НОВЫЙ МЕТОД ОПИСАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННОГО КАРТИРОВАНИЯ ЭКГ ВР И ОЦЕНКА ЕГО ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Ключевые слова ЭКГ высокого разрешения, спектрально-временное картирование

Key words high resolution ECG, spectral-temporal analysis

Аннотация Предложен новый метод описания результатов спектрально-временного картирования ЭКГ высокого разрешения и уравнение дискриминантной функции для диагностики ИБС.

Annotation The new technique of spectral-temporal analysis results interpretation with Fourier Transform and discriminator equation for CAD diagnosis was recommended.

Автор Бойцов, С. А., Гришаев, С. Л., Тищенко, О. Л., Солнцев, В. Н., Пинегин, А. Н.

Номера и рубрики ВА-N14 от 28/12/1999 /.. Оригинальные исследования

К настоящему времени понятно, что достигнут определенный предел диагностических возможностей метода стандартной ЭКГ по выявлению скрытых ишемических изменений в миокарде. В связи с этим продолжается поиск новых методов, в том числе все более широкое применение находит метод ЭКГ высокого разрешения (ЭКГ ВР). Полученные в последние годы результаты позволяют утверждать, что этот метод обладает более широкими диагностическими возможностями по сравнению с ЭКГ, но основной объём проводимых исследований, главным образом, посвящен изучению электрической нестабильности миокарда и анализу поздних потенциалов желудочков (ППЖ) и предсердий (ППП) по методу Симсона [11].

Другой метод, спектральный анализ (frequency-domain), оценивает изменения амплитудно-частотных характеристик определенного участка кардиосигнала [8]. Наиболее часто для спектрального анализа используют метод быстрого преобразования Фурье (БПФ), с помощью которого сигнал можно разложить на составляющие его колебания различной частоты и амплитуды. Основное требование при использовании БПФ - сигнал должен быть периодическим и непрерывным. Для удовлетворения этого условия применяют функцию "окна": выделяют интервал ЭКГ-сигнала (конечная часть комплекса QRS и начало сегмента ST), в котором при временном анализе определяют признаки ППЖ. Одновременно допускается, что это выбранное "окно" ЭКГ-сигнала постоянно повторяется без прерывания другими зубцами (Р, T), комплексом QRS и изоэлектрическим интервалом Т-Р [9].

Спектрально-временное картирование (СВК), или спектральное картирование множественных сегментов (spectral-temporal mapping), одним из первых применил R.Haberl [4, 5]. Принцип метода заключается в вычислении спектра движущегося во временной оси "окна" в конечной части QRS и сегменте ST. По результатам расчетов строится трехмерный график частоты, времени и амплитуды. Вычисляется спектральная энергия при проведении БПФ 25 сегментов длиной 80 мс, смещенных на 3 мс друг от друга. В ранних работах по данной методике первый сегмент начинался на 52-й мс после окончания QRS, а последний - в 20 мс до него. Определялась степень корреляции между значениями частотного спектра 2- 25 и первого сегмента. Коэффициенты корреляции указывали на степень схожести спектральных карт: нулевой коэффициент - две карты непохожи, единица при идентичности карт. Вычислялся фактор нормальности (ФН) - соотношение между средним значением коэффициентов корреляции пяти последних сегментов и остальных, выраженное в процентах. Критерием наличия ППЖ являлось низкое значение ФН (менее 30%) в любом из X, Y, Z и в векторно суммированном отведениях.

Основным недостатком методов спектрального анализа и традиционного варианта СВК ЭКГ ВР является то, что изучению подвергаются только конечные части комплекса QRS и зубца Р, в то время как диагностическая значимость спектрально-временных карт остальных элементов электрокардиограммы остается практически не исследованной. Другим недостатком является сложность восприятия получаемых результатов и, в силу этого, отсутствие единого стандарта их описания.

