропорционален уровню обнаруженной энергии.

Клинические последствия

Начальная частота дискретизации, используемая компьютером для преобразования аналогового электрического сигнала в серию дискретных цифровых точек (как правило, описывается в единицах выборок в секунду или как частота дискретизации «х» Гц) чаще всего во много раз превышает требуемую для дальнейшей обработки сигнала ЭКГ. Это известно как «передискретизация». Длительность началасигнала стимулов кардиостимулятора обычно короче чем 0,5 мс, и поэтому они не могут быть надежно обнаружены обычным способом обработки сигналов при частоте 500-1000 Гц. Соответственно, основным преимуществом передискретизации является обнаружение короткихимпульсов кардиостимулятора. Во всех современных системах обнаружение коротких импульсов кардиостимулятора выполняется ненадежно или не совсем точно. Передискретизация может улучшить качество сигнала при высокочастотномсрезе.Отдельно от трудностей, связанных с длительностью началаимпульса кардиостимулятора, очень маленькие амплитуды сигнала стимуляциисовременных биполярныхкардиостимуляторовчасто просто слишком малы, чтобы их можно было распознать на стандартной ЭКГ, и эта проблема требует решения без необходимости введения искусственно усиленных сигналов кардиостимулятора в запись.

 

Рекомендации

Передискретизация, проводимая путем проведения многократныхверхнечастотных срезов сигнала, рекомендуется для образования рекомендованнойполосы пропускания в оцифрованном сигнале. Производители должны продолжать разрабатывать улучшенные алгоритмы для определения стимулов кардиостимуляторов и их количественного показа, а так же для процессов сохранения полученных данных и успешного извлечения записей ЭКГ по мере надобности. Низкоамплитудные сигналы кардиостимулятора не следует увеличивать искусственно, чтобы улучшить их распознавание, поскольку это искажает форму записанной ЭКГ. Вместо этого рекомендуется, чтобы производители включали отдельное отображение обнаруженного сигналакардиостимуляторатолько в первый ряд записи стандартного отведения, которое помогло бы идентифицировать сигналы предсердной, желудочковой и бивентрикулярной стимуляции. Выбранная строка может быть ритмической полосой, которая сопровождает стандартные 3 строки сигналов отведений в 4 столбцах; или в отсутствие строки ритма, для этой цели может быть выбранапервая из стандартных строк.

Низкочастотная фильтрация

Технологии

Частота сердечных сокращений в битах (циклах) в минуту (уд ​​/ мин) при делении на 60 (секунд в минуту) составляет нижнюю границу для частотного содержания в герцах (Гц, циклы в секунду). На практике это вряд ли будет ниже 0,5 Гц, что соответствует частоте сердечных сокращений 30 уд / мин; при этом частота сердечных сокращений ниже 40 уд / мин (0,67 Гц) на практике крайне необычна. Однако при традиционной аналоговой фильтрации частота среза фильтра нижних частотв 0,5 Гц вызывает значительные искажения в ЭКГ, особенно в отношении уровня сегмента ST. Это искажение возникает из-за фазовых нелинейностей, которые происходят в областях сигнала ЭКГ, где частота и амплитуда волны резко изменяются, как это происходит, когда окончание комплекса QRS переходит в сегмент ST. Цифровая фильтрация обеспечивает методы для увеличения низкочастотной границы срезабез появления фазовых искажений. Это может быть выполнено с помощью двухполюсного фильтра с повторной фильтрацией, которая применяется в обратном времени, то есть с конца волны T к началу Р-волны. Этот подход может быть применен к сигналам ЭКГ, которые хранятся в памяти компьютера, однакопри этом невозможно обеспечить непрерывный мониторинг в режиме реального времени без присутствия временной задержки. Альтернативно, сдвиг нулевой фазы может быть достигнут с помощью фильтра с плоской фильтрацией, который позволяет уменьшить базовый дрейф без низкочастотных искажений.

Клинические последствия

Низкочастотный шум, например, вызванный дыханием, приводит к тому, что запись сигналов блуждает выше и ниже базовой линии. Частота среза фильтра нижних частот 0,5 Гц, которое когда-то широко использовалось в мониторах ритма ЭКГ, уменьшает базовый дрейф из-за обычно более низкой частоты дыхательных движений, но может привести к выраженному искажению реполяризации, что соответсвенно приводит к артефактам отклонения сегмента ST. В 1975 году в рекомендациях AHA была примененачастота среза фильтра нижних частот 0,05 Гц для диагностической электрокардиографии. Эта рекомендация позволяет сохранить точность реполяризации, но не устраняет проблему базового дрейфа. Базовое подавление дрейфа необходимо для когерентного выравнивания последовательных комплексов, которые используют многие современные системы ЭКГ при формировании репрезентативного комплекса PQRST, который иногда называют шаблоном; в противном случае базовый дрейф может исказить амплитуды шаблонов. Новые цифровые фильтры могут корректировать базовый дрейф, сохраняя при этом точность уровней ST-сегмента, и эти цифровые методы требуют пересмотра предыдущих стандартов, применяемых для аналоговых фильтров.