Целью настоящего исследования явилась разработка нового метода описания спектрально-временных характеристик электрофизиологических процессов в миокарде и оценка эффективности метода в дифференциальной диагностике нормы и начальных стадий ИБС.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обследовано 300 лиц мужского пола. Все обследованные были разделены на 3 большие группы. В состав первой группы (100 человек) вошли здоровые лица, принадлежащие к условно младшей возрастной группе (17-25 лет). В состав второй группы были включены всего 50 человек принадлежащие к условно средней возрастной группе без признаков поражения сердечно-сосудистой системы в возрасте от 35 до 45 лет (средний возраст 31,5±6,2 лет). В состав третьей группы были включены 150 больных ИБС, стабильной стенокардии напряжения I-II ФК (в соответствии с Канадской классификацией 1985 г.). Хроническая коронарная недостаточность была верифицирована у всех больных ИБС методом велоэргометрии или ЧПЭКС.

ЭКГ ВР регистрировалась с помощью аппаратуры фирмы "Geolink-Elertronics" с последующей обработкой пакетом программ, разработанных в лаборатории компьютерных технологий в медицине Факультета фундаментальной медицины МГУ им. М.В.Ломоносова. В этом пакете реализован метод СВК ЭКГ ВР, похожий на метод Габора, предшественника wawelet-анализа, который заключается в оконном (с окном Парзена) преобразовании Фурье последовательных отрезков сигнала предварительно усредненной ЭКГ и построении карты, показывающей зависимость амплитуды от времени и частоты с последующим изучением ее структуры. Применялась узкополосная фильтрация сигнала для 25-50 значений частоты с подавлением второй и последующей гармоник. Программа позволяет проводить спектральный анализ различных участков кардиоцикла (зубцы P и T, комплекс QRS) с выделением временных, амплитудных и частотных характеристик любого выбранного в нем интервала и возможностью построения 2-х и 3-х мерных графиков.

Для анализа ЭКГ использовали показатели длительность зубца Р и комплекса QRS в мс, амплитуда зубца Р мВ и индекса Соколова-Лайона. Велоэргометрию (ВЭМ) проводили в стандартном варианте диагностической пробы. Нагрузку задавали непрерывно и повышали ее ступенчато. Длительность каждой ступени - 5 мин. Мощность нагрузки на первой ступени - 75 Вт, на второй - 125 Вт, на третьей - 150 Вт. Использовался временной анализ ЭКГ ВР по Симсону для выявления ППП и ППЖ. Ультразвуковое исследование сердца осуществлялось на аппарате Sigma-Iris 880 фирмы "CONTRON" в М- и D- режимах. Определялись следующие показатели: конечно-систолический размер левого желудочка, конечно-диастолический размер левого желудочка, размер предсердий, размер правого желудочка, толщина межжелудочковой перегородки и задней стенки левого желудочка. Суточное мониторирование ЭКГ проводилось с использованием комплекса Кардиотехника-4000 фирмы ИНКАРТ. Была использована стандартная методика ЧПЭКС. Первая ступень стимуляции проводилась при частоте 100 имп. в 1 мин. с последующем увеличением до планируемой субмаксимальной ЧСС на 20 имп. По ходу исследования по стандартной методике проводилась оценка АВ-проведения, основанная на определении эффективного рефрактерного периода АВ-соединения и точки Венкебаха.

Были использованы следующие статистические процедуры: одномерный и двумерный разведочный анализ, одномерный дисперсионный анализ, корреляционный, линейный регрессионный, кластерный и факторный анализы. Диагностическая процедура строилась методом дискриминантного анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При спектрально-временном картировании зубца Р начало шкалы времени программно совмещается с началом зубца Р, т.е. с моментом окончания возбуждения синусового узла. Конец зубца Р тоже автоматически фиксируется программой и соответствует моменту окончания процессов электрического возбуждения левого предсердия. Общая длительность зубца Р варьирует в пределах 70-120 миллисекунд в зависимости от размеров предсердий.

Существует физиологическое обоснование разделения времени регистрации зубца Р на три отдельных временных интервала, примерно равных по длительности. В первом интервале доминируют процессы возбуждения правого предсердия. Длительность этого интервала в среднем составляет 30-35 миллисекунд [1, 7]. После него, во втором интервале, развиваются процессы возбуждения межпредсердной перегородки. Третий интервал соответствует процессам возбуждения в левом предсердии. Длительность каждого из этих интервалов также составляет в среднем 30-35 миллисекунд [2, 6]. Точные значения этих интервалов устанавливались индивидуально для каждого пациента в процессе исследования зубца Р посредством разделения его длительности на три равных части.

Точно так же, как и для зубца Р, физиологически обосновано разделение длительности комплекса QRS на три временных периода. Начало шкалы времени для выделения этих интервалов определяется программно и физиологически соответствует моменту перехода электрического возбуждения с атрио-вентрикулярного узла на межжелудочковую перегородку. Первый период охватывает процессы возбуждения межжелудочковой перегородки и части миокарда правого желудочка. Его длительность, в среднем, близка к 30 миллисекундам [2, 10]. Второй период соответствует процессам возбуждения основной массы правого желудочка, верхушки, передних и боковых отделов левого желудочка. Его длительность составляет, в среднем, 40-45 миллисекунд. Наконец, третий временной интервал охватывает процессы возбуждения задне-диафрагмальных отделов левого желудочка. Его длительность, в среднем, составляет 40-45 миллисекунд. Конец комплекса QRS определяется программой автоматически и соответствует полному охвату электрическим возбуждением задне-диафрагмальных и базальных отделов левого желудочка.

Сущность предложенного алгоритма анализа спектрально-временной карты состоит в том, что весь анализируемый частотный диапазон был разделен на три части: низкочастотную, среднечастотную и высокочастотную [3]. Границы между этими диапазонами выбраны по следующей схеме: до 30 герц, 30-60 герц и 60-100 герц - для зубца Р и до 40 герц , от 40 до 90 герц и 90-150 герц -для комплекса QRS, соответственно. Низкочастотный диапазон содержит набор частот, описывающих движение суммарного вектора процесса электрического возбуждения предсердий и желудочков. Появление дополнительных экстремумов в этом частотном диапазоне, как показали предварительные исследования, возможно обусловлено наличием значительных изменений размеров камер сердца и толщины их стенок. Целесообразность выделения среднечастотного диапазона обусловлена тем, что в этой полосе частот наиболее часто встречаются экстремумы у здоровых людей. Причины этого, вероятно, обусловлены естественными анатомическими образованиями. Соответственно, выделение высокочастотного диапазона как для зубца Р, так и для комплекса QRS согласно собственным данным, необходимо в связи с тем, что в этой полосе частот появляются экстремумы, ассоциированные с нарушениями сердечного ритма.

Таким образом, спектрально-временная карта зубца P и комплекса QRS оказывается разделенной сеткой координат на 9 самостоятельных сегментов, кроме того, анализируются амплитуды спектральных максимумов. Были выделены два уровня амплитудных характеристик. Низкоамплитудный - составлял до 20 мкВ для зубца P и до 40 мкВ для комплекса QRS, высокоамплитудный - выше этих показателей. Низкоамплитудный диапазон выделен на основании результатов проведенных исследований, которые показали, что при патологии характерно появление именно таких экстремумов [1, 3].

Таким образом, всё анализируемое частотно-амплитудно-временное пространство разделено на 18 дискретных объемных ячеек. Предложенная методика предполагает подсчет количества пиков в каждой ячейке. Суммарное количество отдельных информационных ячеек для СВ карты зубца Р и комплекса QRS составляет 36.

В отличие от всех известных работ, в которых применялся метод СВК, в данной работе для дальнейшего анализа использовались не конкретные значения частоты, момента появления и амплитуды каждого выявленного пика, а только сам факт попадания этого пика в конкретную информационную ячейку. Информационной характеристикой в данной ситуации являлось количество пиков, локализованных, в данной ячейке. Предполагается, что все пики, находящиеся в одной ячейке, имеют единый физиологический или патофизиологический генез.