Рекомендации

Чтобы уменьшить артефактное искажение сегмента ST, в документе AHA 1990 года была рекомендована частота среза фильтра нижних частот 0,05 Гц для обычных фильтров, однако подчеркивалось, что рекомендованная частота среза может быть ослаблена и до 0,67 Гц или еще ниже для линейных цифровых фильтров с нулевым фазовым искажением. Рекомендации ANSI / AAMI 1991 года, утвержденные в 2001 году, закрепили эти расширенные пределы низкочастотного среза для стандартных ЭКГ с двенадцатьюотведениями, с учетом уровня максимально допустимых ошибок для отдельных детерминант воспроизведения общего входного сигнала. Эти стандарты по-прежнему остаются в силе.

Высокочастотная фильтрация

Технологии

Цифровая частота дискретизации (выборки в одну секунду) определяет верхний предел частоты сигнала, который может быть представлен с достаточной достоверностью. Согласно теореме Найквиста, цифровой отбор проб должен выполняться в два раза быстрее скорости требуемой высокочастотнойграницы среза. Поскольку эта теорема справедлива только для бесконечного интервала выборки, в отчете AHA за 1990 г. рекомендуются частоты дискретизации, превышающие в два или в три раза теоретический минимум.

Ряд исследований теперь показал, что данные со скоростью 500 выборок в секунду необходимы дляустановления высокочастотнойграницы цифрового фильтра 150 Гц, необходимой для уменьшения амплитудных погрешностей измерений до уровня 1% у взрослых. Однако может потребоваться большая полоса пропускания для точного определения амплитуд у младенцев. Европейская группа CSE рекомендовала распознаваниеволновых форм сигналов, имеющих амплитуду не менее 20 вольт и длительность не менее 6 мс. Это подразумевает высокочастотный сигнал в диапазоне 150 Гц. В голландском докладе 2001 года было показано, что для того, чтобы сохранить амплитудные ошибки в 25 вольт в 95% случаев, необходима полоса частот до 250 Гц для педиатрических случаев и полоса до 150 Гц для подростков.

Клинические последствия

Чем выше частоты, содержащиеся в отфильтрованном сигнале, тем точнее будут измерения скорости подъема волны, ее максимальной амплитуды и волн малой длительности. Неадекватный высокочастотный сигналсокращает амплитуду QRS-измерений и способность обнаруживать небольшие отклонения. Поскольку цифровые ЭКГ имеют временное разрешение в миллисекундах и амплитудное разрешение в микровольтах, рекомендации по высокочастотнымсигналам ЭКГ менялись на протяжении многих лет. Высокочастотныеграницы среза 100 Гц считались адекватными в AHA в 1975 году для поддержания диагностической точности при визуальном контроле прямойзаписи электрокардиографами. Несмотря на это, всеми уже давно признано, что высокочастотные компоненты комплекса QRS существуют в действительности, и что эти компоненты могут иметь клиническое значение у пациентов с различными формами сердечных заболеваний. Для рутинного измерения точной длительности и амплитуды сигналов у взрослых, подростков и детей требуется использование высокочастотных сигналов среза не менее 150 Гц; в тоже время, верхняя частота среза 250 Гц более подходит для младенцев. Очевидным следствием этих рекомендаций является то, что уменьшение шума путем установки высокочастотной границы среза стандартной или контрольной ЭКГ до 40 Гц, приведет к аннулированию измерений амплитуды, используемых для диагностической классификации.

Рекомендации

Стандарт ANSI / AAMI 1991 года, утвержденный в 2001 году, рекомендует высокочастотную границу среза не менее 150 Гц для всех стандартных ЭКГ с двенадцатьюотведениями. В документе ANSI / AAMI также указаны максимально допустимые ошибки для отдельных детерминант общего воспроизведения входного сигнала, которые выходят за рамки настоящего доклада, но являются важными ориентирами для производителей. Самые последние ограничения по-прежнему остаются для подростков и взрослых, с увеличением частоты границы среза до 250 Гц у детей, при условии демонстрации проверки точности воспроизведения отдельными изготовителями в соответствии со стандартными методами. Электрокардиографы должны автоматически предупреждать пользователя, если используется неоптимальная высокочастотная граница, такая как 40 Гц; надлежащее высокочастотная границасреза должна автоматически восстанавливаться между рутинными стандартными записями ЭКГ.