Сравнительный анализ распределения выборочных средних значений числа пиков по ячейкам спектрально- временной карты зубца Р и комплекса QRS для группы здоровых и больных ИБС позволил выявить ряд закономерностей. В карте зубца Р у больных ИБС происходит смещение пиков в высокочастотный диапазон и последнюю треть с одновременным увеличением их числа. В карте комплекса QRS у больных ИБС увеличивается число пиков в среднечастотном и особенно высокочастотном диапазонах для всех временных интервалов.

Результаты кластерного и факторного анализов подтвердили однородность исходных групп пациентов с точки зрения наличия выбросов или группировок в совокупности исходных параметров.

Таким образом, по результатам исследования повторяемости для группы здоровых лиц выявлена устойчивая картина распределения числа пиков по отдельным информационным ячейкам спектрально-временные карты зубца Р и комплекса QRS. При этом для здоровых лиц различных возрастных категорий (при сравнении 1 и 2 группы) выявлены свои характерные особенности распределения частотных пиков, имеющие стабильный характер, что позволило построить нормативные спектрально-временные карты для разных возрастных категорий здоровых лиц. Спектрально-временные карты для зубца Р и комплекса QRS у лиц 1 группы представлены на рис. 1 и 2.

Для 3 группы больных ИБС при исследовании повторяемости картины СВК выявлена неустойчивость распределения числа пиков по отдельным информационным ячейкам спектрально-временных карт зубца Р и комплекса QRS как в отношении каждого конкретного больного, так и в отношении всей совокупности больных данной группы.

Дальнейшим этапом работы явилось исследование возможности диагностики ИБС с начальными клиническими проявлениями на основании предложенной системы дискретных показателей. Для этого, помимо параметров СВК анализировался массив дополнительных параметров, полученных с помощью других общепринятых методик. Основным формальным методом построения количественной процедуры дифференциальной диагностики явился линейный дискриминантный анализ. Было проведено исследование различных вариантов построения диагностической процедуры ИБС с начальными клиническими проявлениями. Основные полученные результаты были следующие:

Использование полного набора 35 показателей (СВК и дополнительных неинвазивных методов исследования сердечно-сосудистой системы) дает высокую чувствительность выявления ИБС- 98%.

Использование только 17 показателей СВК (табл. 1) также дает достаточно высокий уровень чувствительности-93%, при предсказывающей ценности положительного результата-91% и предсказывающей ценности отрицательного результата-89%.

Таблица 1.

Оптимальный набор признаков спектрально-временной карты

Оптимальный набор из 22 показателей дает чувствительность метода, равную 97%. В этот набор входит 16 наиболее информативных показателей СВК, длительность и амплитуда зубца Р, индекс Соколова-Лайона и размеры желудочков по данным ЭхоКГ (табл. 2).

Таблица 2.

Оптимальный набор дополнительных параметров

Процедура диагностики ИБС по оптимальному набору показателей строилась следующим образом:

1. Индекс зубца Р (PS):
PS = 12хP11 + 13хP12 + 19хP13 + 16хP21+ 14хP22 + 16х P23 + 18хP31 + 20хP32 + 21хP33

2. Индекс комплекса QRS (QS):
QS = 17хQ12 + 26хQ13 + 58хQ21 + 20хQ22 + 12хQ23 + 15хQ32 + 26хQ33

3. Индекс дополнительных показателей (ADD):
ADD = 1155хPTI + 391хPAI + 59хQSP + 102хQDL - 100хQSL - 9хSLI

4. Уравнение дискриминантной функции:
DF = PS + QS + ADD - 575.
DF < 0 - " здоров ", DF = 0 - "ИБС"

Анализ построенной оптимальной дискриминантной функции показал, что в дискриминантную функцию входит больше показателей, относящихся к спектрально-временной карте зубца Р, чем комплекса QRS. Это может быть связано с тем, что на начальной стадии ИБС именно в предсердиях наиболее выражены нарушения нарушения электрофизиологических процессов [6].

Возможно вследствие того, что масса миокарда в предсердиях значительно меньше, чем в желудочках и нарушения электрофизиологических процессов вследствие кардиосклероза и ишемии могут быть нивелированы в меньшей степени. Также это может быть обусловленно относительно большей выраженностью гемодинамических нарушений в предсердиях вследствие диастолической дисфункции левого желудочка. Гистограммы значений дискриминантной функции между группами 2 и 3 приведены на рис. 3.

Рис. 3. Гистограммы значений дискриминантной функции по оптимальному набору показателей. Линией показана аппроксимация нормального распределения.

ВЫВОДЫ

1. Предложенная методика описания спектрально-временных карт зубца Р и комплекса QRS позволяет получить способ количественной оценки распределения частотных пиков в системе пространственно-временных ячеек, отражающих основные электрофизиологические процессы возбуждения миокарда предсердий и желудочков.

2. Для группы больных с начальными клиническими проявлениями ИБС при исследовании повторяемости картины спектрально-временных карт выявлена неустойчивость распределения числа экстремумов по отдельным информационным ячейкам карт зубца Р и комплекса QRS как в отношении одного больного, так и в отношении всей совокупности больных данной группы. По всей видимости, это является следствием нарушения хода нормальных электрофизиологических процессов в предсердиях и желудочках.

3. На основе анализа результатов СВК ЭКГ ВР выведено уравнение дискриминантной функции, применимое для построения процедуры диагностики ИБС с начальными клиническими проявлениями. Методика СВК ЭКГ ВР на основе предложенной схемы описания частотно-временных характеристик позволяет диагностировать ИБС; стенокардию напряжения I ФК с чувствительностью - 93 % при предсказывающей ценности положительного результата - 91 %, предсказывающей ценности отрицательного результата - 80 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бойцов С.А., Тищенко О.Л., Недошивин К.Ю. Анализ сигнал-усредненной ЭКГ (по данным временного и спектрально-временного картирования) у больных гипертонической болезнью.// Артериальная гипертензия (приложение): СПб., 1997.-Т.3, N1.-С.22-23.

2. Blaszyk K., Kulakowski P., Poloniecki J. et al. Spectral temporal mapping versus time domain-analysis of the signal averaged electrocardiogram: reproducibility of results. // European Heart J.,1992.,V.13., Abstract suppl., p.646.

3. Boitcov S.A. Spectral-temporal mapping of P-wave and QRS complex at the healthy persons and the patients with coronary artery disease.// International congress of physilogical sciens.-Helsinki.-1997.-Vol.12.-P.197.

4. Haberl R., Jilge G., Pulter R., Steinbeck G. Comparison of frequency and time-domain analysis of the signal averaged electrocardiogram in patients with ventricular tachycardia and coronary artery disease: methodologic validation and clinical revelance // JACC - 1988 - Vol.12 - P.150-158.

5. Haberl R., Jilge G., Pulter R., Steinbeck G. Spectral mapping of the electrocardiogram with Fourier transform for identification of patients with sustained ventricular tachycardia and coronary artery disease //Europ. Heart J. - 1989 - Vol.10 - P. 316-322.

6. Lander P., Berbary E.J., Rajagopalan C.V. et al. Critical analysis of the signal-averaged electrocardiogram (Improved identification of late potentials).// Circulation. 1993 - Vol. 87 - P.105-117.

7. Makfarlane P.W. A comparison of different processing techniques for measuring late potentials. //Theproceedings of the international simposium on high-resolution ECG. Yokohama. Japan. July 3 - 1994 - P.136

8. Meste O., Rix H., Caminal P., Thakor N. Ventricular Late Potentials Characterisation in Time-Frequency Domain by Means of a Wavelet Transform.// IEEE Transaction on Biomedical Engineering. Vol. 41 N7July 1994. p.625-633.

9. Novak P., Zhixing L., Novak V., Natala R. Time frequency mapping of the QRS Complex in Normal Subjects and in Postmyocardial Infarction Patients.// J.of Electrocardiology Vol. 27 N1. 1994. p.49-60.

10. Simson M.B., Euler D., Michelson E.L. Detection of delayed ventricular activation on the body surface in dogs.// Am.J.Physiol. 1981.,V.241.,H363-369.

11. Simson M.B. Use of signal in the terminal QRS complex to identify patients with ventricular tachycardia after myocardial infarction. //Circulation 1981; 64:235-242.